干挖法清淤對(duì)湖區(qū)垸內(nèi)溝渠地表水環(huán)境質(zhì)量的影響

瞿 畏，龔麗玲，范慶元，劉 輝，楊 楠，陳 宏

（1.長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，洞庭湖水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.湖南城市學(xué)院建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，數(shù)字化城鄉(xiāng)空間規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 益陽，413000）

0 引言

我國(guó)中小河道數(shù)量眾多，河道或溝渠淤積問題日益嚴(yán)峻[1]，亟待解決其淤積和水環(huán)境保護(hù)的問題。清淤可以減少或去除底泥中藻類、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及有機(jī)物，能夠減輕底泥通過物理、化學(xué)、生物等自然作用向水體釋放污染物[2]。中小河道具有河道窄、河水淺、單個(gè)斷面清淤工作量小等特點(diǎn)，更適宜采用排干清淤技術(shù)。排干清淤技術(shù)通過干挖、水力沖挖兩種方式來進(jìn)行，其中干挖法使用挖掘機(jī)對(duì)河床進(jìn)行清理，用渣土車清運(yùn)，具有清淤?gòu)氐?、淤泥含水率低、污泥的后續(xù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已在我國(guó)湖區(qū)垸內(nèi)溝渠清淤工程中廣泛使用[3]。

近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)河道或湖庫(kù)清淤研究與應(yīng)用受到普遍重視。清淤會(huì)影響沉積物-水界面的擴(kuò)散通量及其上覆水質(zhì)，通常在短期內(nèi)能夠較好改善湖泊水質(zhì)，但長(zhǎng)期改善效果有待深入分析[4]。研究表明，清淤對(duì)表層水的pH值、溶解氧和溫度指標(biāo)的影響較小[2，3]。然而，當(dāng)前關(guān)于干挖法清淤對(duì)湖區(qū)垸內(nèi)溝渠水環(huán)境質(zhì)量的影響研究報(bào)道較少。本研究針對(duì)洞庭湖區(qū)南漢垸內(nèi)溝渠采用干挖法清淤后的水質(zhì)變化，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和取樣分析，考察清淤對(duì)溝渠水環(huán)境容量的影響以便進(jìn)行水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，為中小河道清淤治理及水環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣品采集

研究區(qū)域位于北緯 29°03′42″～29°13′12″，東經(jīng)112°11′40″～112°18′45″，屬于洞庭湖區(qū)，以農(nóng)田灌溉、種植業(yè)、防洪防澇以及養(yǎng)殖業(yè)為主要生產(chǎn)方式，溝渠主要承擔(dān)了垸內(nèi)灌溉和排水的功能；每年4～6月開閘進(jìn)水導(dǎo)致溝渠流速和流量增大，10月～次年2月均為枯水期。目前該區(qū)域缺少水環(huán)境容量等資料，因此采用對(duì)比清淤前后水質(zhì)指標(biāo)變化來研究水環(huán)境容量總量及其變化。

表1 采樣點(diǎn)特征

配合實(shí)際溝渠清淤工程實(shí)施進(jìn)度開展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并采集各溝渠上覆水樣品。研究樣點(diǎn)分兩組，一組為剛疏浚完成的溝渠，一組為疏浚完成1～5年后的溝渠（每年取樣兩個(gè)點(diǎn)），通過比較兩組不同清淤時(shí)間的溝渠水環(huán)境質(zhì)量來分析比較清淤的效果，具體見表1（S5-Q～S8-Q與S5-H～S8-H分別表示采樣點(diǎn)S5～S8清淤前與清淤后）。分別使用便攜式溶解氧儀（JPBJ-608）、塞氏盤（SD20）、便攜式流速儀（Vectrino+）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定 DO（溶解氧）、SD（透明度）和流速；采集5組平行樣于4℃樣品箱中保存，另取1L水樣于棕色玻璃瓶中加2ml碳酸鎂懸浮液固定葉綠素a，并在24小時(shí)內(nèi)送檢分析[4]。

1.2 分析方法

參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）（增補(bǔ)版）》測(cè)定氨氮（NH4+-N）、溶解性總氮（TSN）、硝氮（NO3--N）、總氮（TN）、總磷（TN）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）；參照《環(huán)境技術(shù)規(guī)范（第四冊(cè)）》測(cè)定葉綠素a（chla）。

地表水環(huán)境容量計(jì)算選用洞庭湖常超標(biāo)因子（CODMn、TN、TP），其水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類，假定溝渠流入、流出流量大致相等[5]。以最大平均流量為主要參數(shù)，采用以湖水滯留時(shí)間等為參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷模型計(jì)算典型溝渠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)水環(huán)境容量[5]：

式中，Ws為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)水環(huán)境容量（t/a）；Cs為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；Q為流出溝渠流量（m3/s）；t為溝渠水體滯留時(shí)間（月）。

借鑒《湖泊（水庫(kù)）富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)技術(shù)規(guī)定》中的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（∑TLI）方法評(píng)價(jià)TN、TP、CODMn、chla和 SD 等營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)：

式中，∑TLI綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI（j）為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

以chla為基準(zhǔn)參數(shù)，第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式：

式中，rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù)；m為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)；

中國(guó)湖泊（水庫(kù)）的chla與其他參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij、rij2、Wj、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式以及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)參照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[4，5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 溝渠清淤對(duì)溝渠地表水質(zhì)的影響

由圖1可知，農(nóng)田灌溉區(qū)溝渠清淤后水中溶解氧含量和透明度隨清淤時(shí)間先呈遞減趨勢(shì)后基本持平，而葉綠素a含量呈持續(xù)遞增趨勢(shì)。葉綠素a的平均含量從清淤完成1個(gè)月后的3.75mg/L增加到第5年的15.30mg/L。由于農(nóng)田灌溉、人類生產(chǎn)活動(dòng)等產(chǎn)生大量氮、磷污染物排入溝渠，嚴(yán)重影響了溝渠水質(zhì)狀況。清淤后溶解氧的平均含量從清淤完成1個(gè)月后到第5年逐漸降低，清淤后水體透明度呈不斷降低趨勢(shì)。清淤后高錳酸鹽指數(shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其平均值自清淤1個(gè)月后到第5年增加了190.0%。

溝渠清淤后地表水的總氮、溶解性總氮、總磷、硝態(tài)氮含量隨清淤完成時(shí)間延長(zhǎng)而增大。氨氮含量在清淤完成1個(gè)月后為0.92mg/L，滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類（1.00mg/L）；在清淤完成1年以后基本趨于穩(wěn)定，滿足地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)V類（2.00mg/L）。從清淤完成后1個(gè)月到第5年，總氮平均含量從1.89mg/L增加到4.60mg/L，劣于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)V類；而總磷在不同時(shí)間段內(nèi)均滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)IV類（0.4mg/L）。清淤后底泥表層的泥水界面存在擴(kuò)散、吸附和解吸等過程，影響水體中氮、磷元素再次分配。當(dāng)外源輸入不斷積累以后，內(nèi)源釋放逐漸主導(dǎo)了水體氮磷含量的變化。清淤對(duì)溝渠水體磷營(yíng)養(yǎng)鹽的影響要大于氮營(yíng)養(yǎng)鹽，而氮營(yíng)養(yǎng)鹽在水體中含量高。

圖1 溝渠清淤后水質(zhì)因子年際變化規(guī)律（-H表示清淤后）

由表2可知，葉綠素a與氮、磷含量均無明顯相關(guān)性，與高錳酸鹽指數(shù)顯著正相關(guān)，與溶解氧極顯著負(fù)相關(guān)，可能與研究區(qū)域水體污染物的不同來源和性質(zhì)相關(guān)。清淤后溝渠上覆水中總氮、氨氮、硝氮、總磷均顯著相關(guān)，而溝渠水體中氮、磷呈現(xiàn)相似變化趨勢(shì)，主要受研究區(qū)域污染物來源的影響。清淤區(qū)域功能主要為農(nóng)田灌溉，溝渠接納來自農(nóng)田灌溉時(shí)流失的大量氮、磷肥料，加劇溝渠水體氮磷負(fù)荷。綜上，采用干挖法清淤后溝渠地表水質(zhì)隨清淤完成時(shí)間增加，水質(zhì)變差；存在外源污染時(shí)清淤后時(shí)間延長(zhǎng)，加劇溝渠水質(zhì)惡化。

表2 溝渠清淤后水質(zhì)因子間相關(guān)性分析（Pearson，N=9）

2.2 清淤對(duì)典型溝渠地表水環(huán)境容量的影響

以蓮子港電排渠a、b段為例，溝渠清淤前后水環(huán)境容量變化如表3所示。清淤完成1個(gè)月后，垸內(nèi)溝渠地表水的環(huán)境容量（高錳酸鹽指數(shù)）由13.99 t/m快速上升到38.88 t/m。干挖法清淤顯著增加了營(yíng)養(yǎng)鹽的水環(huán)境容量，清淤后總氮水環(huán)境容量是清淤前的2.8倍，總磷水環(huán)境容量是清淤前的2.7倍。

表3 溝渠清淤前后CODMn、TN、TP的水環(huán)境容量變化（蓮子港電排渠）

蓮子港電排渠位于人類活動(dòng)密集區(qū)，由于人類生產(chǎn)和生活活動(dòng)，嚴(yán)重影響了溝渠內(nèi)的流量、流速和水位；此外，由于存在生活排污口與雞鴨養(yǎng)殖場(chǎng)，增加了溝渠的污染負(fù)荷；冬季溝渠進(jìn)入枯水期，溝渠流量和流速均減小，水體稀釋自凈能力減弱，水體納污能力降低。溝渠清淤后引入垸內(nèi)外河水，可以增大溝渠引水量，增強(qiáng)溝渠流通性，提高水體納污能力；而且有利于增大溝渠的過水?dāng)嗝婷娣e，改善水力條件。枯水期的溝渠清淤主要通過增加河道斷面面積和增大流速來增大溝渠的水環(huán)境容量。由于水文資料缺乏并假定了溝渠流入流出流量相等，未考慮研究區(qū)域的排污方式、污染源和泥沙淤積等因素，可能導(dǎo)致計(jì)算所得水環(huán)境容量大于實(shí)際水環(huán)境容量。

2.3 溝渠清淤對(duì)溝渠內(nèi)地表水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的影響

采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（∑TLI）評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平如圖2所示。清淤前S1～S4點(diǎn)位處雞鴨、生豬、魚類養(yǎng)殖及居民生活排污區(qū)域，均達(dá)到重度富營(yíng)養(yǎng)化水平，主要受外源輸入和冬季溝渠的稀釋自凈能力的影響[6]。其中生豬養(yǎng)殖廠S4的∑TLI最高，達(dá)95.92；與雞鴨、魚類養(yǎng)殖區(qū)和生活排污口的∑TLI差距懸殊，農(nóng)田灌溉區(qū)∑TLI相差較小。清淤完成1個(gè)月后，溝渠∑TLI降低到50以下，屬中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。但是隨著清淤完成時(shí)間的延長(zhǎng)，∑TLI呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，清淤后溝渠總體處于中營(yíng)養(yǎng)、輕度和中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。受清淤完成時(shí)間外源污染輸入的影響，溝渠水體中容納的氮磷的量逐漸增多，葉綠素a含量不斷升高（表4），溝渠富營(yíng)養(yǎng)化水平不斷升高。

圖2 清淤前后富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果分布圖（-Q表示清淤前、-H表示清淤后）

水體富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境生態(tài)過程，涉及多種因子與指標(biāo)。葉綠素a與高錳酸鹽指數(shù)顯著相關(guān)（表3），表明垸內(nèi)溝渠的有機(jī)污染物對(duì)水體的富營(yíng)養(yǎng)化有顯著貢獻(xiàn)；高錳酸鹽指數(shù)與總氮極顯著相關(guān)，表明兩者污染物可能存在共同的來源。葉綠素a與氮的相關(guān)性大于磷，說明氮污染物為南漢垸溝渠重要營(yíng)養(yǎng)鹽因子之一。生豬養(yǎng)殖區(qū)域∑TLI達(dá)95.92，高于其他雞鴨、魚類養(yǎng)殖和生活排污口（圖2）。因?yàn)樾笄蒺B(yǎng)殖廢棄物以糞便、尿液以及沖洗水為主，含有豐富的氮元素，豬尿中氨氮濃度高[5]。因此，控制地表水富營(yíng)養(yǎng)化問題的關(guān)鍵是控制氮磷污染物的排放。

影響南漢垸溝渠地表水富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的參數(shù)眾多，清淤完成時(shí)間越久，各參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)不斷增加，∑TLI不斷增大，富營(yíng)養(yǎng)化問題越嚴(yán)重（表4）。采用干挖法清淤后第5年，∑TLI仍呈上升趨勢(shì)，甚至可達(dá)到重度富營(yíng)養(yǎng)化程度（圖2），因此應(yīng)及時(shí)采取工程措施控制富營(yíng)養(yǎng)化的惡化。清淤時(shí)對(duì)溝渠周邊生態(tài)環(huán)境影響較大，如何將清淤與周邊生態(tài)重建相結(jié)合是未來中小河道治理過程中的重要問題[1，3]。綜上，南漢垸內(nèi)溝渠水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因與外源氮磷和有機(jī)污染物的輸入有關(guān)，清淤對(duì)于控制溝渠內(nèi)地表水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化具有重要作用，但是隨著清淤完成時(shí)間延長(zhǎng)地表水質(zhì)變差，因此需要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和控源限排，定期開展湖區(qū)垸內(nèi)溝渠清淤工程。同時(shí)，由于溝渠水流特性與河湖存在顯著差異，當(dāng)前缺乏有效的研究方法；本研究采用的水環(huán)境容量計(jì)算方法及∑TLI指標(biāo)，對(duì)于準(zhǔn)確分析干挖法清淤對(duì)湖區(qū)垸內(nèi)溝渠地表水環(huán)境質(zhì)量的影響仍需要進(jìn)一步研究。

表4 清淤對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的影響（-Q表示清淤前、-H表示清淤后）

3 結(jié)論

（1）干挖法清淤可以改善溝渠地表水環(huán)境質(zhì)量和增大了水環(huán)境容量，但是隨著清淤完成時(shí)間延長(zhǎng)水質(zhì)逐漸變差并出現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化問題。

（2）南漢垸內(nèi)農(nóng)業(yè)面源與養(yǎng)殖排污的外源輸入是溝渠清淤完成后水環(huán)境質(zhì)量惡化的主要原因，需要開展嚴(yán)格監(jiān)測(cè)、控源限排并定期進(jìn)行清淤工程才能得以有效解決。