底泥疏浚与引流冲污对富营养水体生态系统恢复的影响
时间：2020-04-10 07:59:41 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘 要：随着社会经济的迅速发展，人口压力的增大，生活、农业和工业废水使得城市城区及周边的水体的环境状况越来越差。底泥疏浚与引流冲污作为重要的水体修复技术，引起了研究者的广泛关注。文章从底泥疏浚与引流冲污产生的污染物迁移转化效应、生物效应和污染控制的工程问题三个方面总结相关的研究成果，以期对城市水环境管理提供借鉴和参考。
关键词：底泥疏浚；引流冲污；生态系统恢复
中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）24-0068-03
随着社会经济的迅速发展，人口压力的增大，生活、农业和工业废水使得城市城区及周边水体的环境状况越来越差。城市环境管理部门实施了包括引流、截污、清淤等一系列整治措施，但是随着城市污水排放总量的不断增加，污水处理率未能同步增长，使城市内河湖泊接纳污染的负荷越来越大，大多数河段淤积严重，水流不畅，纳污容量越来越小，内河湖泊水质普遍越来越差。水体恶臭及由水体富营养化引起的蓝藻水化泛滥日趋严重，破坏了生态系统环境，严重威胁居民身体健康，因此，对于富营养水体修复已经引起广泛的关注。
在水生生态系统中沉积物是营养物、重金属、持久性有机污染物（POPs）的源和汇。在有效控制外源的情况下，生物或物理化学作用会促使沉积物的释放，使得水体在相当长的时间内保持富营养化或者水质恶化等不良状态。底泥疏浚和引流冲污都是水体修复的常见方法，被较多的应用于实践中。引流冲污经常应用于海湾的浅滩、港口、航道等，底泥疏浚较多的用于被污染的浅水湖泊或者小型河流等水体。国内外都有很多相关的实践经验，但是对于疏浚技术能否从根本上使得水环境得到改善，及内部相应的机制国内外却存在较大的争议。底泥疏浚由于其高昂的施工成本和环境效果的不确定性，需要对施工可能产生的环境效应及其相应的机制有较为详尽的了解。
1 底泥疏浚和引流冲污的污染物迁移转化效应
底泥疏浚和引流冲污对于水生生态系统是一种干扰，会改变原本生态系统的稳定性，使得生态系统发生改变。相应的在悬浮过程对污染物的迁移传化发生瞬时效应、短期效应和长期效应。底泥中营养盐的释放与温度、pH、Eh、细菌、溶解氧等诸多因素相关，在20 cm以下的底泥基本上不直接参与营养盐对水体的释放，但一旦将上层底泥疏浚后，下层底泥会暴露成为表层底泥，好氧环境下其氮磷释放量反而更大，即并不是任意的疏浚深度及任意时间的疏浚都可以减少营养盐释放量。
引流冲污是直接引入低营养盐的清洁水来稀释甚至更换部分湖水，达到稀释营养物浓度的目的，使湖泊富营养化得到控制。引水稀释技术属于物理法分类技术，通过降低营养盐浓度，加快交换速度，引水能有效提高富营养湖泊的水质。引水冲污常因清洁水源问题而在应用中受到限制。引水冲污实际是污染物的迁移，需要新的污染物容纳体。
1.1 底泥疏浚对水土界面营养盐通量的影响
各种水生生物残体的生物沉积是湖泊沉积物的重要组成部分，在适当的条件下矿化就会成为湖泊N、P的内源向水体中释放营养盐。底泥疏浚这种内源控制技术的界面行为和活化机制研究一直是科研的热点和难点，开展的研究多为疏浚效果的野外检测评价和短期模拟试验。疏浚能有效的削减沉积物中的营养物、重金属和持久性有机污染物等污染物的含量，但疏浚会引起污染物向水体释放，疏浚后的界面过程有可能对疏浚效果产生较大影响。底泥疏浚对水体富营养化的控制并非总是成功的。钟继承等通过试验室疏浚模拟研究氮、磷释放的长效机制发现未疏底质浚沉积物-水界面的铵态氮通量具有明显的季节性，而疏浚后的底质沉积物-水界面铵态氮的通量季节变化不明显。疏浚后的几个月铵态氮的交换量先稍稍增大，在5～12月间显著低于对照组。研究者认为在太湖流域底泥疏浚对沉积物铵态氮具有很好的控制作用，对太湖流域底泥疏浚30 cm可以有效减少沉积物的磷负荷，疏浚形成的氧化层能后很好的阻止沉积物-水界面的磷释放。在水生生态系统中氮循环过程对于控制初级生产力具有重要的作用，在氮循环过程中反硝化过程是直接的脱氮过程，有研究发现沉积物反硝化速率受温度的控制，硝态氮浓度是沉积物反硝化速率的主要限制因子。疏浚会使有机碳成为疏浚沉积物的反硝化速率影响因子。疏浚后短期内沉积物反硝化速率降低，这是沉积物脱氮过程一个潜在的负效应。
1.2 底泥疏浚对新鲜有机质云团的影响
底泥表层可分为三层：稀释层、流体层和压密层。稀释层中的颗粒最细，有机质最多可称为污染云团，应该疏浚的是上面两层。在水体中新鲜细颗粒有机碎屑、细菌、藻类和矿物质等极细颗粒组成胶粘状云团，其比重略大于1，在水力作用下很容易悬浮并长期滞留在水体中参与水中固体物通量的上下交换。底泥疏浚无法有效祛除云团，由于底泥的上面两层都可再悬浮，如疏浚方法不当，已疏浚处很容易被未疏浚处的富营养流动性淤泥及污染云团覆盖，疏浚将难以达到预期控制内污染源的目的。
疏浚引起的再悬浮能够导致沉积物向水体释放营养盐，疏浚过程中水体TSS浓度显著提高，同时伴随着氮磷的释放，疏浚后的水体很快澄清，TSS浓度迅速下降，但是水体中的营养盐能够维持较长的时间。疏浚后新生表层水土界面发生扩散、吸附和解吸等许多瞬时过程，这些过程对营养盐的水相固相分配起着重要作用。
2 疏浚和引流冲污的生物效应
2.1 底栖生物的变化
疏浚工程往往会使底栖生境发生巨大的改变，而生境的恢复重建又需要很长的时间，为了减少疏浚的环境风险就需要对疏浚的可行性和环境效应进行评价。同时应对疏浚区的生物资源进行调查，为降低生态风险提出建议。底泥疏浚往往对底栖生物产生危害，进而使得水生生态系统的发生变化，系统中底栖生物和酶活性的恢复则需要长期的过程。M.A.Lewis等研究底泥疏浚（引流冲污）对城市化的弗罗里达海湾影响：对底栖生物和藻类固着生物的影响，疏浚显著降低生物多样性和密度。
底泥疏浚导致沉积物理化性质发生变化，进而会引起种群的更替，从而改变群落的组成。但群落的组成是有水土界面的物理和生物因子相互作用调控的，同时沉积物的粒度组成也会对群落产生影响。底泥疏浚对生物群落的直接影响就是种类、丰度和生物量的减少。这都使得疏浚区的生态系统重建成为生态修复的一个重点和难点。有研究者发现生态系统重建的能力取决于：疏浚区的水文条件和沉降状况；疏浚时间及疏浚的强度和深度；机会种生殖策略的选择等。
A.J.Kenny等研究海洋沿岸疏浚前后的环境效应和生物的重新植入，在进行清除50 000 T团聚体前，对底栖生物进行调查。之后每年进行检测调查，研究发现当疏浚后优势种迅速开辟新的生境，但是很多稀有种却没有。通过侧向声波定位和水下摄影发现在疏浚后的两个冬天大量的沉积物发生迁移，本来的沉积物变为泥沙和砾石。疏浚后的24个月里生物量大大减少，可能是由于潮汐和波浪对沉积物的扰动所引起的。疏浚对于植被和底栖生物的影响会使沉积物的抗干扰能力下降。疏浚后最初占领生境物种生殖策略的选择决定了生境恢复的速度（K选择和R选择的区别）。对生态系统的恢复需要对参照原系统结构，重新移植大量的R选择物种和少量的K选择物种。
2.2 疏浚后水生植被恢复的相关研究现状
水生植被是水生生态系统中营养盐重要的源和汇，对于维持水生生态系统的稳定性有重要意义。水生植被既有对环境的适应性，同时也会改造环境条件。水生植物和底泥之间的联系和反馈表现为生态系统层次的元素交换和响应。水生植物的群落组成也会在一定时间内对底泥环境的改变或者局部生境的改变发生响应。不同水生植物对沉积物的生物化学作用，大型水生植物的种类组成可以可以改变沉积物生物地球化学循环，改变孔隙水磷酸盐和固相磷及重金属的含量水平。
由于水生植被的重要生态功能，很多研究关注水生植物在富营养水体中生长的限制性生长因子。Scheffer，M.等研究六个相邻接的浅水富营养湖泊在20年中沉水植被的分布和动态。通过logistic模型预测富营养湖泊那些区域无法生长植被。沉水植被的生长并不是由响应深度的透明度决定的，因为富营养水体相同深度的水体浊度存在差异，同时植被变化与深度变化无明显的线性关系。富营养水体中的植被变化非常快，每两年改变50%。当由植被消失的时候又有大量的沉水植被克隆生长出来。有机质矿化过程中释放的氮能促进植物的生长。沉积物含水量和含沙量的改变并不影响生物量。在高有机质的厌氧环境下硫离子和亚铁离子会显著抑制植物的生长，从而降低生物量。
B.G.Long等用BACIR（before/after，control/impact，repeated
measures）检测疏浚海草河床环境效应，研究发现三种海草中的优势种在疏浚后与疏浚前相比显著减少，但是通过对照组的变化发现，海草植被的退化，可能不仅仅是疏浚造成的，跟更大尺度的环境效应相关。疏浚过程可能会降低生态系统对外界物理干扰的抵抗能力，这也为疏浚后水生植物的重建带来了困难。
3 底泥疏浚和引流冲污对湖泊污染控制的时效性和
科学问题
3.1 疏浚的时效性和时间选择
疏浚与大多数的水污染处理技术需要后期维护不同，属于治理对象的一次性工程投入，疏浚后由于疏浚质量的差异造成的新生表层的残留物，以及上覆水中的悬浮颗粒沉降等，均会使得內源释放逐步恢复。所以外源控制显得尤为重要。评价疏浚效果就需要看疏浚后的控制效果延续时间长短与资金投入相比人们的接受程度。
疏浚应该选择在气温较低，水力条件较稳定的季节，应当避免底栖生物幼虫再生期和繁殖期，一般会选择在风险较小的冬季进行实施疏浚工程。
3.2 疏浚施工方案和参数设计
科学的疏浚方案涉及疏浚量、疏浚方式和疏浚深度等因素的研究，不同的水体系统，相应的参数设计也存在差异。
张修峰等通过生态模型法研究三垟湿地不同底泥疏浚量对水体的影响，发现若外源污染消除，在只有内源污染的情况下总磷浓度仍会进一步增加；底泥疏浚量越大，则水质改善越明显，当底泥清除3/4时，水质会有明显的改善。若不进行内源治理，外源治理无助于三垟湿地水体富营养化的彻底解决。
邢雅囡等以苏州市古城区南园河底泥柱状杨为例，研究不同层位底泥杨中氮的质量分数随沉积深度的增加而减小；底泥中TOC的质量分数及释放量对总氮的积累和释放有较大影响；疏浚深度对底泥中氮磷的释放产生影响，当深度为5 cm或15 cm时扩散较弱。
鉴于生态疏浚目的和表层淤积物特点，宜采用分区机械化作业和封闭吸疏式作业，可避免产生大的扰动和发生清泥沙而未清营养盐的问题。疏浚目的是清除污染物、营养盐，泥沙仅仅是营养盐的载体。疏浚时应采用特殊技术和装置，关键是密闭和抽吸，否则会大大降低疏浚效果。
3.3 疏浚的生态风险评估
由于疏浚工程本身的投入较大，疏浚方式的差异会直接影响到疏浚效果，所以对疏浚工程的风险评估显得尤为重要。不同的研究者针对研究对象特点采用特定生态学指标进行研究：刘爱菊等[7][8]使用淡水沉积物质量基准和微生物毒性试验方法，对疏浚前后五里湖沉积物提取液和全底泥沉积物的生态毒性进行研究分析，发现疏浚后沉积物中各重金属污染物的总体含量显著下降，但是铬、铅和钼的含量仍可能对水体生态系统产生不良影响。底泥疏浚具有导致五里湖沉积物生物毒性增加的风险。研究者基于因子的主成分分析法，发现疏浚作用促进表层沉积物表层沉积物发生再悬浮和扩散作用，促进沉积物内源性营养盐和重金属离子的释放。使用Monte Carlo随机采样法，分析发现底泥疏浚有导致五里湖水体环境质量短期恶化的风险。
参考文献：
[1] 钟继承，范成新.底泥疏浚效果及环境效应研究进展[J]湖泊科学，2007，（1）.
