湖泊污染底泥治理修復(fù)實(shí)踐——以太湖為例

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:在深入研究太湖底泥污染特性和水生生物適生性低下等突出的環(huán)境和退化問題基礎(chǔ)上，探索污染底泥環(huán)保疏浚、底質(zhì)適生性構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)難題，為有效控制富營(yíng)養(yǎng)化湖泊內(nèi)源污染、修復(fù)底質(zhì)生境、提高湖泊水體質(zhì)量提供新方法。

太湖是無(wú)錫、蘇州和上海市的主要或備用飲用水源，在地區(qū)的生產(chǎn)和生活中具有舉足輕重的地位。近三四十年來(lái)，以水體氮、磷含量高企而形成的富營(yíng)養(yǎng)化問題，成為太湖水污染最主要的特征。在春夏季，太湖一些濱岸還常出現(xiàn)一種被稱為“湖泛（black bloom）”的極端水污染現(xiàn)象，其本質(zhì)是藻類泛濫成災(zāi)。這些污染問題不僅會(huì)制約周邊流域的社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，更嚴(yán)重的是對(duì)太湖水源地的供水安全構(gòu)成威脅。

太湖底泥污染及底質(zhì)退化狀況

湖泊的污染不外乎外源和內(nèi)源兩大來(lái)源。就太湖而言，外源污染主要來(lái)自工業(yè)點(diǎn)源、農(nóng)業(yè)面源、生活廢水、大氣沉降、養(yǎng)殖投餌及旅游航運(yùn)等污染排放；內(nèi)源則主要來(lái)自湖泊底部的底泥。底泥又稱底質(zhì)或沉積物，在太湖底泥中蓄積著湖體約90%以上的污染物，其中含量偏高的是氮、磷等營(yíng)養(yǎng)性污染物，主要來(lái)自入湖的外源污染，以及湖體內(nèi)藻類和水生植物等生物死亡殘?bào)w等。水體中懸浮態(tài)顆粒物對(duì)水體中污染物的包夾、物理化學(xué)吸附及絮凝等，通過沉降等作用，在湖底按時(shí)間順序形成具有不同環(huán)境（或污染）性質(zhì)的底泥層。當(dāng)外源采取控制措施，特別是底泥環(huán)境（如pH、氧化還原電位、溫度、微生物等）發(fā)生變化時(shí)，沉積的污染底泥將成為潛在污染源，表層底泥中的溶解態(tài)污染物（如氮、磷和有機(jī)碳）又會(huì)重新釋放出來(lái)，從而污染湖泊水體[1]。據(jù)研究，太湖全年因底泥釋放形成的氮、磷內(nèi)源負(fù)荷約占外源氮、磷入湖量的1/4，湖泛的易發(fā)湖區(qū)都與污染底泥的分布有關(guān)[2,3]，這些都表明底泥是太湖必須治理的內(nèi)源污染源。

太湖濱岸底泥污染及惡化退化問題環(huán)境影響示意圖

太湖湖濱帶岸線總長(zhǎng)405千米，其中以竺山湖、梅梁灣、貢湖和西部沿岸大堤型和山坡型沿岸帶最為多見。在這些湖區(qū)的濱岸，70%以上為水泥混凝土堤防。大堤外吹程長(zhǎng)的波浪所形成的反射波和沿岸流會(huì)帶走湖底表面松散底泥，留下密實(shí)度較高的底泥；還有些區(qū)域是藻類聚積和外源性沉降量大、底泥有機(jī)質(zhì)含量高、氧化還原電位（或溶氧量）低的區(qū)域（其中北部和西部部分岸帶，春夏季還會(huì)發(fā)生湖泛現(xiàn)象）。另外，由于疏浚和取土等人為的機(jī)械活動(dòng)也造成了湖底底質(zhì)新生表層（newborn surface）的密實(shí)度增加，不利于底棲生物和水生植物的著根生長(zhǎng)[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，受上述底泥惡化和退化影響的太湖濱岸帶總長(zhǎng)度約200千米，寬度10~300米不等，主要集中在表層十到數(shù)十厘米泥層內(nèi)，污染底泥的這種集中性分布，一定程度也給水下薄層的底泥環(huán)保疏浚治理技術(shù)的應(yīng)用提供了可能。

太湖西部符瀆港岸邊污染底泥和退化底質(zhì)

底泥環(huán)保疏浚和適生性修復(fù)探索

環(huán)保疏浚是指以減少底泥內(nèi)源負(fù)荷和污染風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，用機(jī)械方法，將富含污染物的指定量底泥進(jìn)行精確、有效和安全地清除的技術(shù)，并為受影響水生生物的恢復(fù)創(chuàng)造條件。該技術(shù)于1990年代末引入我國(guó)，已在滇池等污染湖泊得到廣泛應(yīng)用。但是，由于缺乏湖泊底泥污染的有效診斷、環(huán)保疏浚面積/深度的確定以及疏浚效果預(yù)測(cè)的方法和手段，在湖泊底泥是否疏浚、疏浚多少和能否疏浚等幾個(gè)關(guān)鍵問題上，存在很大的任意性[2]，導(dǎo)致一些湖泊治理效果不盡如人意。為此，我們從理論和技術(shù)原理著手，以底質(zhì)信息高精度分析—污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬—污泥原位治理—污泥疏浚去除—基質(zhì)生態(tài)修復(fù)為主體思路，在太湖開展理論和技術(shù)探索。

底泥污染和惡化退化問題診斷

太湖的主要問題是富營(yíng)養(yǎng)化，氮、磷是其主要營(yíng)養(yǎng)性污染物，因此精準(zhǔn)采集樣品，分析底泥營(yíng)養(yǎng)物含量及在界面的釋放影響和對(duì)藻源性湖泛的形成作用是診斷底泥污染的關(guān)鍵。

湖泊底泥是受水充盈的似泥土質(zhì)固體，泥質(zhì)疏松有利于水生植物根系著生和底棲生物營(yíng)穴，但底泥若過于疏松，曲撓程度小、堆積松散，則不利于其扎根和固穴。含水率、孔隙度、容重、溶解氧、氧化還原電位和pH等是底泥的主要固有物理屬性參數(shù)，其中孔隙度、容重、含水率有互換關(guān)系，且曲撓度與孔隙度有關(guān)。底泥溶解氧、氧化還原電位和pH是反映著生生物環(huán)境惡化與否的主要參數(shù)，雖然這些參數(shù)主要是受底泥中（污染）物質(zhì)含量和環(huán)境地球化學(xué)行為的影響，但研究反映，深度缺氧或厭氧的底泥環(huán)境不利于植物根系生長(zhǎng)和底棲生物存活。國(guó)際上一直缺乏對(duì)底質(zhì)退化的診斷手段，我們以沉水植物菹草進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)孔隙度在0.75左右時(shí)，成活率100%；孔隙度在0.70左右時(shí)，成活率降至約80%；孔隙度在0.65左右時(shí)，成活率下降到43%；當(dāng)孔隙度小于0.60時(shí)，水生植物營(yíng)養(yǎng)體的根系幾乎不能自然進(jìn)入底泥中，成活率接近零。

底泥的密度和有機(jī)質(zhì)含量與水生植物生長(zhǎng)大致有一個(gè)最佳值。對(duì)于苦草和馬來(lái)眼子菜而言，低于大約0.9克/厘米3的底泥密度和高于5%有機(jī)質(zhì)含量，都可能會(huì)抑制它們的生長(zhǎng)。另外，不同植物（或生長(zhǎng)期）生長(zhǎng)和底棲生物活動(dòng)都有適合的底泥層位，因此通過以上的分析和診斷，我們確定將孔隙度和氧穿透性深度作為太湖底質(zhì)適生性劣質(zhì)化主要參數(shù)。

底泥疏浚決策及疏浚效果評(píng)估

環(huán)保疏浚中需要解決的問題是“是否疏?！薄笆杩６嗌佟薄叭绾问杩！焙汀敖Y(jié)果如何”，其中前3個(gè)問題涉及疏浚決策，后一問題涉及疏浚效果的評(píng)估。我們對(duì)太湖原柱樣底泥在不同溫度、不同水動(dòng)力條件下的氮、磷釋放過程，以及不同聚藻量、溫度和水動(dòng)力下的湖泛形成過程進(jìn)行了批量模擬，經(jīng)多年的現(xiàn)場(chǎng)中試規(guī)模的研究，推薦以底泥氮磷釋放速率、表層底泥有機(jī)質(zhì)含量和藻源性湖泛模擬發(fā)生所需時(shí)間為太湖底泥環(huán)保疏浚決策參考[2]。

關(guān)于污染底泥疏浚后的環(huán)保效果和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，早期對(duì)湖泊疏浚效果的評(píng)價(jià)，是通過統(tǒng)計(jì)從湖體去除多少污染物的量，以及調(diào)查水質(zhì)改善（即水體污染物含量下降）情況來(lái)進(jìn)行的。但是疏浚從湖體取走的污染物總量是由疏浚底泥的方量決定的，水是流動(dòng)的，上部水質(zhì)的變化不一定意味著來(lái)自疏浚區(qū)的影響。疏浚效果的評(píng)價(jià)實(shí)際是對(duì)疏浚決策的合理性、工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性以及工程施工的精準(zhǔn)性的綜合評(píng)估。疏浚后底泥將產(chǎn)生新生表層，該表層主要是相對(duì)密實(shí)的歷史沉積層，其上將有因疏浚質(zhì)量影響而殘留或回淤的底泥，以及隨時(shí)間而累積的湖體沉降顆粒物[5]。歷史沉積層的性質(zhì)決定疏浚后效果的基線，殘留或回淤的底泥影響著疏浚初期效果，沉降顆粒物則影響疏浚后期或長(zhǎng)期效果的走向。從管理層面要求的宏觀效果是水體特征、生態(tài)狀況和底泥質(zhì)量的改善情況，但實(shí)質(zhì)性評(píng)價(jià)則是疏浚前后，底泥污染性（如內(nèi)源釋放）和對(duì)環(huán)境災(zāi)害（如湖泛形成）等的改善效果。

污染底泥環(huán)保疏浚量確定

疏浚量的確定就是要確定疏浚范圍和疏浚深度的問題。環(huán)保疏浚范圍確定的核心問題，是建立底泥污染性質(zhì)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分方法及科學(xué)的空間整合體系。根據(jù)太湖特點(diǎn)，我們采用“網(wǎng)格層次法”，即以氮、磷靜態(tài)釋放，重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等9個(gè)底泥物化屬性參數(shù)為主，先將擬疏浚的湖泊或湖區(qū)劃分成單元網(wǎng)格，把插值后的單元格中特征屬性數(shù)據(jù)，依據(jù)9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)和無(wú)量綱化處理，通過層次分析法和專家支持系統(tǒng)計(jì)算出指標(biāo)權(quán)重，再用數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)換成疏浚綜合評(píng)估值，然后分類和單元?dú)w并，最后確定環(huán)保疏浚位置及面積。

太湖底泥環(huán)保疏浚面積(左)和疏浚深度(右)確定推薦方法

在推薦的環(huán)保疏浚區(qū)，結(jié)合底泥污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，按分層釋放法速率（或分層模擬湖泛發(fā)生時(shí)間）、重金屬生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)和有機(jī)質(zhì)含量垂向分布，結(jié)合拐點(diǎn)法確定環(huán)保疏浚深度。針對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化內(nèi)源污染控制，2006年推薦太湖環(huán)保疏浚面積78千米2。2007年5月太湖貢湖發(fā)生湖泛黑臭后，我們研究發(fā)現(xiàn)污染底泥與藻源性湖泛密切相關(guān)，依據(jù)太湖底泥湖泛發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，為湖泛易發(fā)區(qū)應(yīng)急和規(guī)劃疏浚方案設(shè)計(jì)提供了疏浚深度建議，對(duì)太湖水源地和水環(huán)境的改善提供了重要決策支持。

惡化退化底質(zhì)適生性修復(fù)

針對(duì)污染湖泊特別是迎風(fēng)岸帶因底質(zhì)污染嚴(yán)重或/和植物立地生境差的問題，研究了當(dāng)?shù)赝寥佬再|(zhì)和不同厚度客土覆蓋對(duì)底質(zhì)污染釋放控制、植物根際物理微環(huán)境改善對(duì)植物生長(zhǎng)的影響等，分析了客土控制底質(zhì)內(nèi)源和植物基底修復(fù)機(jī)制；研發(fā)出在近岸水域利用當(dāng)?shù)乜屯林亟ㄖ参镞m生基底并兼顧內(nèi)源污染控制的方法，為退化和污染等復(fù)合環(huán)境惡化底質(zhì)的原位修復(fù)提供了技術(shù)支撐；針對(duì)土源不足、浪蝕作用強(qiáng)的堤岸帶，設(shè)計(jì)了在堤岸與消浪帶間設(shè)立擋泥圍欄，通過含種子源的鄰近區(qū)域清潔底質(zhì)的吹填，使得基底抬高并固化形成具有生態(tài)堤岸的緩坡，從而達(dá)到利用本源客土覆蓋，使浪蝕強(qiáng)、底質(zhì)污染或硬底質(zhì)的堤岸帶，滿足多種生活型水生植物立地與生長(zhǎng)的生境條件。

比如，太湖大堤型和山坡型湖濱岸底泥（主要為細(xì)粉砂和黏土）物理性退化較明顯，水質(zhì)長(zhǎng)期惡化或富營(yíng)養(yǎng)化區(qū)底泥污染性惡化則較為嚴(yán)重。選擇受風(fēng)浪侵蝕影響嚴(yán)重的貢湖直立型岸帶以及受內(nèi)源釋放污染嚴(yán)重影響的西五里湖（太湖北湖湖灣）退化和惡化底泥作為修復(fù)對(duì)象，開展試驗(yàn)示范性研究。在貢湖北岸80米長(zhǎng)無(wú)土壤底質(zhì)退化區(qū)，以排樁固土、底泥吹填堆土，在退化區(qū)岸邊營(yíng)造淺灘和斜坡，栽種蘆葦?shù)戎参?，成功?gòu)建了太湖退化底質(zhì)生態(tài)修復(fù)示范區(qū)，控制了底泥內(nèi)源釋放[6]。對(duì)因污染而退化的太湖底泥，采用覆蓋30~60厘米清潔客土方式修復(fù)底質(zhì)，在西五里湖建立150畝（1畝≈666.67米2）示范區(qū)[4]，起到控制底泥內(nèi)源釋放污染的作用，修復(fù)了消失多年的本土沉水植被。

太湖貢湖濱岸區(qū)底泥惡化修復(fù)示范區(qū)及修復(fù)效果

五里湖濱岸區(qū)底泥惡化修復(fù)示范區(qū)及修復(fù)效果

重污染底泥環(huán)保疏浚與生態(tài)修復(fù)集成創(chuàng)新

我國(guó)許多重污染湖庫(kù)水體都曾開展過以疏浚工程為主的治理，但不少效果并不十分明顯，關(guān)鍵問題在于缺少生態(tài)系統(tǒng)重建這一重要環(huán)節(jié)。由于被污染的底泥并不適合植物和底棲動(dòng)物生長(zhǎng)，因此需要環(huán)保疏浚等工程來(lái)控制底泥污染，并為生物的著生創(chuàng)造良好的底質(zhì)本底條件。但在已完成污染湖泊治理的示范工程研究中，環(huán)保疏浚和生態(tài)修復(fù)區(qū)兩者在空間位置上都不相重疊，在時(shí)間次序上多未銜接[1]。雖然兩者可能都在同一湖區(qū)展開，但實(shí)際是各行其道，缺乏真正意義上的集成。鑒于此，我們?cè)谔暫笙蹡|側(cè)濱岸建立了一個(gè)225畝底泥環(huán)保疏浚和底質(zhì)生態(tài)修復(fù)綜合示范區(qū)，包括環(huán)保疏浚、環(huán)保疏浚+生態(tài)修復(fù)、生態(tài)修復(fù)3種治理類型示范區(qū)[6]。其中在環(huán)保疏浚+生態(tài)修復(fù)區(qū)，疏浚20厘米，內(nèi)源磷釋放速率削減率≥30%（35.7%~74.3%），至水生植物旺盛期，表層底泥好氧程度提高了11.3%~57.7%，表層底泥活性磷得到很大的削減。

我國(guó)雖已在太湖等一些富營(yíng)養(yǎng)化湖泊就環(huán)保疏浚和生態(tài)修復(fù)方面開展了大量的示范性和推廣性研究工作，有的甚至達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但仍有一些方面還處于探索性研究中。比如，圍繞底泥的環(huán)保疏浚和生態(tài)修復(fù)，其成果的集成程度還不夠，技術(shù)間缺乏很好的銜接[1]。疏浚關(guān)注的僅是疏挖的精確性和施工的便利性，幾乎沒有考慮為疏浚后生態(tài)修復(fù)創(chuàng)造條件；生態(tài)修復(fù)著重于水生植物種植成活率、豐度和群落穩(wěn)定性及水體理化環(huán)境改善，很少去考慮是否能在疏浚底泥上進(jìn)行水生生物的恢復(fù)，更不會(huì)考慮對(duì)疏浚后底泥內(nèi)源污染指標(biāo)的控制問題。疏浚是一類不可視性的水下隱蔽工程，生態(tài)修復(fù)則是顯現(xiàn)工程，如何將這兩者的相關(guān)技術(shù)在時(shí)間和空間上科學(xué)銜接，將是我國(guó)今后污染退化底泥治理需要突破的方向之一。