楊蘭琴，樊 華，趙 媛，陳 新，王培京，嚴(yán)玉林

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048；2.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；3.流域水環(huán)境與生態(tài)技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100048；4.北京市通州區(qū)水務(wù)局，北京 101100)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，河道水生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯[1]。北方地區(qū)河道周邊多有村莊、城鎮(zhèn)等分布，相對于南方河道，北方河道水量偏小、季節(jié)性明顯[2]。歷史上因周邊基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善受生活污水、面源污染影響，水質(zhì)較差[3]。近年來隨著黑臭水體治理、水生態(tài)修復(fù)等工程實施，河道水環(huán)境整體改善。以北京市為例，河道基本實現(xiàn)了控源截污，但部分河道水質(zhì)依然反復(fù)，可能與河道內(nèi)源污染有關(guān)[4- 5]。河道內(nèi)源污染是影響河道水質(zhì)的重要因素，底泥中的污染物會隨著上覆水條件改變而在源和匯之間切換[6- 7]，當(dāng)?shù)啄嗯c上覆水之間的平衡打破時，底泥有可能成為河道的內(nèi)源污染，影響河道的水質(zhì)。因此，在開展以改善河道水環(huán)境為目的的清淤工程之前，科學(xué)判斷底泥對上覆水的影響非常重要，明確河道是否需要清淤。另外，清多少也是河道清淤的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，清太深，內(nèi)源污染全部清除，但不利于河道生態(tài)恢復(fù)，也會增加工程投資；清太淺，內(nèi)源污染得不到充分去除，達(dá)不到工程預(yù)期[8]。因此，如何科學(xué)判定河道“是否清”和“清多少”的問題，兼顧河道的水環(huán)境安全和行洪安全，是開展清淤工程之前必須要考慮的問題。

國內(nèi)外目前針對河道“是否清”和“清多少”沒有統(tǒng)一規(guī)定，清淤深度多偏向于理論研究，對象也集中在底泥相對穩(wěn)定的南方湖泊和水庫[9- 10]。確定“是否清”和“清多少”的方法主要有沉積學(xué)法(分層法)、背景值法、拐點法、分層釋放速率法和吸附解吸平衡法等[7，11]。河道相對于湖庫具有不同的特點，特別是北方的河道，兼具行洪排澇和水景觀需求。河道清淤時既要考慮去除河道內(nèi)源污染物，保證河道的水環(huán)境安全；又要考慮河道斷面規(guī)整，保障行洪安全。為此，本文擬根據(jù)北方河道的實際情況，在既考慮便捷性又能盡可能模擬河道實際情況的條件下，以北京市水質(zhì)稍差的小中河為例，通過實驗獲得影響水質(zhì)的清淤深度(水質(zhì)清淤深度)，并結(jié)合常規(guī)中小河道設(shè)計中影響行洪的清淤深度(行洪清淤深度)，探索河道“是否清”和“清多少”的關(guān)鍵問題，為北方河道在采取清淤決策以及水質(zhì)持續(xù)改善提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

北京市小中河發(fā)源于懷柔區(qū)鄭重山橋梓村附近，自北向南流經(jīng)懷柔區(qū)、順義區(qū)和通州區(qū)北部，于北關(guān)分洪閘上游匯入溫榆河。河道全長44.7km，分為上、中、下三段，其中下段位于通州區(qū)，長12.4km。小中河有一條主要支流中壩河，受歷史因素影響，小中河除承擔(dān)沿線兩岸排澇外，還承擔(dān)著首都國際機(jī)場和沿線村鎮(zhèn)的排水任務(wù)，2016年小中河通州段被判定為黑臭水體。經(jīng)過2016—2018年沿線分散生活污水治理和截污納管，小中河沿岸基本實現(xiàn)無污水排放入河，但2019年小中河仍有6個月水質(zhì)為劣Ⅴ類[12]。為實現(xiàn)小中河水質(zhì)持續(xù)達(dá)標(biāo)，擬對小中河開展清淤工程，要求清淤后補(bǔ)充的水質(zhì)不惡化。小中河存在多處閘壩，補(bǔ)水水源有限，水體流速不均勻。但作為河道水體仍有擾動，包括微生物、風(fēng)浪、人為影響、不規(guī)則的水體流動等。計劃清淤之后，河道補(bǔ)水水源來自污水處理廠站退水，水質(zhì)達(dá)到DB 11/890—2012《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。在開展清淤之前，擬對小中河底泥開展采樣和研究，判定小中河清淤是否有助于改善上覆水水質(zhì)，并確定合理的清淤深度。

1.2 布點與采樣

利用全柱狀底泥采樣器對小中河底泥開展樣品采集，為盡量降低空間差異性所帶來的誤差，在支流匯入口、排污口、村莊溝渠排入口上下游均設(shè)置采樣點，其他無污染源匯入的河段采樣點適當(dāng)減少，局部污染嚴(yán)重的點加密采樣，共設(shè)置采樣點27個，每個點位代表的是其上下游各約250 m范圍，采樣點坐標(biāo)見表1，分布如圖1所示?？紤]到實際工程需求，底泥樣品僅采集至原狀土下20～30cm。根據(jù)采集的全柱狀底泥斷面顏色分布，主要呈現(xiàn)黑-黃-黑、全黑、黑-黃、黃-黑-黃、全灰等，與湖泊水庫描述的污染層、過渡層和健康層不太一致[6，8]，推測原因可能是河道水動力條件相對湖泊、水庫復(fù)雜，因行洪排澇需要不定期清淤，人工干預(yù)對淤泥分層狀態(tài)影響較大。根據(jù)柱狀底泥顏色、氣味和質(zhì)地，黑-黃-黑、黃-黑-黃的柱狀泥依次分割并命名為上層、中層和下層，黑-黃的為上層和下層，全黑和全灰的按照厚度均勻分為上中下3層，將同一種顏色質(zhì)地的泥小心分割成一段密封至保鮮袋中，運(yùn)回實驗室在4℃下冷藏保存。

圖1 取樣點位示意圖

柱狀泥長度在63～140cm之間，上層泥厚度在18～46cm之間，平均厚度23cm；中層泥在18～45cm之間，平均厚度28cm；下層泥在18～55cm之間，平均厚度為32cm，具體見表1。

表1 小中河底泥采樣點位置表

1.3 實驗方法及模擬條件控制

1.3.1實驗方法及參數(shù)選擇

目前模擬河道底泥對上覆水影響的實驗方法和

容器沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但都以盡量模擬水體的自然條件和簡化設(shè)備為基本原則[13]。因此，本實驗擬在燒杯中進(jìn)行動態(tài)模擬，讓表層底泥中污染物在外界擾動下釋放，達(dá)到吸附解吸平衡后，上覆水中污染物濃度升高，說明底泥污染物存在釋放，需要清淤；上覆水污染物濃度降低，說明底泥污染物不釋放，不需要清淤。在確定清淤的情況下，清淤后的層將成為新表層底泥，污染物會在新的泥水界面之間遷移轉(zhuǎn)化，為了確定清淤后的底泥不向上覆水中釋放污染物，需要對不同深度的底泥開展動態(tài)模擬試驗，將不存在污染物釋放的層作為新的泥水界面，對應(yīng)泥層的厚度就是水質(zhì)清淤深度。

為了模擬小中河補(bǔ)水后的水力條件，通過震蕩來模擬所有擾動的最大值，為了避免底泥因震蕩而大量懸浮，將底泥鋪滿裝置底部時輕壓。底泥的厚度、表面積和上覆水深度是關(guān)鍵的控制指標(biāo)，本實驗參考利鋒等[11]對河道動態(tài)模擬實驗參數(shù)、范成新等[14]關(guān)于清淤疏浚精度以及底泥對下層污染物釋放的阻隔厚度參數(shù)[15]，選取底泥厚度與上覆水水深之比1∶10。吸附解吸時間影響到污染物是否充分釋放，時間過久會導(dǎo)致底泥中污染物受溫度、光照等條件變化而產(chǎn)生影響，根據(jù)試驗前期的釋放速率試驗，氨氮在2h后達(dá)到最大釋放量并出現(xiàn)不規(guī)律變動，COD和TP在12h后達(dá)到吸附解吸平衡，結(jié)合《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術(shù)指南(試行)》[16]中的吸附解吸時間，采用2h后取上覆水測定氨氮、24h后取上覆水測定COD和TP指標(biāo)。

1.3.2實驗方法

根據(jù)上述分析，實驗方法確定如下：將不同層底泥均勻鋪裝在燒杯底部并輕壓均勻，按照泥厚與上覆水水深1∶10的比例沿?zé)瓋?nèi)壁緩慢加入再生水(取自黃村污水處理廠)，水質(zhì)情況見表2。實驗設(shè)置不加泥的空白對照，置于25℃下140r/min恒溫振蕩器上進(jìn)行震蕩，震蕩2h后取上覆水測定氨氮濃度；震蕩24h后測定上覆水COD和TP濃度。氨氮、COD和TP采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》中的方法進(jìn)行分析。

表2 上覆水主要水質(zhì)指標(biāo)

2 結(jié)果與討論

2.1 影響水質(zhì)的清淤深度

2.1.1表層底泥污染物釋放情況

表層底泥動態(tài)釋放試驗結(jié)束上覆水中氨氮、總磷和COD濃度超過初始濃度時，表明試驗底泥中污染物存在釋放風(fēng)險。表層底泥污染物的釋放結(jié)果見圖2—4，從底泥中氨氮釋放情況看(圖2)，點位S6、S8、S11、S13、S14、S15和S16表層底泥均存在氨氮釋放情況，主要集中在小中河的中段，說明當(dāng)補(bǔ)充再生水后小中河中段底泥存在氨氮釋放風(fēng)險，這些點位的底泥會成為上覆水的氨氮釋放源，造成上覆水中氨氮濃度升高；其他點位底泥則是上覆水的氨氮匯，會吸附上覆水中的氨氮造成上覆水中氨氮濃度降低。

圖2 小中河表層底泥氨氮釋放情況

從表層底泥中總磷的釋放情況看(圖3)，總磷釋放主要集中在小中河的下游，點位S19、S21、S22、S23、S24、S25、S26均存在釋放情況，表明當(dāng)補(bǔ)充再生水后，這些點位的底泥會成為上覆水的總磷釋放源，其他點位底泥則是上覆水的總磷匯。

圖3 小中河表層底泥總磷釋放情況

從表層底泥中有機(jī)質(zhì)的釋放情況看(圖4)，除S18—S22四個點位表層淤泥不存在有機(jī)質(zhì)釋放外，其余點位均存在底泥中有機(jī)質(zhì)釋放污染上覆水的情況，表明當(dāng)補(bǔ)充再生水后，這些點位的底泥會成為上覆水的COD釋放源，其他點位底泥則是上覆水的COD匯。

圖4 小中河表層底泥有機(jī)質(zhì)釋放情況

綜合3種污染指標(biāo)在各點位的釋放情況看，除了點位S18不存在污染物釋放以外，其他點位均存在底泥中污染物向上覆水釋放的情況，會成為內(nèi)源染的源。為了實現(xiàn)小中河補(bǔ)充再生水后水質(zhì)不惡化，需要對該河段開展清淤工作。

污

2.1.2不同深度底泥污染物釋放情況

不同層底泥污染物釋放情況如圖5—7所示。

圖5 不同深度底泥氨氮釋放情況

圖6 不同深度底泥總磷釋放情況

圖7 不同深度底泥有機(jī)質(zhì)釋放情況

從氨氮釋放時空分布可以看出(如圖5所示)，59%的點位不同深度的底泥中氨氮均不會向上覆水釋放，反而會吸附上覆水中的氨氮污染物，說明這些點位受到外界氨氮污染較小，清淤至任何層，下一層均不會向上覆水釋放氨氮，主要分布在河道上段和下段。個別點位污染較嚴(yán)重，不同深度樣品全部存在氨氮向上覆水釋放的情況，如點位S6、S8、S13和S14，說明這些點位長期受到氨氮污染，導(dǎo)致底泥污染較深，會持續(xù)的向上覆水釋放污染物，在僅考慮影響上覆水水質(zhì)的角度而不考慮行洪的情況下來說，清淤深度至少要到采樣深度之下；其他點位存在僅一層釋放氨氮污染物的情況，需要視具體情況決定清淤深度，如上層釋放而中層和下層不釋放，則僅需要清除上層即可；若上層、中層釋放而下層不釋放，則僅需要清除上層和中層即可；若上層不釋放而中層和下層釋放，因上一層對下一層污染物釋放會有阻隔作用，所以不清淤或全部清除；若上層和下層不釋放而中層釋放，則不清淤或清除上層和中層。如在僅考慮底泥污染物對水質(zhì)影響的角度下，點位S1僅中層底泥釋放氨氮污染物，該點位代表的河段不清淤或?qū)⑸蠈雍椭袑右徊⑷コ稽c位S2、S10和S20僅下層底泥釋放氨氮污染物，則點位所代表的河段不清淤或僅清除上層淤泥；點位S11、S15、S16僅表層底泥釋放污染物，則清除表層底泥即可。

從不同點位不同深度底泥總磷釋放時空分布情況看，51%的點位底泥中總磷含量較低，主要分布在河道中上段，會吸附上覆水中的總磷，導(dǎo)致上覆水中總磷含量降低，從影響水質(zhì)的角度上來說，清淤至任何層，下一層均不會向上覆水釋放總磷。個別點位磷污染較嚴(yán)重，如點位22、25和26，不同深度底泥全部受到磷污染，說明兩個點位長期受到外源磷污染，從影響水質(zhì)的角度來說，清淤深度至少要達(dá)到采集的底泥厚度。其他點位存在單層或雙層磷污染，需要視具體情況決定清淤深度，如上層釋放總磷而中層和下層不釋放，則僅需要清除上層即可；若上層、中層釋放而下層不釋放，則僅需要清除上層和中層即可；若上層不釋放而中層和下層釋放，因上一層對下一層污染物釋放會有阻隔作用，所以不清淤或全部清除；若上層和下層不釋放而中層釋放，則不清淤或清除上層和中層。

底泥有機(jī)質(zhì)釋放結(jié)果表明，超過85%的點位不同深度底泥會導(dǎo)致上覆水COD濃度顯著升高，從影響水質(zhì)的角度來說，這些點位清淤深度需大于采樣深度。僅點位S18、S19、S21基本不存在底泥有機(jī)質(zhì)釋放風(fēng)險，從影響水質(zhì)角度來說不需要清淤。

2.1.3水質(zhì)清淤深度判斷

結(jié)合每個點位底泥的氨氮、總磷和有機(jī)質(zhì)釋放情況，只要釋放后上覆水中有一項指標(biāo)超過了初始值，那么從影響水質(zhì)的角度來看需要清淤。除了點位S18所代表河段不需要清淤外，其他點位均需要清淤，根據(jù)表1中每個點位上、中、下層的厚度和動態(tài)釋放結(jié)果，判定的從水質(zhì)角度需要清淤的深度見表3。從表中可以看出，除了點位S18外，其他點位影響水質(zhì)的清淤深度基本大于采樣深度，甚至深入到了原狀土，而且有機(jī)質(zhì)污染決定著清淤的深度。

表3 水質(zhì)清淤深度 單位：cm

2.2 河道清淤綜合深度確定

河道不僅具有水景觀的功能，更承擔(dān)著行洪排澇的功能。若僅考慮河道水景觀功能，通過底泥對水質(zhì)的影響由水質(zhì)清淤深度決定最終的清淤深度，勢必會造成河道縱斷面不規(guī)則，影響河道行洪安全，也會給施工帶來極大困難。因此即使考慮清除河道污染底泥，也得兼顧河道行洪安全。具體到實際清淤深度，建議按照河道規(guī)劃河底高程和行洪標(biāo)準(zhǔn)先行確定河道每個標(biāo)段的水利清淤深度，用影響水質(zhì)清淤深度進(jìn)行復(fù)核，若水利清淤深度大于水質(zhì)清淤深度，則按照水利清淤深度清淤；若水質(zhì)清淤深度大于水利清淤深度，理論應(yīng)按照水質(zhì)清淤深度清淤，并用回填材料回填至規(guī)劃河底高程。因河道部分點位污染深度過深導(dǎo)致水質(zhì)清淤深度過大，考慮到實際操作的可行性和經(jīng)濟(jì)性原則，應(yīng)規(guī)定一個合理的超挖深度(超過河道規(guī)劃底高程)。鑒于國內(nèi)現(xiàn)有清淤精度[13]，以及一定厚度底泥對下層底泥污染物釋放的掩蔽作用[14]，超挖深度可設(shè)置為50cm，即當(dāng)水質(zhì)清淤深度大于水利清淤深度時，清淤至水利清淤深度時最多超挖50cm后回填至規(guī)劃河底高程。為方便施工操作，最終清淤深度可直接取用整數(shù)。

3 結(jié)語

(1)表層底泥釋放結(jié)果表明，除了點位18代表的約500 m河段底泥不釋放污染物外，其他河段表層底泥均存在污染物釋放情況，從底泥影響水質(zhì)的角度說需要開展清淤。

(2)底泥分層釋放結(jié)果表明，4個點位不同深度底泥均存在氨氮釋放，3個點位的不同深度底泥均存在總磷釋放，23個點位的不同深度底泥均存在有機(jī)質(zhì)釋放，這些點位底泥污染深度均超過取樣深度，僅有點位S18不同深度淤泥均不存在氨氮、總磷和有機(jī)質(zhì)釋放。說明小中河底泥普遍受到有機(jī)質(zhì)污染，且清淤深度基本由有機(jī)質(zhì)污染深度決定，水質(zhì)清淤深度均大于取樣深度。

(3)河道綜合清淤深度的確定，既要考慮水利清淤深度，又要考慮水質(zhì)清淤深度。當(dāng)水利清淤深度大于水質(zhì)清淤深度時，應(yīng)按照水利清淤深度確定；當(dāng)水質(zhì)清淤深度大于水利清淤深度時，原則上清至河道規(guī)劃高程后，最多超挖50cm并回填至河道規(guī)劃高程，阻隔下層污染物向上覆水釋放污染物，同時保障河道斷面規(guī)則，保障河道水環(huán)境安全和行洪安全。