一种快速确定河流污染底泥环保疏浚深度的方法与流程

1.本发明属于环保疏浚技术领域，特别涉及一种快速确定河流污染底泥环保疏浚深度的方法。


背景技术：

2.底泥是河流湖泊等众多水体生态系统的重要组成部分，可以吸附污染物净化水体，同时也是底栖生物的栖息场所和食物来源。经济的快速发展和人口的增长使全球范围内河流、湖泊污染现象日趋严重，排入水体的污染物经吸附、沉淀等作用不断汇入底泥中。近年来，随着控源截污工程的实施，工业废水、生活污水等外源污染逐步得到有效治理，富含污染物的底泥逐渐由污染物的“汇”向“源”转变，底泥内源污染的治理成为水环境综合整治的重要环节。
3.底泥环保疏浚是水环境改善的重要工程措施，其可从源头直接切断内源污染释放，处理效率高，对底泥理化性质、污染程度、污染物形态等关键影响因素适应性更强，因此在河湖污染治理工程中被广泛采用。
4.疏浚深度是决定疏浚工程造价和治理效果的关键指标之一，合理地确定污染底泥疏浚深度，可避免超挖引起的高工程成本和欠挖引起的持续污染。
5.现有技术中底泥疏浚深度的确定通常采用以下方法：1、沉积层法、拐点法和背景值法等简易判断法。此类方法主要将柱状底泥样品按物理性质或污染物含量分层，或结合背景值进行疏浚深度的判断。该类方法简单直观，但仅以污染物浓度作为判断依据不能较好地体现底泥在自然水体中的行为，结果不够准确；2、分层释放法。主要是通过底泥静态释放试验获取污染物释放速率，建立污染物释放速率与相应的污染物含量的关系，并根据所划分的相应释放风险等级，确定底泥疏浚深度。该类方法在我国湖泊疏浚研究和工程中得到广泛应用，但相比于水文条件较稳定的湖泊，河流尤其是北方季节性河流水的流量、流速及水位均不稳定，汛期存在闸坝放水、暴雨冲刷等情况，相应的底泥扰动、悬浮与再沉淀等行为比湖泊更剧烈，因此该类方法中采用的释放试验并不完全适用于河流，且释放试验测试周期较长；3、吸附解吸法。该类方法相对适用于河流环保疏浚，且疏浚深度计算比较精细，然而其试验测试数量过大，在实际工程勘察设计阶段并不适用。此外，吸附解吸试验采用的是实验室配置的标准溶液，标准溶液与自然水体成分及水质特点等差异较大，所测得的吸附解吸平衡浓度存在误差。
6.综上所述，针对河流污染底泥的环保疏浚，亟需发明一种便于工程设计、实施且快速准确的疏浚深度判定方法。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明提供一种快速确定河流污染底泥环保疏浚深度的方法。
8.为实现上述目的，采用以下技术方案：
9.一种快速确定河流污染底泥环保疏浚深度的方法，包括以下步骤：
10.采集底泥柱状样品，以等距点分析底泥柱状样品的总氮、总磷含量，获得总氮、总磷含量垂向分布；
11.根据垂向分布的最大值拐点，确定底泥柱状样品的试验范围；
12.取试验范围内的底泥样品，分别采用氨氮、总磷为预设浓度的水样进行氨氮吸附解吸试验和总磷吸附解吸试验；
13.根据氨氮吸附解吸试验和总磷吸附解吸试验结果分别计算单位质量底泥氨氮和总磷吸附/解吸量；
14.根据计算结果确定环保疏浚深度。
15.优选地，所述采集底泥柱状样品，以等距点分析底泥柱状样品的总氮、总磷含量具体为：将底泥柱状样品切割分层，每层厚度相同，等距选取其中若干层的底泥柱状样品经冷冻干燥和过筛处理，随后分别进行污染物含量分析。
16.优选地，所述根据垂向分布的最大值拐点，确定底泥柱状样品的试验范围具体为：分别确定总氮、总磷含量垂向分布的拐点，比较总氮、总磷含量垂向分布的拐点对应的位置深度，取较深的位置深度所在分层作为试验范围的中心层。试验范围包括中心层、中心层的上两层和中心层的下两层。
17.优选地，所述水样的制备方法如下：采集所述底泥柱状样品对应采集点的上覆水，使用纯净水稀释上覆水至氨氮或总磷为环保疏浚目标浓度。
18.优选地，所述氨氮吸附解吸试验具体为：分别取试验范围内各层底泥样品0.5g于100ml容量的锥形瓶中，分别加入氨氮为预设浓度a的水样50ml，振荡、离心得到上清液，上清液过0.45μm纤维滤膜后，用纳氏试剂法测定氨氮浓度；所述总磷吸附解吸试验具体为：分别取试验范围内各层底泥样品0.5g于100ml容量的锥形瓶中，分别加入总磷为预设浓度b的水样50ml，振荡、离心得到上清液，上清液过0.45μm纤维滤膜后，用钼锑抗分光光度法测定总磷浓度。
19.优选地，所述氨氮吸附解吸试验中，于24
‑
26℃温度下以250r/min的转速振荡2h，以5000r/min的转速离心10min；所述总磷吸附解吸试验中，于24
‑
26℃温度下以250r/min的转速振荡48h，以5000r/min的转速离心10min。
20.优选地，氨氮吸附解吸试验和总磷吸附解吸试验分别进行若干次平行试验，取平均值，若干次平行试验结果的相对平均偏差小于5％。
21.优选地，单位质量底泥氨氮或总磷吸附/解吸量的计算公式如下：q＝(c
e
‑
c0)*v/w，其中，q为单位质量底泥氨氮或总磷吸附/解吸量，mg/kg；c
e
为氨氮或总磷的平衡浓度，mg/l；c0为水样中氨氮或总磷的初始浓度，mg/l；v为水样体积，l；w为底泥样品质量，kg。
22.优选地，所述根据计算结果确定环保疏浚深度具体为：当试验范围内上部分底泥样品的单位质量底泥氨氮和总磷吸附/解吸量存在正值，下部位底泥样品的单位质量底泥氨氮和总磷吸附/解吸量均为负值时，上部分和下部分的交界处为所述环保疏浚深度。
23.本发明具有以下有益效果：紧密结合水环境治理目标，结合了拐点法和吸附解吸法的优势，通过缩小试验测试范围和针对性的吸附解吸试验，快速准确地判定河流污染底泥的疏浚深度，显著提高效率，便于工程设计和工程应用，降低成本。
24.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利
要求书以及附图来实现和获得。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例快速确定河流污染底泥环保疏浚深度的流程示意图；
27.图2为本发明实施例d1孔底泥柱状样品tn含量垂向分布曲线；
28.图3为本发明实施例d1孔底泥柱状样品tp含量垂向分布曲线；
29.图4为本发明实施例d1孔底泥柱状样品nh
4
‑
n吸附/解吸量垂向分布曲线；
30.图5为本发明实施例d1孔底泥柱状样品tp吸附/解吸量垂向分布曲线。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.我国北方某季节性河流，河道底泥淤积严重，水质常为v类，甚至劣五类。该河流采用环保疏浚的工艺方法，预期疏浚治理后水质恢复iii类水，即氨氮浓度小于1.0mg/l，总磷浓度小于0.2mg/l。基于此，一种快速确定河流污染底泥环保疏浚深度的方法，如图1所示，包括以下步骤：
33.(1)样品采集
34.采用系统布点法在目标河流上布置采样点，并在国(省、市、县)控断面、闸坝、排污口、支流汇入口、畜禽养殖段等位置的上下游加密布点，各点位采集柱状样品1根。示例性地，以支流汇入口处采样点d1为例，采集底泥柱状样品深度2m，采样现场对底泥柱状样品按10cm进行切割分层，即0
‑
0.1m、0.1
‑
0.2m
……
1.8
‑
1.9m、1.9
‑
2.0m，分别避光、密封、冷冻保存。同时在采样点d1采集上覆水样品1个，上覆水运回实验室后过0.45μm的纤维滤膜，过滤后每升加入5ml氯仿，冷藏保存备用。经检测，上覆水氨氮浓度为9.75mg/l，总磷浓度为0.52mg/l。
35.(2)底泥吸附解吸试验范围判断
36.对上述底泥柱状样品进行冷冻干燥、过筛处理。对分层位于双数层(即位于0.1
‑
0.2m、0.3
‑
0.4m
……
1.7
‑
1.8m、1.9
‑
2.0m的分层)的底泥柱状样品进行tn(总氮)和tp(总磷)含量的测试，根据检测结果，加密测试0.8
‑
0.9m和1.0
‑
1.1m底泥柱状样品的tn含量，以及1.0
‑
1.1m底泥柱状样品的tp含量。绘制底泥柱状样品tn和tp的垂向分布曲线。由图2所示，tn含量拐点位于0.9
‑
1.0m层(0.95m)处。由图3所示，tp含量拐点位于1.1
‑
1.2m(1.15m)处。最终拐点位置取最大值，即1.1
‑
1.2m(1.15m)。若总氮或总磷的含量垂向分布曲线出现1个以上的拐点，则综合考虑疏浚可行性、经济性、其他污染物拐点位置等来最终确定最大值拐点位置。
37.根据上述拐点位置，底泥吸附解吸试验的范围为拐点层向上2层至向下2层，即底泥吸附解吸的试验范围确定为0.9
‑
1.4m，共5层，50cm底泥。
38.(3)试验水样制备
39.使用纯净水稀释上覆水至氨氮或总磷为环保疏浚目标浓度。为了紧密结合水环境治理目标，环保疏浚目标浓度依据河流水质监测控制断面要求、水质提升要求等确定水体治理目标要求的氨氮、总磷浓度，通常,河流监测控制断面水质以《地表水环境质量标准》(gb3838
‑
2002)中规定的某类数值作为限值。本实施例中，根据河流水质提升要求，预期疏浚治理后水质恢复iii类水，即氨氮浓度小于1.0mg/l，总磷浓度小于0.2mg/l。
40.因此，将采集的上覆水用纯净水稀释9.75倍，得到1#试验水样，将采集的上覆水稀释2.6倍得到2#试验水样，并分别检验1#试验水样中氨氮浓度(即水样中氨氮的初始浓度)和2#试验水样中的总磷浓度(即水样中总磷的初始浓度)。
41.(4)吸附解吸试验
42.对0.9
‑
1.0m、1.0
‑
1.1m、1.1
‑
1.2m、1.2
‑
1.3m、1.3
‑
1.4m五层底泥分别进行试验，每层底泥样品取0.5g置于100ml容量的锥形瓶中，分别加入1#试验水样50ml，25℃条件下以250r/min转速恒温振荡2h，以5000r/min转速离心10min，得到上清液，上清液过0.45μm纤维滤膜后，用纳氏试剂法测定氨氮浓度，设置3个平行试验，取平均值(即吸附解吸试验的氨氮平衡浓度)，平行试验结果的相对平均偏差小于5％；每层底泥样品取0.5g置于100ml容量的锥形瓶中，分别加入2#试验水样50ml，25℃条件下以250r/min转速恒温振荡48h，以5000r/min转速离心10min，得到上清液，上清液过0.45μm纤维滤膜后，用钼锑抗分光光度法测定总磷浓度，设置3个平行试验，取平均值(即吸附解吸试验的总磷平衡浓度)，平行试验结果的相对平均偏差小于5％。
43.根据公式q＝(c
e
‑
c0)*v/w计算单位质量底泥氨氮和总磷的吸附/解吸量，并分别绘制氨氮、总磷的吸附/解吸量垂向分布曲线，其中，q为单位质量底泥氨氮或总磷吸附/解吸量，mg/kg；c
e
为氨氮或总磷的平衡浓度，mg/l；c0为水样中氨氮或总磷的初始浓度，mg/l；v为水样体积，l；w为底泥样品质量，kg。若q为正值，则底泥为解吸(释放)状态，若q为负值，则底泥为吸附状态。
44.(5)环保疏浚深度确定
45.若某一深度以上底泥某污染物为解吸(释放)状态，以下各层底泥中各污染物均为吸附状态时，则将该深度认定为环保疏浚深度。如图4所示，d1孔底泥柱状样品1.0
‑
1.1m层及以上氨氮为解吸(释放)状态，1.1m以下为吸附状态。如图5所示，d1孔底泥柱状样品1.1
‑
1.2m层及以上总磷为解吸(释放)状态，1.2m以下为吸附状态，综合确定d1孔附近环保疏浚深度为1.2m。
46.综上所述，本发明基于河流水文特性，紧密结合水环境治理目标，克服了现有技术中的诸多问题，提供了一种快速确定河流污染底泥环保疏浚深度的方法，通过缩小试验测试范围和针对性的吸附解吸试验，快速准确判定河流污染底泥的疏浚深度，便于工程设计和工程应用，降低成本。本发明综合拐点法和解吸吸附法，利用拐点法缩小底泥吸附解吸试验的测试范围，即只对拐点上下共计50cm的底泥进行吸附解吸试验，利用解吸吸附法模拟新生表层底泥污染物释放行为，增加结果的准确性并提高效率。本发明根据水体治理目标要求，将采集的上覆水进行稀释而非使用实验室配置的溶液，可以更好地模拟实际环境。此
外，每层底泥仅进行目标水质的针对性吸附解吸试验，测试分析量降低，效率大大提升。
47.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。