洋河水库底泥污染释放对水库水质影响的研究

□谢 琳 李东艳 王浙帆

底泥释放是水体富营养化的重要原因，一旦上覆水环境发生变化，底泥就会成为新的污染源向水体释放氮、磷,加速水体的富营养化。近年的中国环境状况公告显示，氮元素和磷元素是中国湖泊主要污染指标之一，氮、磷元素的积累会导致湖水出现富营养化，使水体环境、水质等逐渐恶化,对生态系统和人类生活环境造成威胁。湖泊中磷元素的来源分为外源输入和底泥释放两种。近年来，湖泊治理力度逐渐加大,外源营养盐输入得到一定控制,沉积物的底泥释放成为影响湖泊营养盐累积的重点。目前，针对洋河水库底泥污染释放的研究较少，随着流域点源和面源污染治理的不断深入，洋河水库库区底泥污染的分析和治理受到更多关注。

1.研究背景

洋河水库位于秦皇岛市抚宁区，1961 年8 月建成并投入使用，总库容3.86 亿m3，是一座以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉及发电等综合利用的大型水利枢纽工程，被列入全国重要饮用水水源地名录。

20 世纪90 年代以来，洋河水库水体的富营养化问题越来越突出，藻类频繁爆发。尽管随着环保监管力度的加大，水质有所好转，但近些年水质监测结果表明，水库富营养化问题仍时有发生，严重时导致水质无法达到饮用水标准。

该问题已经引起诸多专家学者的关注,早在2013 年孙耀恒等就开展了AGP 实验,探寻水库富营养化成因，2014 年冯建社等针对污染现状进行了评价，并提出了防治对策，此后李凤彬等把重点放在了上游污染源调查分析上，陈平、李大鸣等运用数值模拟方法研究了上游面源污染负荷的空间分布特征，上述研究成果为水质治理提供了重要参考。近日，专家学者对流域点源和面源污染的研究和相关治理不断深入，但有关洋河水库底泥污染释放的研究较少，本文将针对洋河水库底泥污染释放对水库水质影响展开研究，为该水库富营养化等环境治理提供资料支持。

2.研究方法

本文通过对洋河水库底泥厚度分布与赋存状态的分析，揭示底泥中污染物的存在及风险；通过底泥分层监测，掌握洋河水库底泥污染状况；通过开展底泥释放试验，核算底泥污染负荷量，论证底泥污染对洋河水质污染的影响。此次研究主要通过在样点采集底泥，对底泥进行调查评价、污染物分析，并依照《湖泊河流环保疏浚工程技术指南》中高氮、磷污染底泥环保疏浚控制值确定的方法进行底泥释放试验。

2.1 样点布设

西洋河从西侧河口汇入水库，东洋河从东南侧河口汇入水库，水库从南侧流出。按照《地表水环境质量监测技术规范》（HJ91.2—2022）、《农用地土壤污染状况详查点位布设技术规定》（环办土壤函〔2017〕1021 号）规定的密度和点位，结合洋河水库实际情况，布点将洋河水库划分为中心库区和东、西、南3 个河口区域，对中心库区以1000m×1000m 网格/个进行点位布设，河口区域考虑底泥可能受扰动影响较大，进行点位加密，以500m×500m 网格/个进行点位布设，共布设底泥厚度调查勘测点位35个，分别采集底泥样品，点位位置如图1所示。

图1 底泥厚度调查勘测点位和底泥释放实验采样点位布置

2.2 底泥检测项确定及评估标准

底泥的检测项目参考水质检测项目，结合洋河水库历史水质情况以及流域主要污染源情况，确定监测项为17 项，分别为：pH、氨氮、总磷（TP）、总氮（TN）、挥发酚、氰化物、汞、铜、锌、铅、铬、镉、砷、硒、铁、锰、硫酸盐。

与本文有关的氮、磷元素参照中国水科院2008 年《全国河流湖泊水库底泥污染状况调查评价》进行初步评价。

3.结果和分析

3.1 重点污染物综合分析

将底泥柱状取出，分层（表、中、深）检测，主要超标污染物均为总磷、总氮、镉（本次暂不分析），其他重金属元素（汞，铜，锌，铅，铬，硒，铁，锰，砷）有检出但未超标。

3.1.1 表层底泥

总磷：在检测的35 个点位中有4 个点位为二级断面，分别为位于西侧的西洋河入河口区域的6 号（817mg/kg）、9 号（787mg/kg），南侧紧靠大坝的17 号（953mg/kg）、19 号（941mg/kg），其余点位均为一级断面。

总氮：在检测的35 个点位中有17 个点位超标，超标率接近50%。位于水库南侧靠近大坝区域的点位有3 个为四级断面；位于西洋河口处的点位6、9，东洋河河口的点位32，以及南侧靠近大坝区域的5 个点位，共8 个点位为三级断面。由此可见，表层底泥中的总氮含量由北向南呈递增趋势，南侧水坝处污染数值较大。

3.1.2 中层底泥

总磷：在检测的35 个点位的中层底泥中，有4 个点位为二级断面，与表层底泥检测结果相似，总磷的超标点位仍位于西洋河河口处及紧邻水坝区域，与表层底泥相比，超标点位的总磷含量有所下降，其它点位为一级断面。

总氮：在检测的35 个点位中有17 个点位超标，超标率接近50%。其中位于水库南侧靠近大坝的区域的点位12、23 氮含量较高，总氮含量均达到了2140mg/kg，为四级断面。其余分布特征与表层底泥类似，但与表层底泥中的总氮分布对比，超标点位的总氮含量均有所下降。

3.1.3 深层底泥

洋河水库深层底泥的污染情况与表层底泥和中层底泥的污染情况相比较轻，其中总磷点位共有2 个超标断面，总氮共有14 个超标断面。

3.1.4 综合分析

通过以上对洋河水库各层底泥的总磷、总氮含量分析，可以发现总磷的重点污染区域在西洋河河口，总氮的重点污染区域为中南部水坝处、东洋河河口及西洋河河口部分点位。从不同深度底泥的纵向分析来看，随着泥深加深，总磷、总氮污染区域均趋于减小、污染物浓度有一定程度的降低。

3.2 底泥释放实验结果分析

用磷酸二氢钾和氯化铵配制了9 组不同浓度的标准溶液。称取13 个底泥样点的上、中、下泥样各10g，溶解在上述系列标准溶液中，充分混合，通过测定上覆水中总氮、总磷的含量来确认库区底泥的吸附—解吸平衡点。

3.2.1 总磷吸附—解吸平衡分析

取同一点位的表层底泥（1#）、中层底泥（2#）、深层底泥（3#），分别在系列浓度的标准溶液中振荡48h 后，得到上清液的总磷浓度，绘制曲线如图2 所示。虚线为空白对照，即无底泥时进行吸附—解吸作用，溶液中总磷浓度无变化。虚线与曲线的高低对比，代表是否释放总磷。

以上底泥释放实验结果表明：

一是大部分点位的泥样在总磷浓度0.1mg/L~0.2mg/L 时，达到吸附-解吸平衡；部分点位的泥样对总磷的吸附效果较好，可达到平衡状态。

二是溶液中的总磷浓度为地表水Ⅲ类标准值（0.05mg/L）时，只有部分点位的底泥可达到吸附—解吸平衡状态或吸附状态，即底泥具有净化水体中总磷的作用。其他样点均为解吸状态，即底泥对水质中的总磷含量有负面影响，具有污染风险。

三是从同一位点分层泥样的实验结果看，绝大部分点位底泥的吸附效果为深层>中层>表层，即表层泥样向水体中释放的总磷量较多，污染风险较大。

3.2.2 总氮的吸附—解吸平衡分析

取同一点位的表层底泥（1#）、中层底泥（2#）、深层底泥（3#），分别在系列浓度的标准溶液中振荡2h，充分混匀后，得到上清液的总磷浓度，绘制曲线得到图3。虚线为空白对照，即无底泥时进行吸附—解吸作用，溶液中总氮浓度无变化。虚线与曲线的高低对比，代表是否释放总氮。

以上底泥释放实验结果表明：

一是大部分点位的泥样在总磷浓度2mg/L~4mg/L 时，可达到总氮的吸附—解吸平衡。

二是溶液中的总氮浓度为地表水Ⅲ类标准值（1mg/L）时，只有点位14、29 的底泥可达到吸附—解吸平衡状态或吸附状态，其他样点均为解吸状态，底泥中总氮的污染风险较高。

三是从同一点位分层泥样的实验结果看，大部分点位底层泥的吸附效果较强，即底层泥样向水体中释放的总氮量较少，污染风险较小。

3.2.3 底泥污染风险分布

为了更加直观地展示，水库内水质达到地表水Ⅲ类标准时，不同深度底泥对水体中总磷、总氮浓度的影响，选取总磷浓度0.05mg/L、总氮浓度1mg/L 的标准溶液，对表、中、深层底泥的吸附—解吸状态绘制分布图。

图4 为洋河水库表、中、深层底泥总磷的吸附—解吸分布图，实验结果显示，在假设水库水质为地表水Ⅲ类的条件下，水库南侧接近水坝区域、西洋河和河口区域的底泥中总磷的解吸速率显著大于吸附速率，有较大的污染风险。水库中部及东部大部分区域底泥中总磷处于吸附—解吸平衡或解吸速率小于吸附速率的状态，底泥具有净化水体中总磷的作用。从不同深度底泥的吸附—解吸平衡态分析，浅层底泥处于解吸状态的面积较大，其中点位9、12、16、17 的污染风险最大，随着泥深加深，处于吸附状态的底泥面积增大。

图5 为洋河水库表层、中层、深层底泥总氮的吸附—解吸分布图，结果显示，在假设水库水质为地表水Ⅲ类的条件下，处于西洋河河口的点位9、水库中南部的点位23 以及东洋河河口的点位32，总氮的解吸速率显著大于吸附速率，底泥对水库水质有严重污染风险。随着底泥的加深，西洋河河口的点位9 解吸速率降低，逐渐达到吸附—解吸平衡，点位23、32依然存在较大的污染风险。

图5 洋河水库表层、中层、深层底泥总氮的吸附—解吸分布

4.结论

一是洋河水库底泥主要存在总磷、总氮、镉（本次暂不分析）的污染，其中总氮的污染较严重，且污染面积广（超过水库总面积的1/3），污染风险程度南侧水坝>西洋河河口>东洋河河口。

二是水库底泥中总氮超标严重，而氨氮浓度较低，因此推测底泥中的氮主要以硝态氮和有机氮为主。

三是总磷的底泥释放实验结果表明，大部分点位的泥样在总磷浓度0.1mg/L~0.2mg/L 时达到吸附—解吸平衡；部分点位的泥样对总磷的吸附效果较好，可达到平衡状态。

总氮的底泥释放实验结果表明，大部分点位的泥样浓度较高时，可达到总氮的吸附—解吸平衡，底泥总氮的污染程度较为严重，对水库水体的污染风险较大。

绝大部分点位底泥的吸附效果为深层>中层>表层，即表层泥样向水体中释放的氮、磷量较多，污染风险较大。

5.防范底泥污染释放的建议和措施

应加强污染源排放监管，鼓励采用除磷脱氮的处理工艺，严控入河排污，强化上游养殖业的废水处理；控制面源污染，加强对洋河水系河流上游地区家禽养殖业的综合管理，提倡家禽类排泄物的资源化综合利用，发展生态农业；研究制定并逐步推广限制氮、磷的有关政策，加强对上游种植业的化肥使用管理；不同行政区域的水体统一管理，统一治理，强化流域统一管理。

底泥作为水库的内源污染，疏浚是当下控制底泥释放污染物的一种常见做法。针对底泥有机质丰富的河段，经过充分论证后，部分地区应进行疏浚工作，并将底泥资源化利用，如用于农田利用、填方材料、建筑材料等，通过物理、化学、生物方法，疏浚底泥，使其变废为宝，成为可再利用的资源。□