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环保清淤是湖泊内源污染控制常用的技术方法，该方法采用机械方法将沉积在湖泊底部的污染物剥离出湖床，实现削减湖泊内源污染负荷目的[1-2]。在水面上利用船舶等平台搭载清淤机械开展水下作业是目前大、中型湖泊清淤工程通常采用的清淤方法。环保绞吸式清淤工艺应用较多，清淤时首先利用绞吸头切削和搅动底泥形成泥浆，然后将泥浆通过离心泵加压后用排泥管输送至排泥场进行后续处理[3-5]。环保绞吸式清淤船在绞吸头加装防护罩可降低切削底泥时泥浆向周边水体扩散的风险。在工程实践中，绞吸式挖泥船防护罩难以将绞吸头产生的泥浆完全抽排，绞吸头切削底泥时会不可避免地对其周边水体造成扰动，形成一定程度的二次污染[1, 4, 6]。
在清淤、风浪和水流等外力作用下[7-8]，底泥再悬浮引起的污染物释放过程及其对上覆水水体影响是国内外学者研究热点，室内模拟和原位监测是主要研究方法[9-15]。范成新等[16]利用底泥再悬浮模拟装置，模拟了不同清淤方式下清淤过程及清淤后对底泥内源氮磷释放的影响，发现绞吸式清淤对内源释放有较好的控制作用。陈杰等[17]通过现场监测链斗式挖泥船清淤过程，基于泥沙对流扩散方程得到了悬浮物的扩散范围及扩散规律。在室内模拟风扰动下环保清淤过程对底泥再悬浮及对上覆水体理化性质影响研究发现，清淤能有效减少磷的释放[18]。原位监测清淤前后表层沉积物及间隙水和上覆水中营养盐和有机质，发现清淤后间隙水和上覆水中的营养盐质量浓度均显著下降[19]。上述研究主要通过室内实验模拟清淤过程中底泥再悬浮引起的污染物释放规律，而鲜有关于环保绞吸船作业过程对周边水体水环境的影响研究。《疏浚与吹填工程技术规范》 (SL 17-2014) 和《河湖生态疏泼工程施工技术规范》 (DB32∕T 3258-2017) 等对相关规范技术文件对清淤疏浚施工的水环境影响提出了明确要求：应重点关注监测清淤作业中底泥再悬浮对水质的影响及其扩散范围；基于底泥再悬浮造成的水体浑浊，确定是否需要对疏浚方法进行调整；进一步地，应确定清淤过程中扰动底泥污染物释放到水中化学成分的有害程度。
为改善太湖流域水环境质量，全面提升长荡湖水源地供水水质，根据《太湖流域水环境综合治理总体实施方案 (2013年修编) 》，常州市金坛区组织实施了长荡湖环保清淤工程，工程共分5期实施 (图1) 。其中，一期环保清淤工程于2016年启动实施，2018年一期清淤工程完成后，长荡湖自来水厂取水口启用。二期和三期工程实施区域位于长荡湖西北侧湖区，该区域底泥营养盐、重金属含量相对较高。方洛港、新河港和大浦港等西北侧上游入湖河流水流流经二期、三期工程施工区域，清淤工程施工过程可能对水源地水体水质产生影响。本研究主旨为明确环保绞吸船底泥清淤过程中对于周边水体水质影响范围，从而减少对清淤工程水厂取水口的不利影响，以有效管控环保清淤工程潜在风险。研究采用现场监测和模拟实验相结合的方法，分析环保绞吸船底泥再悬浮扩散范围及其对周边水体水质影响，以评价底泥清淤的短期环境效应，为工程设计单位完成长荡湖环保清淤二期和三期工程及类似湖泊环保清淤工程设计提供参考。
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选择长荡湖四期环保清淤工程正在施工作业的环保绞吸船开展现场监测研究。绞吸船功效为200 m³·h−1，定位桩至绞吸头长度为30 m，绞吸头左右摆动角度45º，船体向前移动速率0.2 m·min−1。现场监测时，湖面风速1.5~2 m·s−1，水深约1 m。采用扇形布点法进行采样，以绞吸船绞吸头为圆心，设置5条射线状采样线，每条采样线上以离圆心0、5、10、20、30、50、100 m分别设置采样断面，每个采样断面在水面下0.50 m设置采样点，共设置35个采样点 (图2) 。上述水样在0.5 h内采集完毕。另外设置5个对照水样采集点，一共设置40个采样点。在现场采样时，用竹竿在湖面标记好采样点的位置，在绞吸船头部到达圆心时，分组采集不同采样点水样，水样经现场处理后冷藏保存并及时送实验室分析。本次采集的所有水样均检测TSS、TN、TP、溶解性磷酸盐 (SRP) 、氨氮 ([NH4+-N]) 和高锰酸盐指数 (CODMn) 。以绞吸船铰刀头部为圆心的射线A、C和E方向取得的水样和对照水样加测镉(Cd)、铬(Cr)、铜 (Cu) 、镍 (Ni)、锌 (Zn)、砷 (As)、铅 (Pb) 和汞 (Hg) 等8种重金属含量。TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，[NH4+-N]采用纳氏试剂分光光度法测定，TP采用钼酸铵分光光度法测定，CODMn采用快速催化分光光度法测定，SRP采用钼蓝法测定，As、Hg采用原子荧光法测定，Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、As和Pb采用电感耦合等离子体发射光谱法测定。水样检测方法均采用《水和废水监测分析方法》 (第四版) [20]中的相关要求。
采集上述水样的同时，采用长度50 cm的取样器采集同一地点清淤前后沉积物柱状样品，样品采集时间不超过1 h。样品采集后及时运回实验室进行冷冻风干。现场采集样品时，每个柱状底泥按照从上向下分别按照5 cm间隔进行分层。本次采集到的样品，测TN、TP、OM和Cd。底泥中TN采用凯氏定氮法测定，TP采用高氯酸-硫酸消化法测定，有机质 (OM) 采用重铬酸钾氧化外加热法测定[21]，Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法测定 (GB/T 17141-1997) 。
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由于无法控制外界环境条件，通过现场采样难以说明绞吸船施工后底泥沉降期上覆水水质变化。本研究通过采集清淤区域柱状底泥样品，利用电机模拟绞吸船作业扰动底泥样品，排除野外条件风浪干扰作用，监测绞吸船作业后上覆水体沉降过程。在采样区域内采用长度50 cm的取样器采集无扰动沉积物柱状样品共12份，水样经现场处理后冷藏保存及时送实验室，运输过程中尽量避免样品产生扰动。设置3个平行对照，3个柱状底泥样品开展预实验，设置100、200和300 r·min−1的电机转子转速扰动柱状样品，测定不同转速条件下柱状样品上覆水TSS，获取与绞吸船作业扰动时相一致的上覆水TSS时的电机转速。经过预实验，电机转子转速为300 r·min−1时，获取的柱状底泥样品上覆水TSS约为1 400 mg·L−1，与绞吸头作业时上覆水TSS类似。利用300 r·min−1的电机转子转速扰动6个柱状样品，完整的模拟绞吸船施工过程再悬浮及施工后沉降过程。模拟扰动后分别在0、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8 h分别采集上覆水样，及时在实验室检测水样TSS、TN、TP、[NH4+-N]、SRP和8种重金属的质量浓度，分析方法同上。
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以绞吸头为圆心，设置离圆心不同距离的5条射线采样点，监测得到水体水质指标如图3所示。圆心处水体TSS最高，离圆心距离越远，水体TSS越低，在离绞吸头50 m和100 m水体TSS和对照水体TSS相同，绞吸头作业时对水体TSS影响距离不超过50 m。绞吸船作业时与绞吸头不同距离处水体中CODMn和[NH4+-N]较低，均未超过地表水环境Ⅲ类标准值 (GB3838-2002) ，清淤作业过程中不同距离水体CODMn和[NH4+-N]变化幅度很小，在离绞吸头30 m的采样点水体[NH4+-N]与离绞吸头50、100 m的采样点水体基本一致，水体[NH4+-N]总体均高于对照点。监测点位水体TN介于地表水环境质量Ⅲ类标准值和Ⅳ类标准值之间，对照点位平均TN为1.2 mg·L−1。离绞吸头距离较近监测点位水体TN总体低于距离绞吸头较远的水体，距离绞吸头50 m范围内水体TN平均值与对照类似，距离100 m采样点TN平均值约为1.5 mg·L−1，总体高于50 m以内采样点，离绞吸头100 m处水体TN略有升高的趋势。实验期间水体TP总体和对照点位相差不大，与绞吸头不同距离采样点位水体TP变化趋势不明显。绞吸船作业时，所有水样重金属质量浓度均未超过国家地表水环境Ⅲ类水体质量标准值，部分水样的Cu、Cr、Zn和Hg等4种重金属质量浓度超过检测限，A、C和E方向的所有水样中As、Cd、Pb和Ni等4种重金属质量浓度均未超过检测限，未检出水样数见表1。离绞吸头不同距离水体重金属质量浓度的分布情况见表2。
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绞吸船施工后底泥沉降期上覆水中TSS、TN、TP、[NH4+-N]、SRP和8种重金属的质量浓度变化趋势如图4所示。在底泥扰动后初始时刻，上覆水体TSS上升到1 243 mg·L−1；停止扰动0.5 h后，TSS迅速下降到195 mg·L−1；停止扰动1~8 h，TSS逐步趋近于初始值，并基本保持稳定。水体中TN在扰动后初始时上升到8.24 mg·L−1，停止扰动0.5 h后，TN迅速降至2.15 mg·L−1，停止扰动1~8 h后，TN逐步趋近于初始值，并基本保持稳定。底泥扰动悬浮后上覆水体[NH4+-N]在TSS沉降过程中，整体均高于对照样0.42 mg·L−1。TP变化类似于TN，TP在扰动后初始时刻上升到1.63 mg·L−1，停止扰动0.5 h后，TP迅速降至0.16 mg·L−1，在停止扰动后，TP逐步趋近于初始值，并基本保持稳定。底泥扰动悬浮后上覆水体SRP在TSS沉降过程中呈下降趋势。在检测的8种重金属中，Cd、Pb、Cr和Hg等4种重金属质量浓度低于检测限，水体Cu的质量浓度只在开始时第1个水样检出，所有水样中Ni、Zn和As质量浓度均检出，水体重金属质量浓度均低于地表水环境质量标准Ⅲ类标准值。随着沉降时间的延长，底泥扰动悬浮后上覆水体中Zn、Ni和As的质量浓度逐渐降低，在6~8 h左右，基本趋近于初始值。
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清淤前后分层底泥样品中TN、TP、OM和Cd的质量分数，结果如图5所示。OM质量分数整体随着深度的增加而减少，垂向变化明显。在清淤前，0~20 cm底泥中平均OM质量分数为3.36%，具有较高的释放风险，在清淤后平均OM质量分数降至0.95%，远低于清淤前。在清淤前，0~20 cm底泥中平均TN为3 470 mg·kg−1，20~40 cm平均TN为1 368.50 mg·kg−1，0~20 cm和20~40 cm底泥平均TN的差异较大，总体呈现随深度的增加而降低的趋势。在清淤后，0~20 cm底泥中平均TN为1 051.75 mg·kg−1。与清淤前相比，新生成的底泥界面表层中TN显著低于清淤前。0~15 cm底泥中平均TP为565 mg·kg−1，在15~30 cm平均值大幅度降至237 mg·kg−1，而在30~40 cm 其平均值升至344 mg·kg−1。Cd是长荡湖主要的生态风因子，清淤前0~20 cm底泥中Cd的平均质量分数为0.79 mg·kg−1，20~40 cm的平均质量分数为0.14 mg·kg−1，其质量分数随着深度的增加而降低。在清淤后，0~20 cm底泥中Cd平均质量分数降为0.1 mg·kg−1，低于江苏省土壤环境底值 (Cd 0.126 mg·kg−1) [22]。
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1) 绞吸船清淤作业中底泥再悬浮扩散范围及其对水体理化性质的影响。绞吸船作业过程中引起的底泥悬浮扩散既是二次污染环境问题，也是清淤工艺选择的重要考虑因素[23]。本研究结果表明长荡湖四期工程使用的环保绞吸船在本次监测的工况条件下水体底泥再悬浮TSS影响距离约为50 m，水体TSS随着距离的增加逐步降低趋近于初始值，绞吸作业使得底泥颗粒受到较大离心力而产生扩散，但随着扩散距离的增加悬浮颗粒物被稀释和沉降[13]。《河湖生态疏浚工程施工技术规范》 (DB32∕T 3258-2017) 要求，施工过程中，水体悬浮物的扩散距离不应超过15 m，并通过对比距绞刀头15 m和绞吸船上游或上风口50 m水面以下1 m处水样的TSS来判断水体悬浮物的扩散情况。本研究中环保绞吸船施工过程中底泥再悬浮影响范围远超过15 m，主要与绞吸船施工过程中的质量控制有关，防护罩不严密、清淤机械臂摆动速度和幅度过大等都是重要原因[24-25]。 另外，长荡湖是典型的浅水湖泊，平均水深1.1 m，即使在未清淤时悬浮在水体中的浮泥和流泥的质量浓度同样较高，在前期柱状底泥采样过程中发现在湖面风力达到3~4级时，悬浮在水体中的流泥和浮泥深度达0.5 m，水体透明度不超过20 cm，湖面水体浊度与清淤施工过程中近绞吸头处水体类似。
本研究环保绞吸船清淤作业对周边水体影响范围监测是选择在微风条件下测定得到的。自然风浪对于浅水湖泊底泥再悬浮作用非常明显[26-27]。在环保清淤船作业过程中，遇到风速较高时，自然风浪和绞吸船作业共同影响湖泊水体水质。此外，海洋潮流也是清淤作业底泥扩散影响范围的重要影响因素[17, 28]。天津港某型链斗式挖泥船现场清淤实验发现，平均流速均为0.10 m·s−1，顺潮流方向时，由于链斗式挖泥船操作中的剧烈动作，使得相当多的细颗粒沉积物搅动和再悬浮，并沿潮流作用方向扩散。距离挖泥船不同距离表层、中层和底层水体浑浊度空间按分布差异明显，悬浮物质量浓度和背景值相同时的距离分别为160、190、200 m[17]。
对绞吸船施工引起的底泥再悬浮扩散距离提出限制要求，主要目的是减少其对周边水环境不利影响。若限制距离过小，可能会影响清淤效果，增加施工周期和投资成本。对于浮泥和流泥含量较高的浅水湖泊，风浪扰动引起的底泥再悬浮作用超过清淤船施工引起的底泥再悬浮，过小的距离限制阈值失去保护周边水环境意义；限制距离过大，同样也失去对绞吸船施工过程控制的意义。因此，建议在实际施工过程中，对于底泥再悬浮颗粒物影响距离限制阈值，应根据现场施工条件和对于周边水体影响程度等综合考虑。当清淤船周边水源地取水口、鱼类产卵场、湿地保护区等敏感保护目标时，注意减小距离限制阈值；对于底泥容易受风浪影响再悬浮的浅水湖泊，在遇到风浪条件时可以适当放宽距离限制阈值。
2) 绞吸船施工停止后底泥沉降过程中水体理化性质变化。底泥受扰动后释放进入水体氮磷污染物以颗粒态为主，导致水体中TN、TP与TSS发生了显著变化。模拟实验表明，底泥再悬浮扰动停止2 h后，上覆水体TSS、TN、TP基本恢复到之前状态。湖泊底泥沉积物-上覆水界面以下通常为还原状态，底泥间隙水氮素主要以NH4+-N形式存在，间隙水[NH4+-N]远高于上覆水体，绞吸船铰刀扰动后，底泥间隙水NH4+-N释放进入上覆水体，NH4+-N以溶解态存在，清淤区域水体[NH4+-N]在停止扰动后8 h时仍高于对照样。底泥再悬浮停止后水体SRP逐渐降低，可能是由于扰动后悬浮颗粒粒径较小，相对于粗颗粒比表面积增大，对水体中的SRP的吸附作用增强[18, 29]。水体中的Zn、Ni、As重金属质量浓度则缓慢下降，在扰动停止后8 h时基本恢复到初始状态。除水体中[NH4+-N]在清淤停止8 h后仍保持较高水平外，其余污染物的质量浓度在停止扰动干扰2 h或8 h后基本恢复到初始状况，底泥再悬浮还能减少水体SRP。底泥再悬浮扰动停止8 h后，绞吸船施工引起的底泥再悬浮对周边水体影响基本消除。本研究是将原位柱状底泥采回实验室后进行模拟，在实际施工过程中可能出现湖面风浪引起的扰动与清淤船绞吸头扰动共同作用增加扰动持续时间情况，水体扰动后颗粒物沉降时间可能会延长，但是水体中污染物的质量浓度可能并不随时间延长而升高[30]。
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1) 绞吸船周边水体TSS受施工影响最为明显，水体TSS受绞吸船施工作用影响距离约为50 m。受影响水体的CODMn和[NH4+-N]未超过地表水环境Ⅲ类标准值，TN和TP总体介于地表水环境质量Ⅲ类标准值和Ⅳ类标准值之间，且不同距离采样点位水体TN和TP变幅较大，水体重金属质量浓度均未超过国家地表水环境Ⅲ水体质量标准值，其中Cd、Pb、Ni等3种重金属质量浓度均未超过检测限。
2) 模拟绞吸船施工后沉降过程，发现上覆水体TN、TP和TSS在停止扰动0.5 h后，下降为初始值的26%、10%和16%；停止扰动4 h后，上覆水体TN、TP和TSS下降为初始值的20%、7%和5%，此后基本保持稳定；水体[NH4+-N]在扰动停止8 h仍然处于较高水平，水体SRP在扰动停止后逐渐降低。上覆水体Zn、Ni和As的质量浓度随着扰动停止时间增加逐渐降低，其余重金属质量浓度均低于检测限。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。
3) 对比绞吸船清淤前后柱状底泥污染物质量分数，发现新生成的表层底泥中TN、TP、OM和Cd等污染物质量分数显著低于清淤前，清淤前后0~20 cm表层底泥中TN、TP、OM和Cd等4种污染物去除率分别为70%、73%、72%和85%。
4) 绞吸船施工作业时底泥再悬浮对周边水体水质存在不同程度影响。在工程实践中，建议根据实际工况条件，灵活运用绞吸船施工扩散距离限制值；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。研究结果可为类似湖泊环保清淤工程设计提供参考。
环保绞吸船清淤作业过程对湖泊水环境的影响
Research on the impact of eco-friendly cutter suction dredger’s sediment removal operation on lake water environment
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摘要: 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。Abstract: Effectively controlling and mitigating the impact of environmental dredging construction on surrounding water bodies is a key measure to reduce secondary pollution and enhance quality control of the project. This study focuses on the eco-friendly cutter suction dredger employed in the fourth phase of the environmental dredging project at Changdang Lake. Through on-site monitoring and simulation experiments, we investigated the spatiotemporal impact of the eco-friendly cutter suction dredger on the water quality of the surrounding water bodies during underwater operations. The results showed that the most significant impact of the dredger’s operation on the surrounding water was on the concentration of total suspended solids (TSS), affecting an area of approximately 50 meters. By simulating the sediment settlement process after dredger construction, it was found that 4 hours after the disturbance ceased, the concentrations of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and TSS in the overlying water decreased to 20%, 7%, and 5% of their initial values, respectively. 8 hours after the cessation of resuspension disturbance, the impact dredger construction on surrounding water was essentially eliminated. By comparing the pollutant content in columnar sediments before and after dredger operation, the removal rates of TN, TP, organic matter (OM), and cadmium (Cd) in the 0-20 cm surface sediment were 70%, 73%, 72%, and 85%, respectively. It is recommended that the diffusion distance limit of the dredger’s construction should be adjusted based on actual working conditions. For shallow water lakes, special attention should be paid to the potential adverse effects of wind, waves, and dredger construction on sensitive water.
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图 3 绞吸船水下清淤作业对上覆水理化指标影响
Figure 3. Influence of underwater dredging operation of cutter suction dredger on physical and chemical indicators of overlying water
图 4 绞吸船施工后底泥沉降过程中上覆水体理化指标变化
Figure 4. Changes in physico-chemical indices of the overlying water column during sedimentation of bottom sediment after cutter suction dredger construction
图 5 绞吸船施工前后柱状底泥中污染物变化
Figure 5. Changes of pollutants in the columnar sediment before and after the construction of the cutter suction dredger
表 1 不同方向水体中重金属质量浓度未检出水样数
Table 1. The number of water samples of those the concentration of heavy metals in water bodies in different directions did not detect
采样射线 Cd Pb Cu Cr Zn Ni Hg As A 7 7 3 7 0 7 7 0 C 7 7 2 5 0 7 7 0 E 7 7 5 5 3 7 5 0 
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表 2 绞吸船水下清淤作业时不同方向水体中重金属质量浓度
Table 2. Concentrations of heavy metals in the water column in different directions during underwater dredging operations by a cutter suction dredger
采样射线及对照点 Cd/( mg·L−1) Pb/( mg·L−1) Cu/( mg·L−1) Cr/( mg·L−1) Zn/( mg·L−1) Ni/( mg·L−1) Hg/(μg·L−1) As/(μg·L−1) A ND ND 0.01~0.04 ND 0.015~0.166 ND ND 1~6 C ND ND 0.02~0.03 0.01~0.01 0.008~0.108 ND ND 0.7~5.8 E ND ND 0.03~0.08 0.01~0.02 0.14~0.076 ND 0.06~0.07 0.6~7 对照点 ND ND ND ND ND ND ND 0.95 地表水Ⅲ标准值 0.005 0.05 1 0.05 1 # 0.1 50 注：“ND”表示样品质量浓度未超过检测限，Cd为0.03 mg·L−1、Pb为0.003 mg·L−1、Cu为0.003 mg·L−1、Cr为0.003 mg·L−1、Zn为0.003 mg·L−1、Ni为0.003 mg·L−1、Hg为0.003 mg·L−1、As为0.3 mg·L−1。“#”表示地表水环境质量标准 (GB3838-2002) 没有该项标准值。
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