沉積物TN和TP含量在河流清淤深度分析中的應(yīng)用

王 峰

(中國雄安集團(tuán)生態(tài)建設(shè)投資有限公司，河北 雄安 071700)

1 概述

隨著社會(huì)的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。各種污染物會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生威脅，為改善水體的污染情況，常采用對(duì)其底部沉積物進(jìn)行清理的辦法改善其環(huán)境情況，為確定其清淤深度，許多專家學(xué)者開展相關(guān)研究。

楊俊等人[1]以武漢市湖泊為研究對(duì)象，分析不同深度下各種重金屬污染物的濃度變化情況，根據(jù)地累積指數(shù)確定湖泊的清淤深度。高冉[2]以某水庫工程為研究對(duì)象，分析影響清淤深度的因素，并對(duì)其清淤效益進(jìn)行分析。傅揚(yáng)等人[3]開展室內(nèi)柱狀反應(yīng)試驗(yàn)，研究清淤后河底污染物濃度的變化情況，結(jié)果表明，河底的污染物濃度在一個(gè)月后達(dá)到穩(wěn)定。王福喜等人[4]開展模型試驗(yàn)，研究清淤工程對(duì)護(hù)岸變形情況的影響，并結(jié)合有限元模擬，對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。楊蘭琴等人[5]以黑臭水體為研究對(duì)象，分析不同河道深度下各種重金屬污染物的濃度變化，并根據(jù)分析結(jié)果，確定清淤深度。周小寧等人[6]以某湖泊為研究對(duì)象，分析其中磷含量受河道深度的影響，以推測出河道的疏浚深度。楊盼等人[7]對(duì)某河道的污染情況進(jìn)行分析，通過測定其污染指數(shù)，確定河道的疏浚決策。

本研究以白洋淀某入淀河流為研究對(duì)象，對(duì)其沉積物的理化性質(zhì)進(jìn)行測定，并開展解吸試驗(yàn)，采用垂直分布拐點(diǎn)法和吸附解吸平均濃度法，針對(duì)不同測點(diǎn)和不同沉積物深度對(duì)污染物質(zhì)濃度的影響開展研究，確定該河道的清淤深度。

2 工程概況

本研究以白洋淀某入淀河流為研究對(duì)象，其干流長47.79km，流域面積643km2，天然年徑流量約643萬m3。該河道來水以上游保定市污水處理廠尾水為主，污水廠尾水年入河量約8249萬m3，沿途直排廢水年入河量約730萬m3[8]。河道斷面水質(zhì)長期處于劣Ⅴ類，主要超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)為化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷等，直接威脅淀區(qū)水質(zhì)[9-10]。該河道及其周邊片區(qū)的水質(zhì)情況見表1。

由表1可知，不同片區(qū)的TP和SRP的標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明這兩種污染物在不同片區(qū)的濃度差異較小，污染情況較為穩(wěn)定。不同片區(qū)的Chl-a的標(biāo)準(zhǔn)差最大，其最大值為75.5，說明不同片區(qū)的Chl-a濃度差異較大，其污染情況具有一定的差異性。各片區(qū)的SRP最大值與最小值差距較大，其變異系數(shù)最大，其值為196.8%，遠(yuǎn)大于其他污染物的變異系數(shù)，說明該污染物的分布具有空間差異性。不同片區(qū)的pH值差距較小，最大值為7.59，最小值為8.60，其變異系數(shù)僅為3.8%，說明空間變化對(duì)于河道pH值的影響較小，不同片區(qū)河道的pH值差異較小。

表1 河道及其周邊片區(qū)的水質(zhì)情況

3 河道深度對(duì)污染物濃度的影響

由于該河道污染情況較為嚴(yán)重，需對(duì)其河道底部的沉積物進(jìn)行清理，為確定該河道的清淤深度，對(duì)其沉積物的理化性質(zhì)進(jìn)行測定，并開展解吸試驗(yàn)，分析沉積物對(duì)氮、磷的吸附情況。

選取不同片區(qū)的沉積物進(jìn)行分析，分別分析河道深度對(duì)其沉積物含水率，有機(jī)碳(TOC)，總氮(TN)，總磷(TP)的影響。沉積物深度-含水率曲線如圖1所示。

圖1 沉積物深度-含水率曲線

由圖1可知，沉積物深度與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著沉積物深度的增大，沉積物的含水率逐漸減小。在沉積物深度較小時(shí)，其含水率變化較為明顯，其中測點(diǎn)NY3的變化量最大，其減小率為475%；當(dāng)沉積物深度較大時(shí)，含水率-沉積物深度變化曲線逐漸趨于平緩，隨著沉積物深度的增大，其含水率變化較小，當(dāng)沉積物深度大于50cm時(shí)，各測點(diǎn)的沉積物含水率基本保持不變。這是由于，當(dāng)沉積物深度較小時(shí)，沉積物與河道水的接觸較多，此時(shí)沉積物吸水較多，導(dǎo)致其含水率較大，隨著沉積物深度的增大，河道的沉積物主要通過上層沉積物的滲透作用吸水，此時(shí)受沉積物滲透性能的影響，沉積物的含水率較小。不同測點(diǎn)的含水率-沉積物深度變化曲線具有一致性，其沉積物深度與含水率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明沉積物的含水率變化受空間變化的影響較小，其含水率主要與其深度有關(guān)。

不同測點(diǎn)的有機(jī)碳(TOC)-沉積物深度曲線如圖2所示。

圖2 有機(jī)碳(TOC)-沉積物深度曲線

由圖2可知，除測點(diǎn)ND1外，其他測點(diǎn)的有機(jī)碳含量與沉積物深度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著沉積物深度的增大，各測點(diǎn)的有機(jī)碳含量逐漸減小。測點(diǎn)ND1的有機(jī)碳含量在沉積物深度為40cm時(shí)發(fā)生突變，有機(jī)碳含量顯著增大，其值為2.6%，隨后其有機(jī)碳含量隨深度的增大逐漸減小。當(dāng)沉積物深度小于40cm時(shí)，各測點(diǎn)的有機(jī)碳含量變化趨勢顯著，說明各測點(diǎn)沉積物的有機(jī)碳污染主要集中于0～40cm，由此可確定針對(duì)有機(jī)碳的清淤深度為40cm。雖然各測點(diǎn)的有機(jī)碳-沉積物深度曲線變化趨勢一致，但是在同一沉積物深度下，不同測點(diǎn)的有機(jī)碳含量具有一定的差異性，當(dāng)沉積物深度小于30cm時(shí)，在同一沉積物深度對(duì)應(yīng)的有機(jī)碳含量中，CY2的有機(jī)碳含量最大，當(dāng)沉積物深度位于30～60cm時(shí)，在同一沉積物深度下，ND1的有機(jī)碳含量最大；說明測點(diǎn)位置對(duì)沉積物有機(jī)碳含量有一定的影響。但是隨著沉積物深度的變化，沉積物有機(jī)碳含量的變化量遠(yuǎn)大于不同測點(diǎn)位置的有機(jī)碳含量差值，說明沉積物有機(jī)碳含量的變化主要受沉積物深度影響，空間位置變化對(duì)其有機(jī)碳含量有一定的影響，但是不是影響其含量的主要因素。

不同測點(diǎn)的總氮(TN)-沉積物深度變化曲線如圖3所示。

圖3 總氮(TN)-沉積物深度變化曲線

由圖3可知，除測點(diǎn)ND1外，沉積物的總氮含量與沉積物深度呈負(fù)相關(guān)趨勢，隨著沉積物深度的增大，其總氮含量逐漸減小。測點(diǎn)ND1與其他測點(diǎn)的總氮(TN)-沉積物深度變化曲線有一定的差異性，當(dāng)沉積物深度為20～40cm時(shí)，測點(diǎn)ND1的沉積物總氮含量出現(xiàn)突變，其總氮含量隨著沉積物深度的增大而增大，當(dāng)沉積物深度大于40cm時(shí)，沉積物的總氮含量隨深度的增大而減小。當(dāng)沉積物深度大于50cm時(shí)，總氮(TN)-沉積物深度曲線變化趨勢逐漸趨于平緩，說明總氮對(duì)沉積的污染主要集中于沉積物深度為0～50cm的區(qū)域，由此可確定針對(duì)總氮的清淤深度為50cm，當(dāng)清淤深度小于50cm時(shí)，清淤效果較好。不同測點(diǎn)的總氮含量差距較小，說明總氮含量受空間變化的影響較小，主要受沉積物深度的影響。

不同測點(diǎn)的總磷(TP)-沉積物深度曲線如圖4所示。

圖4 總磷(TP)-沉積物深度曲線

由圖4可知，測點(diǎn)CY1、CY2的總磷-沉積物深度曲線變化趨勢較為相近，隨著沉積物深度的增大，其總磷含量變化量較小，曲線趨勢趨于平緩。測點(diǎn)ND1、ND2和NY3的總磷含量隨沉積物深度的增大呈波動(dòng)趨勢，無明顯的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)沉積物深度為70cm時(shí)，測點(diǎn)ND1的總磷含量出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨后，其沉積物深度與總磷含量呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)沉積物深度為20～50cm時(shí)，沉積物的總磷含量波動(dòng)較大，當(dāng)沉積物深度大于50cm時(shí)，沉積物深度與總磷含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)沉積物深度為10～20cm時(shí)，沉積物深度與總磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，隨后隨著沉積物深度的增大，沉積物的總磷含量呈減小趨勢。在同一沉積物深度下，不同測點(diǎn)對(duì)應(yīng)的總磷含量具有一定的差異性，說明空間位置也是影響沉積物總磷含量的因素之一。當(dāng)沉積物深度較小時(shí)，不同測點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的總磷含量差異性較大，隨著沉積物深度的增大，不同測點(diǎn)位置的總磷-沉積物深度曲線較為集中，同一沉積物深度對(duì)應(yīng)的總磷含量差值較小，說明當(dāng)沉積物深度較小時(shí)，空間位置對(duì)總磷含量的影響較大，隨著沉積物深度的增大，空間位置對(duì)總磷含量的影響相對(duì)較小。

Q=Kdce-Q0

(1)

圖吸附解吸平衡濃度-沉積物深度變化曲線

SRP吸附解吸平衡濃度-沉積物深度變化曲線如圖6所示。

圖6 SRP吸附解吸平衡濃度-沉積物深度變化曲線

由圖6可知，隨著沉積物深度的增大，SRP吸附解吸平衡濃度與深度之間無明顯的相關(guān)關(guān)系，且測點(diǎn)ND1、ND2和CY1的SRP吸附解吸平衡濃度數(shù)值較為接近，測點(diǎn)NY3的SRP吸附解吸平衡濃度數(shù)值最大當(dāng)沉積物深度為20cm時(shí)，測點(diǎn)NY的SRP吸附解吸平衡濃度最大，其值為0.91mg/L，且與其他測點(diǎn)的差距較大。測點(diǎn)NY3的SRP吸附解吸平衡濃度隨沉積物深度的變化，整體波動(dòng)較大。相較于測點(diǎn)NY3而言，測點(diǎn)ND1、ND2和CY1的曲線變化趨勢較為平緩；說明沉積物深度的變化對(duì)于不同測點(diǎn)的SRP吸附解吸平緩濃度變化有一定的影響，但是其影響效果并不明顯。不同測點(diǎn)的SRP吸附解吸平衡濃度差異性較大，說明空間的變化對(duì)于平緩濃度的影響較大，空間位置是影響SRP吸附解吸平衡濃度的主要因素，沉積物深度為影響SRP吸附解吸平衡濃度的次要因素。

4 結(jié)論

本研究以白洋淀某入淀河流為研究對(duì)象，確定該河道的清淤深度，為白洋淀的生態(tài)清淤提供參考依據(jù)，得出以下結(jié)論：

(1)沉積物深度與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在沉積物深度較小時(shí)，其含水率變化較為明顯，其中測點(diǎn)NY3變化量最大，其減小率為475%。

(2)空間位置是SRP吸附解吸平衡濃度的主要因素，對(duì)其它污染物濃度的影響較小。

(3)總氮污染集中于沉積物深度為0～50cm的區(qū)域，針對(duì)總氮的清淤深度為50cm。

(4)本研究的污染物濃度測點(diǎn)較少，而白洋淀流域較廣，后續(xù)研究可在此基礎(chǔ)上增加污染物檢測點(diǎn)，使研究結(jié)果更為準(zhǔn)確。