水域生态清淤工程清淤范围的确定方法
技术领域
本发明涉及一种水域生态清淤工程清淤范围的确定方法，属于生态环境保护
技术领域
。背景技术
在湖泊水环境综合治理中，对湖泊实施生态清淤是非常重要的组成部分。以太湖流域的长荡湖为例，长荡湖属于淤积比较严重的湖泊河网，需要适度进行生态清淤，进而利于解决底泥污染严重、水草分布较少、水生生物多样性下降、蓝藻水华多发等问题。由于湖泊面积广大，有必要进行针对性地分析并确定具体的清淤范围，从而达到适度生态清淤的目标。因此，亟待研制出相应的确定方法，确保能够准确地确定生态清淤工程的清淤范围。
发明内容
本发明的主要目的是：克服现有技术存在的问题，提供一种水域生态清淤工程清淤范围的确定方法，能综合考虑目标水域的底泥污染特征等因素，科学准确地确定清淤范围，利于实现清除受污染底泥、控制底泥内源污染、改善水环境质量。
本发明解决其技术问题的技术方案如下：
一种水域生态清淤工程清淤范围的确定方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步、在目标水域设置采样点并进行底泥调查；
第二步、根据所有采样点的底泥总氮含量和总磷含量、以及目标水域的水体监测报告，结合现有资料，确定底泥的总氮含量控制值以及总磷含量控制值；之后，将底泥总氮含量大于或等于总氮含量控制值的区域与底泥总磷含量大于或等于总磷含量控制值的区域合并，作为初始范围；
第三步、根据所有采样点的底泥重金属潜在生态风险指数，结合目标水域是否含有居民饮用水源地，确定底泥的重金属潜在生态风险指数控制值；之后，将底泥重金属潜在生态风险指数大于或等于重金属潜在生态风险指数控制值的区域与初始范围合并，作为基本范围；
第四步、根据所有采样点的底泥厚度，结合清淤工程施工竖向可控精度，确定底泥的厚度控制值；之后，将底泥厚度小于厚度控制值的区域从基本范围中扣除；
第五步、在第四步基础上，将目标水域的安全保护区域从基本范围中扣除，将此时的基本范围作为目标清淤范围。
该方法以底泥调查结果为基础，主要采用氮磷、重金属分类标准对目标水域的底泥污染状况进行全面评估，同时从技术可行性(如底泥厚度)、目标水域多功能性不受伤害(即安全保护区域)的角度进一步确定目标水域生态清淤工程的清淤范围。该方法能综合考虑目标水域的底泥污染特征等因素，科学准确地确定清淤范围，利于实现清除受污染底泥、控制底泥内源污染、改善水环境质量。
本发明进一步完善的技术方案如下：
优选地，第一步中，所述采样点的设置密度大于15个/10km2；在各采样点分别采集柱状底泥样品，且柱状底泥样品的底端为至少5cm的硬质河底泥；所述底泥调查包括：测定各柱状底泥样品的污染物含量，所述污染物含量包括总氮含量、总磷含量、重金属含量；测量底泥厚度。
更优选地，所述重金属包括铜、锌、铅、镉、镍、总铬、砷、汞。
采用以上优选方案，可进一步优化第一步的具体技术细节。
优选地，第二步中，所述现有资料包括国内外湖泊底泥生态清淤工程的论文或报告、目标水域所属流域的总体底泥污染评估报告；所述总氮含量控制值选自现有资料中水体污染程度在预设等级时对应的底泥总氮含量下限值，所述总磷含量控制值选自现有资料中水体污染程度在预设等级时对应的底泥总磷含量下限值。
更优选地，所述预设等级为最严重的污染等级。
采用以上优选方案，可进一步优化第二步的具体技术细节。
优选地，第三步中，所述底泥重金属潜在生态风险指数按以下步骤计算：
先计算各重金属的潜在风险指数：
其中，为当前重金属的污染系数；为底泥中该重金属的实测含量，mg/kg；为计算所需的参比值，mg/kg；为该重金属的潜在风险指数；为该重金属的毒性响应参数；i为该重金属种类的顺序编号；
再计算底泥重金属潜在生态风险指数：
其中，RI为底泥重金属潜在生态风险指数，n为重金属种类的总数量，i、同前。
优选地，第三步中，所述重金属潜在生态风险指数控制值选自150、300、600、1200；当目标水域含有居民饮用水源地时，所述重金属潜在生态风险指数控制值为150或300。
采用以上优选方案，可进一步优化第三步的具体技术细节。
优选地，第四步中，将清淤工程施工竖向可控精度的最低值作为底泥的厚度控制值。
采用以上优选方案，可进一步优化第四步的具体技术细节。例如，当前清淤工程施工竖向可控精度的最低值为10cm，则将底泥的厚度控制值设为10cm，将底泥厚度小于10cm的区域从基本范围中扣除，这样可以防止过度清淤。
优选地，第五步中，目标水域的安全保护区域至少包括湖泊岸边湿地保护区域、水上景观设施保护区域、水利工程保护区域、饮用水取水口保护区域、水产种质资源保护区域、水产养殖保护区域之一。
更优选地，设定目标水域的安全保护区域时应满足安全距离至少为200m的条件。
采用以上优选方案后，可进一步优化第五步的具体技术细节。
与现有技术相比，本发明以底泥调查结果为基础，主要采用氮磷、重金属分类标准对目标水域的底泥污染状况进行全面评估，同时从技术可行性(如底泥厚度)、目标水域多功能性不受伤害(即安全保护区域)的角度进一步确定目标水域生态清淤工程的清淤范围。本发明综合考虑目标水域的底泥污染特征等因素，科学准确地确定清淤范围，利于实现清除受污染底泥、控制底泥内源污染、改善水环境质量。
附图说明
图1为本发明实施例1底泥总氮含量的总体分布情况示意图。
图2为本发明实施例1底泥总磷含量的总体分布情况示意图。
图3为本发明实施例1底泥各重金属含量的总体分布情况示意图。
图4为本发明实施例2中底泥总氮重度污染的区域。
图5为本发明实施例2中底泥总磷重度污染的区域。
图6为本发明实施例3中底泥生态风险指数大于或等于控制值的区域。
图7为本发明实施例4的底泥厚度空间分布示意图。
图8为本发明实施例5最终获得的目标清淤范围示意图。
具体实施方式
具体实施时，本发明水域生态清淤工程清淤范围的确定方法包括：
第一步、在目标水域设置采样点并进行底泥调查。
其中，采样点的设置密度大于15个/10km2；在各采样点分别采集柱状底泥样品，且柱状底泥样品的底端为至少5cm的硬质河底泥；底泥调查包括：测定各柱状底泥样品的污染物含量，污染物含量包括总氮含量、总磷含量、重金属含量。重金属包括铜、锌、铅、镉、镍、总铬、砷、汞。
第二步、根据所有采样点的底泥总氮含量以及总磷含量、以及目标水域的水体监测报告，结合现有资料，确定底泥的总氮含量控制值以及总磷含量控制值；之后，将底泥总氮含量大于或等于总氮含量控制值的区域与底泥总磷含量大于或等于总磷含量控制值的区域合并，作为初始范围。
其中，现有资料包括国内外湖泊底泥生态清淤工程的论文或报告、目标水域所属流域的总体底泥污染评估报告；总氮含量控制值选自现有资料中水体污染程度在预设等级时对应的底泥总氮含量下限值，总磷含量控制值选自现有资料中水体污染程度在预设等级时对应的底泥总磷含量下限值。预设等级为最严重的污染等级。
第三步、根据所有采样点的底泥重金属潜在生态风险指数，结合目标水域是否含有居民饮用水源地，确定底泥的重金属潜在生态风险指数控制值；之后，将底泥重金属潜在生态风险指数大于或等于重金属潜在生态风险指数控制值的区域与初始范围合并，作为基本范围。
其中，底泥重金属潜在生态风险指数按以下步骤计算：
先计算各重金属的潜在风险指数：
其中，为当前重金属的污染系数；为底泥中该重金属的实测含量，mg/kg；为计算所需的参比值，mg/kg；为该重金属的潜在风险指数；为该重金属的毒性响应参数；i为该重金属种类的顺序编号；
再计算底泥重金属潜在生态风险指数：
其中，RI为底泥重金属潜在生态风险指数，n为重金属种类的总数量，i、同前。
重金属潜在生态风险指数控制值选自150、300、600、1200。
第四步、根据所有采样点的底泥厚度，结合清淤工程施工竖向可控精度，确定底泥的厚度控制值；之后，将底泥厚度小于厚度控制值的区域从基本范围中扣除。
其中，将清淤工程施工竖向可控精度的最低值作为底泥的厚度控制值。
第五步、在第四步基础上，将目标水域的安全保护区域从基本范围中扣除，将此时的基本范围作为目标清淤范围。
其中，目标水域的安全保护区域至少包括湖泊岸边湿地保护区域、水上景观设施保护区域、水利工程保护区域、饮用水取水口保护区域、水产种质资源保护区域、水产养殖保护区域之一。设定目标水域的安全保护区域时应满足安全距离至少为200m的条件。
下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
实施例1
本实施例为本发明在具体实施时的第一步，其基本内容如前文所述。
本实施例的具体实施示例内容如下。
以某水域为目标水域，设置共85个采样点，设置密度为19.9个/10km2。
各采样点采集的柱状底泥样品长度最长的约80cm，最短的约15cm，均采集到至少5cm的硬质河底泥。
测定各柱状底泥样品的污染物含量时采用以下检测方法：
(1)总磷：《土壤总磷的测定碱熔-钼锑抗分光光度法》(HJ 632-2011)；
(2)总氮：《土壤质量全氮的测定凯氏法》(HJ 717—2014)；
(3)铜、锌：《土壤质量铜、锌的测定火焰原子吸收分光光度法》(GB/T17138-1997)；
(4)铅、镉：《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)；
(5)镍：《土壤质量镍的测定火焰原子吸收分光光度法》(GB/T17139-1997)；
(6)总铬：《土壤总铬的测定火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491-2009)；
(7)砷：《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第2部分：土壤中总砷的测定》(GB/T22105.2-2008)；
(8)汞：《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第1部分：土壤中总汞的测定》(GB/T22105.1-2008)。
目标水域底泥污染物含量的总体分布情况如图1至图3所示。
实施例2
本实施例为本发明在具体实施时的第二步，其基本内容如前文所述。
本实施例以实施例1为基础。
本实施例的具体实施示例内容如下。
由于底泥中氮磷含量与上覆水体氮磷浓度关系相对复杂，影响因素较多，具有较强的地域性特点，目前尚无统一的湖泊底泥氮磷营养盐含量评价标准。
通常，判断湖泊底泥氮磷营养盐含量是否能够对上覆水体产生影响主要方法是开展湖泊原位或室内底泥模拟实验，据此建立每个湖泊底泥氮磷营养盐含量与上覆水体释放能力之间的关系，从而评估底泥氮磷污染程度。但是此种方法需要采集大量的柱状样品，耗时耗力，在工程实践中较少采用。
目标水域所属湖泊是国内开展底泥氮磷营养盐含量于上覆水体及富营养化关系研究最多的湖泊之一，具有较为丰富的研究资料，其中有该湖泊的底泥总氮和总磷鉴别评估标准，如表1所示。
表1、底泥总氮、总磷污染程度评估标准 (单位：mg/kg)
指标
清洁
轻度污染
中度污染
重度污染
总氮
1128
1377
1627
>1627
总磷
434
497
625
>625
水质类别
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
劣Ⅴ
该表中，将该湖泊底泥污染程度分为清洁、轻度污染、中度污染和重度污染数个等级。将实施例1测得的底泥总氮含量、总磷含量与表1进行比较后发现，表1评估标准同样适用于目标水域底泥污染情况：
下面是目标水域底泥总氮、总磷含量统计情况：
如表2所示，底泥中的总氮、总磷含量平均值分别为1162.29mg/kg、517.13mg/kg，各个指标的最大值分别是最小值的7.42、12.20倍。底泥样品中总氮和总磷超过中等污染的样品个数比例为24.6％和55.27％，最大超标倍数分别为1.25和1.45；超过重度污染的样品个数比例为9.27％和25.08％，最大超标倍数分别为0.91和0.95，总磷超标比例明显高于总氮。
表2、底泥总氮、总磷含量总体情况
指标
总氮(mg/kg)
总磷(mg/kg)
平均值
1162.29
517.13
最大值
3100
1220
最小值
418
100
中值
1140
517.5
标准偏差
371.53
178.72
超过中度污染(TN、TP)标准比例(％)
24.6
55.27
超过中度污染(TN、TP)标准最大超标倍数
1.25
1.45
超过重度污染(TN、TP)标准比例(％)
9.27
25.08
超过重度污染(TN、TP)标准最大超标倍数
0.91
0.95
以表1标准值作为评估依据，目标水域底泥总氮含量有88％低于重度污染标准限值，总磷含量有77％含量低于重度污染标准限值，也就是说有12％的底泥样品总氮和23％的底泥样品总磷呈重度污染状态。详情如表3所示。
表3、氮磷污染评估标准值在目标水域底泥氮磷含量百分比排位
根据环境监测站提供的目标水域最近的监测报告，该目标水域水体全年总磷浓度最大超标倍数超过3倍，总氮浓度最大超标倍数为0.73倍，总体来看目标水域磷素污染比氮素污染严重，这与上述评价结果中底泥全磷含量呈重度污染状态的评价结果一致。总体来看，表1评估标准同样适用于目标水域底泥污染情况。
因此，将表1中重度污染等级的下限值设为控制值，即：总氮含量控制值设为1627mg/kg，总磷含量控制值设为625mg/kg。
目标水域中，底泥总氮含量大于或等于总氮含量控制值的区域如图4所示，底泥总磷含量大于或等于总磷含量控制值的区域如图5所示。将两图所示区域合并即得初始范围。
注：采用空间插值分析法将采样点扩展至其周围区域，该方法为现有技术，下同。
实施例3
本实施例为本发明在具体实施时的第三步，其基本内容如前文所述。
本实施例以实施例2为基础。
本实施例的具体实施示例内容如下。
为了评价底泥样品重金属含量受人为活动干扰程度，通常选择全球工业化以前的沉积物重金属最高值或研究区域沉积物的背景值作为参考值。底泥重金属背景值的地区性较强，一般以当地重金属背景值为参比值可以相对定性地反映该区域的底泥受人为活动干扰程度。本研究采用目标水域所在省土壤重金属背景值作为参比，分析每个样品相对背景值大小。
由于我国尚未制定底泥重金属国家质量标准，湖泊底泥清淤后通常用于农林业生产或道路绿化，本研究以《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)和《绿化种植土壤标准》(CJ/T340-2016)为依据，评价目标水域底泥污染物超标情况。底泥重金属背景值以及《土壤环境质量标准(GB 15618-1995)》和《绿化种植土壤标准(CJ/T340-2016)》中二、三级质量标准见表4。
表4、底泥重金属参比背景值和《土壤环境质量标准(GB 15618-1995)》和《绿化种植土壤标准(CJ/T340-2016)》二、三级质量标准值
Cr
Cu
Ni
Zn
As
Cd
Pb
Hg
参比背景值(mg/kg)
77.8
22.3
26.7
62.6
10
0.13
26.2
0.29
GB15618-1995Ⅱ级标准(mg/kg)
300
200
50
250
30
0.3
300
0.5
GB15618-1995Ⅲ级标准(mg/kg)
400
400
200
500
30
1.0
500
1.5
CJ/T 340-2016Ⅱ级标准(mg/kg)
200
300
80
350
30
0.8
300
1.2
CJ/T 340-2016Ⅲ级标准(mg/kg)
250
400
150
500
35
1.2
450
1.5
潜在生态风险指数法是瑞典学者Hakanson于1980年提出的，它是划分底泥污染程度及其水域潜在生态风险的一种相对快速、简便和标准的方法。通过测定底泥样品中的污染物含量计算出潜在生态风险指数值，可反应底泥金属的含量、金属的毒性水平及水体对金属污染的敏感性。该方法主要用于重金属的评价，其污染的途径为底泥-水-生物-鱼-人体。底泥重金属潜在生态风险指数的具体计算步骤如前文所述。
潜在生态风险指数计算所需沉积物毒性参数及其污染等级划分见表5和表6。
表5、计算潜在生态风险指数所需的毒性响应参数
表6、污染指标和潜在生态风险指标等级划分
重金属污染底泥鉴别评估标准的制定可参照潜在生态风险指数法，潜在生态风险指数≥300将被称为重金属污染底泥。
下面是目标水域底泥重金属污染统计情况：
如表7所示，底泥样品Cr、Cu、Ni、Zn、As、Cd、Pb、Hg的含量平均值分别为51.88mg/kg，23.49mg/kg，29.09mg/kg，77.97mg/kg，5.80mg/kg，0.26mg/kg，15.28mg/kg和0.04mg/kg。各指标含量的变化范围均较大，其中底泥Cd含量变幅最大，最高值是最低值的153倍；其次为Hg含量，最高值是最低值的116倍；变幅相对较小的是Cr和Ni，最高值是最低值的5倍。
以目标水域所在省土壤重金属背景值作为参比，研究区域底泥重金属元素除Hg外，其它重金属含量均超过背景值，超过背景值比例最高的元素是Ni，超标样品占总体的比例达77.80％，超标倍数最高的是Cd，最高超过58.85倍。
比较《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)中“Ⅱ级”和“Ⅲ级”标准，研究区域底泥有Ni、Zn和Cd三个指标超过Ⅱ级标准，三种重金属元素超过Ⅱ级标准比例分别为0.64％、1.12％和12.14％，最大超标倍数分别为0.12、0.44和24.93；其中Cd有样品超过Ⅲ级标准，超标比例和倍数分别为4.95％和6.78倍。
以《绿化种植土壤标准》(CJ/T340-2016)为评价依据，研究区域底泥仅有Zn和Cd两个指标超过Ⅱ级标准，两种重金属元素样品超过Ⅱ级标准比例分别为0.16％和7.03％，最大超标倍数分别为0.03和8.73；其中Cd有样品超过Ⅲ级标准，超标比例和倍数分别为4.47％和5.48倍。
表7、底泥样品8种重金属总体超标情况
如表8所示，底泥中生态风险指数平均值为87.22，该指标的最大值是最小值的70.34倍。底泥重金属生态风险指数超过较高风险标准和高风险标准的比例分别为4.47％和1.28％，最大超标倍数分别为5.29和2.14。
表8、底泥生态风险指数总体情况
指标
生态风险指数
平均值
87.22
最大值
1886.58
最小值
26.82
中值
51.955
标准偏差
140.89
超过较高风险(RI)标准比例(％)
4.47
超过较高风险(RI)标准最大超标倍数
5.29
超过高风险(RI)标准比例(％)
1.28
超过高风险(RI)标准最大超标倍数
2.14
考虑到目标水域含有居民饮用水源地，应从严控制底泥重金属污染，因此，确定底泥的重金属潜在生态风险指数控制值为300。
目标水域中，底泥重金属潜在生态风险指数大于或等于重金属潜在生态风险指数控制值的区域如图6所示。将该区域与实施例2所得初始范围合并，作为基本范围。
实施例4
本实施例为本发明在具体实施时的第四步，其基本内容如前文所述。
本实施例以实施例3为基础。
本实施例的具体实施示例内容如下。
根据柱状底泥采样情况，获得底泥厚度空间分布情况如图7所示。总体而言，目标水域底泥厚度呈区域性分布，但是在部分采样点所在区域存在较厚的底泥。
目标水域不同厚度底泥面积比例如表9所示，从表中可以看出底泥厚度为30-40cm和10-20cm的区域面积最大，面积分别为11.62km2和10.63km2；底泥厚度为50-60cm和>60cm的面积最小，面积分别为1.60km2和0.33km2。
表9、目标水域研究区域不同深度淤泥面积比例
淤泥深度(cm)
<10
10-20
20-30
30-40
40-50
50-60
>60
面积(km<sup>2</sup>)
3.55
10.63
6.83
11.62
8.25
1.60
0.33
比例(％)
8.31％
24.82％
15.96％
27.15％
19.28％
3.73％
0.76％
考虑到清淤工程施工的竖向可控精度最低为10cm，因此将底泥的厚度控制值设为10cm，并将底泥厚度小于厚度控制值的区域从实施例3所得的基本范围中扣除。
实施例5
本实施例为本发明在具体实施时的第五步，其基本内容如前文所述。
本实施例以实施例4为基础。
本实施例的具体实施示例内容如下。
目标水域是一个多功能湖泊，生态清淤应确保的湖泊功能的实现，确保湖泊的各种功能不受到伤害。目标水域生态清淤涉及功能性安全的因素主要是分布在目标水域周围和湖中的湖泊岸边湿地、水上景观设施、水利工程、饮用取水口、国家级水产种质资源保护区、以及水产养殖区。
围绕以上设施或区域设定安全保护区域时应确保安全距离至少为200m，方可确保这些设施或区域的安全。按上述条件设定目标水域的安全保护区域，并将它们从已经过实施例4扣除部分区域的基本范围中扣除。将此时的基本范围作为目标清淤范围，如图8所示。图中，标号2-1至标号5-4的深色区域即为目标清淤范围，面积共有20.71km2，占目标水域全湖面积(82.46km2)的25.12％；而目标水域此前的“生态清淤总体实施方案”中清淤面积为29.9km2，与之相比，本发明核减9.19km2，减少约30.7％，不仅使清淤范围更加准确，还能通过减少清淤面积大幅减少清淤支出。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
