余慧娟，許士國，朱 林

（大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，大連 116024）

我國大壩建設(shè)高峰期主要集中于1958—1966年和1981—1997年兩個(gè)時(shí)期[1]。前期由于缺乏水庫運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)致使水庫淤積嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到1981年底全國水庫總淤積量達(dá)115×108m3，占統(tǒng)計(jì)水庫總庫容的14.2%，水庫年平均淤積率達(dá)2.3%，高于世界各國[2]。對(duì)此我國學(xué)者經(jīng)過30余年的努力，在淤積實(shí)測(cè)資料[3-4]，泥沙處理技術(shù)[5]，防淤、減淤措施[6]，泥沙運(yùn)行規(guī)律[7]等方面均取得一定成果，使得入庫泥沙減少很多。然而汛期大量有機(jī)體入庫是現(xiàn)今水庫面臨的普遍性問題，使得水庫淤積物由泥沙為主轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗌撑c有機(jī)質(zhì)共存的局面[8]，并存在引發(fā)水質(zhì)危機(jī)潛能[9]。東北地區(qū)水土流失嚴(yán)重，雨水主要集中于汛期，且多暴雨，水庫易于淤積，由于全年雨水量少，水庫常年缺水，底部少有放水情況，使得水庫沉積物一直處于蓄積狀態(tài)[10]；加之過去的二三十年我國處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展高峰期，工農(nóng)業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)、居民生活等產(chǎn)生的廢棄物、污染物增多，且隨徑流直接或間接流入水庫，短期內(nèi)難以被完全降解的物質(zhì)逐漸蓄積于庫底[11]，日積月累的蓄積量使得沉積物“源”角色逐漸凸顯，污染物再次威脅上覆水體，沉積物成為內(nèi)源污染[12]。目前距大壩第二建設(shè)高峰期已有20余年，水庫面臨程度不一的內(nèi)源污染和淤積問題?？菟谇逵偈墙鉀Q水庫內(nèi)源污染與淤積的有效措施，但沉積物處理不當(dāng)會(huì)引起二次污染并造成資源浪費(fèi)。

目前疏浚淤泥的處理已從堆放、吹填、海洋拋棄和焚燒等傳統(tǒng)處理方式，逐漸發(fā)展為土地利用、建筑材料、填方材料、污水處理材料以及能源回收等資源化處理方式[13]。傳統(tǒng)處理方式存在對(duì)環(huán)境再污染問題，資源化利用將是未來發(fā)展的趨勢(shì)，但部分資源化方式如污水處理材料、能源回收等具有用量少、對(duì)處理對(duì)象選擇性高等問題，無法滿足大批量淤泥處理問題。土地利用、建筑材料等更適應(yīng)我國現(xiàn)狀。目前該方面研究主要集中于河流湖泊，對(duì)水庫沉積物資源化處理研究較少。本文以典型東北水庫碧流河水庫為研究對(duì)象，結(jié)合水庫淤積特點(diǎn)，基于水庫淤積現(xiàn)狀，對(duì)水庫進(jìn)行沉積物樣品采集及分析，研究水庫淤積物土地利用可行性，填補(bǔ)碧流河水庫沉積物資源化利用空白，并為后續(xù)水庫清淤、沉積物資源化處理等工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

碧流河水庫位于遼寧省普蘭店市、莊河市和蓋州市的交界處，有碧流河、蛤蜊河和八家河三個(gè)入庫河流，305國道南北貫穿庫區(qū)，水質(zhì)總體在Ⅱ類左右。該水庫目前已運(yùn)行30余年，在水庫運(yùn)行過程中，由于入庫水多為大流量的洪水輸入，而放水過程多以滿足供水需要的小流量均勻地從上層取出[10]，使得水庫沉積物一直處于蓄積狀態(tài)。汛期庫區(qū)淹沒范圍較大，入庫口處水流由急變緩，水體承載運(yùn)輸泥沙能力降低，使得入庫口易于淤積。本文對(duì)碧流河水庫三個(gè)主要入庫口——大堡、桂云花和鐘嶺分別進(jìn)行淤積現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域部分點(diǎn)位沉積物均存在明顯分層現(xiàn)象。不同典型年份入庫流量不同，流水所攜帶黏土、泥沙、動(dòng)植物殘骸等比例也不相同，從而形成了沉積物分層現(xiàn)象，反映出碧流河水庫的淤積狀況。大堡庫區(qū)位于水庫干流——碧流河入庫口處，相對(duì)于兩個(gè)支流入庫口——桂云花和鐘嶺庫區(qū)，在非汛期裸露面積較大，且部分區(qū)域常被附近居民私自耕種占用，大堡被占用種植區(qū)范圍見圖1。農(nóng)田土質(zhì)疏松易流失特性使得大堡庫區(qū)更易淤積，也賦予了該區(qū)沉積物農(nóng)用土再利用的潛能，因此本文選擇大堡庫區(qū)為研究對(duì)象。

1.2 樣品采集

本文采用均勻布點(diǎn)法進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)分布如圖1所示，河道右岸代表采樣點(diǎn)為1～5號(hào)，主洪區(qū)代表采樣點(diǎn)6～11號(hào)，河道左岸代表采樣點(diǎn)12～21號(hào)，其中12、13、14、16、17采樣點(diǎn)位于種植區(qū)范圍。樣品采集于庫區(qū)裸露期，用鐵鍬挖出剖面，不銹鋼鏟子去除與鐵鍬接觸層的垂直表面，再分層截取樣品。采樣深度為60 cm，0～20 cm沉積物每2 cm取一次樣，20～50 cm沉積物每5 cm取一次樣，50～60 cm沉積物每10 cm取一次樣。分別選取4～6、14～16、25～30、50～60 cm樣品對(duì)不同深度沉積物進(jìn)行代表性分析研究。

1.3 實(shí)驗(yàn)分析方法

將現(xiàn)場(chǎng)采集樣品經(jīng)常溫自然風(fēng)干后，用研缽進(jìn)行粗研磨，過10目篩（2 mm）去除石子和動(dòng)植物殘屑等異物，分別取過10目篩后的適量樣品用于pH、粒徑和有機(jī)質(zhì)測(cè)定；再將第一步研磨后的沉積物樣品（＜2 mm）進(jìn)行第二次細(xì)研磨，過200目篩（0.075 mm），取適量小于0.075 mm的沉積物樣品進(jìn)行重金屬檢測(cè)。pH測(cè)定采用德國WTW公司Multi 3430水質(zhì)分析儀，檢測(cè)沉積物和水（體積比1∶5）的懸濁液完成[14]；粒徑分析選用英國馬爾文儀器公司Mastersizer 2000激光粒度儀[15]完成；有機(jī)質(zhì)分析選用操作簡(jiǎn)易、方便，測(cè)定的燒失量和有機(jī)質(zhì)含量比較接近且結(jié)果較為穩(wěn)定的550℃燒失法[16-18]；重金屬的檢測(cè)指標(biāo)包括Fe、Mn、Cu、Cd、Pb和Zn，具體檢測(cè)步驟為：取0.500 0 g沉積物利用硝酸、氫氟酸和高氯酸（5∶5∶3，體積比），在200℃電熱板上消解至近干，1%稀硝酸轉(zhuǎn)移定容后于4℃貯存待測(cè)，用火焰原子吸收分光光度計(jì)（普析，TAS-990）檢測(cè)；每組消解樣品包含不少于10%的平行樣，以及2個(gè)以上的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GSD-7a），平行樣的相對(duì)平均偏差小于5%，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的回收率分別為92.77%（Fe）、94.20%（Mn）、120.50%（Cu）、118.07%（Cd）、80.08%（Pb）和94.88%（Zn）。

圖1 碧流河水庫大堡庫區(qū)采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 The distribution of sampling sites in Dapu area of the Biliuhe reservoir

1.4 重金屬評(píng)價(jià)方法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法引入毒理學(xué)，能同時(shí)反映重金屬的單因素污染和綜合污染狀況，用來評(píng)價(jià)大堡沉積物土地利用的風(fēng)險(xiǎn)性，具有指導(dǎo)性意義。表達(dá)式見式（1）和式（2）。

2 結(jié)果與討論

2.1 壤質(zhì)適宜性

土壤pH值綜合反映土壤的化學(xué)性質(zhì)，對(duì)土壤的生態(tài)環(huán)境有深刻的影響，對(duì)于大多數(shù)植物，最適宜的土壤pH范圍為弱酸性到中性（6.0～7.5）[22]。分析碧流河水庫大堡庫區(qū)各層沉積物pH值可知，大堡沉積物pH值主要以酸性（＜6.0）、弱酸性（6.0～6.5）和中性（6.5～7.5）為主。在4～6、14～16、25～30、50～60 cm沉積物樣品中，pH值介于弱酸性到中性（6.0～7.5）的樣品比例分別為76.2%、76.2%、71.4%和66.7%，而其余樣品則主要以酸性土壤為主，只有極少部分屬于堿性土壤（7.5＜pH＜8.5）。參照國際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[23]對(duì)大堡沉積物進(jìn)行粒徑分布分析，結(jié)果如圖2：大堡庫區(qū)沉積物粒徑組成分布于壤土和砂土區(qū)域，以壤土為主，其中4～6、14～16、25～30、50～60 cm壤土占比分別為95.2%、81.0%、76.2%和84.2%。導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不同的最主要內(nèi)在原因是土壤的顆粒組成[24]。砂土主成分顆粒粒徑較大，比表面積較小，吸附養(yǎng)分能力弱，加之土質(zhì)稀疏，使得土壤養(yǎng)分易流失；而黏土主成分顆粒小，土質(zhì)密實(shí)，吸附養(yǎng)分能力強(qiáng)，但雨水下滲困難，影響農(nóng)作物根系生長(zhǎng)；壤土粒徑組成介于砂土和黏土之間，兼具二者優(yōu)點(diǎn)。學(xué)者針對(duì)砂土、壤土、黏土不同壤質(zhì)類型土壤進(jìn)行種植試驗(yàn)，得出壤土更適合植物根系生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的結(jié)論[25-26]。綜上可知，碧流河水庫大堡庫區(qū)沉積物在pH、壤質(zhì)類型等基本性質(zhì)方面適宜植物生長(zhǎng)。

2.2 養(yǎng)分豐富度

圖2 大堡庫區(qū)各采樣點(diǎn)沉積物壤質(zhì)類型圖Figure 2 The soil type of sediment samples in each sediment layer of Dapu aera

表2 大堡庫區(qū)沉積物樣品有機(jī)質(zhì)含量Table 2 The organic matter contents of sediment samples in Dapu area

表2為大堡庫區(qū)各層沉積物有機(jī)質(zhì)含量統(tǒng)計(jì)表。由于碧流河水庫地處遼寧省普蘭店、莊河及蓋州交界處，其中土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)分析該三市土壤數(shù)據(jù)，來源于全國第二次土壤普查農(nóng)田肥力數(shù)據(jù)庫。各層沉積物平均有機(jī)質(zhì)含量分別為35.77、27.22、29.69、27.13 g·kg-1，參照全國第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[27]，大堡沉積物有機(jī)質(zhì)平均含量達(dá)到2～3級(jí)，中上-高水平。參照流域土壤平均有機(jī)質(zhì)含量18.03 g·kg-1，庫區(qū)各層沉積物有機(jī)質(zhì)含量高于流域土壤有機(jī)質(zhì)平均含量的采樣點(diǎn)所占比例分別為90.5%、76.2%、81.0%和72.2%，高于流域土壤有機(jī)質(zhì)最小值所占比例分別為100%、81.0%、85.7%和83.3%。據(jù)課題組已有研究[28]，大堡庫區(qū)沉積物總氮、總磷平均含量分別為2.2、0.45 g·kg-1，分別達(dá)1級(jí)、很高水平和4級(jí)、中下水平，均高于流域土壤總氮、總磷平均值0.94、0.36 g·kg-1。可見，大堡沉積物經(jīng)適當(dāng)無害化處理后用作流域種植土，其養(yǎng)分含量完全滿足流域種植所需，且養(yǎng)分富余，具有巨大潛力。

2.3 重金屬污染水平

統(tǒng)計(jì)分析大堡庫區(qū)各層沉積物重金屬含量數(shù)據(jù)如表3所示。對(duì)比各類土壤標(biāo)準(zhǔn)限值，可知大堡沉積物Cu、Cd、Pb和Zn含量均遠(yuǎn)低于《GB 4284—1984農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》[29]限值；其中Cu、Pb、Zn含量符合《HJ 350—2007A展覽會(huì)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（暫行）》[30]A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Cd含量符合B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；參照《HJ/T 332—2006食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[31]，Cu、Pb、Zn的平均含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而Cd的平均含量超標(biāo)5倍以上。目前國內(nèi)外土壤Fe、Mn含量無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。綜上，就重金屬含量方面而言，大堡沉積物用于場(chǎng)館、綠化、商業(yè)及公共市政用地等不會(huì)威脅人類身體健康，而用于種植土壤等直接暴露于人體的土壤類型存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。鑒于碧流河水庫流域土地利用類型以耕地、林地和村落占地為主，有必要對(duì)大堡沉積物重金屬含量進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以確定其應(yīng)用于I類土壤的風(fēng)險(xiǎn)性。

2.4 重金屬評(píng)價(jià)結(jié)果

重金屬評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。大堡各層沉積物中，Cd污染最為嚴(yán)重，各層沉積物樣品中Cd含量均處于V級(jí)（嚴(yán)重）污染水平，而Fe、Mn、Cu、Pb和Zn含量均屬于Ⅰ級(jí)（低）污染水平，重金屬綜合污染水平為Ⅳ級(jí)（嚴(yán)重）水平，其中Cd污染指數(shù)占綜合污染指數(shù)的比例為94.2%～98.2%。這表明大堡沉積物用于任意類型土壤，F(xiàn)e、Mn、Cu、Pb和Zn含量具有較低風(fēng)險(xiǎn)，Cd污染嚴(yán)重，整體重金屬污染水平為嚴(yán)重。

表3 大堡庫區(qū)沉積物樣品重金屬含量表Table 3 The heavy metal content values of sediment samples in Dapu area

表4 大堡沉積物重金屬評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 The evaluation results of heavy metals in Dapu area

消落區(qū)大堡庫區(qū)部分區(qū)域常被當(dāng)?shù)鼐用袼阶愿N，且種植多年，具體分布區(qū)域見圖1種植區(qū)。為進(jìn)一步確定大堡沉積物用作種植土的可能性，對(duì)比分析大堡庫區(qū)全局和種植區(qū)超標(biāo)、存在潛在威脅的重金屬Cd含量數(shù)據(jù)如圖3所示，可見種植區(qū)各層沉積物Cd含量變化均落于大堡庫區(qū)含量變化范圍內(nèi)，并集中分布于庫區(qū)平均值左右。大堡庫區(qū)Cd污染來源相同，然而種植多年其Cd含量相對(duì)于庫區(qū)未出現(xiàn)異常偏低情況，即種植區(qū)多年耕作農(nóng)作物對(duì)Cd未出現(xiàn)明顯富集現(xiàn)象，可能與大堡沉積物Cd的各形態(tài)含量有關(guān)，故不排除大堡沉積物可直接用于安全種植土的可能性。但為保證大堡庫區(qū)沉積物安全用于種植土，可考慮與原種植土以一定比例混合均勻后利用。

2.5 養(yǎng)分利用分析

圖3 大堡庫區(qū)及種植區(qū)Cd含量對(duì)比圖Figure 3 Cd contents in Dapu area and the plant area

由前文分析可知大堡沉積物有機(jī)質(zhì)含量較高且變幅較大，為保證有機(jī)質(zhì)的充分利用，本文選用地理信息系統(tǒng)ArcGis 10.1空間分析模塊對(duì)有機(jī)質(zhì)含量空間分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示?？梢姶蟊こ练e物有機(jī)質(zhì)含量分布具有區(qū)域性，表現(xiàn)出低有機(jī)質(zhì)含量區(qū)域主要分布于河道右岸、高含量區(qū)域主要分布于主洪區(qū)和國道附近的特征。已有研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)通過吸附、絡(luò)合、螯合等化學(xué)作用影響土壤重金屬的積累及其有效性[32-34]，故采用SPSS 17.0對(duì)大堡沉積物有機(jī)質(zhì)與具有潛在風(fēng)險(xiǎn)的Cd含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果（表5）表明，大堡沉積物有機(jī)質(zhì)與Cd含量并無相關(guān)性，即有機(jī)質(zhì)的充分利用不受Cd污染影響。綜上，大堡沉積物進(jìn)行再利用時(shí)，為保證有機(jī)質(zhì)資源的充分利用，可考慮分層分區(qū)域分方法進(jìn)行循環(huán)再利用。

3 結(jié)論

對(duì)大堡沉積物進(jìn)行土地利用可行性及利用類型分析發(fā)現(xiàn)：

（1）大堡庫區(qū)不同層沉積物弱酸性到中性土比例在66.7%及以上。

（2）據(jù)粒徑分布分析各層沉積物壤土比例分別達(dá)76.2%及以上；各層有機(jī)質(zhì)平均含量屬于中上-高水平，81.0%以上的沉積物樣品有機(jī)質(zhì)含量高于流域農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量最小值，各層沉積物整體養(yǎng)分富余。

（3）各層沉積物重金屬Fe、Mn、Cu、Cd、Pb和 Zn含量中，除Cd含量外均低于標(biāo)準(zhǔn)限值；基于重金屬評(píng)價(jià)可知，大堡沉積物直接用于Ⅰ類土壤，Cd存在嚴(yán)重潛在危害，整體重金屬污染水平為嚴(yán)重，但不排除可用于正常種植生產(chǎn)的可能。

表5 各層有機(jī)質(zhì)與Cd含量的相關(guān)性分析Table 5 The correlation analysis of Cd and organic matter in each sediment layer

圖4 大堡庫區(qū)不同層沉積物有機(jī)質(zhì)含量空間分布圖Figure 4 The distribution of organic matter in each sediment layer in Dapu aera

（4）有機(jī)質(zhì)含量具有分層分區(qū)域特性，且與Cd含量不存在相關(guān)性，大堡沉積物有機(jī)質(zhì)可進(jìn)行分層分區(qū)域利用以保證沉積物養(yǎng)分的充分利用。

綜上認(rèn)為：碧流河水庫大堡庫區(qū)沉積物可安全用于場(chǎng)館、綠化、商業(yè)、公共市政用地等Ⅱ類土地利用類型，用于Ⅰ類直接暴露于人體的土壤，存在Cd污染威脅，可考慮簡(jiǎn)單預(yù)處理后利用。