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底泥疏浚生态环境效应的后评价研究

来源:用户上传      作者:杨春懿 马广翔 顾俊杰 顾佳艳 何国富 孔维鑫 杨根森

  关键词:底泥疏浚;水质;沉积物;底栖生物;微生物多样性
  0引言
  底泥是众多污染物的汇聚地,在一定条件下,底泥污染会再次向水体释放,带来二次污染[1].当外源污染物得到有效控制时,内源污染物的释放已经成为水体富营养化的主要原因之一[2].底泥疏浚作为降低底泥污染的一种工程措施,可以有效去除内源污染物.这一工程学措施已经在很多国家和地区进行了实践[3].但疏浚工程会受到水体条件、施工季节、疏浚方式以及现场操作等因素的影响,可能造成沉积物再悬浮、污染物释放、底栖动物群落结构受损、微生物多样性降低等问题,对水体生态系统带来不利影响.
  为此,国内外开展了大量的研究,主要包括底泥疏浚适宜深度的探讨[4]、疏浚后水体水质的变化[5]、内源污染物释放的过程机理[6-7]等方面.从工程效益来看,底泥疏浚对污染水体的治理效果是疏浚研究与应用的重点,但国内外学者就疏浚治理后能否长期改变水体污染状况的问题仍存在争议[8].研究表明,疏浚效果保持时间最长可达20年,若没有严格的外源污染控制手段,效果可能只保持几个月,而大部分工程实践结果显示,疏浚效果大约可保持1~2年[9].
  目前,针对底泥疏浚效果的后评价工作尚不多见,此外,从研究对象来说,国内底泥疏浚大多以湖泊为主,尤其是浅水湖泊,对河道疏浚的关注也相对较少.基于此,本研究以山东省某河段底泥疏浚工程为研究对象,对其2年后的疏浚效果进行跟踪监测,开展后评价.通过分析水质变化、新生沉积物营养状态、底栖动物和微生物多样性变化等,探讨该河段整治效果的保持情况,为其后续长效维护提供依据,同时补充国内现有河道底泥疏浚工程效果评价的案例.
  1材料与方法
  1.1 研究区域与布点
  河段整治及疏浚示范工程于2015年9月竣工,工程清淤长度约1km,河宽350~500m,疏浚深度约10cm,处置总方量约4104m3(水下方).根据《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T91―2002),共设11个采样点,分布如图1所示.
  1.2 样品采集与测定
  采样时间为2017年11月至2019年11月,每隔半年取样1次,共5次,共采集水样55个.于水下0.5m处采集水样,采样时要求船体处于下游,采样人员在船体前部且尽量远离船体处采样,水样装于500mL聚乙烯采样瓶中,4℃下暗处保存带回实验室.采用XDB0201抓斗式采泥器采集表层约5~10cm的样品,采样后将样品分别装入10号聚乙烯密封袋,并排尽空气,样品风干后研磨过筛.采样点位均采用GPS手持机进行定位,此外,为确保采集、运输、储存过程中的样品质量,每10个样品设置1个平行样.
  水样测定总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、化学需氧量(CODCr)4项指标;沉积物中测定TN、TP、总有机碳(TOC)、有机氮4项指标,测定方法均参照《水和废水监测分析方法》(第4版),同一断面采样点的测定结果取平均值.沉积物样品中底栖生物的采集使用XDB0201抓斗式采泥器采集表层约5~10cm的泥沙样品,1次采样量为5L,采样面积为1/16m2.采集的泥样先倒入40目的铜丝分样筛中,然后将筛底放在水中轻轻摇荡,洗去样品中的污泥,最后将筛中的渣滓倒入塑料袋中,并贴上标签,将袋口缚紧带回实验室分检.
  微生物多样性分析采用高通量测序法,对沉积物原样进行细菌基因组DNA提取和检测.通过0.8%琼脂糖凝胶电泳检测DNA提取质量,同r采用紫外分光光度计对DNA进行定量,以16SrRNA基因的双V区(V3―V4高变区)片段细菌通用引物进行PCR扩增,读取核苷酸种类,在IlluminaMiseq平台测序,此部分委托派森诺生物科技有限公司完成.
  2结果与讨论
  2.1 水质评价结果
  根据《山东省地表水环境功能区划(第二次征求意见稿)》(山东省环保厅,2010年12月),本研究河段定位为“景观娱乐用水区(Ⅴ)”,执行Ⅳ类标准(《地表水环境质量标准》GB3838―2002).
  图2为不同采样时段CODCr、TP、TN、NH4+-N在各监测点的含量变化.2.1节分析了支流A、上游和中游(疏浚区)中各污染物含量的变化关系.其中,CODCr和TN含量的变化较为一致,前两次采样结果显示,疏浚区的CODCr含量明显低于上游来水(p<0.05),且能够达到地表水Ⅳ类水质标准.2018年11月起,疏浚区的CODCr含量开始高于上游来水,但总体差异不大,能够达到水质要求,这可能是受到支流带来的污染物影响.方差分析显示,各时期疏浚区的TN含量与未疏浚区均无显著差异(p>0.05),但疏浚区的TN含量高于上游来水,且均远高于地表水Ⅳ类的要求,反映出疏浚对该河段TN污染的控制效果未达预期.这是因为底泥疏浚在短期内可能对营养盐有较好的控制作用,但长期观察效果有可能减弱[10].
  5次采样结果显示,疏浚区的TP含量均低于未疏浚区(p<0.05),且同样伴随有支流A的较高浓度TP输入,但仍能维持在0.15~0.2mg・LC1,表明疏浚对维持河段的TP含量具有较好的作用.Ryding[11]对瑞典某湖泊疏浚后进行了长期跟踪,发现疏浚后初期水体中的总磷和溶解性磷分别下降了50%和73%,但在2年后又恢复到疏浚前的水平.但本研究中疏浚两年后,即便TP在支流和上游水体汇入的影响下,仍能达到地表水Ⅳ类的标准.且2019年6月起,差距减小,这可能是受到此次采样前下游橡胶坝(图1)排水工程的影响.
  NH4+-N含量的变化没有明显规律,这可能与NH4+-N的去除主要通过硝化作用进行有关,且往往在较短时间内就能完成,主要受到光照、水流流速等因素的影响.童敏等[12]在研究温州市牛桥底河底泥疏浚工程对水环境的影响时发现,工程结束后,水中TP、TN及NH4+-N的含量随时间推移“先升高,后降低”.本研究中的NH4+-N含量在2018年6月达到最高,随着疏浚工程结束逐渐降低,但较上游并未有显著降低(p>0.05).

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