陳 霞，彭子凌，周 顯，劉心愿

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010：2.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

長(zhǎng)江流域水庫(kù)群的大量興建和運(yùn)用，使得水流減緩、水深增加，導(dǎo)致大量泥沙淤積在水庫(kù)中，而泥沙是水體重金屬離子和有機(jī)污染物的重要運(yùn)輸載體，吸附在泥沙表面的污染物會(huì)隨著泥沙在庫(kù)區(qū)的淤積而沉淀、富集，從而對(duì)水體水質(zhì)及環(huán)境產(chǎn)生較大影響[1-2]。因此，水庫(kù)泥沙引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題值得重視，尤其是淤積物中的富營(yíng)養(yǎng)元素、重金屬污染問(wèn)題[3-5]。淤積物中氮、磷的釋放易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，同時(shí)，重金屬由于具有毒性、不可降解性和累積性，一旦進(jìn)入環(huán)境并且達(dá)到一定的濃度，就會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生極大的危害[6-12]。因此，對(duì)水庫(kù)淤積物的富營(yíng)養(yǎng)化和重金屬元素進(jìn)行研究，并將水庫(kù)清理出來(lái)的沉積物開展資源化利用，不僅能夠變廢為寶，也對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境有著極其重大的作用。

本文通過(guò)對(duì)湖北省咸寧市某水庫(kù)淤積物的調(diào)查及取樣分析，探究水庫(kù)淤積物的富營(yíng)養(yǎng)化和重金屬元素含量情況，采用地質(zhì)累積指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)對(duì)底泥中的重金屬污染狀況和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，提出了咸寧市某水庫(kù)淤積泥、砂的資源化利用方案，旨在通過(guò)分析咸寧市某水庫(kù)淤積物富營(yíng)養(yǎng)化和重金屬元素污染現(xiàn)狀，為水庫(kù)的污染調(diào)查和評(píng)價(jià)提供參考，也為改善流域生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)支持。

2 取樣及分布

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，考慮取樣的代表性與泥沙淤積規(guī)律，按照從壩前往上游追溯的規(guī)律布置取樣點(diǎn)S1—S10，其中S1—S4位于庫(kù)尾，S5—S10沿庫(kù)中往上游分布。取樣點(diǎn)的分布基本涵蓋了該水庫(kù)從庫(kù)尾到庫(kù)首的整個(gè)河段，具有較好的代表性。在這10個(gè)取樣點(diǎn)中，S1—S7為水庫(kù)湖心底取樣，S8—S10為沖擊洲岸坡取樣，具體取樣點(diǎn)及情況說(shuō)明見表1。

表1 咸寧市某水庫(kù)取樣點(diǎn)列表Table 1 Sediment sampling sites of a reservoir in Xianning City

3 淤積物組成及物化特性

3.1 化學(xué)成分分析

試樣采用X射線熒光光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)組成檢測(cè)結(jié)果見表2。從表2可以看出，試樣的化學(xué)成分均以Al2O3、SiO2和Fe2O3為主，其中SiO2含量最高，其次為Al2O3，F(xiàn)e2O3含量最低，三者之和占試樣總量的88%以上。此外，試樣中還含有少量的MgO、CaO和R2O(堿含量)等。湖心底淤泥試樣的Al2O3、SiO2、Fe2O3和R2O含量的平均值分別為23.36%、61.15%、6.43%和2.62%，砂樣的Al2O3、SiO2、Fe2O3和R2O含量的平均值分別為17.18%、69.07%、3.09%和5.29%。比較湖心底淤泥與砂樣的化學(xué)成分可知，淤泥試樣的Al2O3和Fe2O3含量略高于砂樣，SiO2和R2O含量低于砂樣。

表2 試樣化學(xué)組成檢測(cè)結(jié)果Table 2 Chemical compositions of samples %

3.2 富營(yíng)養(yǎng)元素含量檢測(cè)

根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，耕地土壤根據(jù)養(yǎng)分含量劃分為6個(gè)不同等級(jí)，詳見表3。

表3 全國(guó)第二次土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification criterion of soil nutrient formulated by the second national soil survey

將取樣置于室內(nèi)放至自然干燥，測(cè)得其含水率；然后根據(jù)《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測(cè)定各樣品中總氮含量；根據(jù)《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 流動(dòng)注射-鉬酸銨分光光度法》(HJ 671—2013)測(cè)定各樣品中總磷含量。試樣總氮和總磷的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 試樣的總氮與總磷含量Table 4 Total nitrogen and total phosphorus content of samples

從取樣點(diǎn)分布可知，總氮和總磷的含量分布大體呈現(xiàn)上游高下游低的趨勢(shì)，淤泥S1—S7試樣的總氮和總磷含量明顯高于砂樣S8—S10，且淤泥的總氮和總磷含量可達(dá)砂樣的10～20倍。比較不同取樣點(diǎn)的總氮含量可知，S1和S4試樣的總氮含量達(dá)到二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)，S2、S5—S7試樣的總氮含量達(dá)到三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)，S3試樣的總氮含量超過(guò)四級(jí)、接近三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)。各試樣的總磷含量變化規(guī)律與總氮含量類似，試樣S1、S4的總磷含量明顯高于其他試樣，其次為S5—S7和S2—S3，砂樣的總磷含量最低。

3.3 重金屬元素含量檢測(cè)

將烘干試樣混合均勻后按照四分法取樣，碾磨成粉后采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行重金屬含量檢測(cè)，測(cè)試重金屬種類包括汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、砷(As)、鉛(Pb)、銅(Cu),試驗(yàn)結(jié)果見表5。對(duì)比《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 36600—2018)和《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)中對(duì)各重金屬元素的含量限值，幾組試驗(yàn)中檢測(cè)出的Cu、Pb和Hg的含量均遠(yuǎn)低于這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。試樣S7中檢測(cè)出Cd含量為0.62 mg/kg，超過(guò)農(nóng)用地風(fēng)險(xiǎn)篩選值(0.60 mg/kg)但低于風(fēng)險(xiǎn)管制值，即說(shuō)明該水庫(kù)底泥用作農(nóng)用地土壤時(shí)，可能存在使農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，原則上應(yīng)采取農(nóng)藝調(diào)控、替代種植等安全利用措施。試樣S3中As含量超過(guò)建設(shè)用地第一類用地的風(fēng)險(xiǎn)篩選值但低于風(fēng)險(xiǎn)管制值，達(dá)到第二類建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)用地標(biāo)準(zhǔn)，即可以考慮該類水庫(kù)底泥用作《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50137—2011)中規(guī)定的第二類用地土壤吹填或用作農(nóng)用土壤。試樣S1、S2和S4的As含量均超過(guò)農(nóng)用地風(fēng)險(xiǎn)篩選值但低于風(fēng)險(xiǎn)管制值，達(dá)到第二類建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)，可以考慮該類水庫(kù)底泥用作除水田以外的其他農(nóng)用土地或《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50137—2011)中規(guī)定的第二類建設(shè)用地土壤。

表5 試樣的重金屬含量測(cè)試結(jié)果Table 5 Content of heavy metals of samples

3.4 砂樣品質(zhì)檢測(cè)

3.4.1 顆粒級(jí)配

根據(jù)《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5151—2014)對(duì)本次取樣獲得的砂樣S8—S10分別進(jìn)行品質(zhì)檢驗(yàn)，砂的顆粒級(jí)配篩分試驗(yàn)結(jié)果列于表6。從表6可知，各組砂樣的細(xì)度模數(shù)在0.94～1.37之間，顆粒平均粒徑為0.229～0.247 mm；從細(xì)度模數(shù)看，參照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)，砂樣均屬于特細(xì)砂。砂樣中粒徑d≤0.08 mm的顆粒含量范圍為0.3%～4.8%，粒徑d≤0.16 mm的顆粒含量范圍為1.1%～11.5%；其中S8號(hào)取樣點(diǎn)粒徑d≤0.08 mm和d≤0.016 mm的顆粒含量最高。

表6 砂樣的顆粒級(jí)配Table 6 Particle gradation of sand

3.4.2 品質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)

砂樣S8—S10的其他品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果見表7。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，砂樣的表觀密度在(1 740～2 180 kg/m3)之間，含泥量在2.16%～3.76%之間。值得注意的是，砂樣S9的云母含量高達(dá)11.52%，遠(yuǎn)超過(guò)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)中對(duì)砂的品質(zhì)指標(biāo)要求。由于云母含量測(cè)試方法只能測(cè)試砂中粒徑d≥0.315 mm的游離云母含量，而獲取砂樣的平均粒徑僅為0.229～0.247 mm，砂樣粒徑d<0.315 mm顆粒含量較普通砂更高，因此，實(shí)際砂樣中的云母含量可能更高。云母一般呈薄片狀，表面光滑，強(qiáng)度很低，且易沿節(jié)理錯(cuò)裂，與水泥漿的粘結(jié)力很差，是混凝土用砂中有害物質(zhì)之一。當(dāng)砂中云母含量超過(guò)一定限度時(shí)，混凝土拌和物和易性、混凝土強(qiáng)度、耐久性等均有顯著降低?；谏皹拥臋z測(cè)結(jié)果，對(duì)于云母含量非常高的部分取樣點(diǎn)的砂樣，若用作混凝土用砂，在使用之前應(yīng)經(jīng)過(guò)漂洗、篩選，并結(jié)合試驗(yàn)充分論證砂樣中的云母含量合理控制范圍，盡量降低砂樣云母含量及其對(duì)混凝土性能的不利影響。

表7 砂樣的品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果Table 7 Quality test results of sand

4 環(huán)境評(píng)價(jià)和資源化利用途徑分析

4.1 重金屬污染評(píng)價(jià)

本研究選取具有代表性的地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法來(lái)評(píng)價(jià)土壤中的重金屬污染。

4.1.1 地質(zhì)累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)法是通過(guò)對(duì)重金屬元素在沉積物中的分布及變化特征進(jìn)行描述，進(jìn)而對(duì)重金屬的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種方法[13]，具體表達(dá)式為

(1)

式中：Iego為地質(zhì)累積指數(shù)；Cn為目標(biāo)元素的檢測(cè)濃度；BEn為目標(biāo)元素在環(huán)境中的背景值，本研究中的Cd、Cr、Cu、As、Pb、Hg背景值參照正常顆粒沉淀物中重金屬的最高背景值，對(duì)應(yīng)的取值分別為0.50、60.0、30.0、15.0、25.0、0.25 mg/kg；1.5為背景值的修正系數(shù)。不同重金屬元素的地質(zhì)累積指數(shù)的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表8所示。

表8 地質(zhì)累積指數(shù)污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 8 Evaluation standard of geological accumulation index

利用地質(zhì)累積指數(shù)法對(duì)咸寧市某水庫(kù)底泥中的重金屬元素進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：試樣中 Cd、Cu、Hg的地質(zhì)累積指數(shù)均<0，對(duì)應(yīng)的污染程度全部為無(wú)污染；試樣中Cr的地質(zhì)累積指數(shù)，除了S2、S7試樣中為0外，其余試樣均<0，對(duì)應(yīng)的污染程度為無(wú)污染；試樣中As的地質(zhì)累積指數(shù)，除了S1、S2、S4試樣處于0和1之間、在無(wú)污染-中度污染區(qū)域外，其余試樣均<0，對(duì)應(yīng)的污染程度為無(wú)污染；試樣中Pb的地質(zhì)累積指數(shù)均處于0和1之間，污染程度在無(wú)污染-中度污染區(qū)域。

圖1 不同重金屬元素的地質(zhì)累積指數(shù)Fig.1 Geological accumulation index of heavy metals

4.1.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)法通過(guò)考慮不同影響因素來(lái)綜合評(píng)價(jià)沉積物中的重金屬對(duì)環(huán)境的潛在危害[14]，具體的表達(dá)式為

(2)

(3)

表9 潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 9 Evaluation standard of potential ecological risk

利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)咸寧市某水庫(kù)底泥中的重金屬元素進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，所有試樣中的 Cd、Cr、Cu、As、Pb和Hg的潛在生態(tài)危害指數(shù)均<40，對(duì)應(yīng)的潛在生態(tài)危害均為輕微危害。同時(shí)，綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，所有試樣的重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均<150，因此該水庫(kù)綜合潛在生態(tài)危害為輕微生態(tài)危害。在所有試樣中，S7試樣的各單一重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)和綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均高于其他試樣，其潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更大。S7取樣點(diǎn)正好位于水庫(kù)河流型庫(kù)區(qū)向湖泊型庫(kù)區(qū)過(guò)渡位置，過(guò)渡區(qū)流速減緩，懸浮物大量沉積，導(dǎo)致該區(qū)域潛在生態(tài)危害較高[15]。

圖2 重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)和綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)Fig.2 Potential ecological risk index and comprehen-sive potential ecological risk index of heavy metals

4.2 資源化利用途徑分析

基于前述水庫(kù)試樣淤泥和砂的組成及物化分析，可知咸寧市某水庫(kù)的湖心底泥的總氮和總磷含量較高，且部分重金屬含量較高，長(zhǎng)期堆放對(duì)周圍環(huán)境造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)較高。結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)有毒有害和高氮磷河湖底泥的無(wú)害化處理以及廢棄污染底泥和淤積砂的資源化利用，可從根本上解決淤積泥沙的去向問(wèn)題，通過(guò)資源化利用可滿足當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)對(duì)原材料的迫切需求，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分顯著。

4.2.1 河湖底泥的處理與資源化利用

河湖底泥的無(wú)害化處理和資源化利用途徑見圖3。根據(jù)肥料組成分析，肥料必須提供植物所需的“氮、磷、鉀”三要素、“鈣、鎂、硫”三中素和“硼、錳、鋅、鐵、鉬、銅、氯”七微素，結(jié)合咸寧市某水庫(kù)河湖底泥成分分析可知，部分底泥的總氮磷養(yǎng)分達(dá)到二級(jí)和三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)，且還含有一定的鉀、鈣、鎂、硫和鐵、銅、氯等元素。該淤泥經(jīng)過(guò)脫水后可制成泥餅，部分重金屬含量滿足《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—2018)的泥餅可用作農(nóng)用土壤，提高土壤肥力、促進(jìn)植物生長(zhǎng)，適用于耕地、園林和綠化等。

圖3 咸寧市某水庫(kù)底泥的無(wú)害化處理和資源化利用途徑Fig.3 Harmless treatment and resource utilization of the sediment of the reservoir in Xianning City

部分重金屬含量超過(guò)農(nóng)用地風(fēng)險(xiǎn)篩選值但低于風(fēng)險(xiǎn)管制值的河湖底泥，經(jīng)脫水處理后，可采取農(nóng)藝調(diào)控、替代種植等安全利用措施，用作不種植食用農(nóng)作物的耕地土壤；達(dá)到第一類或第二類建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)的河湖底泥，經(jīng)過(guò)脫水處理后可用作《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50137—2011)中規(guī)定的不同途徑的工程建設(shè)用地，包括居住用地、公共服務(wù)、醫(yī)療用地以及道路交通、綠地廣場(chǎng)等。

對(duì)于重金屬元素含量較高且脫水后殘余量仍不滿足農(nóng)用和建設(shè)用地土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的河湖底泥，可通過(guò)材料改性、固化和穩(wěn)定化后，制備高性能吸水陶粒吸附污水中的污染物，用作中等交通填方路基填料。淤泥中Al2O3、SiO2和Fe2O3三者之和占試樣總量的88%以上，可用作生料生產(chǎn)水泥，也可以通過(guò)改性、高溫煅燒等工藝生產(chǎn)建設(shè)用磚等。

4.2.2 淤積砂的資源化利用

基于開展的砂樣品質(zhì)檢驗(yàn)，利用水庫(kù)淤積砂用作建筑原材料供應(yīng)當(dāng)?shù)睾椭苓叺貐^(qū)工程建筑用砂，不僅可有效緩解當(dāng)前面臨的砂石骨料供需矛盾，還能為咸寧市某水庫(kù)清淤泥沙資源化利用提供切實(shí)可行的渠道?；谇笆錾皹悠焚|(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果以及《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)關(guān)于砂的分類，本次檢測(cè)砂樣的細(xì)度模數(shù)在0.94～1.37之間，均屬于特細(xì)砂(細(xì)度模數(shù)=0.7～1.5)。采用細(xì)度模數(shù)0.7～1.5或平均粒徑0.15～0.25 mm的特細(xì)砂配制特細(xì)砂混凝土，其性能可接近同標(biāo)號(hào)的中砂配制的混凝土。采用水庫(kù)淤積砂或與其他砂混摻配制混凝土，可以廣泛應(yīng)用于當(dāng)?shù)氐墓I(yè)、民用建筑及市政工程，充分發(fā)揮“因地制宜、就地取材”的優(yōu)勢(shì)，不僅可以大幅降低高價(jià)外購(gòu)砂的人力和物力成本，還能顯著緩解當(dāng)前建設(shè)用砂的供需矛盾。

5 結(jié) 論

(1)總氮和總磷的檢測(cè)結(jié)果顯示，淤泥S1—S7試樣的總氮和總磷含量明顯高于砂樣S8—S13。試樣S1、S4的總磷含量明顯高于其他試樣，其次為S5—S7和S2—S3，砂樣的總磷含量最低。

(2)地質(zhì)累積指數(shù)法的重金屬元素評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，咸寧市某水庫(kù)中的Cd、Cu、Hg的污染程度為無(wú)污染、Cr、As在無(wú)污染、無(wú)污染-中度污染及以上污染程度的試樣所占比例較小，而Pb的污染程度集中在無(wú)污染-中度污染區(qū)域。

(3)潛在生態(tài)危害指數(shù)法的重金屬元素評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，咸寧市某水庫(kù)中的重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)均<40、綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均<150，對(duì)應(yīng)輕微危害。在所有試樣中，S7試樣的各單一重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)和綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均高于其他試樣，潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更大。

(4)圍繞咸寧市某水庫(kù)淤積泥、砂的資源化利用問(wèn)題，秉承“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的理念，從農(nóng)用土壤、工程建設(shè)用地、功能材料原材料、路基填料以及建筑原材料等方面，提出了水庫(kù)淤泥、砂切實(shí)可行的資源化利用途徑。