底泥疏浚與引流沖污對富營養水體生態系統恢復的影響

趙兵

摘 要：隨著社會經濟的迅速發展，人口壓力的增大，生活、農業和工業廢水使得城市城區及周邊的水體的環境狀況越來越差。底泥疏浚與引流沖污作為重要的水體修復技術，引起了研究者的廣泛關注。文章從底泥疏浚與引流沖污產生的污染物遷移轉化效應、生物效應和污染控制的工程問題三個方面總結相關的研究成果，以期對城市水環境管理提供借鑒和參考。

關鍵詞：底泥疏浚；引流沖污；生態系統恢復

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）24-0068-03

隨著社會經濟的迅速發展，人口壓力的增大，生活、農業和工業廢水使得城市城區及周邊水體的環境狀況越來越差。城市環境管理部門實施了包括引流、截污、清淤等一系列整治措施，但是隨著城市污水排放總量的不斷增加，污水處理率未能同步增長，使城市內河湖泊接納污染的負荷越來越大，大多數河段淤積嚴重，水流不暢，納污容量越來越小，內河湖泊水質普遍越來越差。水體惡臭及由水體富營養化引起的藍藻水化泛濫日趨嚴重，破壞了生態系統環境，嚴重威脅居民身體健康，因此，對于富營養水體修復已經引起廣泛的關注。

在水生生態系統中沉積物是營養物、重金屬、持久性有機污染物（POPs）的源和匯。在有效控制外源的情況下，生物或物理化學作用會促使沉積物的釋放，使得水體在相當長的時間內保持富營養化或者水質惡化等不良狀態。底泥疏浚和引流沖污都是水體修復的常見方法，被較多的應用于實踐中。引流沖污經常應用于海灣的淺灘、港口、航道等，底泥疏浚較多的用于被污染的淺水湖泊或者小型河流等水體。國內外都有很多相關的實踐經驗，但是對于疏浚技術能否從根本上使得水環境得到改善，及內部相應的機制國內外卻存在較大的爭議。底泥疏浚由于其高昂的施工成本和環境效果的不確定性，需要對施工可能產生的環境效應及其相應的機制有較為詳盡的了解。

1 底泥疏浚和引流沖污的污染物遷移轉化效應

底泥疏浚和引流沖污對于水生生態系統是一種干擾，會改變原本生態系統的穩定性，使得生態系統發生改變。相應的在懸浮過程對污染物的遷移傳化發生瞬時效應、短期效應和長期效應。底泥中營養鹽的釋放與溫度、pH、Eh、細菌、溶解氧等諸多因素相關，在20 cm以下的底泥基本上不直接參與營養鹽對水體的釋放，但一旦將上層底泥疏浚后，下層底泥會暴露成為表層底泥，好氧環境下其氮磷釋放量反而更大，即并不是任意的疏浚深度及任意時間的疏浚都可以減少營養鹽釋放量。

引流沖污是直接引入低營養鹽的清潔水來稀釋甚至更換部分湖水，達到稀釋營養物濃度的目的，使湖泊富營養化得到控制。引水稀釋技術屬于物理法分類技術，通過降低營養鹽濃度，加快交換速度，引水能有效提高富營養湖泊的水質。引水沖污常因清潔水源問題而在應用中受到限制。引水沖污實際是污染物的遷移，需要新的污染物容納體。

1.1 底泥疏浚對水土界面營養鹽通量的影響

各種水生生物殘體的生物沉積是湖泊沉積物的重要組成部分，在適當的條件下礦化就會成為湖泊N、P的內源向水體中釋放營養鹽。底泥疏浚這種內源控制技術的界面行為和活化機制研究一直是科研的熱點和難點，開展的研究多為疏浚效果的野外檢測評價和短期模擬試驗。疏浚能有效的削減沉積物中的營養物、重金屬和持久性有機污染物等污染物的含量，但疏浚會引起污染物向水體釋放，疏浚后的界面過程有可能對疏浚效果產生較大影響。底泥疏浚對水體富營養化的控制并非總是成功的。鐘繼承等通過試驗室疏浚模擬研究氮、磷釋放的長效機制發現未疏底質浚沉積物-水界面的銨態氮通量具有明顯的季節性，而疏浚后的底質沉積物-水界面銨態氮的通量季節變化不明顯。疏浚后的幾個月銨態氮的交換量先稍稍增大，在5～12月間顯著低于對照組。研究者認為在太湖流域底泥疏浚對沉積物銨態氮具有很好的控制作用，對太湖流域底泥疏浚30 cm可以有效減少沉積物的磷負荷，疏浚形成的氧化層能后很好的阻止沉積物-水界面的磷釋放。在水生生態系統中氮循環過程對于控制初級生產力具有重要的作用，在氮循環過程中反硝化過程是直接的脫氮過程，有研究發現沉積物反硝化速率受溫度的控制，硝態氮濃度是沉積物反硝化速率的主要限制因子。疏浚會使有機碳成為疏浚沉積物的反硝化速率影響因子。疏浚后短期內沉積物反硝化速率降低，這是沉積物脫氮過程一個潛在的負效應。

1.2 底泥疏浚對新鮮有機質云團的影響

底泥表層可分為三層：稀釋層、流體層和壓密層。稀釋層中的顆粒最細，有機質最多可稱為污染云團，應該疏浚的是上面兩層。在水體中新鮮細顆粒有機碎屑、細菌、藻類和礦物質等極細顆粒組成膠粘狀云團，其比重略大于1，在水力作用下很容易懸浮并長期滯留在水體中參與水中固體物通量的上下交換。底泥疏浚無法有效祛除云團，由于底泥的上面兩層都可再懸浮，如疏浚方法不當，已疏浚處很容易被未疏浚處的富營養流動性淤泥及污染云團覆蓋，疏浚將難以達到預期控制內污染源的目的。

疏浚引起的再懸浮能夠導致沉積物向水體釋放營養鹽，疏浚過程中水體TSS濃度顯著提高，同時伴隨著氮磷的釋放，疏浚后的水體很快澄清，TSS濃度迅速下降，但是水體中的營養鹽能夠維持較長的時間。疏浚后新生表層水土界面發生擴散、吸附和解吸等許多瞬時過程，這些過程對營養鹽的水相固相分配起著重要作用。

2 疏浚和引流沖污的生物效應

2.1 底棲生物的變化

疏浚工程往往會使底棲生境發生巨大的改變，而生境的恢復重建又需要很長的時間，為了減少疏浚的環境風險就需要對疏浚的可行性和環境效應進行評價。同時應對疏浚區的生物資源進行調查，為降低生態風險提出建議。底泥疏浚往往對底棲生物產生危害，進而使得水生生態系統的發生變化，系統中底棲生物和酶活性的恢復則需要長期的過程。M.A.Lewis等研究底泥疏浚（引流沖污）對城市化的弗羅里達海灣影響：對底棲生物和藻類固著生物的影響，疏浚顯著降低生物多樣性和密度。

底泥疏浚導致沉積物理化性質發生變化，進而會引起種群的更替，從而改變群落的組成。但群落的組成是有水土界面的物理和生物因子相互作用調控的，同時沉積物的粒度組成也會對群落產生影響。底泥疏浚對生物群落的直接影響就是種類、豐度和生物量的減少。這都使得疏浚區的生態系統重建成為生態修復的一個重點和難點。有研究者發現生態系統重建的能力取決于：疏浚區的水文條件和沉降狀況；疏浚時間及疏浚的強度和深度；機會種生殖策略的選擇等。

A.J.Kenny等研究海洋沿岸疏浚前后的環境效應和生物的重新植入，在進行清除50 000 T團聚體前，對底棲生物進行調查。之后每年進行檢測調查，研究發現當疏浚后優勢種迅速開辟新的生境，但是很多稀有種卻沒有。通過側向聲波定位和水下攝影發現在疏浚后的兩個冬天大量的沉積物發生遷移，本來的沉積物變為泥沙和礫石。疏浚后的24個月里生物量大大減少，可能是由于潮汐和波浪對沉積物的擾動所引起的。疏浚對于植被和底棲生物的影響會使沉積物的抗干擾能力下降。疏浚后最初占領生境物種生殖策略的選擇決定了生境恢復的速度（K選擇和R選擇的區別）。對生態系統的恢復需要對參照原系統結構，重新移植大量的R選擇物種和少量的K選擇物種。

2.2 疏浚后水生植被恢復的相關研究現狀

水生植被是水生生態系統中營養鹽重要的源和匯，對于維持水生生態系統的穩定性有重要意義。水生植被既有對環境的適應性，同時也會改造環境條件。水生植物和底泥之間的聯系和反饋表現為生態系統層次的元素交換和響應。水生植物的群落組成也會在一定時間內對底泥環境的改變或者局部生境的改變發生響應。不同水生植物對沉積物的生物化學作用，大型水生植物的種類組成可以可以改變沉積物生物地球化學循環，改變孔隙水磷酸鹽和固相磷及重金屬的含量水平。

由于水生植被的重要生態功能，很多研究關注水生植物在富營養水體中生長的限制性生長因子。Scheffer，M.等研究六個相鄰接的淺水富營養湖泊在20年中沉水植被的分布和動態。通過logistic模型預測富營養湖泊那些區域無法生長植被。沉水植被的生長并不是由響應深度的透明度決定的，因為富營養水體相同深度的水體濁度存在差異，同時植被變化與深度變化無明顯的線性關系。富營養水體中的植被變化非常快，每兩年改變50%。當由植被消失的時候又有大量的沉水植被克隆生長出來。有機質礦化過程中釋放的氮能促進植物的生長。沉積物含水量和含沙量的改變并不影響生物量。在高有機質的厭氧環境下硫離子和亞鐵離子會顯著抑制植物的生長，從而降低生物量。

B.G.Long等用BACIR（before/after，control/impact，repeated

measures）檢測疏浚海草河床環境效應，研究發現三種海草中的優勢種在疏浚后與疏浚前相比顯著減少，但是通過對照組的變化發現，海草植被的退化，可能不僅僅是疏浚造成的，跟更大尺度的環境效應相關。疏浚過程可能會降低生態系統對外界物理干擾的抵抗能力，這也為疏浚后水生植物的重建帶來了困難。

3 底泥疏浚和引流沖污對湖泊污染控制的時效性和

科學問題

3.1 疏浚的時效性和時間選擇

疏浚與大多數的水污染處理技術需要后期維護不同，屬于治理對象的一次性工程投入，疏浚后由于疏浚質量的差異造成的新生表層的殘留物，以及上覆水中的懸浮顆粒沉降等，均會使得內源釋放逐步恢復。所以外源控制顯得尤為重要。評價疏浚效果就需要看疏浚后的控制效果延續時間長短與資金投入相比人們的接受程度。

疏浚應該選擇在氣溫較低，水力條件較穩定的季節，應當避免底棲生物幼蟲再生期和繁殖期，一般會選擇在風險較小的冬季進行實施疏浚工程。

3.2 疏浚施工方案和參數設計

科學的疏浚方案涉及疏浚量、疏浚方式和疏浚深度等因素的研究，不同的水體系統，相應的參數設計也存在差異。

張修峰等通過生態模型法研究三垟濕地不同底泥疏浚量對水體的影響，發現若外源污染消除，在只有內源污染的情況下總磷濃度仍會進一步增加；底泥疏浚量越大，則水質改善越明顯，當底泥清除3/4時，水質會有明顯的改善。若不進行內源治理，外源治理無助于三垟濕地水體富營養化的徹底解決。

邢雅囡等以蘇州市古城區南園河底泥柱狀楊為例，研究不同層位底泥楊中氮的質量分數隨沉積深度的增加而減小；底泥中TOC的質量分數及釋放量對總氮的積累和釋放有較大影響；疏浚深度對底泥中氮磷的釋放產生影響，當深度為5 cm或15 cm時擴散較弱。

鑒于生態疏浚目的和表層淤積物特點，宜采用分區機械化作業和封閉吸疏式作業，可避免產生大的擾動和發生清泥沙而未清營養鹽的問題。疏浚目的是清除污染物、營養鹽，泥沙僅僅是營養鹽的載體。疏浚時應采用特殊技術和裝置，關鍵是密閉和抽吸，否則會大大降低疏浚效果。

3.3 疏浚的生態風險評估

由于疏浚工程本身的投入較大，疏浚方式的差異會直接影響到疏浚效果，所以對疏浚工程的風險評估顯得尤為重要。不同的研究者針對研究對象特點采用特定生態學指標進行研究：劉愛菊等[7][8]使用淡水沉積物質量基準和微生物毒性試驗方法，對疏浚前后五里湖沉積物提取液和全底泥沉積物的生態毒性進行研究分析，發現疏浚后沉積物中各重金屬污染物的總體含量顯著下降，但是鉻、鉛和鉬的含量仍可能對水體生態系統產生不良影響。底泥疏浚具有導致五里湖沉積物生物毒性增加的風險。研究者基于因子的主成分分析法，發現疏浚作用促進表層沉積物表層沉積物發生再懸浮和擴散作用，促進沉積物內源性營養鹽和重金屬離子的釋放。使用Monte Carlo隨機采樣法，分析發現底泥疏浚有導致五里湖水體環境質量短期惡化的風險。

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