汾河水庫底泥污染特征及資源化利用分析

石玉飛范毅白興全高峰

(1.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；2.山西汾河流域水生態環境管理有限公司，山西 太原 030000)

我國是世界上水庫數量最多的國家，現有水庫98002座，總庫容9323億m3[1]，在減輕洪澇災害、維系區域生態平衡、保障區域供水和生物資源利用方面發揮不可替代的重要作用[2-4]。據報道，每年由于泥沙淤積造成的全球水庫總庫容損失達0.5%～1.0%[5]。我國水庫平均年淤積速率為2.3%，大于國外水庫淤積速率[6]。我國尤其北方河流含沙量高，庫容年損失率高于世界平均水平，淤積問題尤為嚴重。山西省地處黃土高原、黃河中游，水資源嚴重短缺和水土流失十分嚴重。汾河水庫位于汾河干流上游段，是汾河流域第1座綜合利用的大型水利樞紐，是山西省目前最大的水庫，也是太原市生活用水重要水源地，其上游流域地面物質組成及侵蝕特征，具有典型的黃土高原水庫特性。水庫建成以來，形成了大量泥沙淤積，庫區地形基本呈盆地形狀，庫底左側至右側淤積面呈水平狀態。大量泥沙淤積侵占了水庫庫容，直接影響了水庫防洪、灌溉、供水、發電、航運、生態環境等功能效益的發揮[7-9]。因此，對淤積嚴重的水庫進行清淤是維持水庫正常運行的必要措施之一。然而，對水庫清淤后的底泥進行有效地資源化利用也是目前亟待解決的問題。

底泥、水質和水生生物是水生態系統中重要的環境要素，在生態系統的能量流動和物質循環中具有重要的作用[10]。底泥由大量的氮、磷、有機質和長期累積的沉積物等物質組成。底泥成分復雜，在吸收外源污染物(如有機污染物)的同時，也會向水環境中釋放大量的污染物，導致水體的污染物濃度增加[11,12]，并產生二次污染，引起水質惡化和水生生物死亡[13,14]。目前，清淤后底泥的資源化利用研究多集中在湖泊、河道和污水處理廠的底泥上[15-17]，缺乏對水庫底泥的資源化利用研究。因此需要全面分析水庫底泥的污染特征，并探索適合水庫底泥資源化利用的方案。本文選取汾河水庫為研究對象，通過對汾河水庫底泥的物理性狀、營養物質、粒徑分布和有毒有害有機污染物進行分析，有針對性地制定底泥資源化方案，為今后各水庫底泥的資源化利用提供理論依據和技術參考。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

本研究在汾河水庫一共布設了24個底泥采樣點，見圖1，采樣點較均勻地覆蓋了整個汾河水庫。使用抓斗式采泥器采集水庫底泥，每個取樣點取3次混合樣，每個混合樣取3次，混合樣總體積為1L。將采集的水庫底泥保存后，立即避光送回實驗室進行分析。

圖1 汾河水庫底泥取樣點示意圖

1.2 底泥檢測指標和分析方法

底泥檢測指標包括pH、含水率、有機質、總氮、總磷、粒徑分布和有毒有害有機污染物。

1.2.1 含水率

底泥的含水率采用重量法測定，將樣品放進溫度為105℃的電熱鼓風干燥箱中烘干12h，自然冷卻后計算底泥烘干前后的重量變化。

1.2.2 總氮和總磷

底泥的總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，總磷采用鉬銻抗分光光度法測定，具體檢測方法參考《水和廢水檢測分析方法》(第4版)[18]。

1.2.3 有機質

底泥的有機質采用重量法測定，將樣品放進溫度為600℃的馬弗爐中灼燒2h，自然冷卻后計算底泥灼燒前后的重量變化。

1.2.4 粒徑分布

對底泥進行干燥和破碎后，采用國家統一標準篩：100目(150μm)、200目(75μm)、300目(48μm)和400目(38μm)，對樣品進行篩分，測定底泥的粒徑分布。

1.2.5 有機污染物

使用索氏提取器對底泥中的有機污染物進行萃取前處理，采用氣相色譜-質譜聯用儀對有機物污染物含量進行檢測，具體檢測方法參考《水和廢水檢測分析方法》(第4版)[18]。

2 結果分析

2.1 汾河水庫底泥物理性狀分析

汾河水庫底泥pH值變化范圍為7.0～8.0，見表1，符合農用的要求。汾河水庫底泥含水率高，變化范圍為53.30%±0.98%～81.02%±1.06%，普遍大于50%，見表1。其中，上游底泥含水率(如采樣點1為53.30%±0.98%，采樣點2為54.42%±0.68%)和下游底泥含水率(如采樣點24為53.40%±024%)明顯低于中游底泥含水率(如采樣點12為78.16%±0.99%，采樣點14為81.02%±1.06%)。沿岸的底泥含水率(如采樣點8為63.61%±0.44%，采樣點15為62.90%±0.83%，采樣點22為60.67%±0.54%，采樣點23為59.71%±0.13%)也低于中游底泥含水率。

2.2 汾河水庫底泥營養物質分析

底泥中的氮磷含量在一定程度上為水庫水體的富營養化程度提供參考，底泥中氮磷的釋放會導致水庫水體的富營養化。由表1可知，汾河水庫底泥中總氮、總磷、有機質含量分布不均，總氮含量范圍在62.92±3.71～1150.83±8.04mg·kg-1，總磷含量范圍在0.83±0.05～97.07±2.46mg·kg-1，總氮和總磷含量處于較低水平。底泥中較高的總氮和總磷含量主要集中在采樣點5(總氮含量為1150.83±8.04mg·kg-1、總磷含量為97.07±2.46mg·kg-1)、采樣點6(總氮含量為399.77±5.45mg·kg-1、總磷含量為26.26±1.09mg·kg-1)、采樣點7(總氮含量為627.23±5.20mg·kg-1、總磷含量為41.30±1.16mg·kg-1)、采樣點8(總氮含量為460.04±2.10mg·kg-1、總磷含量為27.05±1.30mg·kg-1)和采樣點9(總氮含量為400.89±0.62mg·kg-1、總磷含量為28.28±0.22mg·kg-1)。汾河水庫底泥中有機質含量范圍在24.63±0.66～90.66±0.88mg·kg-1，其中，采樣點8有機質含量最高，采樣點19有機質含量最低。這可能是由于采樣點8附近有大片果園，植物茂盛，采樣點19附近是裸土地。中等含量有機質主要在水庫中游，如采樣點12(64.31±0.99mg·kg-1)和采樣點17(69.08±0.58mg·kg-1)。

根據單因子標準指數法評價汾河水庫底泥的氮磷污染風險[21]，其中總氮的標準指標為550mg·kg-1，總磷的標準指標為600mg·kg-1。由表1可以看出，只有采樣點5和采樣點7的總氮污染指數大于1，有潛在的生態風險，其它采樣點的總氮和總磷污染指數均小于1。

2.3 汾河水庫底泥粒徑分布分析

采用國家統一標準篩對樣品進行篩分，汾河水庫各采樣點底泥的粒徑分布如表2所示。汾河水庫底泥粒徑<400目占26.65%～67.92%、300～400目占7.02%～27.35%、200～300目占5.65%～36.28%、100～200目占3.74%～21.45%、>100目占3.10%～16.33%。在底泥粒徑<400目中，采樣點15(26.65%)、采樣點16(26.79%)、采樣點2(28.63%)和采樣點6(30.61%)占比最少。在底泥粒徑>100目中，采樣點22(12.64%)、采樣點13(12.69%)和采樣點16(16.33%)占比最多。

2.4 汾河水庫底泥有機污染物分析

根據汾河水庫的地形，選取了12個采樣點(采樣點1、采樣點4、采樣點5、采樣點7、采樣點10、采樣點11、采樣點13、采樣點14、采樣點18、采樣點19、采樣點22和采樣點24)的底泥進行了有機污染物含量的檢測，檢測結果如表3所示。在汾河水庫的底泥中均未檢測到有機污染物苊、苊烯、蒽、苯并(a)蒽、苯并(a)芘、苯并(b)熒蒽、苯并(g,h,i)苝、苯并(k)熒蒽、、二苯并(a,h)蒽、熒蒽、芴、茚并(1,2,3-cd)芘、萘、菲和芘的存在。

表2 汾河水庫底泥粒徑分布

表3 汾河水庫底泥有機污染物含量

3 討論

汾河水庫底泥含水率的差別是由于汾河水庫上游、下游和沿岸的底泥主要來源于周邊的水土流失，含沙量較高導致的。這與報道的水庫湖泊底泥含水率較為一致，如五源河中游底泥含水率為73.10%[15]，巖口水庫底泥含水率也普遍大于50%(58.11%～87.43%)[19]。汾河水庫底泥中總氮、總磷、有機質含量分布遠低于國內報道的南方浙江巖口水庫(底泥中總氮含量為3898mg·kg-1，總磷含量為882mg·kg-1)[19]和北方河北洋河水庫(底泥中總氮含量為2131mg·kg-1，總磷含量為742mg·kg-1)[20]。采樣點5的總氮和總磷含量高是由于此處附近地形的攔截作用使得營養物質在此處沉積，也有可能是該處的居民生活區產生的生活污水導致的。

依據全國第二次土壤普查推薦值[22]，土壤養分共分6級，1級為最高水平，6級最低水平，汾河水庫底泥總氮屬于3～6級，總磷含量屬于6級，有機質含量屬于1～3級。汾河水庫底泥中的總氮含量屬于中低水平，總磷含量屬于低水平，但有機質營養等級較高，表明汾河水庫底泥污染中有機質占比較大。

汾河水庫底泥顆粒粒徑越小占比越大，整體顆粒較細，具有一定的可塑性。汾河水庫底泥主要由黏粒和粉粒組成，占比在60%左右，具有較好的膨脹性能。汾河水庫沿岸的水土流失導致附近的水庫底泥顆粒粒徑較大。報道的河湖底泥的粒徑主要為>300目[16]。汾河水庫未檢出有機污染物，報道的五源河底泥中也未檢出有機污染物[15]。因此，在汾河水庫底泥資源化中可以不考慮有機污染物的影響。

底泥資源化能帶來一定的經濟生態效益，根據以上對汾河水庫底泥的特性分析，汾河水庫底泥中有機質營養等級較高，有機質占比較大，底泥顆粒粒徑越小占比越大，整體顆粒較細，無有機污染物，資源化利用方式可以考慮農田、園林綠化用土。

4 結論

汾河水庫底泥pH值變化范圍為7.0～8.0，含水率高，普遍大于50%。汾河水庫底泥總氮屬于3～6級，總磷含量屬于6級，有機質含量屬于1～3級。汾河水庫底泥中的總氮含量屬于中低水平，總磷含量屬于低水平，但有機質營養等級較高。底泥顆粒粒徑越小占比越大，整體顆粒較細。汾河水庫底泥主要由黏粒和粉粒組成，占比在60%左右，具有較好的膨脹性能。在汾河水庫的底泥中均未檢測到有機污染物苊、蒽、苯并(a)蒽、苯并(a)芘、、萘、菲和芘等的存在。根據汾河水庫底泥污染特征，資源化利用方式可以考慮農田、園林綠化用土。