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热带海洋学报 >

2025 , Vol. 44 >Issue 4: 200 - 209

DOI: https://doi.org/10.11978/2024243

海洋环境科学

厦门杏林湾沉积物有机质、氮、磷污染空间分布及治理对策

  • 陈建勇
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  • 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200092
陈建勇。email:

陈建勇(1981—), 男, 广东省东莞市人, 硕士研究生, 高级工程师, 主要从事水利、水环境规划及设计工作。email:

Copy editor: 孙翠慈

收稿日期: 2024-12-30

  修回日期: 2025-01-20

  网络出版日期: 2025-02-10

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Spatial distribution and control strategies of organic matter, nitrogen, and phosphorus pollution in sediments of Xinglin Bay, Xiamen

  • CHEN Jianyong
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  • Shanghai Municipal Engineering Design Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China
CHEN Jianyong. email:

Received date: 2024-12-30

  Revised date: 2025-01-20

  Online published: 2025-02-10

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摘要

封闭海湾沉积物的污染状态直接影响海岸生态环境安全。杏林湾作为人工封闭海湾, 在实施环湾截污措施后, 水质仍存在不稳定达标风险, 危及区域城市经济与社会发展。本文对厦门杏林湾沉积物样品的污染状态进行分析和指标评价, 并提出相应治理对策。分析表明, 湾区表层沉积物有机质(organic matter, OM)含量为1.93%~15.40%, 总氮(total nitrogen, TN)含量为650~3980mg·kg-1, 总磷(total phosphorus, TP)含量为311~2470mg·kg-1, 三者均呈现北侧河口和环湾东西两侧区域高, 中部和近海堤处低的分布规律。表层沉积物有机指数为0.07~2.53, 中度和重度污染点位占比54.3%, 主要分布在北侧河口、环湾区域; 表层沉积物TP单因子指数为0.52~4.12, 中度和重度污染点位占比30%, 分布特征与前者类似。沉积物OM、TN、TP污染垂向分布特征表现为含量随采样深度增加逐渐降低, 环湾东西两侧及北部河口区域表层污染富集现象明显。针对评价结果, 提出环保清淤与原位生态基底修复相结合的内源头污染分区、分质治理方法, 可为杏林湾水环境综合治理提供技术支持。

关键词： 封闭海湾; 沉积物; 污染评价; 内源污染治理

本文引用格式

陈建勇 . 厦门杏林湾沉积物有机质、氮、磷污染空间分布及治理对策[J]. 热带海洋学报, 2025 , 44(4) : 200 -209 . DOI: 10.11978/2024243

Abstract

Sediment pollution in closed bays poses a direct threat to the ecological security of coastal environments. As a closed bay, Xinglin Bay faces ongoing challenges in maintaining stable water quality despite implemented pollution control measures, posing risks to regional economic and social development. To address this issue, we analyzed and evaluated sediment samples collected from Xinglin Bay and proposed corresponding control strategies. Our analysis indicated that the surface sediments in the bay area contain organic matter (OM) ranging from 1.93% to 15.40%, total nitrogen (TN) ranging from 650 to 3980 mg·kg-1, and total phosphorus (TP) ranging from 311 to 2470 mg·kg-1. These pollutants were more concentrated in the eastern and western rims of the bay and the northern estuary, while lower concentrations were detected in the central area and near the seawall. The organic pollution index of surface sediments ranged from 0.07 to 2.53, with 54.3% of sampling sites showing moderate to severe pollution, particularly near the northern estuary and bay rims. Similarly, the TP single-factor index ranged from 0.52 to 4.12, with 30% of sites showing moderate to severe pollution, following a distribution pattern similar to OM and TN. Vertical distribution analysis indicated that OM, TN, and TP concentrations gradually decreased with depth, with significant enrichment in the surface layers, especially in the eastern and western bay rims and the northern estuary. Based on these pollution evaluation results, we recommend a combination of conventional dredging and in-situ ecological restoration measures. This integrated approach can provide technical support for the comprehensive improvement of the water environment in Xinglin Bay.

Key words： closed bay; sediments; pollution evaluation; internal pollution control

海岸及毗连海域是人类活动最强的区域之一, 日趋增强的人类活动影响直接构成海岸及毗连海域的生态安全风险(戴志军, 2022)。其中海湾因其优越的区位、环境、资源条件, 在我国经济建设和社会发展中具有极其重要的战略地位, 但基于海湾相对封闭的自然属性, 高强度的人类开发活动, 导致氮、磷及毒害污染物等大量输入湾内, 对海湾水质和沉积物质量产生显著影响(黄小平 等, 2016), 而富集氮、磷等物质的近海沉积物发挥着营养源作用, 不断向上覆水释放, 对水体富营养化具有重要的贡献(岳维忠 等, 2003)。国内对于近岸海域沉积物有机质(organic matters, OM)、有机碳(total organic carbon, TOC)、总氮(total nitrogen, TN)、总磷(total phosphorus, TP)等的含量及分布特征等方面有大量的调查研究工作(谷阳光 等, 2010; 吕桂才 等, 2010; 王文婷 等, 2019), 对揭示我国近岸海域的污染状况和相关机理有积极意义, 但对于封闭海湾的相关研究并指导内源污染治理的报道却较少。本文以厦门杏林湾为例, 对其封闭海湾内沉积物有机质及氮磷污染状态进行空间分布特征分析与评价, 并基于分析评价结论提出内源污染分区分质治理对策, 旨在为杏林湾及同类封闭海湾水环境综合治理和保护提供技术支持与参考。

1 研究区域概况

杏林湾原为内一个小型开阔海湾, 经1956年修筑集杏海堤后成为封闭海湾。杏林湾为典型浅水海湾, 总面积约10.82km2, 其中水域面积约6.90km2, 水深大部分在5m以内, 流域内有后溪、九天湖排洪渠、港头溪、锦园溪、董任排洪渠和华大排洪渠6条入湾河道, 集水面积209.3km2, 湾外为厦门湾西海域。杏林湾因上游降水的汇流补给, 北部形成淡水水域(盐度在l.0‰以下); 南部由于西海域海水通过集杏海堤渗透进入, 形成咸淡混合水体, 但盐度较低, 属寡盐水环境(盐度在l.0‰~3.5‰之间)(龙邹霞, 2007)。原杏林湾仅通过集美水闸排洪(涝), 2013年厦门市实施了集杏海堤开口工程、建设, 在集杏海堤上新建集杏海堤水闸, 闸孔总净宽264m, 2018年实施了杏林湾排涝泵站建设, 泵站规模280m3·s-1, 杏林湾流域整体防洪排涝能力得到了提高, 但其封闭海湾的属性未有改变。海堤和水闸的建设为区域社会经济发展提供了便利, 但同时也截断了原有的潮汐通道, 海湾与外海的水交换随之亦被阻断, 多年来陆源输入污染不断在湾内累积。目前杏林湾正实施一系列截污、水质提升等整治措施, 但海湾水质仍无法稳定达标地表Ⅴ类目标水质要求, 基于湾内沉积物污染的空间分布特征分析与内源污染治理是杏林湾水环境综合整治中的重要一环。

2 材料与方法

2.1 样品采集

杏林湾东西长约2.6km, 南北长约3.4km, 为精确获取沉积物的基础数据, 结合已有资料对湾内初步确定为低污染区域按500m×500m网格进行采样, 在入湾河口、海湾近岸等不规则区域按250m×250m网格进行加密, 湾内总共布置46个沉积物采样点(其中1—19位号为北侧后溪、九天湖、港头溪入湾河口区域, 21、28、31、33、37号为西侧区域, 20、27、30、32、35、36、39、40、44号为东侧区域, 22、23、24、25、26、29、34、38、42号为中部区域, 41、43、45、46为近海堤区域), 采样点位详见图1。每个点位采用柱状采样器采集沉积物柱样, 因不同点位采样条件差异, 采样深度在1.0~3.0m之间, 所采集的沉积物柱样按每0.5m间隔取其中砂砾石较少、具有代表性的混合样, 共得到251个样品。现场采集的样品放入干净的聚乙烯自封袋中, 带回实验室低温保存。
图1 沉积物采样点位图

该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1825号的标准地图制作

Fig. 1 Sediment sampling locations

2.2 样品分析方法

在实验室对杏林湾的沉积物样品进行OM、TN以及TP含量的测定, 其中OM采用重铬酸钾容量法测定, TN和TP分别采用GB 17378.5-2007海洋监测规范 第5部分 沉积物分析附录D凯式滴定法测定和附录 C分光光度法测定(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 等, 2007)。每个沉积物样品分表、中、底分层测定污染物含量, 0~0.5m为表层, 0.5~1.5m为中层, 1.5m以下为底层, 代表样本分别取深度0m与0.5m两者样品中的大值、1.0m、1.5m以下样品中的大值。

2.3 污染指数评价方法

(1) 有机污染指数法
采用有机污染指数法对沉积物OM的污染程度进行评价(隋桂荣, 1996; 邱祖凯 等, 2016), 该方法常被用作水域沉积物环境状况的指标, 评价指标见表1, 计算方法如下:
有机指数(IO)=有机碳(%)×有机氯(%)
有机碳(%)=有机质(%)/1.724
有机氮(%)=总氮(%)×95%
其中, TN需换算成百分比单位形式, 即1000mg·kg-1 = 0.1%。
表1 沉积物中有机指数评价标准

Tab. 1 Evaluation criteria for organic index in sediments

有机指数(IO) 类型 等级
<0.05 清洁 Ⅰ
[0.05, 0.20) 较清洁 Ⅱ
[0.20, 0.50) 尚清洁 Ⅲ
≥0.50 有机污染 Ⅳ
(2) 单因子污染指数法
采用单因子污染指数法对沉积物TP的污染程度进行评价(隋桂荣, 1996; 邱祖凯 等, 2016), 该方法常被用于评价各个污染因子的污染状况, 评价指标见表2, 计算方法和如下:
I TP = C T P / C TPS
式中, I TP为总磷的污染指数, C T P为总磷的实测浓度, C TPS为总磷在环境评价中的标准值, 单位为mg·kg-1。
表2 沉积物TP污染指数评价标准

Tab. 2 Evaluation criteria of total phosphorus (TP) pollution index in sediments

单因子污染指数 类型
<0.5 清洁
0.5~1.0 轻度污染
1.0~1.5 中度污染
≥1.5 重度污染

3 结果及讨论

3.1 表层OM、TN、TP含量及平面空间分布

一般而言, OM、TN、TP等污染物会在表层沉积物较为富集, 同时表层也是底栖动物生活, 容易受到扰动而释放污染的沉积物垂直范围。根据分析结果, 由于个别点位不同深度的OM、TN、TP含量差异较大, 为减少采样误差、准确分析湾内沉积物的污染平面空间分布, 取每个点位表层(0.5m范围以内)样品中OM、TN、TP含量的较大值(作为污染层代表值)进行对比分析。

3.1.1 表层有OM含量及平面空间分布

有机质是一种在自然界中广泛存在的化学物质, 其含量和成分可以反映生态环境的变化和污染程度。杏林湾表层沉积物OM平均含量为4.26%, 其变化范围为1.93%~15.40%, 空间分布差异较大, 整体呈现环湾两侧、北部入湾河口高于其他区域的特征。各分区的污染状况对比, 整体上呈现西侧区域>东侧区域>北侧入湾河口区域>中部区域>近海堤区域。大于平均值4.26%的点位均出现在东、西两侧及局部北侧河口区域, 其中最高值出现在九天湖出口14号, 高达15.40%, 西侧区域31号、东侧区域30号点位分别达到9.81%、9.33%(图2深色区域), 而中部及近海堤区域含量均低于平均值(图2较浅色区域)。
图2 表层沉积物OM含量平面空间分布

Fig. 2 Spatial distribution of organic matter (OM) content in surface sediments

3.1.2 表层TN含量及平面空间分布

表层沉积物中TN平均含量为1489mg·kg-1, 其变化范围为650~3980mg·kg-1, 空间分布差异大, 且含量普遍偏高, 大部分点位均高于1000mg·kg-1。TN空间分布与OM稍有不同, 整体上呈现环湾两侧及北部入湾河口区域高, 中部及近海堤区域低的特征。各分区的污染状况对比, 东侧区域>西侧区域>北侧入湾河口区域>中部区域>近海堤区域。环湾两侧及北部入湾河口区域所有点位的表层沉积物TN含量均高于1000mg·kg-1, 且平均值高于1500mg·kg-1, 含量最大的三个点位分别为西侧区域30号、北部九天湖出口14号、北部后溪河口3号, 分别为3980、2980、2770mg·kg-1; 中部区域TN含量较低, 而近海堤区域含量最低, 平均值下降至1000mg·kg-1以下(图3)。
图3 表层沉积物TN含量平面空间分布

Fig. 3 Spatial distribution of total nitrogen (TN) content in surface sediments

3.1.3 表层TP含量及平面空间分布

表层沉积物中TP平均含量为724mg·kg-1, 其变化范围为311~2470mg·kg-1, 空间分布差异大, 且含量普遍偏高, 大部分点位高于600mg·kg-1。整体空间分布特征与TN类似, 呈现北侧入湾河口、环湾东西两侧区域高, 中部及近海堤区域低的特征, 各分区的污染状况对比, 整体上呈现北侧入湾河口区域>西侧区域>东侧区域>中部区域>近海堤区域。北部入湾河口区域TP含量最高, 全湾区最高值为北部九天湖出口14号点位2470mg·kg-1, 其次为环湾西侧21号点位1540mg·kg-1; 北部入湾河口区域1—4号点位在1500mg·kg-1上下, 随靠近湾区方向梯度降低; 东侧区域个别点位较高, 如30、40号点位分别为1040、1060mg·kg-1, 其余均小于600mg·kg-1; 中部及近海堤区域较低, 基本小于600mg·kg-1(图4)。
图4 表层沉积物TP含量平面空间分布

Fig. 4 Spatial distribution of total phosphorus (TP) content in surface sediments

3.2 表层沉积物碳氮比(C/N)及OM、TN、TP相关性分析

湖库等水体中沉积物有机质的形成主要依靠陆域汇流输入和水中自身生物合成(祁闯 等, 2019), 由于陆生高等植物纤维素含量较高而蛋白质含量较低, 而湖泊内源有机质富含蛋白质、纤维素含量低, 因此沉积物的碳氮比(C/N)通常用于分析沉积物中有机质的来源。计算杏林湾表层沉积物的碳氮比, 其平均值为16.9, 变化范围为11.0~48.7, 空间分布上西侧区域最高, 其余区域相差不大, 但均值都在14以上, 表明杏林湾内有机质的来源以陆源输入为主, 远大于自身生物合成。
对表层沉积物OM、TN、TP含量进行Pearson线性相关性分析, 根据相关性分析结果, OM分别与TN、TP呈现出极显著相关, 相关系数分别为0.704、0.689, 表明杏林湾表层沉积物中TN、TP的来源与OM之间都有着较高的同源性, 但TN与TP之间相关性相比则稍低。此结果与湾内表层沉积物OM、TN、TP含量均为北侧入湾河口、环湾东西两侧分布值高, 但TN、TP含量最高值却不完全相同的结果相吻合, 反映出两者含量既有相似而又有差异的特性, 为沉积物内源污染的精准治理带来了难度。

3.3 污染物垂向分布特征

3.3.1 OM垂向分布特征

北部入湾河口区域除北部九天湖出口14号表层极高点位外, 其余点位OM垂向分布上最高含量在2.1%~3.9%之间, 中部区域OM垂向分布最高含量在1.9%~4.1%之间, 近海堤处OM垂向分布最高含量在2.3%~3.1%之间, 该三处区域OM含量均在表层为最大, 在深度0.5m以下逐渐降低, 但相对富集特征并不明显, 除14号点位之外整体含量并不高(图5); 分析原因该三处为杏林湾引排水主要通道, 为湾内水动力相对最强区域, 水深也相对较大, 沉积物相对较难堆积, OM含量基本上在平均值上下。西部和东部环湾区域OM垂向分布上最高含量分别为3.0%~9.8%和2.3%~9.3%, 平面空间差异较大, 且随着沉积深度的增加降低较快, 特别是表层OM含量高、有机指数为Ⅳ级污染的30、31点位, 以及北部九天湖出口14号点位, 其表层富集现象十分明显, 分析主要原因是污染物在随河流入湾或排口溢流后扩散并在水动力较差的环湾及岛间区域累积所致。同时这些垂向分布表层富集明显的点位的表层氧化还原电位均为负, 处于缺氧状态。
图5 沉积物OM、TN、TP污染垂向分布

Fig. 5 Vertical distribution of OM, TN, and TP pollution in sediments

3.3.2 TN垂向分布特征

北部入湾河口区域沉积物TN具有与OM相似的垂向分布特征(图5), 除北部九天湖出口14号表层极高点位外, 其余垂向分布最高含量为890~2980mg·kg-1, 其含量随采样深度的增加逐渐降低, 表层富集现象较为明显。中部、近海堤处区域沉积物TN垂向分布最高浓度分别为900~1910mg·kg-1、650~1090mg·kg-1, 因处于引排水主要通道上, 其表层富集现象相对不明显。西部环湾区域TN垂向分布上最高含量分别为1090~2180mg·kg-1, 与OM分布有所不同, 垂向上先出现反转后再随深度增加而降低, 部分点位的最大污染层位于0.5~1.0m之间, 表层富集现象相对不明显, 可能与近期的污染负荷有所控制有关。东部环湾区域TN垂向分布上最高含量为960~3980mg·kg-1, 沿湾污染汇入导致沉积物表层TN富集较为明显。沉积物TN垂向分布表层富集主要由于外源性污染不断输入, 悬浮物扩散不断沉降, 表层(0~50cm)沉积物未完全矿化分解, 故含量大于中层和底层沉积物。

3.3.3 TP垂向分布特征

北部入湾河口区域除北部九天湖出口14号表层极高点位外, TP垂向分布最高含量为547~1770mg·kg-1, 随采样深度的增加降低, 大部分区域TP污染指数为中度至重度污染, 尤其靠近河口处TP垂向分布整体呈重污染, 且表层富集现象明显。中部、近海堤处区域沉积物TP垂向分布最高含量分别为490~886mg·kg-1、514~639mg·kg-1, 表层富集现象不明显。湾区西部区域沉积物TP垂向分布最高含量为528~1540mg·kg-1, 东部区域TP垂向分布最高浓度为482~1060mg·kg-1, 表层富集现象明显, 沿湾污染汇入同样导致沉积物表层TP富集较为明显(图5)。总体上湾区北部、西部、东部沉积物中TP平面分布较高, 且具有明显的表面富集现象, 表层TP含量高并因沉积物表层厌氧环境的存在, 导致向上覆水中释放速率更快, 也是目前湾区水质TP超标的重要影响因子。

3.4 OM、TN、TP污染评价

3.4.1 OM及TN污染评价

有机质含量是评判有机污染的重要指标, 有机质的分解对沉积物氮磷污染的释放也将产生促进作用(Müller et al, 2016; Bastami et al, 2018)。对照其他已有研究结果, 2019年太湖竺山湾沉积物OM含量为1.36%~ 2.18%(方家琪 等, 2019), 2004年巢湖东部沉积物OM平均含量2.016%(王永华 等, 2004), 杏林湾OM平均含量略大于两者水平。
对杏林湾沉积物样品分析结果进行有机指数评价, 结果显示表层沉积物有机指数为0.07~2.53, 54.3%的点位为Ⅲ级和Ⅳ级污染程度, 主要分布在北侧入湾河口、环湾区域(图6)。分析其原因, 一是受北侧入湾河流污染汇入的直接影响, 污染物不断在入湾河口积聚, 导致OM和TN含量不断增加; 二是在环湾东侧、西侧区域, 沿湾雨污混流排口截污不彻底, 受到雨季溢流污染和初雨面源污染直接冲击影响; 三是受湾区整体水动力影响, 环湾东侧、西侧及岛屿间等水循环受阻区域附着污染的悬浮物容易堆积。湾内中层沉积物有机指数在0.01~1.09之间, 约10%的点位为Ⅲ级和Ⅳ级污染程度; 底层有机指数在0.00~0.23之间, 仅2%的点位为Ⅲ级和Ⅳ级污染程度。
图6 表层(左图)、中层(中图)和底层(右图)沉积物有机指数评价结果

Fig. 6 Evaluation results of organic index in surface (left), middle (center), and bottom (right) layer sediments

参考美国环保署(United States Environmental Protection Agency, USEPA)制定的沉积物TN污染评价标准, 沉积物TN含量低于1000mg·kg-1时为清洁; 1000~2000mg·kg-1时为轻污染; 大于2000mg·kg-1时为重污染(USEPA, 1977), 杏林湾TN大部分区域为轻度污染至重度污染。结合相关参考文献, 我国国内湖泊TN背景值690~961mg·kg-1(李敏 等, 2018), 我国东部浅水湖泊TN基准阈值为1106.24~1115.19mg·kg-1(王健 等, 2014), 可以发现湾区大部分区域沉积物表层TN含量超过了我国国内湖泊背景值和基准阈值。参考加拿大安大略省《沉积物质量评价指南》(Persaud et al, 1993), 表征沉积物已受污染、但多数底栖生物可以承受的TN含量为550mg·kg-1, 杏林湾沉积物TN污染导致的生态效应已不容忽视。结合湾区表层沉积物碳氮比, 表明表层沉积物以陆源性输入为主, 且湾区为浅水海湾, 沉积物受风浪的影响较大, 浅水区营养物质频繁的再悬浮导致水体透明度低, 不利于沉水植物等高等水生植物生长。

3.4.2 TP污染评价

参考美国环保署(USEPA)制定的沉积物TP污染程度评价标准, 小于450mg·kg-1属轻度污染区, 450~650mg·kg-1属中度污染区, 大于650mg·kg-1属重度污染区, 对照TP含量分析结果, 表明杏林湾的沉积物大部分已经达到了重度污染区。结合我国国内湖泊TP背景值543~585mg·kg-1(李敏 等, 2018), 我国东部浅水湖泊TP基准阈值为454.51~459.03mg·kg-1(王健 等, 2014), 湾区表层沉积物TP大部分区域也超过了国内湖泊背景值和基准阈值。参考如加拿大安大略省环境和能源部颁布的《沉积物质量评价指南》(Persaud et al, 1993), 表征沉积物已受污染、但多数底栖生物可以承受的TP含量为600mg·kg-1, 杏林湾沉积物TP污染导致的生态效应更为突出。考虑到杏林湾具有与内陆湖库不同的沉积物属性, 参考了用于评价海洋沉积物的加拿大《沉积物质量评价指南》中的TP生态毒性含量阈值(Persaud et al, 1993), 本次TP单因子评价Cis取600 mg·kg-1。
基于此阈值计算得到的TP单因子评价结果(图7)表明, 杏林湾表层沉积物TP单因子评价污染指数为0.52~4.12, 约30%的点位为中度和重度污染区域, 主要分布在北侧入湾河口、环湾两侧区域。中层沉积物TP单因子评价污染指数为0.32~2.95, 约20%的点位为中度和重度污染区域, 底层沉积物TP单因子评价污染指数为0.29~2.23, 约7%的点位为中度和重度污染区域, 中层和底层沉积物总磷污染程度具体分布特征与表层类似。已有研究表明, 湖泊外源污染得到有效控制后, 内源污染磷的释放是导致水体富营养化的关键因素, 厌氧和缺氧条件更有利于沉积物中TP污染释放(高湘 等, 2015)。目前, 湾区表层氧化还原电位为-276.40~54.30mV, 低氧化还原电位的缺氧条件更将导致沉积物中TP更多释放到间隙水中。
图7 表层(左图)、中层(中图)和底层(右图)沉积物磷单因子指数评价结果

Fig. 7 Evaluation results of single-factor index for phosphorus in surface (left), middle (center), and bottom (right) layer sediments

4 治理对策

根据前述对杏林湾沉积物污染空间分布与评价, 表明其陆源性污染输入明显, 并且与区域快速发展息息相关, 分析其水环境主要存在问题包括: (1)入湾河流污染; (2)环湾面源及溢流污染; (3)沉积物内源污染释放; (4)受沉积物和水质影响导致的水生态失衡; (5)因湾区封闭导致水动力差、环境容量下降。水环境治理具有较强的系统性, 基于杏林湾沉积物污染现状与存在问题, 系统化综合治理对策应包括: 入湾河道整治、环湾污染拦截、内源污染清除及生态基底修复、生态系统构建等。

4.1 入湾河道整治

根据前述分析结果, 杏林湾沉积物OM、TN、TP含量及指标评价结果显示北部入湾河口区域为污染严重区域, 表明入湾河流污染是目前汇入湾区污染负荷占比最大的部分。针对入湾河道污染现状, 需采取工程措施最大限度削减入湾污染, 包括完善河道沿河区域污水收集处理、雨污混流排口整改、雨水排口就地拦截净化处理等措施; 入湾河流的沉积物内源污染需实施污染底泥清除和生态基底修复; 在河流末端入湾处构建入河口湿地, 净化河流水质的同时可恢复湾区生态系统多样性。

4.2 环湾污染拦截

根据前述分析结果, 沉积物OM、TN、TP含量及指标评价结果显示环湾东西两侧区域为污染严重区域, 表明环湾面源及溢流污染较为严重。目前环湾雨污混流排口已完成截流整治, 仅有雨水排口直接入湾, 但由于截流能力有限, 雨天仍存在面源污染或溢流风险, 需进一步完善环湾污水截流系统和初雨调蓄设施。流域内有条件区域可规划建设初雨调蓄池, 无条件建设初雨调蓄池且有高溢流污染风险的雨污混流排口, 可就地设置车载一体化污水处理设备和生态滤床等高负荷生态处理措施, 实现溢流污染就地处理后补入湾区。针对环湾初雨地表径流直接汇入区域, 结合下凹式绿地、生态植草沟等海绵措施, 构建缓冲带拦截净化和植草沟过流拦截及环湾小微湿地群末端净化的多级净化生态廊道, 采用生态手段实现地表径流污染控制。

4.3 内源污染治理

4.3.1 分区分层治理原则

外源污染得到有效控制之后, 内源(沉积物)污染的释放将继续成为水质不稳定的主因, 因而内源污染治理是水环境综合治理中的重要内容。由于湖库、沿海封闭海湾等水体面积大, 传统的水利清淤“一刀切”解决方案普遍面临着清淤方量巨大、底泥无处消纳的困难。基于对杏林湾沉积物污染的空间分布分析与评价, 可为内源污染治理的精准化、减量化和资源化提供技术依据。本文基于分析与评价结果, 重点论述内源污染治理对策, 提出清淤与原位生态基底修复相结合的分区分层治理方案。
制定的杏林湾内源污染分区分层治理方案如下:
(1)对有机指数或TP单因子指数评价为重度污染和中度污染区域进行清淤去除;
(2)对有机污染指数为轻度、TN≥1000mg·kg-1且400mg·kg-1≤TP≤600mg·kg-1区域, 采取原位生态基底修复方式进行沉积物内源污染控制;
(3)对于指数评价为清洁, 或轻度污染且TN≤1000mg·kg-1、TP≤400mg·kg-1的区域, 可不进行治理。
清淤厚度(depth, d)及原位修复区域划分详见图8。
图8 清淤及原位修复区域划分图

Fig. 8 Division of dredging and in-situ ecological restoration zones

4.3.2 清淤方法

在划定分区后, 清淤区域可采用环保绞吸式挖泥船作为主要清淤设备进行精准清淤, 清淤深度与规模基于各点位沉积物的有机污染指数、磷单因子污染指数评价结果来确定。基于分区分层治理原则, 整个湾区最终清淤土方量将大幅减少, 关于清淤土方用途还可作进一步研究, 经科学处理后可尽量用于环湾地形塑造及绿化用土, 实现清淤土的资源化利用。

4.3.3 原位生态基底修复

原位修复区域可采用缓释除磷材料+沸石颗粒+水生植物恢复相结合工艺。由于沉积物中磷赋存形态包括有机磷和无机磷, 如无机磷包括铁铝结合态磷、钙结合态磷, 其中铝结合态磷受水体pH影响较大, 而钙结合态磷则相对稳定, 可有效抑制缺氧等还原条件下其他形态磷的释放(刘广容 等, 2008;朱明珠 等, 2009)。考虑到湾区沉积物中无机磷占比约70%, 重点采用镧系或者钙盐缓释除磷材料作为原位覆盖材料, 以化学沉淀、吸附和共沉淀等作用实现沉积物中磷固定形成稳定钝化层(马鑫雨 等, 2022)。沸石作为常用水质净化材料, 对水体中氨氮和总氮去除效果显著(张璐 等, 2018), 在除磷材料投加的基础上增加天然沸石, 可同时抑制沉积物氨氮释放和为底栖生物提供多样化栖息环境。
在上述基础上, 在盐度小于10‰的区域恢复以沉水植物为主的水生植物群落, 水生植物选用耐盐性强的篦齿眼子菜(Stuckenia pectinate)、川蔓藻(Ruppia maritima L.)和小茨藻(Najas minor)等, 由此形成湾区水生植物生长的先行示范区, 可为后续湾区的整体生态系统恢复创造良好的基础。

5 结论

1)杏林湾沉积物OM、TN、TP污染平面分布整体表现出环湾东西两侧区域、北部入湾河口较高, 中部及近海堤处低的相似规律。
2)湾区大部分区域表层沉积物TN、TP含量超过国内湖泊背景值。有机污染指数和单一污染指数评价结果发现: 表层有机指数为0.02~2.53, Ⅲ级和Ⅳ级污染区域点位占比54.3%; 表层沉积物TP单因子污染指数在0.52~4.12, 中度和重度污染区域点位占比30%。
3)北部入湾河口、环湾东西两侧等区域, 污染物垂向分布特征表现为含量随采样深度增加逐渐降低, 尤其污染严重的点位表层富集现象明显。表层污染超标及其释放, 是导致外源污染得到有效控制后水质仍未能达标的主要因素。
4)基于沉积物污染空间分布特征分析与评价结果, 提出综合治理对策, 并重点论述清淤与原位修复相结合的内源污染分区分质治理方案, 可为内源污染治理的精准化、减量化和资源化提供技术依据, 从而为整个湾区后续的生态系统恢复创造良好条件。

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