河道污染底泥清淤深度确定及工程示范应用研究

2023-04-08肖诗瑶刘金龙

湖南水利水电 2023年5期

肖诗瑶，刘金龙

（1.湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南长沙 410007；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014）

前言

在社会经济发展中，城市水体受到了不同程度的污染，随着国务院《水污染防治行动计划》（“水十条”）的颁布，近年污水管网不断完善，外源污染得到了有效控制，而河湖底泥作为水体内源污染的源头，内源治理也是水质进一步改善的必要措施。底泥治理主要包括原位处理和异位处理两大类，但根据国内外不少实施案例来看，原位处理反复概率大，本文研究侧重于异位处理即底泥清淤。

近年来，我国陆续展开了以江苏太湖[1]、云南滇池[2]、武汉水果湖[3]等为代表的河湖环保清淤工程，环保清淤技术得到了一定发展，但仍存在底泥调查不足、疏挖精度有待提高等问题[4]。关于如何确定底泥清淤深度，国内外学者先后开展深入研究。如王雯雯等[5]利用氮、磷解吸试验推算太湖竺山湾污染底泥环保疏浚深度；吴永红等[6]对滇池典型湖湾沉积物氮、磷化学特性及疏浚层进行推算，采用趋势和拐点法来确定疏浚深度；当无具体的底泥监测数据时，一般参照国内外已实施的工程经验来取值,疏浚深度一般在（40～50）cm 为宜，存在一定的盲目性。

本文在回顾以往的底泥疏浚深度的研究成果基础上，综合考虑底泥的分层污染、底泥营养盐污染、污染物垂直分布特点，结合河道回淤风险、生态风险、水质风险，通过示范应用于深圳河清淤工程中，旨在为城市河道污染底泥清淤深度确定提供借鉴意义。

1 污染底泥清淤深度确定方法

1.1 底泥指标检测

底泥现状调研与分析是底泥清淤深度确定的基础。对底泥的调查研究需结合工程目标分析，主要调查指标及内容：①垂直分层特性，调查底泥分布范围及分布量；②基本理化性质，含水率、pH 及粒径；③营养盐特性，有机质、总氮、总磷和氨氮等；④重金属污染，包括铜、锌、镉、铅、汞、砷、铬、镍、银等。此外，如有条件开展底泥对上覆水体污染物释放率的测定。

目前，关于污染底泥的指标调查还没有相应的技术标准，一般根据工程目标来开展相关工作。在以内源污染控制为主的清淤工程中，以改善水质目标为重点，往往重视底泥污染成分全氮、总磷的监测与分析，针对清淤后的底泥侧重于底泥毒性污染分析，如重金属、石油烃等指标。

1.2 底泥污染特性评估

底泥污染评价是确定清淤深度的重要依据，同时对清淤后底泥的处理处置方案及资源化消纳途径的选择至关重要。

总体来讲，河湖底泥主要污染类型包括营养盐（氮、磷）污染、重金属污染、有机污染等，其中营养盐污染和重金属污染较为普遍，底泥中的营养盐释放至上覆水体将影响水质，重金属污染决定了底泥的危害程度。因此，科学评估底泥的污染特性，可系统全面地揭示河底泥污染现状，为水质改善和底泥疏浚提供理论指导和技术支撑。

目前，对于底泥的污染特性评价，国内尚无统一的标准或参照。关于氮磷营养盐污染的评价多采用单项因子标准指数法，根据污染程度分为1～4 级；关于重金属污染的评价，由于缺乏相应评价标准，现有工程一般可参考土壤环境质量标准[如《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）]来进行。主要评价方法包括：单项指数法、内梅罗污染指数法、生态风险指数法、地累积指数法等[7]，其中对于重金属评价应用较多的为Hakanson 潜在生态危害指数法。

1.3 底泥清淤深度的确定

清淤深度是应综合考虑水质情况、底泥理化性质、污染物分层情况、周边生态环境来确定，疏浚深度是环保疏浚的主要施工参数，确定疏浚深度的常用方法主要有分层法、拐点法、背景值比较法及底泥吸附和解吸特征法：

1）分层法，该法通过观察采集的泥柱样品，根据泥柱的外观（如色泽、颗粒的粗细、流态、臭味等）来进行分层，然后再对分层样品进行目标污染物的含量分析，比较各分层样品中污染物含量的大小，从而来确定疏浚深度，该法主要依赖主观判断，缺乏科学性。

2）拐点法，该法是依据泥柱污染物垂直分布过程中出现明显减小或者转折的变化，将上部分泥层确定为污染层，下部分泥层确定为稳定层或者历史沉积层。疏浚深度为该转折点到达底泥表面的距离。

3）背景值比较法，该法是将未受到污染的底泥作为参照，采用数学方法对某种污染物含量进行比较，从而确定底泥受污染的深度。该方法最大的局限性，就是要寻找到未受到污染底泥的参照物。

4）基于底泥吸附和解吸特征推算法，该法通过比较需要重点关注的污染物平衡浓度（ECO）与设定水质目标之间的大小关系，判断出底泥与上覆水体的吸附与解吸关系，从而帮助确定疏浚深度。

综上所述，分层法可表观判断污染特征的情况，但不够严谨科学，可作为辅助判断依据；背景值比较法对于背景值选择难度较大，也缺乏支撑依据，故在底泥清淤时应充分调查底泥理化性质，分析污染物垂直分布特性，寻找拐点，确定清淤深度。对于水质改善的底泥清淤工程，有条件开展底泥污染物对上覆水体的吸附及解吸特征研究，寻找底泥污染物含量的平衡浓度，作为深度清淤控制值；对于有机质及重金属污染的底泥，可采用生态风险指数，评估污染风险确定清淤控制值。此外，在清淤深度确定上，还应综合考虑底栖生态风险、当地生态风险、河道回淤风险及底泥扰动后的二次污染风险，合理确定清淤范围和深度。

2 深圳河底泥清淤示范工程应用

2.1 基本情况

深圳河作为深港界河，其河口断面为国家河道水质达标考核的国控断面，随着近年水环境治理工程的实施，深圳河干流排放口旱季污水截流工程已全部完成，考核断面已基本消除黑臭，但距水质达到V 类水标准仍有一定的差距。水质不达标的主要原因有两方面：一方面，深方陆域的污水还未完全得到分流收集和高标准处理排放；另一方面，河道本身多年积存下来的污染底泥释放造成了内源污染。

由于深圳河底泥淤积及污染严重，如不实施内源削减工程，很难实现水质目标，深圳河清淤工程旨在对污染最严重河段的污染底泥进行清淤，消除污染底泥对水质的不良影响。

2.2 底泥理化性质

2.2.1 底泥采样及检测指标

清华大学深圳研究生院于2017 年7 月在深圳河上布设了11 个监测断面，包括支流汇入口、口岸重要节点、考核断面等具有代表性的点位，每个断面设一个采样孔，采集底泥深度基本可达各断面平均淤积深度，对其理化性质进行了检测。

2.2.2 底泥采样情况

根据泥柱现场可辨的污染情况，可将深圳河底泥划分为：黑色污染层、健康过渡层、健康层。黑色污染层主要为黑色污泥，含有泥沙，可塑性不强，臭味明显；健康过渡层较上面的污染层颜色变浅，泥柱颜色为浅黑色或青色，黏度较大，具有一定的可塑性，臭味减轻；健康层为浅黄色或者灰黄色，含有沙砾和贝壳，硬度变大，基本没有臭味。在此基础上对泥柱进行了分层，分层的原则如下：泥柱从表面开始往下0.5 m，每10 cm一层；（0.5～1）m 之间，分两层，每25 cm 一层；1 m 以下按每50 cm 分层。见图1。

图1 深圳河底泥采样情况及平均淤积深度情况图

2.2.3 底泥主要污染物特征

由清华大学深圳研究生院底泥污染物检测数据[8]可知，底泥中污染物以总氮、总磷以及Cu、Zn、Ni 等重金属为主。

1）营养盐污染物。

总氮：沿河流方向，D1、D2、D10、D11 断面的总氮含量均较低，D3～D5 断面总氮含量相对较高；从D1 到D5 断面，不同深度的底泥中总氮含量均逐渐上升，从D6 断面开始又逐渐下降。垂向上，除D5 断面外总氮含量随深度增加波动较大，无明显规律；D5 断面在（0～200）cm 以内随深度增加而呈增长趋势，（200～300）cm 呈下降趋势，见图2。

图2 泥层总氮沿程分布图

总磷：沿河流方向，D1～D5 断面的总磷平均含量相对较高，D10、D11 断面总磷含量明显低于其他断面。D3 断面表层和中间层底泥中总磷含量最高，D10、D11 断面表层和中间层底泥中总磷含量较低，其他断面表层和中间层底泥中总磷含量居中且差别较小；D1、D4 断面底层底泥中总磷含量最高，D2、D3、D5 断面底层底泥中总磷含量较高，其他断面底层底泥中总磷含量较低。各断面垂直向上的总磷分布规律不甚明显，但多数断面表层总磷含量较高，往下往往呈现先下降、后上升、接近河底又下降的趋势，见图3。

图3 泥层总磷沿程分布图

2）重金属污染物。超标较多的重金属主要是Cu、Zn、Ni 三种，超标现象主要见于D3～D9 断面。各断面Cu、Zn、Ni 含量随底泥深度增加基本呈现先上升、后下降的趋势，但具体各层含量有一定的波动；D4 断面在深度300 cm 处仍为黑色污染层，Cu、Zn、Ni 含量在300 cm 以内随深度增加而波动上升，未见下降趋势，重金属沿程分布以铜为例，见图4。

图4 泥层铜沿程分布图

2.2.4 清淤深度确定

根据底泥理化性质与污染特征分析，目前底泥污染最为严重的为D3、D4、D5 断面，本次示范工程拟优先对该河段进行清淤，即罗湖口岸～滨河污水处理厂河段。

清淤深度主要通过水质超标的污染物来确定，本次清淤旨在改善水质，清淤深度拟根据底泥分层特性，主要污染物的风险值，分布特征，并结合河段各断面的淤积深度来综合确定。

1）基于底泥分层情况确定。深圳河大部分底泥存在明显分层，污染层特征为淤泥发黑油亮、密度小、颗粒构成细、含水率很高、带有臭味，属于重度污染部分；污染层往下，淤泥较上面的污染层颜色变浅，泥柱颜色为浅黑色或青色，黏度较大，具有一定的可塑性、臭味减轻，为健康过渡层，属于轻度污染部分；再往下层往往出现浅黄色或者灰黄色泥层，其泥质紧密而细腻并夹杂着生物壳，为健康层，属于清洁部分。宜将重度污染层清除，轻度污染部分酌情清除，但不宜影响到清洁部分，根据《疏浚与吹填技术规范》环保疏浚断面顶高程应不高于过渡层顶高程，疏浚厚度宜小于污染层和过渡层总厚度，所以基于底泥分层特性，最小清淤深度按污染层深度控制。

2）基于底泥营养盐污染风险分析。根据清华大学《深圳河底泥取样调查报告》，对深圳河氮营养盐污染风险采用单项因子标准指数法进行评价，单一污染因子i 的一般标准指数如关系式：Si=Ci/Cs。深圳河总氮的评价标准为800 mg/kg，总磷的评价标准为600 mg/kg，其中Si＜1.0 为清洁，1.0≤Si≤1.5 为轻度污染，1.5＜Si≤2.0 为中度污染，Si＞2.0 为重度污染。本次清淤考虑将重度污染层清除掉，最小清淤深度按风险指标2.0 控制。

3）基于底泥主要污染物分布的拐点特征确定。结合总氮、总磷和氨氮三类污染物在泥柱上的分布情况，本次选取污染物明显降低的点位作为分界点，该点位以上的厚度作为疏浚厚度；针对泥柱中氮磷污染物在底泥厚度方向上垂直分布没有明显的拐点，或者拐点的氮磷污染物含量比表层的氮磷污染物含量更高的情况，则建议采样深度为最低疏浚深度。

综合上述分析，根据各断面的污染物特征从底泥分层、底泥中主要污染物污染指标及底泥主要污染物拐点分布特征确定的最小清淤深度中取高值，但不得超过现有的淤积深度，综合来确定各断面清淤积深度，D3～D6 各断面清淤深度见表1。