洪思遠(yuǎn)，沈世龍，杜宏翔，高榆森，張春雷

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310014；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

引 言

河道底泥是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在泥水交界面底泥與上覆水會(huì)進(jìn)行物質(zhì)交換。當(dāng)?shù)啄嘀形廴疚锖枯^低時(shí)，底泥可以吸附水體中的污染物，且底泥中的微生物可以降解污染物使之成為氣體排出，從而凈化河道水質(zhì)。但當(dāng)?shù)啄嘀械奈廴疚镞_(dá)到一定濃度時(shí)，微生物的降解能力無(wú)法達(dá)到污染物富集速度，底泥中的污染物會(huì)釋放至水體中，從而對(duì)水體造成污染[1-2]。因此，河道底泥中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量過(guò)高向水體中釋放會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[3]。

隨著深圳、東莞兩地城市化的不斷發(fā)展，茅洲河流域的水污染問(wèn)題成為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中的“痛點(diǎn)”，各級(jí)政府和社會(huì)各界先后在茅洲河開(kāi)展了一系列的水環(huán)境治理研究工作。茅洲河跨境兩市三區(qū)，污染來(lái)源復(fù)雜，學(xué)者對(duì)茅洲河中的重金屬[4-5]、鹵代多環(huán)芳烴[6]以及河道淤積情況[7]等分別進(jìn)行了研究。本文通過(guò)對(duì)深圳市茅洲河流域底泥中氮的污染情況進(jìn)行調(diào)查，對(duì)氮在各區(qū)域的分布特征進(jìn)行分析，并根據(jù)總氮含量評(píng)價(jià)底泥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，為茅洲河流域表層沉積物氮含量變化及環(huán)境污染程度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本次研究區(qū)域位于茅洲河干流(白沙坑匯入口至出?？?及支流—沙井河匯水區(qū)，位于深圳市寶安區(qū)與東莞市的交界處。具體研究區(qū)域位置如圖1所示，將研究區(qū)域分為3個(gè)典型河段(A區(qū)、B區(qū)、C區(qū))，其中A區(qū)位于茅洲河上游，B區(qū)是支流—沙井河匯水區(qū)，C區(qū)位于茅洲河下游出?？趨^(qū)域。

圖1 研究區(qū)域分區(qū)Fig.1 Research area division

1.2 樣品采集

分別對(duì)三個(gè)區(qū)域的河段進(jìn)行了底泥鉆孔采樣分析，共對(duì)46個(gè)斷面，86個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行了采樣，通過(guò)前期調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)采樣分析，茅洲河大部分底泥厚度在2～3 m之間，其中部分區(qū)域底泥厚度可達(dá)4 m。根據(jù)底泥淤積厚度和現(xiàn)場(chǎng)可辨的污染情況，可將茅洲河底泥按照污染情況分為：污染層、污染過(guò)渡層、過(guò)渡層、建筑垃圾層、健康層(表1)。按照這5個(gè)層對(duì)底泥進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分割，分割后一共得到353個(gè)樣品。對(duì)每個(gè)分割樣做好標(biāo)記和現(xiàn)場(chǎng)采樣記錄后用保溫箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行總氮的分析研究。

表1 茅洲河底泥底泥分層情況Tab.1 Sediment layering of the bottom mud of Maozhou River (cm)

續(xù)表1

1.3 樣品總氮測(cè)試分析方法

底泥的總氮測(cè)量?jī)x器為德國(guó)Elementar公司vario MACRO cube型元素分析儀。具體測(cè)試方法按照元素分析儀使用說(shuō)明書(shū)和規(guī)程操作，所有待測(cè)樣品均過(guò)100目篩子，以保證試樣均勻性，用錫箔紙稱量后包裹，在特定的模具上擠壓出空氣后，放入自動(dòng)進(jìn)樣器中待測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 茅洲河沉積物中氮含量整體特征

茅洲河沉積物中氮含量測(cè)試結(jié)果如表2所示，從表中可以看出在全河水平上，茅洲河底泥總氮平均含量為1 781.20±1 643.40 mg/kg，最低值為0.03mg/kg，最高達(dá)9 277.51mg/kg，變異系數(shù)為90%。300cm厚度以上部分底泥氮污染較為嚴(yán)重，總氮含量平均超過(guò)1 000 mg/kg，特別是表層100 cm厚度以內(nèi)的底泥總氮含量最高。茅洲河作為淺水河流，底泥中的氮與上覆水交換較為強(qiáng)烈，受風(fēng)浪擾動(dòng)和人為活動(dòng)影響，底泥中的氮很容易釋放到上覆水中，從而引起上覆水高度富營(yíng)養(yǎng)化。

表2 茅洲河底泥總氮含量整體特征

2.2 底泥總氮范圍及分布

從茅洲河整個(gè)底泥分層情況來(lái)看(圖2)，污染層總氮含量最高 (2 770.61±2 032.43 mg/kg)；其次是污染過(guò)渡層(1 470.53±1 293.64 mg/kg)和建筑垃圾層(1 140.47±816.47 mg/kg)，過(guò)渡層和健康層總氮含量相對(duì)較低，具體如圖2所示。

圖2 茅洲河底泥不同分層總氮含量Fig.2 Total nitrogen content in different layers in the bottom mud of Maozhou River

從茅洲河A、B、C三個(gè)區(qū)分區(qū)底泥整體來(lái)看(表3)，B區(qū)底泥總氮平均含量最高(2 353.71±2 410.62 mg/kg)；其次C區(qū)(1 754.49±1 385.09 mg/kg)，A區(qū)最低(1 407.93±1 194.27 mg/kg)。與總氮變化趨勢(shì)一致，從底泥整個(gè)剖面總氮含量來(lái)看，B區(qū)氮污染最嚴(yán)重，其次是C區(qū)，A區(qū)底泥氮污染最低。這主要是因?yàn)锽區(qū)靠近城區(qū)，人口密集，周邊工業(yè)較多，沿岸分布有大量的排污口，河水流速較慢，且底泥受擾動(dòng)較少，污染物容易沉積，因而底泥氮污染最嚴(yán)重。從三個(gè)區(qū)底泥分層來(lái)看(圖3)，B區(qū)底泥污染層總氮含量最高(3 180.25±2 524.49 mg/kg)，其次是C區(qū)(2 680.39±1 829.14 mg/kg)，A區(qū)最低(2 378.47±1 509.14 mg/kg)。與污染層含量特征一致，B區(qū)底泥污染過(guò)渡層總氮含量最高(1 818.42±2 210.13 mg/kg)其次是C區(qū)(1 484.97±1 125.85 mg/kg)，A區(qū)底泥污染過(guò)渡層總氮含量最低(1 146.58±619.09 mg/kg)。建筑垃圾層總氮含量在C區(qū)具有最高值(1 174.87±842.87 mg/kg)，在A區(qū)具有最低值(727.55 mg/kg)，其它分層底泥總氮含量沒(méi)有較顯著的差異，總氮污染相對(duì)較輕，具體如圖3所示。

表3 茅洲河底泥總氮含量整體特征Tab.3 Overall characteristics of total nitrogen content in bottom mud of Maozhou River

圖3 A、B、C三區(qū)底泥不同分層總氮含量Fig.3 The total nitrogen content of the sediments in different layers of sediments in zones A, B and C

2.3 沉積物氮營(yíng)養(yǎng)鹽生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽與上覆水不斷的發(fā)生著物質(zhì)交換，評(píng)價(jià)底泥營(yíng)養(yǎng)鹽的污染狀況，可系統(tǒng)全面的揭示茅洲河底泥污染現(xiàn)狀，為茅洲河水質(zhì)改善和底泥疏浚提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

2.3.1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

目前針對(duì)底泥營(yíng)養(yǎng)鹽污染評(píng)價(jià)方法，國(guó)家尚未制訂出統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)多用有機(jī)污染指數(shù)法(含有機(jī)氮評(píng)價(jià)法)對(duì)氮污染進(jìn)行評(píng)價(jià)。有機(jī)污染指數(shù)法(含有機(jī)氮評(píng)價(jià)法)只考慮了有機(jī)質(zhì)和有機(jī)氮，而忽略了磷污染評(píng)價(jià)，采用綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法，計(jì)算公式(1)為：

(1)

(2)

公式(1)、(2)中：Si-污染物的單項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)；Ci-為評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；Cs-為污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；STN-某評(píng)價(jià)單元的綜合指數(shù)；n-參加評(píng)價(jià)的污染物項(xiàng)目數(shù)。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[8-9]，沉積物中具有最低級(jí)別生態(tài)效應(yīng)的總氮含量為550 mg/kg，具有嚴(yán)重級(jí)別生態(tài)效應(yīng)的總氮含量為4 800 mg/kg。結(jié)合茅洲河底泥污染情況，本研究確定總氮的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(Cs)為800 mg/kg。根據(jù)某單元的綜合指數(shù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)底泥污染等級(jí)進(jìn)行劃分，具體分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 底泥污染等級(jí)分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Classification and Evaluation Standards for Pollution Level of Sediment

2.3.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

由計(jì)算所得的A區(qū)采樣點(diǎn)總氮的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)(圖4)可知，茅洲河A區(qū)域底泥污染層總氮的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)介于0.36～6.72之間，平均值為2.97, 底泥污染層總氮含量水平較高，屬于重度污染。污染過(guò)渡層和過(guò)渡層屬于中、輕度污染，但污染過(guò)渡層中A31和A37采樣點(diǎn)總氮的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)小于1，底泥屬于清潔狀態(tài)。建筑垃圾層和健康層底泥總氮標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)低于1，說(shuō)明總氮含量水平較低, 底泥屬于清潔狀態(tài)，底質(zhì)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀相對(duì)較好。

圖4 茅洲河各采樣點(diǎn)底泥總氮標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)Fig.4 The standard index of total nitrogen in sediments of each sampling point of Maozhou River

B區(qū)域底泥污染層總氮的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)介于0.00～7.07之間，平均值為3.94，底泥污染層總氮含量水平非常高, 屬于重度污染，特別是B14和B30采樣點(diǎn)。污染過(guò)渡層(2.43)也屬于重度污染，過(guò)渡層(0.97)和健康層(0.98)底泥屬于清潔狀態(tài)，但健康層中B8采樣點(diǎn)總氮的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)(3.43)大于1，超過(guò)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，屬于重度污染，這說(shuō)明B8采樣點(diǎn)整個(gè)底泥剖面氮污染較為嚴(yán)重，可能是由于該區(qū)域河道排污口較多、污染物排放較多而致。B區(qū)沉積物氮污染嚴(yán)重，特別是健康層底泥總氮標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)明顯大于A區(qū)底泥健康層總氮標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)(0.66)，可能是因?yàn)锽區(qū)沙井河，沿岸排污口較多，污染物累積效應(yīng)明顯，加之上游來(lái)水中氮的沉積作用，從而導(dǎo)致底泥總氮含量較高。因此，需改善B區(qū)底泥環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。

C區(qū)域底泥污染層總氮的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)介于0.37～11.53之間，平均值為3.35，底泥污染層總氮含量水平非常高, 屬于重度污染。底泥污染過(guò)渡層(1.86)、過(guò)渡層(1.65)均屬于中度污染；底泥建筑垃圾層(1.47)屬于輕度污染，底泥健康層(0.78)均屬于清潔狀態(tài)。這說(shuō)明C區(qū)總氮含量水平較高, 除污染層以外，污染過(guò)渡層和過(guò)渡層底泥總氮標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)變化不明顯，這可能是因?yàn)镃區(qū)處于茅洲河下游，接近入江口，頻繁的人為擾動(dòng)促進(jìn)了中層和底層底泥對(duì)各種形態(tài)的氮的吸附和解析[10-11]。底泥沉積環(huán)境受自然和人為因素影響更為復(fù)雜。

總氮污染評(píng)價(jià)表明全區(qū)域總氮標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)均值為2.23，底泥總氮屬于重度污染。其中，最大值11.53，最小值0。從水平方向上，B區(qū)總氮污染最嚴(yán)重，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，總氮標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)(STN)均值為2.94，C區(qū)STN均值2.21，也屬于重度污染。A區(qū)STN均值1.92，屬于中度污染。從垂直方向上看，茅洲河底泥中污染層和污染過(guò)渡層的總氮標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)基本都在1.5以上，全部處于屬于中度及以上污染級(jí)別。

3 結(jié) 論

3.1 對(duì)深圳市茅洲河流域沉積物中的氮進(jìn)行了調(diào)查，茅洲河沉積物中氮含量總體較高，特別是表層100 cm厚度以內(nèi)的底泥總氮含量最高，底泥中的氮很容易釋放到上覆水中，從而引起上覆水高度富營(yíng)養(yǎng)化。

3.2 從茅洲河整個(gè)底泥分層情況來(lái)看，污染層總氮含量最高，其次是污染過(guò)渡層和建筑垃圾層，過(guò)渡層和健康層總氮含量相對(duì)較低。

3.3 從茅洲河A、B、C三個(gè)區(qū)分區(qū)底泥整體來(lái)看，B區(qū)底泥總氮平均含量最高；其次C區(qū)，A區(qū)最低。從底泥整個(gè)剖面總氮含量來(lái)看，B區(qū)氮污染最嚴(yán)重，其次是C區(qū)，A區(qū)底泥氮污染最低。

3.4 采用有機(jī)污染指數(shù)法對(duì)底泥中氮的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，表明全區(qū)總氮標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)均值為2.23，底泥總氮屬于重度污染。其中，最大值11.53，最小值0。從水平方向上看，B區(qū)總氮污染嚴(yán)重，C區(qū)屬于重度污染。A區(qū)屬于中度污染。從垂直方向上看，茅洲河底泥中污染層和污染過(guò)渡層的總氮標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)基本都在1.5以上，全部處于屬于中度及以上污染級(jí)別。

通過(guò)對(duì)茅洲河流域沉積物中氮的調(diào)查與分析，可以為茅洲河流域的治理與清淤工程決策提供依據(jù)，并為河湖水環(huán)境治理過(guò)程中底泥的調(diào)查與污染評(píng)價(jià)提供參考。