高莊水庫(kù)清淤對(duì)水質(zhì)提升的影響

王 珊，魏代偉，王露露，王 輝，楊樂(lè)樂(lè)

（1. 南京市江寧區(qū)水務(wù)局，江蘇 南京，211100；2. 中交隧道工程局有限公司，江蘇 南京，211102；3. 江寧街道水務(wù)管理服務(wù)站，江蘇 南京，211162）

0 引 言

水庫(kù)一般具有防洪、蓄水灌溉、供水等功能。水庫(kù)淤積不僅減少了有效庫(kù)容，而且由于污染物的大量沉積，對(duì)水庫(kù)水質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響。通過(guò)水庫(kù)清淤，可以達(dá)到貯水、泄洪、改善景觀等目的，同時(shí)有利于恢復(fù)水庫(kù)原有功能和生態(tài)環(huán)境，有效改善湖庫(kù)水質(zhì)狀況，增大水體環(huán)境容量。良好的湖庫(kù)生態(tài)環(huán)境對(duì)帶動(dòng)周邊的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起到關(guān)鍵作用。由于清淤疏浚可以有效清除庫(kù)底表層沉積物中的污染物，因而被較多地應(yīng)用于湖泊治理中[1-3]，如我國(guó)的太湖、巢湖、玄武湖、滇池等。

高莊水庫(kù)地處長(zhǎng)江流域，屬于山丘區(qū)水庫(kù)，以灌溉、防洪為主，設(shè)計(jì)灌溉面積160hm2（2 400 畝），影響著下游3 個(gè)社區(qū)約12 000 人。壩址位于江蘇省南京市江寧區(qū)江寧街道，周邊主要是農(nóng)田、村莊，水庫(kù)匯水面積0.9km2，干流長(zhǎng)1.33km，水庫(kù)設(shè)計(jì)水位22.06m，汛限水位21.50m，興利水位21.50m，死水位16.00m。興利庫(kù)容84.00 萬(wàn)m3，死庫(kù)容5 萬(wàn)m3，總庫(kù)容120.37 萬(wàn)m3，屬小（1）型水庫(kù)。庫(kù)區(qū)雨量在年際、季節(jié)之間差異較大，豐枯明顯，降雨量分布不均。據(jù)多年的資料統(tǒng)計(jì)，多年平均降雨量為1 012.1mm，豐水年高達(dá)2 015.2mm（1991 年），枯水年僅有479.8mm（1978 年），汛期雨量占全年總降水量的60%左右。自2019 年1 月開(kāi)始，江寧區(qū)江寧街道辦事處按月采集庫(kù)區(qū)水樣進(jìn)行水質(zhì)分析。本文利用高莊水庫(kù)2019～2021 年三年水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果資料，分析水庫(kù)清淤前后水質(zhì)情況，并結(jié)合底泥分析，評(píng)估水庫(kù)清淤效果，以期為江寧區(qū)“河長(zhǎng)制”考核及水質(zhì)提升提供依據(jù)。

1 材料與方法

水樣分析檢測(cè)pH 值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷等化學(xué)指標(biāo)，沉積物檢測(cè)pH 值、總氮、總磷、汞、砷、鎘、鉛、銅、鎳、鋅等指標(biāo)，其具體檢測(cè)分析方法見(jiàn)表1。

表1 水質(zhì)及沉積物指標(biāo)分析方法

2 水庫(kù)水環(huán)境現(xiàn)狀特征

當(dāng)前，高莊水庫(kù)的水環(huán)境問(wèn)題主要表現(xiàn)在：（1）存在淤積現(xiàn)象，致使水庫(kù)無(wú)法正常發(fā)揮防洪、灌溉效益，降低了水庫(kù)調(diào)蓄能力；（2）水庫(kù)水環(huán)境日益惡化，水質(zhì)有變差趨勢(shì)，沉積物中的污染物長(zhǎng)期淤積再次釋放容易造成內(nèi)源污染。

2.1 水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)2019 年高莊水庫(kù)每月水質(zhì)采樣分析，結(jié)果如表2 所示。選pH 值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷共5 個(gè)主要水化指標(biāo)[4，5]分析，可以看出，高莊水庫(kù)水質(zhì)為地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)-Ⅴ類(lèi)水質(zhì)，且有變差趨勢(shì)。斷面等級(jí)的主要控制因素是總磷含量、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮含量，其中總磷含量對(duì)水質(zhì)的影響最為明顯。6 月～8 月，總磷含量增長(zhǎng)迅速，險(xiǎn)些突破Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，下降至劣Ⅴ類(lèi)水。

表2 2019 年水庫(kù)水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 水質(zhì)因子間相關(guān)性分析

為研究高莊水庫(kù)與周邊環(huán)境影響下各水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)性分析，如表3。

表3 水質(zhì)因子間相關(guān)性分析

從表3 可以看出，pH 值與總磷含量呈正相關(guān)關(guān)系。磷是水體生物所必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，總磷含量的增加，會(huì)加大水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度[6，7]，導(dǎo)致水體中藻類(lèi)等水生植物生長(zhǎng)，藻類(lèi)的生長(zhǎng)繁殖及進(jìn)行光合作用需要消耗水中大量的二氧化碳，水中溶解態(tài)二氧化碳減少，從而導(dǎo)致水體pH 值增加。

高錳酸鹽指數(shù)與總磷是地表水環(huán)境質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)[8，9]，含量呈正相關(guān)關(guān)系，表明其之間關(guān)系非常密切，污染物來(lái)源相同或相似，可能與徑流、當(dāng)?shù)鼐用窕顒?dòng)相關(guān)，對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的含量造成一定影響。

3 底泥分析

高莊水庫(kù)于2020 年3 月～6 月進(jìn)行了生態(tài)清淤，2020 年4 月對(duì)底泥進(jìn)行采樣并檢測(cè)，共檢測(cè)了5 處點(diǎn)位，并分析相關(guān)指標(biāo)。

3.1 底泥相關(guān)性分析

對(duì)底泥的pH 值、總氮、總磷、汞、砷、鎘、鉛、銅、鎳、鋅等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)[10，11]，并對(duì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 底泥檢測(cè)相關(guān)性分析結(jié)果表

由表4 可知，底泥中的燒失量與總氮顯著相關(guān)，說(shuō)明總氮含量來(lái)源于干物質(zhì)；汞、砷、鎘、鉛、銅、鎳、鋅重金屬含量顯著相關(guān)，說(shuō)明各重金屬具有同源性，若底泥受重金屬污染，污染來(lái)源可能相同，需要著重分析污染源和導(dǎo)致底泥污染的原因。

3.2 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染評(píng)價(jià)

對(duì)底泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)一般采用有機(jī)污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法[12，13]。本文考慮總氮和總磷兩種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)影響，采用綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法進(jìn)行分析。由于高莊水庫(kù)溢洪后流入通江河道江寧河內(nèi)，附近有村莊及農(nóng)田，對(duì)水質(zhì)的要求較高。本文采用的總氮和總磷的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值為1000mg/kg 和420mg/kg[14]。

將測(cè)定的總氮、總磷含量用綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 高莊水庫(kù)底泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染評(píng)價(jià)表

由計(jì)算結(jié)果可知，底泥中總磷的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)都小于1，說(shuō)明總磷含量水平較低，基本沒(méi)有構(gòu)成污染，總氮的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)變化范圍為0.84～0.92，略高于總磷標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)。土壤綜合污染指數(shù)變化范圍為0.76～0.90，判定土壤綜合污染等級(jí)為2 級(jí)，表現(xiàn)為尚清潔，說(shuō)明高莊水庫(kù)底泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)尚未構(gòu)成污染或污染不嚴(yán)重。

3.3 重金屬污染評(píng)價(jià)

水庫(kù)清淤后，底泥重金屬是否污染及含有的污染物種類(lèi)不同，其相應(yīng)的處理方法也不盡相同，若淤泥基本上沒(méi)有污染物或污染物低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)則可以用來(lái)制作有機(jī)肥料、改善土壤和填土造田等?？紤]到底泥清淤后的處置去向，參考《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-2018）[15]中農(nóng)用地污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 高莊水庫(kù)底泥重金屬污染評(píng)價(jià)表

由表6 可知，以污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1，綜合污染指數(shù)均小于0.7，說(shuō)明重金屬的含量水平較低，基本沒(méi)有構(gòu)成污染。

4 清淤效果評(píng)價(jià)

高莊水庫(kù)采用干挖清淤與水力沖挖結(jié)合的方式。對(duì)庫(kù)岸邊土質(zhì)較好的區(qū)域，采取干挖清淤，對(duì)庫(kù)底局部處于流塑狀態(tài)的土層，通過(guò)水力沖挖解決。工程于2020年6 月中旬結(jié)束后開(kāi)始蓄水，6 月底蓄水達(dá)到常水位，并于同年7 月繼續(xù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作。

4.1 水質(zhì)空間及時(shí)間變化

對(duì)高莊水庫(kù)清淤前后（2019 年～2021 年間）五個(gè)主要污染因子分別評(píng)價(jià)水質(zhì)變化情況，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 高莊水庫(kù)清淤前后污染因子及斷面等級(jí)變化情況逐月數(shù)據(jù)

由圖1 可知，清淤前水庫(kù)水質(zhì)基本位于Ⅳ～Ⅴ類(lèi)水，清淤后水庫(kù)水質(zhì)斷面等級(jí)提高明顯，清淤能降低水體中高錳酸鹽指數(shù)和總磷含量，但作用不如降低氨氮含量明顯。水庫(kù)于2020 年3 月～6 月進(jìn)行生態(tài)清淤，截止到2021 年12 月，氨氮含量基本能維持在Ⅰ～Ⅱ類(lèi)水水平，說(shuō)明在清淤后氨氮含量顯著降低，并能維持至少1～2 年。這可能是由于總氮含量來(lái)源于干物質(zhì)，且總氮會(huì)向水體中釋放氨氮，而清淤主要去除了底泥中的總氮，從而降低水體中氨氮含量，提高了水質(zhì)等級(jí)。

4.2 不同水期水質(zhì)比較

根據(jù)水文資料，南京市江寧區(qū)2019～2021 年水情變化顯著。2019 年年降雨量719mm，2020 年年降雨量1298mm，且6 月15 日3h 降雨量達(dá)221mm，創(chuàng)江寧區(qū)1960 年有氣象記錄以來(lái)最大值。2021 年年降雨量1267.1mm。

高莊水庫(kù)3 年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面汛期、非汛期、全年期的水質(zhì)情況見(jiàn)表7。

表7 高莊水庫(kù)不同水期水質(zhì)統(tǒng)計(jì)

總體上看，清淤前水質(zhì)處于Ⅴ類(lèi)水水平，清淤后處于Ⅳ類(lèi)水水平，說(shuō)明清淤有利于提高水質(zhì)水平。高錳酸鹽指數(shù)汛期略高于非汛期，并且不同年份差異不大，說(shuō)明水體中高錳酸鹽指數(shù)比較穩(wěn)定，來(lái)自底泥釋放的較少，且水庫(kù)周邊及匯流范圍內(nèi)多以農(nóng)田為主，環(huán)境地表水有機(jī)污染程度較低，通過(guò)降雨徑流匯入水庫(kù)的較少。氨氮含量一般汛期低于非汛期，說(shuō)明水庫(kù)水位較高時(shí)，水體氨氮含量會(huì)因稀釋而降低，2020 年汛前清淤工程剛結(jié)束，水體氨氮含量不穩(wěn)定，由于底泥會(huì)向水體中釋放氨氮，導(dǎo)致2020 年汛期氨氮含量反而增加?？偭缀垦雌诟哂诜茄雌?，說(shuō)明水體中的磷主要來(lái)自周邊環(huán)境農(nóng)業(yè)或生活的面源污染，通過(guò)初期降雨徑流匯入水庫(kù)中，從而使水體變差，2020 年汛期總磷含量反而降低，主要是因?yàn)樵撃瓯镜卦庥霭倌暌挥龊樗?，降雨稀釋了水體中磷的含量，從而使水體總磷含量降低。

4.3 水體綜合污染指數(shù)年際變化規(guī)律預(yù)測(cè)

根據(jù)水庫(kù)水質(zhì)特性，選取pH 值、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷共4 個(gè)主要污染因子作為綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]，對(duì)標(biāo)消除劣五類(lèi)水目標(biāo)要求，超標(biāo)倍數(shù)以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）[2]中Ⅴ類(lèi)水為界限確定。該方法較單因子評(píng)價(jià)法中最大污染因子“單項(xiàng)否決權(quán)”有定量評(píng)價(jià)的優(yōu)勢(shì)，數(shù)值大小可以判斷水質(zhì)的優(yōu)劣，數(shù)值越大，水質(zhì)越差。

本次研究的年際變化規(guī)律預(yù)測(cè)均在現(xiàn)有環(huán)境下，即水庫(kù)周邊環(huán)境未明顯改變的前提下?？紤]清淤后存在一定水質(zhì)波動(dòng)期，故選取2021 年水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。水庫(kù)清淤對(duì)水體的綜合污染指數(shù)的影響隨時(shí)間逐漸增加，但增量越來(lái)越小，擬合函數(shù)采取對(duì)數(shù)函數(shù)的形式，擬合方程為：

Y=0.1098ln（x）+0.1947R2=0.7468利用上述擬合函數(shù)，對(duì)水庫(kù)清淤后水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，清淤完成120 個(gè)月（10 年）后，綜合污染指數(shù)接近0.8，預(yù)示應(yīng)開(kāi)啟新一輪的清淤工程。

5 結(jié)論與建議

（1）高莊水庫(kù)底泥重金屬具有同源性，重金屬污染指數(shù)低，但營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染評(píng)價(jià)為輕度污染，需要采取相關(guān)措施改善。

（2）清淤可提高水庫(kù)水質(zhì)等級(jí)，能顯著降低水體中氨氮含量，對(duì)降低高錳酸鹽指數(shù)和總磷含量也有效果。

（3）不同水期水質(zhì)污染因子含量存在差異，主要表現(xiàn)為高錳酸鹽指數(shù)汛期略高于非汛期，氨氮含量汛期低于非汛期，總磷含量汛期高于非汛期。

（4）建議本次清淤10 年后開(kāi)展新一輪的清淤疏浚。