史 凱
(北京市南水北調(diào)團(tuán)城湖管理處,北京 100195)
團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池位于北京頤和園團(tuán)城湖南側(cè),是充分、安全、可靠利用南水北調(diào)中線來(lái)水向北京城市供水的關(guān)鍵工程,連接著南水北調(diào)來(lái)水和北京密云水庫(kù)水兩大水源,是北京規(guī)劃的“26213”供水格局中的兩大樞紐之一。2012 年11 月,工程開(kāi)工建設(shè)。2014 年6 月主體工程完工,同年12 月正式蓄水。它由進(jìn)水建筑物、調(diào)節(jié)池、分水口和管理設(shè)施4個(gè)部分組成。工程總占地面積67 hm2,其中水面面積33 hm2,池底高程44 m,調(diào)蓄水位45~49 m,設(shè)計(jì)水位48.5 m,最高運(yùn)行水位49 m,總?cè)莘e162 萬(wàn)m3,可調(diào)蓄容積127萬(wàn)m3[1]。
河湖底泥是經(jīng)大氣沉降、雨水沖刷、污水排放、動(dòng)植物尸體沉降等途徑長(zhǎng)期累積的沉積物,是水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2]。
對(duì)調(diào)節(jié)池底泥環(huán)境進(jìn)行調(diào)查研究,主要包括2個(gè)方面原因:①目前團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池存在一定的的水體富營(yíng)養(yǎng)化及水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。南水北調(diào)中線正式通水以來(lái),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示藻密高錳酸鹽指數(shù)等相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)較高,并且有沿調(diào)水沿線上升趨勢(shì)[3]。藻類(lèi)及營(yíng)養(yǎng)鹽隨上游來(lái)水進(jìn)入調(diào)節(jié)池,加上工程自身運(yùn)行條件影響,極易在夏季發(fā)生水體富營(yíng)養(yǎng)化甚至水華現(xiàn)象。底泥既是水體污染的承接載體,也是水體環(huán)境的內(nèi)源污染釋放源頭,即底泥同時(shí)具有河湖污染“匯”和“源”的2 種屬性,是影響調(diào)節(jié)池水體富營(yíng)養(yǎng)化變化趨勢(shì)的因素之一[4]。②調(diào)節(jié)池環(huán)線分水口即將投入供水,未來(lái)田村分水口也將投入運(yùn)行,在增大供水流量后,上游來(lái)水夾帶的大量泥沙、絮狀沉積物及其他沉積物會(huì)快速進(jìn)入調(diào)節(jié)池,帶來(lái)淤積隱患。
團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池的水環(huán)境安全與否,直接關(guān)系到北京京西供水安全,有必要對(duì)底泥環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查,對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判,同時(shí)對(duì)底棲生態(tài)提升、工程清淤等措施提前研究。
底泥環(huán)境調(diào)查包括淤積程度測(cè)量、底泥特性檢測(cè)、大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物調(diào)查3個(gè)方面。
將團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池水面劃分為25 個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域岸平面分布選取5 個(gè)點(diǎn)位對(duì)底泥厚度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方法為將下方安裝圓形鐵板的長(zhǎng)直尺垂直探入湖內(nèi),直至觸碰到底泥表面,可得底泥表面至水面高度,再用池底至水面深度減去該值,即得到底泥厚度,對(duì)5個(gè)點(diǎn)位取平均值得到該區(qū)域底泥平均厚度。根據(jù)測(cè)量結(jié)果,底泥厚度分布如圖1所示,顏色越深即厚度越大。其中,入水閘及入水閘西、東兩側(cè)近岸流道以及田村分水口前北岸厚度較大,分別為48.5、42.8、22.6、24.2 cm,其他區(qū)域底泥厚度基本均在10 cm 以下,表示大部分區(qū)域依然接近硬質(zhì)池底。依據(jù)測(cè)量所得厚度及區(qū)域面積,經(jīng)計(jì)算目前調(diào)節(jié)池淤積量約28 646.86 m3,相對(duì)于2018 年調(diào)查淤積量9 930.26 m3,增加近2倍。

圖1 團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池淤泥厚度分布
2.2.1 點(diǎn)位及檢測(cè)指標(biāo)
對(duì)進(jìn)水閘、高水湖分水口、田村分水口、南側(cè)碼頭4 點(diǎn)位附近池底底泥進(jìn)行取樣并檢測(cè),檢測(cè)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)備型號(hào))詳見(jiàn)表1[5]。

表1 底泥特性檢測(cè)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)備型號(hào))
2.2.2 檢測(cè)結(jié)果
(1)XRD(礦物質(zhì))。各點(diǎn)位沉積物的礦物成分含量,詳見(jiàn)表2。從礦物成分組成比例來(lái)看,進(jìn)水閘處沉積物主要是方解石,而其他3點(diǎn)位均為石英占比最大。

表2 各點(diǎn)位底泥XRD檢測(cè)結(jié)果%
方解石是一種碳酸鈣產(chǎn)物礦物,是最常見(jiàn)的天然碳酸鈣。水體自生碳酸鈣沉淀形成機(jī)制研究表明,伴隨南水北調(diào)水帶來(lái)泥沙的淤積,藻類(lèi)的光合作用影響了水中CO?的平衡,引起水體碳酸鹽過(guò)飽和。進(jìn)水閘處沉積物方解石含量最高,驗(yàn)證了藻類(lèi)及其代謝產(chǎn)物形成的泥沙混合物隨南水北調(diào)干線來(lái)水進(jìn)入調(diào)節(jié)池后流速顯著變慢,在進(jìn)水閘處沉淀形成沉積物。
石英是由二氧化硅組成的礦物,二氧化硅在土壤中含量占40%~60%,是土壤的主要成分,硅藻遺骸中二氧化硅占80%以上,硅藻遺骸占活體的5%。高水湖分水口、田村分水口、南側(cè)碼頭處底泥由以硅藻為主的藻類(lèi)代謝產(chǎn)物、其他動(dòng)植物代謝產(chǎn)物以及泥沙等沉積形成。
(2)XRF(化合物)。各點(diǎn)位沉積物的化合物成分含量如圖2所示,除田村分水口外的3點(diǎn)位沉積物主要化合物組成相差不大,田村分水口處沉積物的氧化鈣含量最高為54.76%,其次為二氧化硅。

圖2 各點(diǎn)位沉積物化合物成分含量
(3)粒徑。高水湖分水口處的沉積物粒徑分布在5~451 μm,中值粒徑在98 μm;南側(cè)碼頭處的沉積物粒徑分布在10~679 μm,中值粒徑在229 μm;進(jìn)水閘處的沉積物粒徑分布在7.7~890 μm,中值粒徑在229 μm;田村分水口處的沉積物粒徑分布在4.4~517 μm,中值粒徑在200 μm。南側(cè)碼頭、進(jìn)水閘和田村分水口3 處的沉積物性質(zhì)和特點(diǎn)相近,明顯區(qū)別于高水湖分水口處的沉積物。各點(diǎn)位沉積物粒徑中值分布,如圖3所示。

圖3 各點(diǎn)位沉積物粒徑中值分布
(4)有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)是指存在于沉積物中的所含碳的有機(jī)物質(zhì),包括各種動(dòng)植物的殘?bào)w、微生物及其會(huì)分解、合成的各種有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)的多寡受上層水體的生產(chǎn)力控制,生產(chǎn)力越大沉降下來(lái)的有機(jī)質(zhì)越多那么沉積物中的有機(jī)質(zhì)就越多。各點(diǎn)位沉積物有機(jī)質(zhì)含量如圖4所示,其平均值為65.275 g/kg。

圖4 各點(diǎn)位沉積物有機(jī)質(zhì)含量
(5)全氮和全磷。全氮是指土壤中各種形態(tài)氮素含量之和,包括有機(jī)態(tài)氮和無(wú)機(jī)態(tài)氮,但不包括土壤空氣中的分子態(tài)氮。各點(diǎn)位沉積物全氮含量如圖5 所示,其平均值為6.30 g/kg。全磷是指磷的總貯量,包括有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷兩大類(lèi)。各點(diǎn)位沉積物全磷含量如圖6所示,其平均值為0.557 5 g/kg。

圖5 各點(diǎn)位沉積物全氮含量

圖6 各點(diǎn)位沉積物全磷含量
(6)有效氮和有效磷。有效氮是指土壤中易被作物吸收利用的氮,主要有銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基態(tài)氮、酰胺態(tài)氮及一些簡(jiǎn)單的多肽和蛋白質(zhì)類(lèi)化合物。調(diào)節(jié)池內(nèi)各點(diǎn)位沉積物有效氮差異較大如圖7 所示,高水湖分水口含量最高達(dá)到1.03 g/kg,入水口最低僅為0.353 g/kg,其平均值為0.666 g/kg。有效磷是指土壤中可被植物吸收利用的磷的總稱(chēng),包括全部水溶性磷、部分吸附態(tài)磷、一部分微溶性的無(wú)機(jī)磷和易礦化的有機(jī)磷等。調(diào)節(jié)池內(nèi)各點(diǎn)位沉積物有效磷差異較大如圖8所示,高水湖分水口含量最高達(dá)到24.6 mg/kg,田村分水口最低僅為7.81 mg/kg,其平均值為14.65 mg/kg。

圖7 各點(diǎn)位沉積物有效氮含量

圖8 各點(diǎn)位沉積物有效磷含量
(7)含水率。含水率是指水分占底泥質(zhì)量比,各點(diǎn)位沉積物含水率情況如圖9 所示,田村分水口沉積物含水量顯著低于其他點(diǎn)位。

圖9 各點(diǎn)位沉積物含水率
2.2.3 特性分析
監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,在團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池內(nèi)部,南側(cè)碼頭處底泥有機(jī)質(zhì)含量較高,說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)源有機(jī)污染隱患較大,其次為進(jìn)水閘。高水湖養(yǎng)水湖分水口全氮、全磷、有效氮、有效磷含量較大,反映隨水流擴(kuò)散至該區(qū)域并沉降的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽較多,其次為南側(cè)碼頭。
與北京市典型湖庫(kù)密云水庫(kù)進(jìn)行對(duì)比,密云水庫(kù)內(nèi)湖消落帶有機(jī)質(zhì)含量23.15±13.65 mg/g、全氮含量1.44±0.81 mg/g、全磷含量0.17±0.09 mg/g,而團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池4監(jiān)測(cè)點(diǎn)位底泥的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均比密云水庫(kù)內(nèi)湖消落帶高[6]。經(jīng)分析,這主要有2個(gè)方面原因:①每年隨自然降水、降塵過(guò)程進(jìn)入調(diào)節(jié)池水體的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)量較大,并且南水北調(diào)干線來(lái)水?dāng)y帶藻類(lèi)、營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷較大;②團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池尚未形成完備的生態(tài)系統(tǒng),水生植物、浮游動(dòng)物等凈化物種匱乏,并且目前未完全發(fā)揮供水運(yùn)行功能,水體循環(huán)異常緩慢且不充分。
團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池歷年投放大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物共1 次,時(shí)間為2020 年11 月,投放種類(lèi)為北京本地產(chǎn)田螺,規(guī)格不大于10 g/只,投放量約1 000 kg,采取按面積均勻投放的方式投入調(diào)節(jié)池水體。
專(zhuān)業(yè)人員對(duì)團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池共5 個(gè)點(diǎn)位(即D1 至D5,位置描述詳見(jiàn)表3)池底底泥開(kāi)展底棲動(dòng)物調(diào)查,依據(jù)《內(nèi)陸大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物多樣性調(diào)查與評(píng)估技術(shù)規(guī)定》(環(huán)境保護(hù)部公告2017 年第84 號(hào)附件11)使用標(biāo)準(zhǔn)工具進(jìn)行樣點(diǎn)法采樣,以直接觀察法對(duì)采集到的大型底棲動(dòng)物無(wú)脊椎動(dòng)物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鑒定。

表3 團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物調(diào)研結(jié)果
調(diào)查結(jié)果顯示,僅有3 個(gè)點(diǎn)位能采集到大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物,且種類(lèi)和數(shù)量極少,調(diào)研結(jié)果詳見(jiàn)表3。
底棲動(dòng)物投放情況及調(diào)查結(jié)果均表明,團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物多樣性及豐度均較低,尤其缺少以底泥環(huán)境中的有機(jī)質(zhì)或浮游藻類(lèi)為主要食物的甲殼類(lèi)、田螺科和雙殼類(lèi)大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物。
團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池底棲生態(tài)主要有2 項(xiàng)隱患:①目前,淤泥淤積程度未能形成完整底棲生態(tài)底質(zhì),大面積區(qū)域依然接近硬質(zhì)池底,容易在低水位運(yùn)行或者陽(yáng)光充足時(shí)釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)藻類(lèi)生長(zhǎng)。另外較低的淤積程度不是寡毛類(lèi)、雙殼類(lèi)等底棲動(dòng)物的理想生境。為此,考慮到調(diào)節(jié)池目前尚未正式供水,整體淤積速度緩慢,應(yīng)暫不開(kāi)展清淤,同時(shí)及時(shí)跟蹤測(cè)定淤積速度相對(duì)較快的入水閘處淤積程度。當(dāng)該處底泥淤積厚度達(dá)到1 m 時(shí),應(yīng)在排水檢修期間對(duì)底泥進(jìn)行人工清挖或上游來(lái)水充足時(shí)加大入水閘開(kāi)度、從而增大入水流量對(duì)該處底泥進(jìn)行沖刷。②大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物嚴(yán)重匱乏。作為對(duì)比,研究人員在南水北調(diào)中線干線源頭丹江口水庫(kù)的水生態(tài)調(diào)查中,共采集到底棲動(dòng)物61種,主要由寡毛類(lèi)(顫蚓科、仙女蟲(chóng)科)和搖蚊科組成[7]。在密云水庫(kù)開(kāi)展的調(diào)查中,共檢出底棲動(dòng)物17種,其中搖蚊幼蟲(chóng)12種、環(huán)節(jié)動(dòng)物5 種;底棲動(dòng)物平均密度為455.0 個(gè)/m2,平均生物量為2.70 g/m2[8]。
底棲動(dòng)物匱乏易導(dǎo)致底泥環(huán)境中的有機(jī)物不能被迅速轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)或礦物質(zhì),進(jìn)而導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更易為藻類(lèi)增殖所利用。據(jù)調(diào)查,藍(lán)藻過(guò)度生長(zhǎng)為目前調(diào)節(jié)池水環(huán)境的首要問(wèn)題,每年夏季藍(lán)藻爆發(fā)期在調(diào)節(jié)池南側(cè)、西側(cè)區(qū)域均形成大面積聚集,檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示藻密度超過(guò)1 500萬(wàn)個(gè)/L,嚴(yán)重影響水環(huán)境安全及景觀效果[9]。
有關(guān)研究顯示,部分大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物可直接攝食藻類(lèi),能通過(guò)過(guò)濾大量水體攝取浮游植物和有機(jī)碎屑[10]。相比常用來(lái)控藻的鰱魚(yú)、鳙魚(yú),底棲動(dòng)物具有濾水能力強(qiáng)、對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞破壞率高等特點(diǎn)[11]。為此,建議在調(diào)節(jié)池西側(cè)、南側(cè)等重點(diǎn)部位,分批次適量投入環(huán)棱螺、河蚌、河蜆、匙指蝦等底棲動(dòng)物,投放前宜用圍網(wǎng)設(shè)立集中投放區(qū),將物種投放其中暫養(yǎng)1~3 個(gè)月以穩(wěn)定和繁殖,再向大水域釋放。由于團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池岸、池底為全混凝土構(gòu)建,不利于某些底棲動(dòng)物及沉水植物定殖,還需在圍網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行微生境營(yíng)建,以縮短定殖時(shí)間,微生境營(yíng)建包括增設(shè)沉水植物種植模塊和塑造多孔材料微地形2個(gè)方面。
北京市水科學(xué)技術(shù)研究院對(duì)頤和園團(tuán)城湖開(kāi)展研究顯示,南水北調(diào)通水第3 年,團(tuán)城湖淤積量增至近15 萬(wàn)m3,淤積速度為南水北調(diào)通水前的16 倍,主流道兩側(cè)淤積厚度2 m 以上,局部露出水面,為團(tuán)城湖作為水源地50余年來(lái)第1次。在團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池正式運(yùn)行后,預(yù)計(jì)會(huì)面臨同樣問(wèn)題,因此有必要對(duì)工程清淤措施進(jìn)行初步探究[12]。
目前,主要清淤方式可分為干法清淤、濕法清淤及生態(tài)環(huán)保清淤[4]。干法清淤需修筑圍堰并抽干河湖積水,分為人工/機(jī)械挖掘和水力沖填,其中水力沖填方式無(wú)需將河湖完全排干,因此也可稱(chēng)作半干式清淤。濕法清淤無(wú)需進(jìn)行圍堰排水,通常清淤設(shè)備以清淤船作為施工平臺(tái)在水面上進(jìn)行底泥開(kāi)挖,清挖底泥經(jīng)管道輸送上岸堆積或進(jìn)一步處理,其代表清淤方式分別為抓斗式、絞吸式和氣動(dòng)泵式等,其中抓斗式對(duì)底泥擾動(dòng)大,易造成河水的二次污染;絞吸式、氣動(dòng)泵式對(duì)底泥擾動(dòng)小,環(huán)境影響小。生態(tài)環(huán)保清淤是由普通絞吸清淤技術(shù)改進(jìn)發(fā)展出來(lái)的以避免清淤作業(yè)對(duì)水利環(huán)境產(chǎn)生影響和以水質(zhì)改善為目標(biāo)的清淤技術(shù),環(huán)保絞吸式清淤船利用環(huán)保絞刀頭進(jìn)行全方位封閉式清淤,盡可能避免對(duì)底泥及水體的擾動(dòng),開(kāi)挖后的淤泥通過(guò)大功率泥漿泵進(jìn)入全封閉輸泥管道輸送至指定區(qū)域進(jìn)一步處理。
團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池在正式供水后作為重要水源地,干法清淤所需的修筑圍堰并抽干全部水體條件較難實(shí)現(xiàn)。即使在池體工程停水檢修期間,由于魚(yú)類(lèi)、沉水植物等水生生物的存在,一般需保留至少約80 cm的水體深度,因此無(wú)法采用人工/機(jī)械挖掘等干法清淤方法。另外,團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池采取水力沖刷辦法所需照顧面積過(guò)大,機(jī)械及水力成本過(guò)高,同樣難以實(shí)現(xiàn)。濕法清淤中的抓斗式由于極易造成二次污染,予以排除;另外由于團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池為硬質(zhì)襯砌,也不宜采用絞吸式和生態(tài)環(huán)保清淤方式開(kāi)展。
氣動(dòng)泵式清淤是以壓縮空氣為動(dòng)力進(jìn)行吸排淤泥,先利用真空泵筒吸泥,再利用壓縮空氣將泵筒中的淤泥排出,以實(shí)現(xiàn)清淤的目的。該方式清出底泥濃度明顯高于絞吸式,清出底泥無(wú)需溢流可直接裝駁外運(yùn),并且更加簡(jiǎn)單便于操作,也是使用范圍最廣的技術(shù)手段[13]。因此,建議團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池運(yùn)用氣動(dòng)泵方式進(jìn)行清淤,如選用氣動(dòng)吸泥泵生態(tài)清淤船作為清淤設(shè)備。
清出淤泥可以采取2種方式進(jìn)行運(yùn)輸處置:①通過(guò)排水管線將淤泥排入金河并采取閉閘引水等措施,使帶泥河水流入四環(huán)邊溝,路徑如圖10所示,該辦法易在應(yīng)急清淤時(shí)使用;②在調(diào)節(jié)池岸邊合適位置設(shè)置淤泥固化設(shè)備,將排泥口直接接入該設(shè)備,固化后的泥體經(jīng)加工后就地資源化利用,如用作園林綠化土[14]。

圖10 調(diào)節(jié)池清出淤泥應(yīng)急外排路徑
建議每年對(duì)團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池淤積分布、底棲動(dòng)物進(jìn)行調(diào)查,其中底棲動(dòng)物調(diào)查依據(jù)《水生態(tài)健康評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DB 11/T 1722-2020)開(kāi)展[15]。每2 a對(duì)底泥特性成分進(jìn)行檢測(cè),以建立調(diào)節(jié)池底泥環(huán)境變化模型,及時(shí)掌握其變化情況,為未來(lái)開(kāi)展相關(guān)工作提供依據(jù)。
(1)入水閘處附近底泥為團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池底泥最大深度,其次是田村分水口前北岸側(cè)底泥,目前調(diào)節(jié)池前淤積總量約為28 646.86 m3。
(2)團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池底泥礦物成分以方解石、石英為主,化學(xué)成分以SiO?為主;南側(cè)碼頭處底泥有機(jī)質(zhì)含量較高,其次為進(jìn)水閘。高水湖養(yǎng)水湖分水口處底泥的全氮、全磷、有效氮、有效磷含量較大,其次為南側(cè)碼頭。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位底泥的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均高于密云水庫(kù)內(nèi)湖消落帶。
(3)底棲動(dòng)物投放情況及調(diào)查結(jié)果顯示,團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池底棲動(dòng)物多樣性及豐度均較低,缺乏甲殼類(lèi)、田螺科和雙殼類(lèi)等大型底棲動(dòng)物。
(4)未來(lái)幾年,應(yīng)重點(diǎn)做好底棲生態(tài)提升及底泥環(huán)境監(jiān)測(cè)工作,正式供水后做好清淤準(zhǔn)備。建議采用氣動(dòng)吸泥泵生態(tài)清淤船進(jìn)行清淤施工,以排泥管線和泵接力的方式將清出淤泥輸送至排泥口。