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太湖底泥生态疏浚规划综述
太湖底泥生态疏浚规划综述
1.1项目背景
太湖面积2338km2,是我国第三大淡水湖泊,平均水深1.95m,属典型的平原浅水湖泊,具有防洪、供水、养殖、旅游和生态等综合功能,是流域洪水调蓄和水资源配置的主要水体,也是流域经济生活发展的重要自然资源。
上世纪80年代以来,由于流域经济高速发展与水环境保护工作相对滞后的矛盾,太湖水质污染与湖泊富营养化问题日益突出,受入湖河流污染和湖泊底泥影响,导致水质恶化,水体富营养化,蓝藻爆发,生态环境退化等一系列问题,直接威胁沿湖及流域供水安全和生态系统安全,制约流域经济社会可持续发展,严重影响全面小康社会建设和流域经济社会的现代化。
自1996年起,国家将太湖列入“三河三湖”重点水污染治理项目,全面开展太湖水污染治理。
过去数年中,在国务院有关部门的支持下,江苏、浙江、上海三省(市)开展了大量艰苦的工作,太湖水质恶化趋势初步得到遏制,但总体水质尚未得到根本好转。
至2005年,太湖总磷、总氮、高锰酸盐指数仍没有达到水污染防治计划的治理目标,局部湖湾水质仍在继续恶化。
2001年,温家宝总理在太湖水污染防治第三次工作会议上指出:
要加大清淤力度,减少底泥污染。
国务院批复的《太湖水污染防治“十五”计划》中明确指出,水利部要“统一管理、合理配置太湖流域水资源;严格取水许可管理。
采取节水、调水、清淤、水土保持等综合措施,加大流域水资源保护的力度;对引江济太和湖底清淤组织进一步论证,提出计划并组织实施”。
为此,2002年水利部将太湖底泥疏浚规划研究列入前期工作计划。
湖泊底泥是湖泊水生态系统的重要组成部分,是入湖物质如有机质、营养盐、污染物等的积蓄库,也是水土界面物质(物理的、化学的、生物的)积极交替带。
湖泊水体和底泥间是一个动态的可逆的物质交换过程。
一方面,进入水体的各类物质,经一系列物理、化学及生化作用,沉积于湖底,形成较低密度、高含水率、富含有机质和各类营养物质的淤积物,即湖泊底泥;另一方面,底泥在入湖河流、风浪、湖流、温度等外部因子作用下向上覆水体释放营养成分,对湖泊水质和富营养化过程产生影响和制约,这种影响在太湖这类大型浅水湖泊中尤为强烈。
因此,在继续做好太湖入湖污染源控制的同时,加紧研究和治理太湖底泥内源污染,对改善太湖水质、抑制富营养化发展,提升太湖有效保护、科学管理的内涵,具有十分重要的现实意义。
1.2规划研究过程
污染源控制(包括外源和内源)、生态修复、综合管理是湖泊水环境治理的三大战略措施。
为控制污染严重底泥对湖泊水体的影响,国内外多采取疏浚污染底泥的方式清除底泥污染物,削减底泥对上覆水体的污染贡献,这种有别于工程疏浚而应用于改善环境为目的的底泥疏浚,通常称之为“环保疏浚”。
随着人们对底泥在生态系统中作用的认识和生态保护要求的提高,近来又发展为“生态疏浚”,它以生态位修复为最终目的,在最大限度地清除底泥污染物的同时,为后续生物技术的介入创造条件。
在生态疏浚的基础上,通过工程措施、环境治理、生态工程和管理等综合工程和非工程措施,修复生态系统,保障河湖生命健康和可持续发展。
太湖底泥疏浚是生态以清除太湖污染底泥、修复湖泊生态为主要目的生态疏浚,疏浚将综合考虑底泥污染状况、湖泊生态系统修复、湖泊开发利用和湖周环境保护等一系列问题,是一项复杂的系统工程。
太湖是大型浅水湖泊,北部和东部湖岸曲折,湖湾众多,水动力及物质输移、扩散条件复杂。
上世纪80年代以来,入湖河道污染和污染物大量输入,加上湖区过度开发利用,导致局部湖泊底泥、生态系统发生重大改变。
目前太湖湖泊生态、开发利用等缺乏全面系统的调查和研究,加上湖泊生态疏浚尚处初创阶段中,缺少一套成熟的方法和经验,相关的技术尚在探索之中。
因此,太湖底泥疏浚需要在水质、底泥、生物、开发利用等全面系统调查的基础上,结合太湖底泥现状、污染特性及相关成果,研究底泥水土界面物质交换规律及污染底泥对水体的影响规律,论证疏浚的必要性和疏浚时机,初步确定生态疏浚范围、规模、疏浚工艺、分期实施、效果评估等,提出底泥处置、二次污染防治及底泥综合利用要求,为科学地指导太湖底泥疏浚工程实施提供科学依据。
2002年开始,太湖流域管理局(下简称“太湖局”)组织了7家在太湖规划设计、科学研究有长期积累和丰富经验的科研院所、勘测设计单位,对太湖底泥生态疏浚开展了大量的系统专题调查和研究。
总体可分为三个阶段:
第一阶段2002~2003年,资料收集和基础调查、研究阶段;第二阶段2004~2005年,污染底泥疏浚规划研究和湖盆土管理研究阶段;第三阶段2006年初开始的成果协调、汇总和报告编制。
上述工作层层推进,构成了太湖底泥生态疏浚规划研究工作体系。
2002~2003年,上海东南工程咨询有限责任公司(下简称“东南公司”)、江苏省工程勘测研究院、河海大学水资源开发利用国家专业实验室、太湖流域水文水资源监测局等多家单位承担开展了太湖底泥及污染情况调查,首次对太湖底泥分布和有关物理、化学指标和污染特性进行全面调查,摸清了太湖底泥规模、分布及污染现状。
2003年7月完成《太湖底泥与污染情况调查报告》,并通过了水利部组织的审查,为底泥生态疏浚规划奠定了基础。
为了分析了入湖河流水质与太湖底泥污染的相互影响,2004年上海东南工程咨询有限责任公司根据1998~2003年环太湖出入湖河流水量水质监测资料,对环太湖河流进出湖水量水质变化趋势及入湖污染负荷进行分析,完成《环太湖出入湖河流纳污量历史变化分析报告》。
为全面了解太湖湖面利用状况,分析湖面利用与太湖底泥污染的影响关系,2002年江苏省工程勘测研究院开展太湖湖面利用调查工作,对太湖湖面及近岸带开发利用情况进行了详细调查,2004年3月完成《太湖湖面利用调查报告》。
而后又委托天津采用先进的SiLas系统,重点对底泥淤积量大和污染较重的竺山湖、梅梁湖、贡湖等三个湖湾区进行了1:
10000水下地形测量,对底泥量及分布进行了更为详细的复核,完成了《××××淤泥测量报告》,为合理进行太湖底泥生态疏浚分区和开展疏浚规划提供依据。
为进一步研究污染底泥释放对湖泊水环境的影响,2003年中国科学院南京地理与湖泊研究所开展了太湖重点污染湖区底泥释放试验研究,对重点污染湖区底泥释放规律进行了较详细的探讨,初步掌握了各湖区的底泥内源在不同温度、上覆水下的释放变化情况。
在上述调查和研究的基础上,2004年中科院南京地理与湖泊研究所(下简称“南地所”)、上海勘测设计研究院(下简称“上海院”)联合开展了太湖底泥生态疏浚分区和湖泊生态现状分区研究工作及太湖底泥生态疏浚规划工作,2005年10月南地所编制完成了《太湖底泥生态疏浚分区方案研究报告》(讨论稿),将太湖底泥分布区域划分为推荐疏浚区、规划治理区、规划保留区和规划保护区四类区域。
上海院在生态疏浚分区研究的基础上,对疏浚规模、实施方案等进行了全面规划研究,2005年11月编制完成了《太湖底泥生态疏浚规划报告》(讨论稿)。
鉴于太湖污染底泥对水体影响和疏浚范围、规模确定的复杂性,2005年11月太湖局组织了由水利部、水利部水利水电规划设计总院、江苏省水利厅、无锡市水利局等专家参加的太湖底泥生态疏浚规划研究专家咨询会,对太湖底泥生态疏浚规划工作中的关键技术问题议、研究方法及总体框架进行了研讨,并提出了进一步完善的意见和建议。
2006年7月,报告经修改和完善后通过了太湖局组织的专家审查。
2006年开始,太湖局组织上海院、南地所、东南公司开展太湖底泥生态疏浚规划研究成果汇总工作,依据以上研究成果,结合太湖水质、生态、底泥等原有调查、研究,对太湖底泥生态疏浚研究最终成果的协调、分析和汇总,编制完成了《太湖底泥生态疏浚规划研究总报告》。
本规划研究借鉴国内外已开展的生态疏浚实践,对太湖底泥做了大量调查研究工作,在此基础上对底泥生态疏浚进行研究和探索,努力从科学的角度确定生态疏浚的范围和效果,提出适宜的疏浚规模和深度,在疏浚过程中减少对生物和环境资源的影响,减少施工期的污染,完善施工后的补救措施。
太湖底泥生态疏浚规划研究成果为太湖流域水资源保护和水污染防治的管理提供决策依据。
1.3规划研究主要内容
规划研究围绕底泥疏浚论证、实施关键技术问题开展规划研究,具体包括:
太湖底泥数量、分布,污染底泥数量、分布、污染程度、和性质,底泥污染与湖泊污染外源及关系,污染底泥对水质污染影响因素及影响规律,疏浚范围、深度、规模确定,生态疏浚实施方案、湖盆取土生态保护管理等。
1.3.1太湖底泥与污染情况调查
从上世纪六十年代开始,相关科研单位陆续对太湖底泥的淤积和分布特性开展调查和研究,但缺乏有针对性的系统型全面调查。
本次调查立足于生态疏浚论证、实施需要,重点调查以下内容:
(1)底泥时空分布特性调查
为查清底泥分布范围和厚度,确定太湖底泥蓄积量,将太湖分成15个区域,按网格法布置底泥测量点,进行水深、淤泥深度和平面坐标测量。
全湖测量点布置平均密度为3.6个/10km2,河流入湖口、湖湾区、水源地、重要旅游区域及水污染较重水域测点布置较密,完成测量点调查834个。
(2)底泥污染特性调查
选择部分测点进行底泥样的采集,对泥样进行底泥营养盐、还原性物质及重金属指标测定。
采样点重点布设于河流入湖口处、湖湾、沿岸带及7个大型自来水厂取水口附近,共设采样点263个,布设密度为1.1个/10km2,其中采集到底泥样的有223个,其他点因底泥层太薄未能采样。
。
底泥采集分表层样和柱状样。
柱状样按底泥实际淤积厚度分别按0~5cm、5~10cm、10~20cm、20~50cm、50~100cm分段取样,完成柱状分层样品583个,进行了底泥中有机质(OM)、总磷(TP)、总氮(TN)等营养盐和汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铜(Cu)、铬(Cr)、镉(Cd)等重金属指标测定。
表层223个样品加测pH值、氧化还原电位(Eh)、锰(Mn)、亚铁(Fe2+)、氨氮(NH3-N)等还原性物质含量。
(3)底泥物理特性分析
本次调查对底泥表层样进行粒径组成和湿密度等主要物理性质指标分析,完成样品数目223个。
(4)底泥间隙水测定
污染底泥一般通过底泥间隙水影响湖体水质。
调查测定了表层底泥间隙水中溶解成分,包括有机质(TOC)、总磷(DTP)、总氮(DTN)、pH值、氧化还原电位(Eh)、锰(Mn)、亚铁(Fe2+)、氨氮(NH3-N)等指标,完成样品223个。
(5)有毒害有机物样(残留农药)测定
主要入湖河港入湖口采样点处采取有毒害有机物样(即残留农药检测样),进行有机氯、有机磷农药含量测定,共采集、分析样品18个。
(6)1m长完整柱状样
为直观显示太湖典型湖区底泥分布状况,采用透明有机玻璃管制取7个1m长原状完整柱状样,密封、标记后供展示。
调查共采集表层样223个,表层间隙水样223个,柱状分层样583个,有毒害有机物样18个,1m长原状完整柱状样7个,样品合计1054个。
这是首次针对太湖底泥所开展的全面、系统及全覆盖的调查,完成的调查成果为底泥生态疏浚规划方案的进一步深入研究提供了基础依据。
1.3.2湖面利用状况调查
在对底泥现状进行大规模调查的同时,开展了与底泥相关的太湖湖面利用基本情况调查。
调查采用航摄遥感数字化成图方法,利用航片编制成1:
10000线划图配合实地调查,完成湖面调查面积2864.5km2,其中陆上面积526.3km2,净水域面积2327.9km2,岛屿面积10.3km2。
调查内容主要为:
近岸淤滩(芦苇滩)调查、围垦调查、鱼簖和围网养殖、水草分布、堤岸利用及外延背水面1000m范围内建筑物、取水口分布等调查项目。
完成1:
10000精度调查图106幅。
1.3.3太湖部分湖湾(竺山湖、梅梁湖、贡湖)湖底淤泥测量
为进一步确定底泥污染较重的太湖北部湖湾区污染底泥量,提高工作精度,采用了更先进的SiLas走航式适航水深测量系统,在淤泥不受任务扰动的环境下,客观、真实、高精度的测定底泥蓄积量和密度值。
对底泥分布较多的竺山湖、梅梁湖、贡湖等三个湖湾区的底泥量进行更详细的复测。
完成的复测区域分布为:
竺山湖73.5km2(按钻孔区域划分),梅梁湖124.9km2,贡湖163.8km2,合计362.2km2。
1.3.4出入湖污染负荷分析
为分析太湖底泥污染分布特性与环太湖出入湖河流水质和入湖污染负荷量的关系,采用1998~2003年连续6年的环太湖河流30个水质断面的实测资料,结合环太湖进出湖河流水文巡测资料,对环太湖河流进出湖水量、水质和污染负荷量进行计算分析。
分析指标包括高锰酸盐指数(CODMn)、总磷(TP)和总氮(TN)等与底泥污染特征相关指标。
1.3.5底泥释放试验研究
底泥释放试验研究重点开展了实验室模拟不同环境条件下水-土界面氮、磷、有机质等营养物质的静态释放规律研究,研究采用柱状芯样模拟法。
在重点湖区和主要出入湖口,用柱状采样器采集7个原状底泥样,在实验室控制条件下,研究不同水温及水质条件下底泥营养物质释放规律。
(1)不同环境温度底泥释放模拟研究
模拟不同环境温度下(控制条件5℃、15℃、25℃)底泥氨态氮(NH3-N)、磷酸根磷(PO43--P)、总氮(TN)、总磷(TP)和有机碳(TOC)的释放规律,研究底泥静态释放通量。
(2)水质变化对释放的影响
模拟水质改善后上述指标的释放规律变化,研究了上覆水水质对底泥静态释放通量的影响。
1.3.6底泥生态疏浚分区研究
污染底泥的分布与水质、污染源、水生态现状等息息相关,底泥生态疏浚分区涉及污染内源治理、水质改善和水生态保护等多个环境保护目标,根据湖区现状,各目标在不同湖区其一致性、协调性有较大差别。
因此,应建立科学评判体系,确定污染底泥疏浚区域,减小底泥疏浚的负面影响,使污染底泥生态疏浚取得最大的效益。
分区研究对底泥疏浚有关的环境参数指标进行分类,综合考虑各参数相互关系和对底泥疏浚的贡献,采用层次分析法确定。
(1)控制指标分析
多目标综合评价的指标选择底泥营养盐含量、重金属污染风险、内源静态通量、水质类别及营养水平、水生生物、底栖动物等共17个单项指标,利用现有实测资料对每个单项指标进行控制值分析,控制值所代表的等级表示对底泥疏浚的贡献程度。
(2)评价单元赋值
将太湖按经度1'×纬度1'划分成均匀网格,作为评价单元,将实测数据按一定的数学方法进行空间插值,获得各评价单元的模拟值。
(3)确定分区方案
在确定参评指标和指标权重的基础上,以加权求和的方法进行综合评价,按照空间连续性和整体性原则,依据分布图将得分相同或相近单元进行空间合并,从而得到底泥生态疏浚分区结果。
分区结果表示为4个相应等级的分区,即推荐疏浚区、规划治理区、规划保留区和规划保护区。
分区结果为太湖底泥生态疏浚规划提供了重要判断依据。
1.3.7生态疏浚规划
根据生态疏浚的目的和要求,研究确定疏浚范围、深度、规模和生态疏浚实施方案,从工程技术经济角度制定切实可行的底泥生态疏浚规划方案。
(1)疏浚范围确定
规划以底泥分区研究成果为中推荐疏浚区和规划治理区为基础,采用底泥污染特征的定量分析方法-控制指标法,对污染控制指标OM、TP、TN进行太湖底泥背景值含量的统计分析,按标准偏差倍数法确定污染区域的分布范围和污染程度,结合防洪、供水等设施安全要求,确定规划底泥生态疏浚区。
(2)疏浚深度控制
目前尚无成熟的确定疏浚深度的技术规范和方法。
规划利用底泥柱状样的监测成果,分析各湖区内各片规划疏浚区污染物质含量的垂直分布规律,采用拐点法和浓度控制值法,结合疏浚设备的疏浚精度,确定污染底泥的疏浚层位。
(3)底泥生态疏浚施工规划
根据底泥生态疏浚的特定要求,从工程实施可行性角度及疏浚对防洪、供水等设施安全要求,按工程要求比选生态疏浚设备、排泥场,对底泥处置和疏浚余水处理提出规划设计要求。
(4)生态疏浚试验工程
根据太湖大型浅水湖泊底泥生态疏浚的技术复杂性和探索性,在大规模开展污染底泥生态疏浚前,针对太湖污染底泥生态疏浚存在的关键技术问题,先行在局部底泥污染湖区开展生态疏浚工程试点。
结合水源地水质保护,规划初选了试验区域,提出了底泥疏浚条件、施工工艺、疏浚效果评价、底泥资源化利用、二次污染防治的工程性试验研究内容和要求,提出试点工程方案布置。
(5)湖盆取土生态保护管理研究
针对目前湖盆取土开发需求不断增长的现状,从生态保护角度对湖盆取土进行了区域的划分,提出了区域、施工方式、生态环境保护、生态修复等管理要求,提出了湖盆取土管理办法和程序。
上述工作环环紧扣,互为支撑,构成了太湖底泥生态疏浚规划研究的有机整体。
1.4规划主要结论
1、太湖底泥总蓄积量为19.12亿m3,其中淤泥量16.79亿m3,占88%,流泥量2.33亿m3,占12%。
湖区有底泥区面积为1546.8km2,占66%,梅梁湖、竺山湖及湖区西南部淤积较重。
湖内存在三条明显的底泥蓄积带,一自大浦口、茭渎港向东北至金墅港,二自新渎港沿西部沿岸往南至长兴分港,三自沉渎港向东北至漫山湖。
2、太湖底泥主要为有机污染型。
全湖底泥样品的有机质平均含量为1.46%,总磷平均含量为0.049%,总氮平均含量为0.0767%。
含量较高的区域分布在竺山湖、梅梁湖、贡湖、东太湖等湖湾,各湖湾底泥中有机质、总磷和总氮最大值分别达11.0%、0.333%和0.471%,约为全湖平均值的10倍。
入湖河口和局部湖区污染较为明显。
个别采样点重金属指标相对偏高,但重金属污染不明显。
营养物质含量高的湖区,底泥中各分层间含量分布一般都呈上高下低的趋势。
3、太湖近岸有淤滩面积7.03km2,主要分布在水涯线100m范围内,淤滩上一般长有芦苇;全湖水草总面积约393.72km2,集中分布在东西山之间与大钱口连线以东的湖区和胥湖,主要品种有微齿眼子菜、马来眼子菜、苦菜和杏菜等,水草生长区底泥营养物质含量低于太湖平均水平;全湖区围垦面积103.78km2,围网面积133.3km2,主要分布在东太湖、竺山湖,过度围网围垦养殖污染湖泊底泥,东太湖湖区底泥的有机质、总氮含量分别是太湖平均的1.9倍和2倍;湖区内有水厂取水口19个,分布在梅梁湖的马山、充山水厂取水口湖区底泥污染相对较重。
4、太湖出入湖河流高锰酸盐指数、总磷、总氮等污染物的年均净入湖量分别为2.08万t、0.11万t和2.55万t,进入竺山湖、梅梁湖、贡湖的污染物总量占全湖入湖总负荷的2/3以上。
入湖河流水质与受纳湖湾底泥污染存在一定关系,西北部入湖河流水质较差,相应竺山湖、梅梁湖等湖湾底泥中有机质、总磷、总氮含量较高。
5、底泥释放试验表明,北部的梅梁湖、竺山湖和贡湖局部区域等范围内的采样点底泥中氮、磷、有机碳等污染物总体呈释放状态,且存在温度升高、底泥污染物释放负荷加大的趋势。
水质改善后,水-土界面浓度差变大,底泥释放速率有所加快。
因此,北部湖区存在着较大的底泥污染释放风险。
北部湖区在加强外源治理的同时,开展生态疏浚,对改善湖泊水质、恢复湖泊生态系统、保障湖泊生态系统健康是十分必要的。
6、太湖底泥生态疏浚分区研究提出将太湖底泥分布区域按不同等级分为推荐疏浚区、规划治理区、规划保留区和规划保护区四种类型。
推荐疏浚区面积78.00km2(数字均未改),规划治理区面积410.40km2,规划保留区面积643.63km2,规划保护区面积680.82km2。
推荐疏浚区主要分布在北部的竺山湖、梅梁湖等底泥污染严重、水草分布较少、水生生物多样性较低、蓝藻水华多发的的湖区内;规划治理区主要分布在太湖西北区、湖心区北部及东北部、贡湖和东太湖的一部分,是底泥污染相对较重的区域;规划保留区主要包括太湖西南区一部分、湖心区南部、贡湖的大部,底泥污染状况一般的区域;规划保护区所在的太湖西南区、东部滨岸区和东太湖的一部分底泥污染程度较低,水质较好,水草分布较多,水生生物种类较丰富的区域。
7、在以上底泥生态疏浚分区的基础上,经对底泥内在污染状况及相关因素的技术经济分析,确定太湖底泥规划疏浚面积93.65km2(数字均未改),约占太湖水域面积的4.0%,平均疏浚控制深度34.7cm,疏浚规模为2511.6~3448.1万m3,疏浚区域包括太湖北部的竺山湖、梅梁湖、贡湖以及东太湖等。
疏浚工艺以绞吸式挖泥船为主,工程估算投资约8.84~12.14亿元。
8、根据湖区外源控制条件、底泥污染特性和工程实施条件,结合水源地保护,经比选初步确定梅梁湖和贡湖局部区块为工程试验区,试验区域疏浚面积4.15km2,疏浚工程量104.5~146.0万m3。
9、底泥生态疏浚规划实施后,可清除底泥中含有的有机质117.0~160.7万t(数字均未改),总磷1.87~2.56万t,总氮4.62~6.35万t。
底泥生态疏浚对于降低湖泊内源污染负荷,控制底泥污染,改善和提高太湖及疏浚区域的水环境、水生态、水景观具有积极的作用。
10、湖盆取土将对取土区生态环境产生显著影响。
综合考虑湖盆地形、生态环境现状及防洪安全等因素的影响,将太湖划分的可利用区、限制开发区和严格控制区三个湖盆取土分区。
加强湖盆取土管理,实施湖盆取土许可制度、环境影响评价制度和生态修复补偿制度等管理制度,将湖盆取土和环境修复纳入工程管理程序。
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