长荡湖又名洮湖，位于江苏省南部、太湖流域上游、常州市金坛区境东南部9 km 处，跨金坛区和溧阳市，是江苏省十大淡水湖之一，为集防洪调蓄、水资源、生态环境、渔业养殖、气候调节及旅游等功能于一体的浅水型湖泊^[15-16]。长荡湖为太湖流域湖西区调蓄性湖泊之一，作为湖西区洮滆水系的重要组成部分，水源主要来自地表径流和湖面降水补给。上游高强度人为开发活动引起的水土流失携带营养盐和泥沙逐年在长荡湖沉积，以及湖泊网箱养殖残留饵料等共同形成湖泊内源污染，影响长荡湖水环境质量改善。《太湖流域长荡湖 (金坛) 生态清淤工程总体实施方案》2014年测量湖泊底泥厚度结果显示，长荡湖淤泥深度0~130 cm，平均约20 cm，底泥分布具有明显的不均匀性，除极少部分湖区外，其他湖区均有底泥分布，总体表现为西部、西北部、南部及东部湖区底泥较深，湖心及其他区域较浅的分布格局。本研究以《太湖流域长荡湖 (金坛) 生态清淤工程总体实施方案》提出的二期、三期和四期、五期工程实施范围为研究区域，在已确定环保清淤工程实施范围基础上，分区提出环保清淤工程深度。

利用柱状沉积物采样器共采集49个点位底泥分层样品^[17]。研究区域长荡湖柱状底泥采样点分布如图1所示。根据环保清淤工程实施范围划定方法，综合考虑底泥污染特征、实际工程可操作性及保证湖泊的功能性和安全性等多方面因素，确定了长荡湖环保清淤工程的计划实施区域 (图1) 。各区域依次编号为S1~S12。所有采样点位均严格按照所给坐标采样，并控制水平误差精度在30 m以内。

在现场采样时，利用手持式GPS仪控制船行至采样点附近。首先用撑杆试探湖底底泥厚度，在初步掌握底泥厚度信息后，再行采样。所有采样点位均采集到硬质河底，采集得到的柱状样品底部硬质河底深度约为5 cm。在柱状底泥样品采集后，进行了现场测量底泥高度，然后将其分割、装袋。采样船靠岸后，样品被及时运送至实验室进行后续分析。现场采集样品时，每个柱状底泥均按照从上向下50 cm内以每5 cm进行分层，超过50 cm的部分则按照每10 cm进行分层。本次采集的49个柱状底泥样品中，最长的样品长度为80 cm，最短的为15 cm，所有柱状底泥样品经过分割后共有600余个样品。

不同深度底泥主要进行总氮 (TN) 、总磷 (TP) 、有机质 (OM) 及8种重金属 (Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb) 的质量分数测定^[18-19]。其中，TN、TP和OM的测定分别按照《土壤质量全氮的测定 凯氏法》 (HJ 717-2014) 、《土壤总磷的测定 碱熔-钼锑抗分光光度法》 (HJ 632-2011) 和《土壤有机质的测定 重铬酸钾分光光度法》 (HJ 615-2011) 进行^[20]。重金属 (Cr、Cu、Ni和Zn) 均采用火焰原子吸收分光光度法进行测定，Cd和Pb采用石墨炉原子吸收分光光度法进行测定，As和Hg按照《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》 (GB/T 22105.2-2008) 标准进行测定^[21]。

潜在生态危害指数法由瑞典学者Hakanson提出^[22]，用于评价重金属污染风险以及生态危害，该方法既可反映某种重金属在特定环境中的单一风险，也可综合反映多种重金属对生态环境的风险^[20-21]。具体计算公式见式 (1) 。

式中：$ E_{\mathrm{r}}^i $为第i种重金属的生态风险系数；$ T_{\mathrm{r}}^i $为第i种重金属毒性响应系数；$ C_{\mathrm{f}}^i $为第i种重金属的污染系数；$ {C}_{\mathrm{s}}^{i} $为第i种重金属实测质量分数；$ {C}_{\mathrm{n}}^{i} $为第i种重金属背景值。

重金属 (Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb) 潜在生态风险指数RI计算所需的沉积物毒性参数分别为2、5、5、1、10、30、40和5。其污染等级划分标准为：RI小于150为低风险，150~300为中风险，300~600为较高风险，高风险的RI值为600~1 200，当RI大于1 200时为很高风险等级。

长荡湖清淤区域底泥中OM、TN和TP随着深度变化总体趋势不明显 (图2~4) ，不同层次底泥中污染物质量分数变化范围较宽，不同深度底泥中OM质量分数(后简称OM)为0.1%~5.06%，且随深度增加稍有增加趋势，TN和TP质量分数分别为418~1 840 mg·kg⁻¹和100~1 120 mg·kg⁻¹。随着深度的增加，底泥中TN平均值略有降低趋势，TP平均值稍有增加趋势。

图2表明，区域S1~S12底泥中OM为0.10%~5.06%。其中，区域S10处最高，底泥中OM为0.56%~5.06%。随着深度的增加，先减小后增大；区域S11处最低，底泥中OM为0.25%~0.58%。随着深度的增加，基本维持不变。区域S3、S5和S8处底泥中OM分别在泥水界面以下15 cm、20 cm和15 cm左右出现拐点。该拐点界面以下的底泥中OM呈下降趋势，区域S4、S6、S11和S12处底泥中OM分别从泥水界面以下15 cm或20 cm处开始降为较低值并趋向于稳定状态。这表明该界面以下的沉积物污染程度较轻，清淤深度应重点关注底泥中OM较高的部分，具体分界线可见图2的黑色虚线处。图3表明，区域S1~S12底泥中TN为418~1 840 mg·kg⁻¹。其中，区域S9处最高，底泥中TN为547~2 210 mg·kg⁻¹。随着深度的增加，先增大后减小；区域S12处最低，底泥中质量分数为479~1 560 mg·kg⁻¹。随着深度的增加，先增大后减小。区域S1、S2、S10和S12处分别在泥水界面以下30、25、35和20 cm后TN趋于稳定，与上部分呈现明显分层特征。区域S3、S6、S8和S11的TN分别在泥水界面以下15 cm、20 cm、30 cm和20 cm左右出现拐点，需引起特别关注。图4表明，区域S1~S12底泥中TP为100~1 120 mg·kg⁻¹。其中，区域S9处最高，底泥中TP为699~915 mg·kg⁻¹。随着深度的增加，先基本不变后减小。区域S4处最低，底泥中TP为160~463 mg·kg⁻¹，随着深度的增加，先增大后减小。区域S1、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11和S12处底泥中TP在泥水界面以下10~30 cm出现明显拐点。具体拐点分界处见图4中黑色虚线所在深度，区域S2和S3处底泥中TP分别在泥水界面以下20 cm和15 cm之后处于稳定状态，且质量分数较低。故此分界线可作为划定清淤深度的初步依据。

长荡湖研究不同区域不同深度底泥8种重金属 (Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb) 分布特征如图5所示。总体而言，随着深度的增加，底泥中的8种重金属质量分数逐渐降低。其中，Zn的质量分数最高，为33.9~359 mg·kg⁻¹，而Hg的质量分数最低，为0.002~0.23 mg·kg⁻¹。其他重金属 (Cr、Cu、Ni、As、Cd和Pb) 的质量分数分别为24.9~114、4.3~95.0、12.4~55.8、1.02~17.9、0.05~7.78和6.28~59.9 mg·kg⁻¹。此外，表层底泥中重金属的质量分数明显高于底层底泥。与其他金属元素稍有不同的是，底泥中As的质量分数在40~60 cm时有所增加，但不同层次的As元素总体质量分数均低于背景值。

长荡湖清淤区域不同深度底泥8种重金属 (Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb) 的生态风险指数分布特征如图6所示。底泥不同层次的生态风险指数变化特征明显，表现为随着底泥深度的增加呈现递减趋势。底泥的生态风险指数综合值为26.82~1 886。其中，表层0~5 cm和5~10 cm的底泥生态风险指数高于“较高风险”标准值，个别采样点在0~10 cm的底泥生态风险指数处于“高风险”状态，需特别关注。不同分区的垂直方向上，重金属的生态风险指数在一定深度内趋于稳定。如S2、S3、S7和S11区域的生态风险指数在泥水界面水界面以下10 cm处开始达最低值且趋于稳定，而S5、S9和S10区域的生态风险指数则在泥水界面以下30~35 cm才趋于稳定。这表明这些区域的重金属污染程度较强，所需的清淤深度也相对较深。

根据柱状底泥采样情况，分析得到长荡湖清淤区域受人为活动影响新生成淤泥样品的深度空间分布情况 (图7 (a) ) 。总体而言，长荡湖西北部湖区淤泥较深，部分区域淤泥厚度达70 cm。相对而言，西南侧区域采集的淤泥较浅，该区域已经清理的网箱养殖相对集中区域。在湖区靠近中心处有一个区域，淤泥较厚，泥厚可达70 cm。在湖区东南侧和现有网箱养殖区的西侧部分采样点，淤泥厚度也达到了70 cm。总之，长荡湖底泥厚度呈区域性分布，但在部分采样点所在区域存在较厚的底泥。

清淤深度是环保清淤工程设计的关键参数之一，直接关系着环保清淤的效果及工程费用^[23-24]。若环保清淤深度过小，将无法去除污染较重的污染层，达不到清淤目的；而若清淤深度过大，则可能对湖泊底部生态系统造成难以恢复的破坏，对水生生态系统构成严重威胁，亦会削弱湖泊底泥对外源性污染物输入后的缓冲作用，增加后期水体生态修复的难度^[25-26]。此外，清淤深度的增大也意味着清淤费用的增加。因此，确定合理的环保清淤深度意义重大。目前，国内常用环保清淤深度确定的方法有分层法、拐点法、生态风险指数确定法等多种方法^[27-30]。本研究主要运用野外采样时柱状底泥分层特征、污染物含量拐点法、底泥生态风险指数确定法等多种方法，对环保清淤深度进行了综合分析和确定。

本研究利用野外采样时照片资料、每个区域底泥TN和TP分层分布特征、重金属生态风险指数分层分布特征并结合工程实施可行性，综合确定了不同区域环保清淤深度 (图7 (b) ) ^[26]。环保清淤工程不同施工区域内的清淤深度各不相同，清淤深度范围为10~35 cm，其中S1区清淤深度计划为20 cm，该区域也是重金属Cd质量分数较高的区域。区域S2和S3清淤深度均为10 cm。S4区清淤深度为20 cm，该区域是本次清淤区域重金属Cd质量分数最高的区域。S5区清淤深度为30 cm。S6区和S8区清淤深度均为20 cm，S7区清淤深度为10 cm，S9区清淤深度为35 cm。S10~S12区清淤深度分别为35 cm、10 cm和20 cm。在环保清淤工程组织实施时，建议首先实施重金属风险指数较高的S5区、S9区和S10区，并妥善处理重金属Cd质量分数较高的底泥及其尾水。每个区域环保清淤施工工艺及底泥、尾水处置方式需根据资金投入、场地条件和施工期限等具体情况确定。由于受到实际用地、环境卫生、工程施工精度和技术经济等因素限制，实际操作过程中的清淤深度与设计的清淤深度之间不可避免存在差异 (如图7 (b) 和图7 (c) ) 。

环保清淤是内源污染治理最直接有效的措施，对于提高水体水环境质量和改善居民生活环境至关重要。环保清淤方案设计参考的边界条件系统复杂，在环保清淤方案制定前需要对湖区水文特征、泥质特性及常见的污染物 (如TN、TP、OM和常见重金属质量分数及其生态风险指数) 在底泥中的垂直分布特征及地理区域特征等进行充分调查，以保证环保清淤设计的合理性^[30]。本研究采用了柱状底泥分层特征、污染物含量拐点法和底泥生态风险指数确定法，针对清淤区域的环保清淤深度进行了初步预测。综合考虑影响程度最大的污染物指标，重点关注污染物各指标质量分数上部分明显高于下部分的界面，以针对性地确定清淤深度。在方案设计阶段需综合考虑用地、环境卫生、工程施工精度、技术经济等多个方面因素，对清淤深度和清淤工艺等关键环节进行合理的选择设计，以保证工程实施的可操作性。考虑清淤工程施工机械的施工精度，以5 cm的清淤精度确定各区域的具体清淤深度，充分利用有限的投入发挥更好的经济效益。环保清淤不仅仅是单一的水利工程或环境治理措施，还需充分考虑工程可行性、经济性和生态环境效益等多种因素，从科学性、可操作性和经济效益等方面综合决策，以达到生态环境改善和社会经济效益最大化的目标。

1) 清淤区域底泥中各指标 (TN、TP、OM、重金属和生态风险指数) 变化范围均较大。其中，底泥Cd的质量分数变幅最大，最高值是最低值的153倍；其次是Hg的质量分数，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。2) 底泥中TP、TN、OM随着深度的变化总体趋势不明显，不同层次底泥中污染物质量分数变化范围较大。表层底泥生态风险指数明显高于底层，8种重金属 (Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb) 质量分数随深度增加而降低。3) 长荡湖不同清淤区域的环保清淤深度为10~35 cm不等。在组织实施时，建议首先实施重金属风险指数较高区域，并妥善处理重金属Cd的质量分数较高的底泥及其尾水。考虑目前清淤工程施工机械的施工精度，以5 cm的底泥深度作为清淤深度，精度确定各区域的具体清淤深度，实现兼顾技术可行性和经济合理性。