汾河水库底泥污染特征及资源化利用分析

石玉飞范毅白兴全高峰

(1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2.山西汾河流域水生态环境管理有限公司，山西 太原 030000)

我国是世界上水库数量最多的国家，现有水库98002座，总库容9323亿m3[1]，在减轻洪涝灾害、维系区域生态平衡、保障区域供水和生物资源利用方面发挥不可替代的重要作用[2-4]。据报道，每年由于泥沙淤积造成的全球水库总库容损失达0.5%～1.0%[5]。我国水库平均年淤积速率为2.3%，大于国外水库淤积速率[6]。我国尤其北方河流含沙量高，库容年损失率高于世界平均水平，淤积问题尤为严重。山西省地处黄土高原、黄河中游，水资源严重短缺和水土流失十分严重。汾河水库位于汾河干流上游段，是汾河流域第1座综合利用的大型水利枢纽，是山西省目前最大的水库，也是太原市生活用水重要水源地，其上游流域地面物质组成及侵蚀特征，具有典型的黄土高原水库特性。水库建成以来，形成了大量泥沙淤积，库区地形基本呈盆地形状，库底左侧至右侧淤积面呈水平状态。大量泥沙淤积侵占了水库库容，直接影响了水库防洪、灌溉、供水、发电、航运、生态环境等功能效益的发挥[7-9]。因此，对淤积严重的水库进行清淤是维持水库正常运行的必要措施之一。然而，对水库清淤后的底泥进行有效地资源化利用也是目前亟待解决的问题。

底泥、水质和水生生物是水生态系统中重要的环境要素，在生态系统的能量流动和物质循环中具有重要的作用[10]。底泥由大量的氮、磷、有机质和长期累积的沉积物等物质组成。底泥成分复杂，在吸收外源污染物(如有机污染物)的同时，也会向水环境中释放大量的污染物，导致水体的污染物浓度增加[11,12]，并产生二次污染，引起水质恶化和水生生物死亡[13,14]。目前，清淤后底泥的资源化利用研究多集中在湖泊、河道和污水处理厂的底泥上[15-17]，缺乏对水库底泥的资源化利用研究。因此需要全面分析水库底泥的污染特征，并探索适合水库底泥资源化利用的方案。本文选取汾河水库为研究对象，通过对汾河水库底泥的物理性状、营养物质、粒径分布和有毒有害有机污染物进行分析，有针对性地制定底泥资源化方案，为今后各水库底泥的资源化利用提供理论依据和技术参考。

1 材料和方法

1.1 样品采集

本研究在汾河水库一共布设了24个底泥采样点，见图1，采样点较均匀地覆盖了整个汾河水库。使用抓斗式采泥器采集水库底泥，每个取样点取3次混合样，每个混合样取3次，混合样总体积为1L。将采集的水库底泥保存后，立即避光送回实验室进行分析。

图1 汾河水库底泥取样点示意图

1.2 底泥检测指标和分析方法

底泥检测指标包括pH、含水率、有机质、总氮、总磷、粒径分布和有毒有害有机污染物。

1.2.1 含水率

底泥的含水率采用重量法测定，将样品放进温度为105℃的电热鼓风干燥箱中烘干12h，自然冷却后计算底泥烘干前后的重量变化。

1.2.2 总氮和总磷

底泥的总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，总磷采用钼锑抗分光光度法测定，具体检测方法参考《水和废水检测分析方法》(第4版)[18]。

1.2.3 有机质

底泥的有机质采用重量法测定，将样品放进温度为600℃的马弗炉中灼烧2h，自然冷却后计算底泥灼烧前后的重量变化。

1.2.4 粒径分布

对底泥进行干燥和破碎后，采用国家统一标准筛：100目(150μm)、200目(75μm)、300目(48μm)和400目(38μm)，对样品进行筛分，测定底泥的粒径分布。

1.2.5 有机污染物

使用索氏提取器对底泥中的有机污染物进行萃取前处理，采用气相色谱-质谱联用仪对有机物污染物含量进行检测，具体检测方法参考《水和废水检测分析方法》(第4版)[18]。

2 结果分析

2.1 汾河水库底泥物理性状分析

汾河水库底泥pH值变化范围为7.0～8.0，见表1，符合农用的要求。汾河水库底泥含水率高，变化范围为53.30%±0.98%～81.02%±1.06%，普遍大于50%，见表1。其中，上游底泥含水率(如采样点1为53.30%±0.98%，采样点2为54.42%±0.68%)和下游底泥含水率(如采样点24为53.40%±024%)明显低于中游底泥含水率(如采样点12为78.16%±0.99%，采样点14为81.02%±1.06%)。沿岸的底泥含水率(如采样点8为63.61%±0.44%，采样点15为62.90%±0.83%，采样点22为60.67%±0.54%，采样点23为59.71%±0.13%)也低于中游底泥含水率。

2.2 汾河水库底泥营养物质分析

底泥中的氮磷含量在一定程度上为水库水体的富营养化程度提供参考，底泥中氮磷的释放会导致水库水体的富营养化。由表1可知，汾河水库底泥中总氮、总磷、有机质含量分布不均，总氮含量范围在62.92±3.71～1150.83±8.04mg·kg-1，总磷含量范围在0.83±0.05～97.07±2.46mg·kg-1，总氮和总磷含量处于较低水平。底泥中较高的总氮和总磷含量主要集中在采样点5(总氮含量为1150.83±8.04mg·kg-1、总磷含量为97.07±2.46mg·kg-1)、采样点6(总氮含量为399.77±5.45mg·kg-1、总磷含量为26.26±1.09mg·kg-1)、采样点7(总氮含量为627.23±5.20mg·kg-1、总磷含量为41.30±1.16mg·kg-1)、采样点8(总氮含量为460.04±2.10mg·kg-1、总磷含量为27.05±1.30mg·kg-1)和采样点9(总氮含量为400.89±0.62mg·kg-1、总磷含量为28.28±0.22mg·kg-1)。汾河水库底泥中有机质含量范围在24.63±0.66～90.66±0.88mg·kg-1，其中，采样点8有机质含量最高，采样点19有机质含量最低。这可能是由于采样点8附近有大片果园，植物茂盛，采样点19附近是裸土地。中等含量有机质主要在水库中游，如采样点12(64.31±0.99mg·kg-1)和采样点17(69.08±0.58mg·kg-1)。

根据单因子标准指数法评价汾河水库底泥的氮磷污染风险[21]，其中总氮的标准指标为550mg·kg-1，总磷的标准指标为600mg·kg-1。由表1可以看出，只有采样点5和采样点7的总氮污染指数大于1，有潜在的生态风险，其它采样点的总氮和总磷污染指数均小于1。

2.3 汾河水库底泥粒径分布分析

采用国家统一标准筛对样品进行筛分，汾河水库各采样点底泥的粒径分布如表2所示。汾河水库底泥粒径<400目占26.65%～67.92%、300～400目占7.02%～27.35%、200～300目占5.65%～36.28%、100～200目占3.74%～21.45%、>100目占3.10%～16.33%。在底泥粒径<400目中，采样点15(26.65%)、采样点16(26.79%)、采样点2(28.63%)和采样点6(30.61%)占比最少。在底泥粒径>100目中，采样点22(12.64%)、采样点13(12.69%)和采样点16(16.33%)占比最多。

2.4 汾河水库底泥有机污染物分析

根据汾河水库的地形，选取了12个采样点(采样点1、采样点4、采样点5、采样点7、采样点10、采样点11、采样点13、采样点14、采样点18、采样点19、采样点22和采样点24)的底泥进行了有机污染物含量的检测，检测结果如表3所示。在汾河水库的底泥中均未检测到有机污染物苊、苊烯、蒽、苯并(a)蒽、苯并(a)芘、苯并(b)荧蒽、苯并(g,h,i)苝、苯并(k)荧蒽、、二苯并(a,h)蒽、荧蒽、芴、茚并(1,2,3-cd)芘、萘、菲和芘的存在。

表2 汾河水库底泥粒径分布

表3 汾河水库底泥有机污染物含量

3 讨论

汾河水库底泥含水率的差别是由于汾河水库上游、下游和沿岸的底泥主要来源于周边的水土流失，含沙量较高导致的。这与报道的水库湖泊底泥含水率较为一致，如五源河中游底泥含水率为73.10%[15]，岩口水库底泥含水率也普遍大于50%(58.11%～87.43%)[19]。汾河水库底泥中总氮、总磷、有机质含量分布远低于国内报道的南方浙江岩口水库(底泥中总氮含量为3898mg·kg-1，总磷含量为882mg·kg-1)[19]和北方河北洋河水库(底泥中总氮含量为2131mg·kg-1，总磷含量为742mg·kg-1)[20]。采样点5的总氮和总磷含量高是由于此处附近地形的拦截作用使得营养物质在此处沉积，也有可能是该处的居民生活区产生的生活污水导致的。

依据全国第二次土壤普查推荐值[22]，土壤养分共分6级，1级为最高水平，6级最低水平，汾河水库底泥总氮属于3～6级，总磷含量属于6级，有机质含量属于1～3级。汾河水库底泥中的总氮含量属于中低水平，总磷含量属于低水平，但有机质营养等级较高，表明汾河水库底泥污染中有机质占比较大。

汾河水库底泥颗粒粒径越小占比越大，整体颗粒较细，具有一定的可塑性。汾河水库底泥主要由黏粒和粉粒组成，占比在60%左右，具有较好的膨胀性能。汾河水库沿岸的水土流失导致附近的水库底泥颗粒粒径较大。报道的河湖底泥的粒径主要为>300目[16]。汾河水库未检出有机污染物，报道的五源河底泥中也未检出有机污染物[15]。因此，在汾河水库底泥资源化中可以不考虑有机污染物的影响。

底泥资源化能带来一定的经济生态效益，根据以上对汾河水库底泥的特性分析，汾河水库底泥中有机质营养等级较高，有机质占比较大，底泥颗粒粒径越小占比越大，整体颗粒较细，无有机污染物，资源化利用方式可以考虑农田、园林绿化用土。

4 结论

汾河水库底泥pH值变化范围为7.0～8.0，含水率高，普遍大于50%。汾河水库底泥总氮属于3～6级，总磷含量属于6级，有机质含量属于1～3级。汾河水库底泥中的总氮含量属于中低水平，总磷含量属于低水平，但有机质营养等级较高。底泥颗粒粒径越小占比越大，整体颗粒较细。汾河水库底泥主要由黏粒和粉粒组成，占比在60%左右，具有较好的膨胀性能。在汾河水库的底泥中均未检测到有机污染物苊、蒽、苯并(a)蒽、苯并(a)芘、、萘、菲和芘等的存在。根据汾河水库底泥污染特征，资源化利用方式可以考虑农田、园林绿化用土。