杨兰琴，樊 华，赵 媛，陈 新，王培京，严玉林

(1.北京市水科学技术研究院，北京 100048；2.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；3.流域水环境与生态技术北京市重点实验室，北京 100048；4.北京市通州区水务局，北京 101100)

随着经济社会的快速发展，河道水生态环境问题日益凸显[1]。北方地区河道周边多有村庄、城镇等分布，相对于南方河道，北方河道水量偏小、季节性明显[2]。历史上因周边基础设施不够完善受生活污水、面源污染影响，水质较差[3]。近年来随着黑臭水体治理、水生态修复等工程实施，河道水环境整体改善。以北京市为例，河道基本实现了控源截污，但部分河道水质依然反复，可能与河道内源污染有关[4- 5]。河道内源污染是影响河道水质的重要因素，底泥中的污染物会随着上覆水条件改变而在源和汇之间切换[6- 7]，当底泥与上覆水之间的平衡打破时，底泥有可能成为河道的内源污染，影响河道的水质。因此，在开展以改善河道水环境为目的的清淤工程之前，科学判断底泥对上覆水的影响非常重要，明确河道是否需要清淤。另外，清多少也是河道清淤的关键设计参数，清太深，内源污染全部清除，但不利于河道生态恢复，也会增加工程投资；清太浅，内源污染得不到充分去除，达不到工程预期[8]。因此，如何科学判定河道“是否清”和“清多少”的问题，兼顾河道的水环境安全和行洪安全，是开展清淤工程之前必须要考虑的问题。

国内外目前针对河道“是否清”和“清多少”没有统一规定，清淤深度多偏向于理论研究，对象也集中在底泥相对稳定的南方湖泊和水库[9- 10]。确定“是否清”和“清多少”的方法主要有沉积学法(分层法)、背景值法、拐点法、分层释放速率法和吸附解吸平衡法等[7，11]。河道相对于湖库具有不同的特点，特别是北方的河道，兼具行洪排涝和水景观需求。河道清淤时既要考虑去除河道内源污染物，保证河道的水环境安全；又要考虑河道断面规整，保障行洪安全。为此，本文拟根据北方河道的实际情况，在既考虑便捷性又能尽可能模拟河道实际情况的条件下，以北京市水质稍差的小中河为例，通过实验获得影响水质的清淤深度(水质清淤深度)，并结合常规中小河道设计中影响行洪的清淤深度(行洪清淤深度)，探索河道“是否清”和“清多少”的关键问题，为北方河道在采取清淤决策以及水质持续改善提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

北京市小中河发源于怀柔区郑重山桥梓村附近，自北向南流经怀柔区、顺义区和通州区北部，于北关分洪闸上游汇入温榆河。河道全长44.7km，分为上、中、下三段，其中下段位于通州区，长12.4km。小中河有一条主要支流中坝河，受历史因素影响，小中河除承担沿线两岸排涝外，还承担着首都国际机场和沿线村镇的排水任务，2016年小中河通州段被判定为黑臭水体。经过2016—2018年沿线分散生活污水治理和截污纳管，小中河沿岸基本实现无污水排放入河，但2019年小中河仍有6个月水质为劣Ⅴ类[12]。为实现小中河水质持续达标，拟对小中河开展清淤工程，要求清淤后补充的水质不恶化。小中河存在多处闸坝，补水水源有限，水体流速不均匀。但作为河道水体仍有扰动，包括微生物、风浪、人为影响、不规则的水体流动等。计划清淤之后，河道补水水源来自污水处理厂站退水，水质达到DB 11/890—2012《城镇污水处理厂水污染物排放标准》要求。在开展清淤之前，拟对小中河底泥开展采样和研究，判定小中河清淤是否有助于改善上覆水水质，并确定合理的清淤深度。

1.2 布点与采样

利用全柱状底泥采样器对小中河底泥开展样品采集，为尽量降低空间差异性所带来的误差，在支流汇入口、排污口、村庄沟渠排入口上下游均设置采样点，其他无污染源汇入的河段采样点适当减少，局部污染严重的点加密采样，共设置采样点27个，每个点位代表的是其上下游各约250 m范围，采样点坐标见表1，分布如图1所示。考虑到实际工程需求，底泥样品仅采集至原状土下20～30cm。根据采集的全柱状底泥断面颜色分布，主要呈现黑-黄-黑、全黑、黑-黄、黄-黑-黄、全灰等，与湖泊水库描述的污染层、过渡层和健康层不太一致[6，8]，推测原因可能是河道水动力条件相对湖泊、水库复杂，因行洪排涝需要不定期清淤，人工干预对淤泥分层状态影响较大。根据柱状底泥颜色、气味和质地，黑-黄-黑、黄-黑-黄的柱状泥依次分割并命名为上层、中层和下层，黑-黄的为上层和下层，全黑和全灰的按照厚度均匀分为上中下3层，将同一种颜色质地的泥小心分割成一段密封至保鲜袋中，运回实验室在4℃下冷藏保存。

图1 取样点位示意图

柱状泥长度在63～140cm之间，上层泥厚度在18～46cm之间，平均厚度23cm；中层泥在18～45cm之间，平均厚度28cm；下层泥在18～55cm之间，平均厚度为32cm，具体见表1。

表1 小中河底泥采样点位置表

1.3 实验方法及模拟条件控制

1.3.1实验方法及参数选择

目前模拟河道底泥对上覆水影响的实验方法和

容器没有统一标准，但都以尽量模拟水体的自然条件和简化设备为基本原则[13]。因此，本实验拟在烧杯中进行动态模拟，让表层底泥中污染物在外界扰动下释放，达到吸附解吸平衡后，上覆水中污染物浓度升高，说明底泥污染物存在释放，需要清淤；上覆水污染物浓度降低，说明底泥污染物不释放，不需要清淤。在确定清淤的情况下，清淤后的层将成为新表层底泥，污染物会在新的泥水界面之间迁移转化，为了确定清淤后的底泥不向上覆水中释放污染物，需要对不同深度的底泥开展动态模拟试验，将不存在污染物释放的层作为新的泥水界面，对应泥层的厚度就是水质清淤深度。

为了模拟小中河补水后的水力条件，通过震荡来模拟所有扰动的最大值，为了避免底泥因震荡而大量悬浮，将底泥铺满装置底部时轻压。底泥的厚度、表面积和上覆水深度是关键的控制指标，本实验参考利锋等[11]对河道动态模拟实验参数、范成新等[14]关于清淤疏浚精度以及底泥对下层污染物释放的阻隔厚度参数[15]，选取底泥厚度与上覆水水深之比1∶10。吸附解吸时间影响到污染物是否充分释放，时间过久会导致底泥中污染物受温度、光照等条件变化而产生影响，根据试验前期的释放速率试验，氨氮在2h后达到最大释放量并出现不规律变动，COD和TP在12h后达到吸附解吸平衡，结合《湖泊河流环保疏浚工程技术指南(试行)》[16]中的吸附解吸时间，采用2h后取上覆水测定氨氮、24h后取上覆水测定COD和TP指标。

1.3.2实验方法

根据上述分析，实验方法确定如下：将不同层底泥均匀铺装在烧杯底部并轻压均匀，按照泥厚与上覆水水深1∶10的比例沿烧杯内壁缓慢加入再生水(取自黄村污水处理厂)，水质情况见表2。实验设置不加泥的空白对照，置于25℃下140r/min恒温振荡器上进行震荡，震荡2h后取上覆水测定氨氮浓度；震荡24h后测定上覆水COD和TP浓度。氨氮、COD和TP采用《水和废水监测分析方法》中的方法进行分析。

表2 上覆水主要水质指标

2 结果与讨论

2.1 影响水质的清淤深度

2.1.1表层底泥污染物释放情况

表层底泥动态释放试验结束上覆水中氨氮、总磷和COD浓度超过初始浓度时，表明试验底泥中污染物存在释放风险。表层底泥污染物的释放结果见图2—4，从底泥中氨氮释放情况看(图2)，点位S6、S8、S11、S13、S14、S15和S16表层底泥均存在氨氮释放情况，主要集中在小中河的中段，说明当补充再生水后小中河中段底泥存在氨氮释放风险，这些点位的底泥会成为上覆水的氨氮释放源，造成上覆水中氨氮浓度升高；其他点位底泥则是上覆水的氨氮汇，会吸附上覆水中的氨氮造成上覆水中氨氮浓度降低。

图2 小中河表层底泥氨氮释放情况

从表层底泥中总磷的释放情况看(图3)，总磷释放主要集中在小中河的下游，点位S19、S21、S22、S23、S24、S25、S26均存在释放情况，表明当补充再生水后，这些点位的底泥会成为上覆水的总磷释放源，其他点位底泥则是上覆水的总磷汇。

图3 小中河表层底泥总磷释放情况

从表层底泥中有机质的释放情况看(图4)，除S18—S22四个点位表层淤泥不存在有机质释放外，其余点位均存在底泥中有机质释放污染上覆水的情况，表明当补充再生水后，这些点位的底泥会成为上覆水的COD释放源，其他点位底泥则是上覆水的COD汇。

图4 小中河表层底泥有机质释放情况

综合3种污染指标在各点位的释放情况看，除了点位S18不存在污染物释放以外，其他点位均存在底泥中污染物向上覆水释放的情况，会成为内源染的源。为了实现小中河补充再生水后水质不恶化，需要对该河段开展清淤工作。

污

2.1.2不同深度底泥污染物释放情况

不同层底泥污染物释放情况如图5—7所示。

图5 不同深度底泥氨氮释放情况

图6 不同深度底泥总磷释放情况

图7 不同深度底泥有机质释放情况

从氨氮释放时空分布可以看出(如图5所示)，59%的点位不同深度的底泥中氨氮均不会向上覆水释放，反而会吸附上覆水中的氨氮污染物，说明这些点位受到外界氨氮污染较小，清淤至任何层，下一层均不会向上覆水释放氨氮，主要分布在河道上段和下段。个别点位污染较严重，不同深度样品全部存在氨氮向上覆水释放的情况，如点位S6、S8、S13和S14，说明这些点位长期受到氨氮污染，导致底泥污染较深，会持续的向上覆水释放污染物，在仅考虑影响上覆水水质的角度而不考虑行洪的情况下来说，清淤深度至少要到采样深度之下；其他点位存在仅一层释放氨氮污染物的情况，需要视具体情况决定清淤深度，如上层释放而中层和下层不释放，则仅需要清除上层即可；若上层、中层释放而下层不释放，则仅需要清除上层和中层即可；若上层不释放而中层和下层释放，因上一层对下一层污染物释放会有阻隔作用，所以不清淤或全部清除；若上层和下层不释放而中层释放，则不清淤或清除上层和中层。如在仅考虑底泥污染物对水质影响的角度下，点位S1仅中层底泥释放氨氮污染物，该点位代表的河段不清淤或将上层和中层一并去除；点位S2、S10和S20仅下层底泥释放氨氮污染物，则点位所代表的河段不清淤或仅清除上层淤泥；点位S11、S15、S16仅表层底泥释放污染物，则清除表层底泥即可。

从不同点位不同深度底泥总磷释放时空分布情况看，51%的点位底泥中总磷含量较低，主要分布在河道中上段，会吸附上覆水中的总磷，导致上覆水中总磷含量降低，从影响水质的角度上来说，清淤至任何层，下一层均不会向上覆水释放总磷。个别点位磷污染较严重，如点位22、25和26，不同深度底泥全部受到磷污染，说明两个点位长期受到外源磷污染，从影响水质的角度来说，清淤深度至少要达到采集的底泥厚度。其他点位存在单层或双层磷污染，需要视具体情况决定清淤深度，如上层释放总磷而中层和下层不释放，则仅需要清除上层即可；若上层、中层释放而下层不释放，则仅需要清除上层和中层即可；若上层不释放而中层和下层释放，因上一层对下一层污染物释放会有阻隔作用，所以不清淤或全部清除；若上层和下层不释放而中层释放，则不清淤或清除上层和中层。

底泥有机质释放结果表明，超过85%的点位不同深度底泥会导致上覆水COD浓度显著升高，从影响水质的角度来说，这些点位清淤深度需大于采样深度。仅点位S18、S19、S21基本不存在底泥有机质释放风险，从影响水质角度来说不需要清淤。

2.1.3水质清淤深度判断

结合每个点位底泥的氨氮、总磷和有机质释放情况，只要释放后上覆水中有一项指标超过了初始值，那么从影响水质的角度来看需要清淤。除了点位S18所代表河段不需要清淤外，其他点位均需要清淤，根据表1中每个点位上、中、下层的厚度和动态释放结果，判定的从水质角度需要清淤的深度见表3。从表中可以看出，除了点位S18外，其他点位影响水质的清淤深度基本大于采样深度，甚至深入到了原状土，而且有机质污染决定着清淤的深度。

表3 水质清淤深度 单位：cm

2.2 河道清淤综合深度确定

河道不仅具有水景观的功能，更承担着行洪排涝的功能。若仅考虑河道水景观功能，通过底泥对水质的影响由水质清淤深度决定最终的清淤深度，势必会造成河道纵断面不规则，影响河道行洪安全，也会给施工带来极大困难。因此即使考虑清除河道污染底泥，也得兼顾河道行洪安全。具体到实际清淤深度，建议按照河道规划河底高程和行洪标准先行确定河道每个标段的水利清淤深度，用影响水质清淤深度进行复核，若水利清淤深度大于水质清淤深度，则按照水利清淤深度清淤；若水质清淤深度大于水利清淤深度，理论应按照水质清淤深度清淤，并用回填材料回填至规划河底高程。因河道部分点位污染深度过深导致水质清淤深度过大，考虑到实际操作的可行性和经济性原则，应规定一个合理的超挖深度(超过河道规划底高程)。鉴于国内现有清淤精度[13]，以及一定厚度底泥对下层底泥污染物释放的掩蔽作用[14]，超挖深度可设置为50cm，即当水质清淤深度大于水利清淤深度时，清淤至水利清淤深度时最多超挖50cm后回填至规划河底高程。为方便施工操作，最终清淤深度可直接取用整数。

3 结语

(1)表层底泥释放结果表明，除了点位18代表的约500 m河段底泥不释放污染物外，其他河段表层底泥均存在污染物释放情况，从底泥影响水质的角度说需要开展清淤。

(2)底泥分层释放结果表明，4个点位不同深度底泥均存在氨氮释放，3个点位的不同深度底泥均存在总磷释放，23个点位的不同深度底泥均存在有机质释放，这些点位底泥污染深度均超过取样深度，仅有点位S18不同深度淤泥均不存在氨氮、总磷和有机质释放。说明小中河底泥普遍受到有机质污染，且清淤深度基本由有机质污染深度决定，水质清淤深度均大于取样深度。

(3)河道综合清淤深度的确定，既要考虑水利清淤深度，又要考虑水质清淤深度。当水利清淤深度大于水质清淤深度时，应按照水利清淤深度确定；当水质清淤深度大于水利清淤深度时，原则上清至河道规划高程后，最多超挖50cm并回填至河道规划高程，阻隔下层污染物向上覆水释放污染物，同时保障河道断面规则，保障河道水环境安全和行洪安全。