团城湖调节池底泥环境研究及处置建议

史 凯

（北京市南水北调团城湖管理处，北京 100195）

团城湖调节池位于北京颐和园团城湖南侧，是充分、安全、可靠利用南水北调中线来水向北京城市供水的关键工程，连接着南水北调来水和北京密云水库水两大水源，是北京规划的“26213”供水格局中的两大枢纽之一。2012 年11 月，工程开工建设。2014 年6 月主体工程完工，同年12 月正式蓄水。它由进水建筑物、调节池、分水口和管理设施4个部分组成。工程总占地面积67 hm2，其中水面面积33 hm2，池底高程44 m，调蓄水位45～49 m，设计水位48.5 m，最高运行水位49 m，总容积162 万m3，可调蓄容积127万m3[1]。

1 研究必要性

河湖底泥是经大气沉降、雨水冲刷、污水排放、动植物尸体沉降等途径长期累积的沉积物，是水体生态系统的重要组成部分[2]。

对调节池底泥环境进行调查研究，主要包括2个方面原因：①目前团城湖调节池存在一定的的水体富营养化及水生态风险。南水北调中线正式通水以来，监测数据显示藻密高锰酸盐指数等相关指标数据较高，并且有沿调水沿线上升趋势[3]。藻类及营养盐随上游来水进入调节池，加上工程自身运行条件影响，极易在夏季发生水体富营养化甚至水华现象。底泥既是水体污染的承接载体，也是水体环境的内源污染释放源头，即底泥同时具有河湖污染“汇”和“源”的2 种属性，是影响调节池水体富营养化变化趋势的因素之一[4]。②调节池环线分水口即将投入供水，未来田村分水口也将投入运行，在增大供水流量后，上游来水夹带的大量泥沙、絮状沉积物及其他沉积物会快速进入调节池，带来淤积隐患。

团城湖调节池的水环境安全与否，直接关系到北京京西供水安全，有必要对底泥环境现状进行调查，对其变化趋势进行预判，同时对底栖生态提升、工程清淤等措施提前研究。

2 底泥环境现状

底泥环境调查包括淤积程度测量、底泥特性检测、大型底栖无脊椎动物调查3个方面。

2.1 淤积程度测量

将团城湖调节池水面划分为25 个区域，每个区域岸平面分布选取5 个点位对底泥厚度进行测量。测量方法为将下方安装圆形铁板的长直尺垂直探入湖内，直至触碰到底泥表面，可得底泥表面至水面高度，再用池底至水面深度减去该值，即得到底泥厚度，对5个点位取平均值得到该区域底泥平均厚度。根据测量结果，底泥厚度分布如图1所示，颜色越深即厚度越大。其中，入水闸及入水闸西、东两侧近岸流道以及田村分水口前北岸厚度较大，分别为48.5、42.8、22.6、24.2 cm，其他区域底泥厚度基本均在10 cm 以下，表示大部分区域依然接近硬质池底。依据测量所得厚度及区域面积，经计算目前调节池淤积量约28 646.86 m³，相对于2018 年调查淤积量9 930.26 m³，增加近2倍。

图1 团城湖调节池淤泥厚度分布

2.2 底泥特性检测

2.2.1 点位及检测指标

对进水闸、高水湖分水口、田村分水口、南侧码头4 点位附近池底底泥进行取样并检测，检测指标及标准（设备型号）详见表1[5]。

表1 底泥特性检测指标及标准（设备型号）

2.2.2 检测结果

（1）XRD（矿物质）。各点位沉积物的矿物成分含量，详见表2。从矿物成分组成比例来看，进水闸处沉积物主要是方解石，而其他3点位均为石英占比最大。

表2 各点位底泥XRD检测结果%

方解石是一种碳酸钙产物矿物，是最常见的天然碳酸钙。水体自生碳酸钙沉淀形成机制研究表明，伴随南水北调水带来泥沙的淤积，藻类的光合作用影响了水中CO₂的平衡，引起水体碳酸盐过饱和。进水闸处沉积物方解石含量最高，验证了藻类及其代谢产物形成的泥沙混合物随南水北调干线来水进入调节池后流速显著变慢，在进水闸处沉淀形成沉积物。

石英是由二氧化硅组成的矿物，二氧化硅在土壤中含量占40%～60%，是土壤的主要成分，硅藻遗骸中二氧化硅占80%以上，硅藻遗骸占活体的5%。高水湖分水口、田村分水口、南侧码头处底泥由以硅藻为主的藻类代谢产物、其他动植物代谢产物以及泥沙等沉积形成。

（2）XRF（化合物）。各点位沉积物的化合物成分含量如图2所示，除田村分水口外的3点位沉积物主要化合物组成相差不大，田村分水口处沉积物的氧化钙含量最高为54.76%，其次为二氧化硅。

图2 各点位沉积物化合物成分含量

（3）粒径。高水湖分水口处的沉积物粒径分布在5～451 μm，中值粒径在98 μm；南侧码头处的沉积物粒径分布在10～679 μm，中值粒径在229 μm；进水闸处的沉积物粒径分布在7.7～890 μm，中值粒径在229 μm；田村分水口处的沉积物粒径分布在4.4～517 μm，中值粒径在200 μm。南侧码头、进水闸和田村分水口3 处的沉积物性质和特点相近，明显区别于高水湖分水口处的沉积物。各点位沉积物粒径中值分布，如图3所示。

图3 各点位沉积物粒径中值分布

（4）有机质。有机质是指存在于沉积物中的所含碳的有机物质，包括各种动植物的残体、微生物及其会分解、合成的各种有机质。有机质的多寡受上层水体的生产力控制，生产力越大沉降下来的有机质越多那么沉积物中的有机质就越多。各点位沉积物有机质含量如图4所示，其平均值为65.275 g/kg。

图4 各点位沉积物有机质含量

（5）全氮和全磷。全氮是指土壤中各种形态氮素含量之和，包括有机态氮和无机态氮，但不包括土壤空气中的分子态氮。各点位沉积物全氮含量如图5 所示，其平均值为6.30 g/kg。全磷是指磷的总贮量，包括有机磷和无机磷两大类。各点位沉积物全磷含量如图6所示，其平均值为0.557 5 g/kg。

图5 各点位沉积物全氮含量

图6 各点位沉积物全磷含量

（6）有效氮和有效磷。有效氮是指土壤中易被作物吸收利用的氮，主要有铵态氮、硝态氮、氨基态氮、酰胺态氮及一些简单的多肽和蛋白质类化合物。调节池内各点位沉积物有效氮差异较大如图7 所示，高水湖分水口含量最高达到1.03 g/kg，入水口最低仅为0.353 g/kg，其平均值为0.666 g/kg。有效磷是指土壤中可被植物吸收利用的磷的总称，包括全部水溶性磷、部分吸附态磷、一部分微溶性的无机磷和易矿化的有机磷等。调节池内各点位沉积物有效磷差异较大如图8所示，高水湖分水口含量最高达到24.6 mg/kg，田村分水口最低仅为7.81 mg/kg，其平均值为14.65 mg/kg。

图7 各点位沉积物有效氮含量

图8 各点位沉积物有效磷含量

（7）含水率。含水率是指水分占底泥质量比，各点位沉积物含水率情况如图9 所示，田村分水口沉积物含水量显著低于其他点位。

图9 各点位沉积物含水率

2.2.3 特性分析

监测结果显示，在团城湖调节池内部，南侧码头处底泥有机质含量较高，说明该区域内源有机污染隐患较大，其次为进水闸。高水湖养水湖分水口全氮、全磷、有效氮、有效磷含量较大，反映随水流扩散至该区域并沉降的氮、磷营养盐较多，其次为南侧码头。

与北京市典型湖库密云水库进行对比，密云水库内湖消落带有机质含量23.15±13.65 mg/g、全氮含量1.44±0.81 mg/g、全磷含量0.17±0.09 mg/g，而团城湖调节池4监测点位底泥的有机质、全氮、全磷含量均比密云水库内湖消落带高[6]。经分析，这主要有2个方面原因：①每年随自然降水、降尘过程进入调节池水体的氮、磷等营养物质量较大，并且南水北调干线来水携带藻类、营养盐负荷较大；②团城湖调节池尚未形成完备的生态系统，水生植物、浮游动物等净化物种匮乏，并且目前未完全发挥供水运行功能，水体循环异常缓慢且不充分。

2.3 大型底栖无脊椎动物调查

团城湖调节池历年投放大型底栖无脊椎动物共1 次，时间为2020 年11 月，投放种类为北京本地产田螺，规格不大于10 g/只，投放量约1 000 kg，采取按面积均匀投放的方式投入调节池水体。

专业人员对团城湖调节池共5 个点位（即D1 至D5，位置描述详见表3）池底底泥开展底栖动物调查，依据《内陆大型底栖无脊椎动物多样性调查与评估技术规定》（环境保护部公告2017 年第84 号附件11）使用标准工具进行样点法采样，以直接观察法对采集到的大型底栖动物无脊椎动物进行现场鉴定。

表3 团城湖调节池大型底栖无脊椎动物调研结果

调查结果显示，仅有3 个点位能采集到大型底栖无脊椎动物，且种类和数量极少，调研结果详见表3。

底栖动物投放情况及调查结果均表明，团城湖调节池大型底栖无脊椎动物多样性及丰度均较低，尤其缺少以底泥环境中的有机质或浮游藻类为主要食物的甲壳类、田螺科和双壳类大型底栖无脊椎动物。

3 处置建议

3.1 底栖生态提升

团城湖调节池底栖生态主要有2 项隐患：①目前，淤泥淤积程度未能形成完整底栖生态底质，大面积区域依然接近硬质池底，容易在低水位运行或者阳光充足时释放营养物质促进藻类生长。另外较低的淤积程度不是寡毛类、双壳类等底栖动物的理想生境。为此，考虑到调节池目前尚未正式供水，整体淤积速度缓慢，应暂不开展清淤，同时及时跟踪测定淤积速度相对较快的入水闸处淤积程度。当该处底泥淤积厚度达到1 m 时，应在排水检修期间对底泥进行人工清挖或上游来水充足时加大入水闸开度、从而增大入水流量对该处底泥进行冲刷。②大型底栖无脊椎动物严重匮乏。作为对比，研究人员在南水北调中线干线源头丹江口水库的水生态调查中，共采集到底栖动物61种，主要由寡毛类（颤蚓科、仙女虫科）和摇蚊科组成[7]。在密云水库开展的调查中，共检出底栖动物17种，其中摇蚊幼虫12种、环节动物5 种；底栖动物平均密度为455.0 个/m2，平均生物量为2.70 g/m2[8]。

底栖动物匮乏易导致底泥环境中的有机物不能被迅速转化为生物质或矿物质，进而导致营养物质更易为藻类增殖所利用。据调查，蓝藻过度生长为目前调节池水环境的首要问题，每年夏季蓝藻爆发期在调节池南侧、西侧区域均形成大面积聚集，检测数据显示藻密度超过1 500万个/L，严重影响水环境安全及景观效果[9]。

有关研究显示，部分大型底栖无脊椎动物可直接摄食藻类，能通过过滤大量水体摄取浮游植物和有机碎屑[10]。相比常用来控藻的鲢鱼、鳙鱼，底栖动物具有滤水能力强、对蓝藻细胞破坏率高等特点[11]。为此，建议在调节池西侧、南侧等重点部位，分批次适量投入环棱螺、河蚌、河蚬、匙指虾等底栖动物，投放前宜用围网设立集中投放区，将物种投放其中暂养1～3 个月以稳定和繁殖，再向大水域释放。由于团城湖调节池岸、池底为全混凝土构建，不利于某些底栖动物及沉水植物定殖，还需在围网内进行微生境营建，以缩短定殖时间，微生境营建包括增设沉水植物种植模块和塑造多孔材料微地形2个方面。

3.2 工程清淤

北京市水科学技术研究院对颐和园团城湖开展研究显示，南水北调通水第3 年，团城湖淤积量增至近15 万m³，淤积速度为南水北调通水前的16 倍，主流道两侧淤积厚度2 m 以上，局部露出水面，为团城湖作为水源地50余年来第1次。在团城湖调节池正式运行后，预计会面临同样问题，因此有必要对工程清淤措施进行初步探究[12]。

目前，主要清淤方式可分为干法清淤、湿法清淤及生态环保清淤[4]。干法清淤需修筑围堰并抽干河湖积水，分为人工/机械挖掘和水力冲填，其中水力冲填方式无需将河湖完全排干，因此也可称作半干式清淤。湿法清淤无需进行围堰排水，通常清淤设备以清淤船作为施工平台在水面上进行底泥开挖，清挖底泥经管道输送上岸堆积或进一步处理，其代表清淤方式分别为抓斗式、绞吸式和气动泵式等，其中抓斗式对底泥扰动大，易造成河水的二次污染；绞吸式、气动泵式对底泥扰动小，环境影响小。生态环保清淤是由普通绞吸清淤技术改进发展出来的以避免清淤作业对水利环境产生影响和以水质改善为目标的清淤技术，环保绞吸式清淤船利用环保绞刀头进行全方位封闭式清淤，尽可能避免对底泥及水体的扰动，开挖后的淤泥通过大功率泥浆泵进入全封闭输泥管道输送至指定区域进一步处理。

团城湖调节池在正式供水后作为重要水源地，干法清淤所需的修筑围堰并抽干全部水体条件较难实现。即使在池体工程停水检修期间，由于鱼类、沉水植物等水生生物的存在，一般需保留至少约80 cm的水体深度，因此无法采用人工/机械挖掘等干法清淤方法。另外，团城湖调节池采取水力冲刷办法所需照顾面积过大，机械及水力成本过高，同样难以实现。湿法清淤中的抓斗式由于极易造成二次污染，予以排除；另外由于团城湖调节池为硬质衬砌，也不宜采用绞吸式和生态环保清淤方式开展。

气动泵式清淤是以压缩空气为动力进行吸排淤泥，先利用真空泵筒吸泥，再利用压缩空气将泵筒中的淤泥排出，以实现清淤的目的。该方式清出底泥浓度明显高于绞吸式，清出底泥无需溢流可直接装驳外运，并且更加简单便于操作，也是使用范围最广的技术手段[13]。因此，建议团城湖调节池运用气动泵方式进行清淤，如选用气动吸泥泵生态清淤船作为清淤设备。

清出淤泥可以采取2种方式进行运输处置：①通过排水管线将淤泥排入金河并采取闭闸引水等措施，使带泥河水流入四环边沟，路径如图10所示，该办法易在应急清淤时使用；②在调节池岸边合适位置设置淤泥固化设备，将排泥口直接接入该设备，固化后的泥体经加工后就地资源化利用，如用作园林绿化土[14]。

图10 调节池清出淤泥应急外排路径

3.3 淤积环境监测

建议每年对团城湖调节池淤积分布、底栖动物进行调查，其中底栖动物调查依据《水生态健康评价技术规范》（DB 11/T 1722-2020）开展[15]。每2 a对底泥特性成分进行检测，以建立调节池底泥环境变化模型，及时掌握其变化情况，为未来开展相关工作提供依据。

4 结论

（1）入水闸处附近底泥为团城湖调节池底泥最大深度，其次是田村分水口前北岸侧底泥，目前调节池前淤积总量约为28 646.86 m3。

（2）团城湖调节池底泥矿物成分以方解石、石英为主，化学成分以SiO₂为主；南侧码头处底泥有机质含量较高，其次为进水闸。高水湖养水湖分水口处底泥的全氮、全磷、有效氮、有效磷含量较大，其次为南侧码头。各监测点位底泥的有机质、全氮、全磷含量均高于密云水库内湖消落带。

（3）底栖动物投放情况及调查结果显示，团城湖调节池底栖动物多样性及丰度均较低，缺乏甲壳类、田螺科和双壳类等大型底栖动物。

（4）未来几年，应重点做好底栖生态提升及底泥环境监测工作，正式供水后做好清淤准备。建议采用气动吸泥泵生态清淤船进行清淤施工，以排泥管线和泵接力的方式将清出淤泥输送至排泥口。