北方河道清淤判定及深度初探

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(jì)總院，北京 100120；3.流域水環(huán)境與生態(tài)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(huì)的快速發(fā)展，河道水生態(tài)環(huán)境問(wèn)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(duì)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(lái)隨著黑臭水體治理、水生態(tài)修復(fù)等工程實(shí)施，河道水環(huán)境整體改善。以北京市為例，河道基本實(shí)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(huì)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(shí)，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(kāi)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(duì)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(jì)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(huì)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(wèn)題，兼顧河道的水環(huán)境安全和行洪安全，是開(kāi)展清淤工程之前必須要考慮的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外目前針對(duì)河道“是否清”和“清多少”沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定，清淤深度多偏向于理論研究，對(duì)象也集中在底泥相對(duì)穩(wěn)定的南方湖泊和水庫(kù)[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(diǎn)法、分層釋放速率法和吸附解吸平衡法等[7，11]。河道相對(duì)于湖庫(kù)具有不同的特點(diǎn)，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(shí)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(shí)際情況，在既考慮便捷性又能盡可能模擬河道實(shí)際情況的條件下，以北京市水質(zhì)稍差的小中河為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(wèn)題，為北方河道在采取清淤?zèng)Q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(zhǎng)44.7km，分為上、中、下三段，其中下段位于通州區(qū)，長(zhǎng)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(guó)際機(jī)場(chǎng)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(guò)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(shí)現(xiàn)無(wú)污水排放入河，但2019年小中河仍有6個(gè)月水質(zhì)為劣Ⅴ類[12]。為實(shí)現(xiàn)小中河水質(zhì)持續(xù)達(dá)標(biāo)，擬對(duì)小中河開(kāi)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(dòng)，包括微生物、風(fēng)浪、人為影響、不規(guī)則的水體流動(dòng)等。計(jì)劃清淤之后，河道補(bǔ)水水源來(lái)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(kāi)展清淤之前，擬對(duì)小中河底泥開(kāi)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(diǎn)與采樣

利用全柱狀底泥采樣器對(duì)小中河底泥開(kāi)展樣品采集，為盡量降低空間差異性所帶來(lái)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(diǎn)，其他無(wú)污染源匯入的河段采樣點(diǎn)適當(dāng)減少，局部污染嚴(yán)重的點(diǎn)加密采樣，共設(shè)置采樣點(diǎn)27個(gè)，每個(gè)點(diǎn)位代表的是其上下游各約250 m范圍，采樣點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表1，分布如圖1所示。考慮到實(shí)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(kù)描述的污染層、過(guò)渡層和健康層不太一致[6，8]，推測(cè)原因可能是河道水動(dòng)力條件相對(duì)湖泊、水庫(kù)復(fù)雜，因行洪排澇需要不定期清淤，人工干預(yù)對(duì)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(shí)驗(yàn)室在4℃下冷藏保存。

圖1 取樣點(diǎn)位示意圖

柱狀泥長(zhǎng)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(jiàn)表1。

表1 小中河底泥采樣點(diǎn)位置表

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及模擬條件控制

1.3.1實(shí)驗(yàn)方法及參數(shù)選擇

目前模擬河道底泥對(duì)上覆水影響的實(shí)驗(yàn)方法和

容器沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但都以盡量模擬水體的自然條件和簡(jiǎn)化設(shè)備為基本原則[13]。因此，本實(shí)驗(yàn)擬在燒杯中進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，讓表層底泥中污染物在外界擾動(dòng)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(shuō)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(shuō)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(huì)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(duì)不同深度的底泥開(kāi)展動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，將不存在污染物釋放的層作為新的泥水界面，對(duì)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(guò)震蕩來(lái)模擬所有擾動(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)參考利鋒等[11]對(duì)河道動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)、范成新等[14]關(guān)于清淤疏浚精度以及底泥對(duì)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(shí)間影響到污染物是否充分釋放，時(shí)間過(guò)久會(huì)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(yàn)前期的釋放速率試驗(yàn)，氨氮在2h后達(dá)到最大釋放量并出現(xiàn)不規(guī)律變動(dòng)，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(shí)間，采用2h后取上覆水測(cè)定氨氮、24h后取上覆水測(cè)定COD和TP指標(biāo)。

1.3.2實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)上述分析，實(shí)驗(yàn)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(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)設(shè)置不加泥的空白對(duì)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(cè)定氨氮濃度；震蕩24h后測(cè)定上覆水COD和TP濃度。氨氮、COD和TP采用《水和廢水監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)釋放試驗(yàn)結(jié)束上覆水中氨氮、總磷和COD濃度超過(guò)初始濃度時(shí)，表明試驗(yàn)底泥中污染物存在釋放風(fēng)險(xiǎn)。表層底泥污染物的釋放結(jié)果見(jiàn)圖2—4，從底泥中氨氮釋放情況看(圖2)，點(diǎn)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(shuō)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(xiǎn)，這些點(diǎn)位的底泥會(huì)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(diǎn)位底泥則是上覆水的氨氮匯，會(huì)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(diǎn)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(diǎn)位的底泥會(huì)成為上覆水的總磷釋放源，其他點(diǎn)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(gè)點(diǎn)位表層淤泥不存在有機(jī)質(zhì)釋放外，其余點(diǎn)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(diǎn)位的底泥會(huì)成為上覆水的COD釋放源，其他點(diǎn)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(diǎn)位的釋放情況看，除了點(diǎn)位S18不存在污染物釋放以外，其他點(diǎn)位均存在底泥中污染物向上覆水釋放的情況，會(huì)成為內(nèi)源染的源。為了實(shí)現(xiàn)小中河補(bǔ)充再生水后水質(zhì)不惡化，需要對(duì)該河段開(kāi)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(shí)空分布可以看出(如圖5所示)，59%的點(diǎn)位不同深度的底泥中氨氮均不會(huì)向上覆水釋放，反而會(huì)吸附上覆水中的氨氮污染物，說(shuō)明這些點(diǎn)位受到外界氨氮污染較小，清淤至任何層，下一層均不會(huì)向上覆水釋放氨氮，主要分布在河道上段和下段。個(gè)別點(diǎn)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(diǎn)位S6、S8、S13和S14，說(shuō)明這些點(diǎn)位長(zhǎng)期受到氨氮污染，導(dǎo)致底泥污染較深，會(huì)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(lái)說(shuō)，清淤深度至少要到采樣深度之下；其他點(diǎn)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(duì)下一層污染物釋放會(huì)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(duì)水質(zhì)影響的角度下，點(diǎn)位S1僅中層底泥釋放氨氮污染物，該點(diǎn)位代表的河段不清淤或?qū)⑸蠈雍椭袑右徊⑷コ?；點(diǎn)位S2、S10和S20僅下層底泥釋放氨氮污染物，則點(diǎn)位所代表的河段不清淤或僅清除上層淤泥；點(diǎn)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(diǎn)位不同深度底泥總磷釋放時(shí)空分布情況看，51%的點(diǎn)位底泥中總磷含量較低，主要分布在河道中上段，會(huì)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(lái)說(shuō)，清淤至任何層，下一層均不會(huì)向上覆水釋放總磷。個(gè)別點(diǎn)位磷污染較嚴(yán)重，如點(diǎn)位22、25和26，不同深度底泥全部受到磷污染，說(shuō)明兩個(gè)點(diǎn)位長(zhǎng)期受到外源磷污染，從影響水質(zhì)的角度來(lái)說(shuō)，清淤深度至少要達(dá)到采集的底泥厚度。其他點(diǎn)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(duì)下一層污染物釋放會(huì)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(guò)85%的點(diǎn)位不同深度底泥會(huì)導(dǎo)致上覆水COD濃度顯著升高，從影響水質(zhì)的角度來(lái)說(shuō)，這些點(diǎn)位清淤深度需大于采樣深度。僅點(diǎn)位S18、S19、S21基本不存在底泥有機(jī)質(zhì)釋放風(fēng)險(xiǎn)，從影響水質(zhì)角度來(lái)說(shuō)不需要清淤。

2.1.3水質(zhì)清淤深度判斷

結(jié)合每個(gè)點(diǎn)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(xiàng)指標(biāo)超過(guò)了初始值，那么從影響水質(zhì)的角度來(lái)看需要清淤。除了點(diǎn)位S18所代表河段不需要清淤外，其他點(diǎn)位均需要清淤，根據(jù)表1中每個(gè)點(diǎn)位上、中、下層的厚度和動(dòng)態(tài)釋放結(jié)果，判定的從水質(zhì)角度需要清淤的深度見(jiàn)表3。從表中可以看出，除了點(diǎn)位S18外，其他點(diǎn)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(guò)底泥對(duì)水質(zhì)的影響由水質(zhì)清淤深度決定最終的清淤深度，勢(shì)必會(huì)造成河道縱斷面不規(guī)則，影響河道行洪安全，也會(huì)給施工帶來(lái)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(shí)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(gè)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(diǎn)位污染深度過(guò)深導(dǎo)致水質(zhì)清淤深度過(guò)大，考慮到實(shí)際操作的可行性和經(jīng)濟(jì)性原則，應(yīng)規(guī)定一個(gè)合理的超挖深度(超過(guò)河道規(guī)劃底高程)。鑒于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有清淤精度[13]，以及一定厚度底泥對(duì)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(shí)，清淤至水利清淤深度時(shí)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(yǔ)

(1)表層底泥釋放結(jié)果表明，除了點(diǎn)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(shuō)需要開(kāi)展清淤。

(2)底泥分層釋放結(jié)果表明，4個(gè)點(diǎn)位不同深度底泥均存在氨氮釋放，3個(gè)點(diǎn)位的不同深度底泥均存在總磷釋放，23個(gè)點(diǎn)位的不同深度底泥均存在有機(jī)質(zhì)釋放，這些點(diǎn)位底泥污染深度均超過(guò)取樣深度，僅有點(diǎn)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(shuō)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(shí)，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(shí)，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(shí)保障河道斷面規(guī)則，保障河道水環(huán)境安全和行洪安全。