潮白河流域河道底泥污染和释放特征及发展趋势研究

李林柱　刘金宝　蔡慧敏　方小云　张媛

摘要：河道是水的主要承载体，河道底泥作为河道的重要组成部分，对整个河道的污染状态起决定性作用。因此，文章以潮白河流域为例，研究了河道底泥污染和释放特征，并对发展趋势进行了分析。通过分析底泥的组成、来源、污染特征以及释放机制，为河道污染的评估和监测提供科学依据。在外源污染得到有效控制的基础上，研究提出了采用生态清淤疏浚方式来快速减小内源污染的方法。最终，根据评价及实验结果，揭示了底泥对上覆水体的影响，并提出了科学的生态清淤方案。通过深入研究河道底泥污染和释放特征，文章为环境保护、生态恢复和人类健康提供了科学支持，为保护水环境、维护生态平衡和保障人类健康提供了有效的管理和决策依据。

关键词：河道底泥污染；释放特征；潮白河流域；水环境保护；污染指数法

中图分类号：X522 文献标志码：B

前言

河道是陆地与水体相接触的重要环境界面，扮演着生态系统的重要角色。然而，由于工业、农业、城市排放以及土壤侵蚀等活动的影响，近年来河道底泥污染问题日益凸显。底泥作为河道的重要组成部分，富含大量的有机和无机物质，可以长期储存和富集各类污染物，成为环境中的一个潜在威胁。当底泥受到污染时，所含的污染物质也会被释放到周围环境中，对水质和生态系统产生广泛的影响。因此，底泥污染及其释放特征的研究对于保护水环境、维护生态平衡以及保障人类健康具有重要意义。

基于此，为了确保水质能够达标，提升河道水质并修复生态环境，在有效控制外源污染的基础上，采取了生态清淤疏浚的方法，以迅速减少内源污染的影响。研究以潮白河流域为例，结合河道淤泥评价数据对河道底泥的污染特征进行评价。同时通过上覆水体与底泥之间氮磷释放通量实验，分析不同河段清淤深度及计算不同河段的底泥清淤量。最终根据评价及实验结果揭示底泥对上覆水体的影响和提出科学的生态清淤方案。通过深入研究河道底泥污染和释放特征，可以为环境保护、生态恢复和人类健康提供科学支持，为保护水环境、维护生态平衡和保障人类健康做出有效的管理和决策。

1 研究区域概况及数据来源

潮白河，人称“糠帮沙底逍遥河”，是海河北系五大河流之一，上游分潮河、白河两大支流，潮河干渠是北京市重要水源之一，是北京市东部的灌溉水源。潮白河流域沿线的工业发展对河道产生了较为突出的生态问题。因此．文章以潮白河流域为研究区域探究河道底泥污染和释放特征将对沿线生态保护产生重要意义。河道淤泥评价数据来源于2023年潮白河流域底泥的监测数据。以下是潮白河在研究区的15个采样坐标点：（40. 178 3°N，116. 7795°E）、（40. 189 1°N，116. 787 9°E）、（40. 198 5°N，116. 798 2°E）、（40. 208 9°N， 116. 807 6°E）、（40. 218 3°N，116. 816 9°E）、（40. 228 7°N，116. 826 3°E）、（40. 238 9°N，116. 835 5°E）、（40. 249 2°N，116. 844 7°E）、（40. 259 4°N，116. 854 0°E）、（40. 269 6°N，116. 863 3°E）、（40. 279 8°N，116. 872 6°E）、（40. 290 0°N，116. 881 9°E）、（40. 300 1°N，116. 891 1°E）、（40. 310 2°N，116. 900 2°E）、（40. 320 3°N，116. 909 4°E）。这些坐标点覆盖了潮白河在北京市东部的部分流域范围。

2 研究区底泥污染特征评价

2.1 底泥重金属评价方法及结果

采用污染指数法评估底泥重金属污染情况，具体计算公式如式（1）：

其中，Pi为污染指数，Ci为底泥中重金属的实测浓度，单位为mg/kg；Coi为该重金属的环境评价标准值，单位为mg/kg。

此研究采用了两套重金属污染标准来评估土壤和沉积物中的污染水平。首先，针对农用地土壤污染风险，参考了《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618 - 2018）。该标准根据土壤pH值的不同，为不同污染物设定了不同的风险筛选值。例如，对于镉，水田和其他土壤类型的风险筛选值在pH值不同的情况下分别从0.3到0.8不等。同样的，汞、砷、铅、铬、铜、镍和锌等其他重金属也根据土壤pH值和土壤类型（如水田、果园）有不同的风险筛选值。针对中新天津生态城污染水体沉积物的修复，参考了《中新天津生态城污染水体沉积物修复限值》（DB12/499 - 2013）。该标准为镉、汞、砷、铅、铬、铜、锌、镍等重金属设定了明确的限值，如镉和汞的限值为不超过1 mg/kg，铬和铅的限值为不超过90 mg/kg等。

以土壤环境重金属质量标准为限制评价结果显示，在研究区域内，#14号采样点的底泥中铜、镍和铬的含量超过了标准限值，而其他重金属的含量则普遍未超标。以中新天津生态城污染水体沉积物修复限值为标准进行评价，大部分采样点位的重金属含量处于安全范围内。然而，#8号采样点的铬含量超出了标准限值。

2.2 底泥中氮磷评价方法及结果

同样采用污染指数法评估底泥重金属污染情况，则式（1）中的Ci代表底泥中磷的实测浓度，单位为mg/kg；Coi为磷环境评价标准值，单位为mg/kg。

以《中新天津生态城污染水体沉积物修复限值》为标准，根据评价结果选择总磷、总氮污染程度较高的监测点所在河段为清淤范围，具体包括#3、#4、#9、#11、#12、#13和#36为了更准确地了解底泥的性质，采用了美国环保署（EPA）制定的底泥分类标准，标准划分如下：

底泥总磷含量小于420 mg/kg属于轻度污染，大于650 mg/k属于重度污染，420 - 650 mg/kg之间为中度污染；底泥总氮含量小于1 000 mg/kg为轻度污染，大于2 000 mg/kg为重度污染，1 000 -2 000 mg/kg为中度污染。

以EPA制定的底泥分类标准划分研究区底泥氮磷含量等级，确定清淤范围为#3、#4、#24、#31。

除此之外，采用有机污染指数综合评价分析氮磷污染情况，具体方法如式（2）：

OI（有机指数）=0C（%）×0N（%）

ON（有机氧）=TN（%）×0. 95％ 式（2）

OC（有机碳）=OM（%）×1.724

式（2）中，OC为有机碳，ON为有机氮。有机指数的评价标准见表1。

采用有机污染指数综合评价氮磷污染状况结果表明重度污染范围为＃3、#4、#24；中度污染范围为#11、#12、#13、#31。

3 底泥污染特征研究及氮磷释放实验

3.1 底泥污染特征研究

在调查区域内，从共青滨河森林公园监测点开始到龙堂路公园每1.5公里设置一个采样点，共15个采样点。在现场，进行了水深、水宽、泥深的测量，并监测了水温、pH和溶解氧的数值。在实验室中，对上覆水体进行了详细的化学分析，检测了其中的CODcr、高锰酸盐指数、氨氮、硝态氮、总氮、磷酸盐、总磷以及氟化物的含量。同时，对表层底泥进行了元素分析，测定了其中的铜、镍、铬的含量，并检测了有机质、全氮、氨氮、硝酸盐氮、总磷、有效磷以及氟化物的具体数值。

3.2 底泥氮磷释放实验方案

在3.1节中，最终确定在清淤河段的中间位置进行采样。每个采样点都采集了上覆水体和上中下3层底泥。具体地，分别取上层0 -20 cm、中层20 -40 cm和下层40 -60 cm的底泥。

严格遵循国家标准方法对采集的水体和底泥进行保存、运输和测定。在野外采样时，我们立即测量了水体的温度、pH和溶解氧。对于采集的上层水体样品，将部分（500毫升）用于测定水质化学指标。另一部分水样则用于在模拟柱中进行底泥释放实验，模拟实验持续7天，在此期间每天监测这些指标的变化情况。对采集的底泥样品，取500克，并使用塑料样品袋封装后带回实验室进行进一步分析。为了进行底泥的详细分析，将采集的底泥样品进行风干、研磨、过筛，并测定其SOD、有机质、总氮（TN）、氨氮（NH+4）、硝酸盐（NO-3）、总磷（TP）、磷酸盐（PO3-4）和氟化物等指标。同时，将一部分底泥加注到底泥氮磷释放模拟柱中进行释放模拟实验。实验持续7天后，从底泥释放模拟柱中取出底泥，并测定相应的化学指标。具体操作是将采集的底泥铺在模拟柱的底部，然后注入与底泥比例为1：5的上层水体。模拟柱的底部放置厚度为20厘米的底泥，然后上面加入高度为100厘米的水样。在试验周期为7天（即168小时）的过程中，每隔24小时取一次上层水体，并检测相应指标的变化情况。每次使用注射器从取水口吸取100毫升的水样，并通过进水口添加相同体积的原水进行补充。在往模拟柱中注入水样时，采用虹吸法以缓慢的速度进行，尽量减少对系统的扰动。为确保实验数据的准确性，在每次向模拟柱中注入上层水体之前测定相关指标值，以确保水质的一致性。（见图1）

4 发展趋势分析

河道底泥污染和释放特征的研究对于环境保护和人类健康具有重要意义。尽管在过去几十年中取得了显著的进展，但仍面临着一些挑战和未来的发展趋势。

（1）多源污染物研究：随着工业化和城市化的不断发展，河道底泥污染不仅受到工业废水的影响，还受到农业、城市排水和大气降解等多个源头的污染物输入。未来的研究将更加关注多源污染物对底泥污染和释放特征的影响，以全面了解底泥污染问题。

（2）污染物迁移与转化研究：河道底泥中的污染物具有复杂的迁移和转化过程。未来的研究将更加关注污染物在底泥中的迁移路径、转化机制和影响因素。特别是微生物的参与和生物地球化学过程的研究，将为底泥污染的风险评估和治理提供更准确的科学依据。

（3）底泥污染的遥感与监测技术：传统的底泥采样和分析方法存在操作繁琐、时间成本高等问题。未来的研究将借助遥感和无人机技术，开展底泥污染的快速监测和评估。利用遥感数据和多光谱图像分析，可以实现对底泥污染物的空间分布和变化趋势的实时监测，提高监测效率和准确性。

（4）底泥修复与治理技术的创新：底泥的修复和治理是解决底泥污染问题的关键环节。未来的研究将致力于开发更高效、可持续的底泥修复与治理技术。例如，采用生物修复、纳米材料应用、生态工程等创新技术，以降低底泥污染物的风险和生态影响。

（5）跨学科合作与综合管理：底泥污染和释放特征的研究需要跨学科的合作和综合管理。未来的研究将加强环境科学、生态学、地球化学、化学工程等多个学科领域的合作，形成综合研究和综合管理的模式。同时，政府、学术界、行业和社会公众之间的合作与交流也至关重要。通过跨学科合作和综合管理，可以更好地理解和解决河道底泥污染和释放特征问题。

（6）风险评估与管理策略的发展：未来的研究将进一步加强底泥污染的风险评估和管理策略的制定。基于底泥污染特征、污染物迁移转化机制和生态环境条件，建立全面的底泥污染风险评估模型，为决策者提供科学依据。同时，制定有效的管理策略和政策，加强底泥污染源的控制和治理，促进河道底泥污染的长期可持续治理。

因此，河道底泥污染和释放特征的研究将面临多源污染物研究、污染物迁移与转化研究、遥感与监测技术、底泥修复与治理技术的创新、跨学科合作与综合管理、风险评估与管理策略的发展等挑战和发展趋势。通过持续的研究和努力，我们能够更好地了解和管理河道底泥污染问题，保护水环境、维护生态平衡和促进可持续发展。

5 结论

研究以潮白河流域为例，研究了河道底泥污染和释放特征，揭示了底泥中长期储存和富集各类污染物，对水质和生态系统产生广泛影响。强调了底泥污染及其释放特征对于水环境保护、生态平衡维护以及人类健康保障的影响，为环境保护和生态恢复提供了科学依据。研究发现，有效控制外源污染后，通过生态清淤疏浚可以有效减少内源污染，助力河道生态的修复。此外，研究指出公众参与和环境教育在理解和应对底泥污染方面扮演着关键角色。因此，未来应着重于提升公众对底泥污染问题的认识和参与度，增强环保意识，推动社会对底泥污染治理的支持和合作，从而促进可持续发展和生态文明的构建。