长荡湖围堰干法环保清淤工程实施效果评价

内源污染是造成湖泊富营养化和水体重金属风险的重要来源。以长荡湖围堰干法清淤工程为例,探讨了清淤工程实施前后的底泥营养盐和重金属质量分数及上覆水体水质变化,开展了清淤工程实施效果评价,提出了围堰干法清淤工艺适用性思考。结果表明,围堰干法清淤工程对底泥的部分营养盐去除效果良好,底泥中有机质含量的平均降低幅度为27.09%,14个采样点位中,有11个点位清淤后底泥有机质平均含量低于清淤前;清淤后的底泥TN质量分数比清淤前平均降低76.95%,底泥TN质量分数得到有效削减;清淤后底泥TP质量分数比清淤前提高了35.16%,原因可能与采样季节、采样方法、磷素沉积及清淤过程中的机械干扰有关。清淤工程有效降低了底泥重金属风险,对底泥镉的平均去除率为76.00%,清淤后没有点位底泥生态风险等级超过“中风险”,底泥生态风险显著降低。清淤工程实施前后上覆水体水质无明显变化,清淤后水质仍处于Ⅳ类―V类水,超标因子为TN和TP。围堰干法施工有效降低了长荡湖底泥中部分营养盐和重金属赋存量,但是软弱地基区域施工机械难以实施,机械操作可能造成下层底泥的翻动,部分区域难以完全实现预期清淤目标。该研究结果表明,应综合考虑清淤目标和施工机械、场地条件等影响因素合理选择清淤工艺和确定清淤深度。     

缺资料小流域非点源磷素输出关键源区识别方法初探

为控制水体污染,改善水质,最大效率地降低磷素污染,迫切需要寻找非点源磷素流失的关键源区。采用半定量、经验性的流域尺度磷素流失危险分级方案,通过分析确定以土地利用类型为源因子,以坡度和区域至河流的距离为迁移因子,最大限度地识别缺资料小流域非点源磷素输出关键源区,并以辽宁社河农业小流域为例,通过GIS技术探索小流域磷素流失的关键源区。结果表明,社河流域大部分区域地表径流磷素流失风险等级为低,该部分区域面积占流域总面积的80%;河流两侧大部分农田非点源磷素流失风险等级属于中,该部分区域面积占流域总面积的13%;非点源磷素输出高风险等级的区域占流域总面积的7%,主要分布在流域内坡度较大、与河流距离较近的山区旱地和丘陵旱地等区域。需要对磷素输出关键源区域加强土地管理,降低非点源磷素负荷输出。     

于桥水库周边农业小流域氮素流失浓度特征

选择天津市水源地于桥水库周边2个典型的农业小流域进行了长期的氮素流失研究.结果表明,地表径流的总氮浓度以村庄和果园为最高,平均浓度在20 mg·L-1左右;农田次之,山坡最低,平均浓度低于10 mg·L-1.亚表层流中氮素流失在不同地点和不同降雨事件中浓度有较大差异,总体趋势以果园最高,村庄中菜园次之,农田最低.在流域出口处.曹各庄流域地表径流总氮浓度达到18.5 m8·L-1,桃花寺流域出口处浓度为5.9 mg·L-1,流域内不同景观格局和迁移廊道地貌的差异是造成2个流域氮素流失浓度差异的主要原因.曹各庄流域中主要污染源村庄离水库较近(约200 m),且道路型季节性河流等性质特征对污染物的滞留能力较弱,增加了氮素流失到受纳水体的风险;桃花寺流域的污染源村庄和果园离受纳水体较远(约1500 m),氮素在季节性河流迁移过程中被小石坝、植被过滤带和干塘等"汇"型结构所滞留.从而降低了向水体迁移的风险.     

工程案例研究在河湖库环保清淤决策中的重要性 (代序言)

环保清淤是清除河湖库淤积物、削减内源污染负荷、修复受损水生态系统的重要工程措施,从20世纪90年代引入我国以来,已经成为河湖库治理的主要技术手段之一。环保清淤工程技术要求高、投资总额大、涉及方面多,有必要基于已经实施工程案例的启示开展系统性总结分析,进一步提高我国环保清淤工程决策的前瞻性和科学性。本文通过对现有工程案例前期论证、实施过程监测、效果评价、底泥处理处置方法及资源化利用等方面系统总结,讨论了当今具有挑战性的环保清淤决策科技问题,提出了未来工程案例研究应包括的主要发展方向。     

环保绞吸船清淤作业过程对湖泊水环境的影响

有效控制和减轻环保清淤施工过程对周边水体的影响,是减少二次污染和加强工程质量控制的关键措施。以长荡湖环保清淤四期工程中实施清淤作业的环保绞吸船为研究对象,通过现场监测和模拟实验,探究了环保绞吸船在水下施工过程中对周边水体水质的时空影响。结果表明,绞吸船作业对周边水体的总悬浮颗粒物 (TSS) 质量浓度影响最为显著,其影响范围约为50 m。通过模拟绞吸船施工后的底泥沉降过程,发现在停止扰动4 h后,上覆水中总氮 (TN) 、总磷 (TP) 和TSS分别下降至初始值的20%、7%和5%。底泥再悬浮扰动停止8 h后,绞吸船施工对周边水体影响基本消除。比较绞吸船作业前后柱状底泥中污染物质量分数的变化,清淤前后0~20 cm表层底泥中TN、TP、有机质 (OM) 和镉 (Cd) 等4种污染物的去除率分别为70%、73%、72%和85%。建议根据实际工况条件合理调整绞吸船施工扩散距离限制阈值;对于浅水湖泊应重点关注风浪和绞吸船施工影响叠加对于敏感水体的潜在不利影响。该研究结果可为类似湖泊环保清淤工程设计提供参考。     

基于表层沉积物污染状态的环保清淤范围划定：以长荡湖为例

为确定长荡湖环保清淤范围,通过对表层沉积物TN、TP和8种重金属的监测来确定空间分布差异及高污染区域,并结合实际操作情况确定具体清淤范围。结果表明,研究区域TN为419~2 920 mg·kg⁻¹,均值为1 186 mg·kg⁻¹,无明显空间差异和分层差异。长荡湖表层(0~15 cm)沉积物TP均值为499 mg·kg⁻¹,上层0~5 cm的 TP略高于底层。沉积物TP具有一定的空间差异性,不同深度的TP空间差异性相似,均为北部中间湖区、西部湖区、南部及东侧湖区较高。长荡湖表层沉积物Cr、Cu、Ni、Zn、As、Cd、Pb和Hg的平均质量分数分别为：53.3、26.1、30.6、88.4、6.20、0.467、18.3、0.050 mg·kg⁻¹。其中,Cd污染较为严重,平均值为背景值的3.71倍,其余重金属污染较轻。8种重金属在表层沉积物0~5 cm质量分数明显高于底部,高质量分数区域主要集中在大浦港、新河港入湖湖区。通过对TN、TP、重金属进行污染评价,以TN>1627 mg·kg⁻¹,TP>625 mg·kg⁻¹,RI>300为清淤界限并扣除沉积物小于10 cm的区域和鱼类养殖区,确定主要清淤区域为西部、东南部及部分东北部、南部中心湖区。该研究结果可为类似环保清淤工程的清淤区域确定提供参考。     

从田块到水体：基于源-流-汇理念的非点源污染全过程核算方法

目前,国内外已开展了大量农业非点源污染核算研究,但大部分经验模型缺乏对非点源污染入水体过程的考虑,而机理模型则受到资料限制,大尺度应用难度较大.针对传统研究面临的未考虑入水体过程、难以精细化模拟等核心问题,本研究基于源-流-汇理念和栅格汇流算法,构建了耦合源负荷核算、入水体过程核算、植被截留核算等模块的农业非点源污染物全过程核算方法(Grid confluence based agricultural nonpoint source pollution calculation method,GC-ANPSM).案例研究表明,GC-ANPSM方法具有较好的适用性,径流模拟误差为24.3%,总氮模拟误差为9.78%.该方法可为少监测资料地区的农业非点源污染物全过程核算提供理论和技术基础,同时为制定农业环境保护政策提供决策依据.     

长荡湖入湖河流底泥污染特征和潜在生态风险评价

选择长荡湖入湖河流为研究对象,分析河流底泥营养盐、有机质和重金属的分布特征,采用潜在生态风险指数法评价底泥重金属的潜在污染风险水平。结果表明,长荡湖入湖河流底泥中总氮和总磷均低于流域背景的平均水平,分别为1 134.15和664.81 mg·kg⁻¹,氮、磷化学计量比 (N/P = 1.96)也低于我国不同纬度典型的湖泊底泥平均水平(N/P =3.89~9.57),且所有底泥中总磷都存在较高的污染负荷。有机质的平均质量分数为1.23%,除方洛港外,整体质量分数相对较低,与总磷和总氮强相关。入湖河流底泥中重金属的平均质量分数高于背景值,特别是新河港、方洛港和大浦港,其中Cu、Zn、Cd和Hg的平均质量分数显著高于流域背景值,分别为48.25、163.47、0.37和0.12 mg·kg⁻¹。潜在污染风险主要存在于新河港和方洛港,其风险指数分别为328.8和222.26。方洛港存在潜在污染风险的底泥主要集中在深层底泥的45 cm以下,且赋存了大量的营养盐,人为干扰可能再次释放营养盐,故不建议实施清淤工程。该研究结果可为同类湖泊水质监管与治理提供参考。     

湖泊底栖动物群落对清淤工程的响应及其重建过程研究：以太湖竺山湾和梅梁湾为例

底栖动物群落组成和结构对清淤工程实施的响应关系是清淤工程论证和实施效果评价关注的焦点问题。以2013—2014年在竺山湾和梅粱湾等西太湖重污染区实施的环保清淤工程为例,通过清淤前后6 a现场采样和室内鉴别,研究了底栖动物群落组成和结构在工程实施前后变化过程及其响应关系。结果表明,环保清淤工程实施前后 (2013—2018年) 共采集到底栖动物共计3门7纲41属 (种) ,竺山湾和梅梁湾总分类单元数由清淤前的20和12分别降为13和8,梅粱湾清淤前Shannon-Wiener指数、Pielou指数和Simpson指数分别为1.83、0.82和0.79,清淤后短期内分别降低至1.31、0.59和0.61,清淤6个月后其底栖动物丰度开始恢复,并逐步达到稳定;竺山湾实施清淤后Margalef指数和Pielou指数均值分别由0.006和0.55增加至0.009和0.57。环保清淤短期内对底栖动物群落结构的直接影响为丰度和多度的降低,竺山湾和梅粱湾优势属以水丝蚓属和河蚬为主,竺山湾清淤后短期内底栖动物密度均值由1 707 ind·m⁻²降至1 107 ind·m⁻²,梅粱湾多毛类和软体动物密度分别由104 ind·m⁻²和181 ind·m⁻²降至16 ind·m⁻²和96 ind·m⁻²。环保清淤4 a后竺山湾和梅粱湾耐污能力评价整体仍处于中污染状态,底栖动物分类单元数下降至13和8,竺山湾底栖动物密度清淤后均值下降至954 ind·m⁻²,梅粱湾底栖动物丰度值下降但总密度清淤后均值增加至1 402 ind·m⁻²,竺山湾和梅粱湾底栖动物群落结构恢复仍需较长过程。该研究结果可为湖库清淤工程中的底栖动物保护提供参考。     

华北半干旱区2个农业流域地表氮素流失特征的对比研究

在2004和2005年2个水文年期间,通过野外降雨径流监测和室内分析,对位于华北半干旱地区天津市重要饮用水水源地于桥水库周边2个典型农业小流域地表径流氮素流失特征进行了对比研究.结果表明,2个农业小流域全年氮输出主要集 中在6-9月;试验期间桃花寺流域41%的地表径流和52%的总氮负荷发生在2次>60 mm降雨中,曹各庄流域输出地表径 流和总氮负荷较均匀地分布于不同降雨类型的降雨事件中;桃花寺流域和曹各庄流域地表径流氮素输出发生的最小降雨量 分别约为20 mm和10 mm;曹各庄流域和桃花寺流域年均径流系数分别为0.013 2和0.001 6,前者为后者的8.3倍;曹各庄流域 年均总氮输出量是1.048 kg·(hm2·a)-1,桃花寺流域年均总氮输出量是0.158 kg·(hm2·a)-1,前者是后者的6.6倍.2个农业流 域内的微地形地貌、景观格局和迁移廊道性质的不同是造成流域氮素流失特征差异的主要原因:受长期人为活动干扰形成的 复杂地形地貌结构降低了流域的降雨一产流能力;桃花寺流域地表径流氮素主要污染源(村庄)离受纳水体的距离约为 1 500 m,而曹各庄流域此距离约为200 m,较短的迁移距离增加氮素迁移到受纳水体的风险;曹各庄流域道路型的传输廊道可 以很快地将地表径流氮素迁移到受纳水体,而桃花寺流域地表径流氮素则可以在传输廊道中被小石坝、植被过滤带和干塘等 "汇"型结构所持留.