CN114184756B - 绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，包括在目标船附近水域设置一组采样点采集水样并检测各项指标，分析绞吸船清淤作业对水体水质实际影响范围；在目标水域采集柱状底泥水样通过模拟绞吸船对底泥扰动过程，扰动后检测各项指标，分析绞吸船清淤作业对上覆水水质的实际影响；在目标水域于绞吸船清淤作业前后分别采集柱状底泥水样并检测底泥各项指标，分析绞吸船清淤作业对底泥污染物含量实际影响。本发明通过现场监测与模拟实验相结合，从绞吸船清淤作业对水体水质的实际影响范围、对上覆水水质的实际影响、对底泥污染物含量的实际影响三方面进行分析，能够全面获知绞吸船清淤作业过程对周边水环境影响的客观分析评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，属于生态环境保护技术领域。
背景技术
长荡湖是太湖流域湖西区调蓄性湖泊，是太湖流域三大湖泊之一，被誉为金坛人民的母亲湖。长荡湖湿地生态系统保持完好，蕴含着秀丽的自然风光和丰富的动植物资源。为加强长荡湖保护，维护湖泊健康生命，实现湖泊资源可持续利用，有关部门组织实施长荡湖生态清淤工程，施工工艺中部分区域采用绞吸式清淤船带水作业(即绞吸船清淤)。然而，长荡湖污染物含量相对最高的区域紧邻长荡湖自来水厂取水水源地，这就需要分析评价绞吸船清淤是否会对水源地水质造成影响。环保型绞吸式清淤船是我国目前湖库底泥生态清淤工程中最为普遍应用的清淤设备。因绞吸头扰动或密封盖不完全封闭等原因，绞吸式清淤船作业时绞吸头周边水体存在程度不同的悬浮颗粒物含量增加等现象，可能对周边水体水质产生不利影响。因此，亟待研究出能够分析评价绞吸船清淤作业过程对周边水环境影响的方法。
发明内容
本发明的主要目的是：克服现有技术存在的问题，提供绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，通过现场监测与模拟实验相结合，能对绞吸船清淤作业的影响进行客观分析评价。
本发明解决其技术问题的技术方案如下：
一种绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步、以正在目标水域实施清淤作业的绞吸船为目标船，在目标船附近水域设置一组采样点，采集水样并检测各项指标，根据检测数据分析绞吸船清淤作业对水体水质的实际影响范围；
第二步、在目标水域采集柱状底泥水样，以室内模拟实验，通过模拟绞吸船对底泥的扰动过程，扰动后在水样放置不同时间时分别检测各项指标，根据检测数据分析绞吸船清淤作业对上覆水水质的实际影响；
第三步、在目标水域中于绞吸船清淤作业前后分别采集柱状底泥水样，并检测底泥各项指标，根据检测数据分析绞吸船清淤作业对底泥污染物含量的实际影响；
以上所有分析结果共同构成绞吸船清淤作业过程对周边水环境影响的分析结果。
该方法通过现场监测与模拟实验相结合，从绞吸船清淤作业对水体水质的实际影响范围、对上覆水水质的实际影响、对底泥污染物含量的实际影响三方面进行分析，能够全面获知绞吸船清淤作业过程对周边水环境影响的客观分析评价，为相关部门决定是否采用绞吸船清淤作业作为具体施工工艺提供客观参考依据。
本发明进一步完善的技术方案如下：
优选地，第一步中，所述绞吸船具有绞吸头；设置采样点时，在目标船附近水域中选取预定点，先设置若干条以该预定点为端点的射线状采样线，再设置若干以该预定点为圆心的同心圆，在每条采样线上与各同心圆的交点处分别设置采样断面，每个采样断面在水面下预定距离设置采样点；采样时，先在水面于各采样点位置设立标记，当目标船绞吸头移动至预定点时，在预定时间内将各采样点的水样采集完毕，所得水样为待测水样；此外，在采样线附近水域另设一组对照采样点，并在目标船绞吸头移动至预定点之前在各对照采样点采集水样，所得水样为对照水样。
更优选地，所述采样线有5条，相邻采样线之间的夹角均为45度；在每条采样线上分别在距离绞吸头0m、5m、10m、20m、30m、50m、100m处设置采样断面；所述预定距离为0.5m。
更优选地，检测的各项指标包括基本检测指标和附加检测指标，所述基本检测指标包括总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、氨氮浓度、高锰酸盐指数、以及主要重金属浓度，所述附加检测指标包括其余重金属浓度；所述主要重金属与其余重金属构成水体重金属，所述水体重金属由镉Cd、铬Cr、铜Cu、镍Ni、锌Zn、砷As、铅Pb、汞Hg构成；所述主要重金属为目标水域底泥各重金属中含量最高的重金属，所述其余重金属为水体重金属中除主要重金属外的其余重金属；
检测时，对于待测水样和对照水样均检测基本检测指标，且对于对照水样以及待测水样中的指定水样还要检测附加检测指标；
分析绞吸船清淤作业对水体水质的实际影响范围包括：根据总悬浮颗粒物TSS浓度检测数据分析绞吸头对水体TSS浓度的最大影响距离；根据总氮TN浓度、总磷TP浓度、氨氮浓度、高锰酸盐指数检测数据分析绞吸头对水体总氮TN浓度、总磷TP浓度、氨氮浓度、高锰酸盐指数的影响趋势；根据主要重金属浓度的检测数据、或者根据主要重金属浓度和其余重金属浓度的检测数据分析绞吸头对水体重金属浓度的的影响趋势。
采用以上优选方案，可进一步优化第一步的具体技术细节，利于取得更好的分析评价效果。
优选地，第二步中，所述柱状底泥水样分为优化组和模拟组；所述室内模拟实验包括优化条件步和模拟步；
所述优化条件步包括：将优化组的柱状底泥水样放入筒形容器中，放置至底泥与上覆水的分界面清晰稳定，将由电机驱动的搅拌桨插入水样中并设置在分界面上方的预设位置；预设不同的搅拌桨转速，并以搅拌桨在各预设转速下分别扰动柱状底泥水样，扰动预设时间后取适量上覆水检测总悬浮颗粒物TSS浓度，从而获得搅拌桨转速-总悬浮颗粒物TSS浓度数据的对应数据组；此外，在绞吸船清淤作业时取绞吸船的绞吸头旁水样并检测总悬浮颗粒物TSS浓度，检测结果记作浓度A，在上述对应数据组中找出最接近浓度A的总悬浮颗粒物TSS浓度数据，该总悬浮颗粒物TSS浓度数据对应的搅拌桨转速即为模拟转速；
所述模拟步包括：将模拟组的柱状底泥水样放入筒形容器中，放置至底泥与上覆水的分界面清晰稳定，将由电机驱动的搅拌桨插入水样中并设置在分界面上方的预设位置；将搅拌桨转速设定为上述模拟转速，并以搅拌桨扰动柱状底泥水样预设时间后停止转动，并开始计时；在预设时间点分别取适量上覆水检测各项指标。
注：柱状底泥水样本身即含有柱状底泥和水，放入容器时尽量保持柱状底泥原先的状态，在容器中静置后即形成底泥与上覆水的自然状态。
更优选地，在模拟步中，预设时间点包括：0.5h、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h。
更优选地，在模拟步中，检测的各项指标包括：总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度、磷酸盐浓度、以及重金属浓度，所述重金属包括镉Cd、铬Cr、铜Cu、镍Ni、锌Zn、砷As、铅Pb、汞Hg；
分析绞吸船清淤作业对上覆水水质的实际影响包括：根据总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度、磷酸盐浓度的检测数据分别分析绞吸船清淤作业对上覆水中总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度、磷酸盐浓度的影响趋势以及扰动后保持稳定所需的时间；根据各重金属浓度的检测数据分析绞吸船清淤作业对上覆水中各重金属浓度的影响趋势以及扰动后保持稳定所需的时间。
采用以上优选方案，可进一步优化第二步的具体技术细节，利于取得更好的分析评价效果。
优选地，第三步中，于绞吸船清淤作业前后分别采集柱状底泥水样时，采样器的采样管底端与水面的距离保持一致；先将各柱状底泥水样中的底泥按预设长度从上向下分割成小段，再对各小段底泥进行检测。
更优选地，第三步中，分割的预设长度为从上向下每5cm为一段，直至底泥被分割完全。
注：即按照0-5cm，5-10cm，10-15cm，15-20cm，20-25cm，25-30cm，30-35cm，35-40cm，40-45cm，45-50cm的原则分割。
更优选地，检测的各项指标包括：总氮含量、全磷含量、有机质含量、主要重金属含量；所述主要重金属为目标水域底泥各重金属中含量最高的重金属；
分析绞吸船清淤作业对底泥污染物含量的实际影响包括：根据绞吸船清淤作业前后底泥各项指标的检测数据进行对比，并分析其变化趋势和变化程度。
采用以上优选方案后，可进一步优化第三步的具体技术细节，利于取得更好的分析评价效果。
与现有技术相比，本发明通过现场监测与模拟实验相结合，从绞吸船清淤作业对水体水质的实际影响范围、对上覆水水质的实际影响、对底泥污染物含量的实际影响三方面进行分析，能够全面获知绞吸船清淤作业过程对周边水环境影响的客观分析评价，为相关部门决定是否采用绞吸船清淤作业作为具体施工工艺提供客观参考依据，利于优化施工方案，降低工程造价，减轻环境危害，更科学有效地进行工程施工工艺选择。
附图说明
图1为本发明实施例1示例中研究区域空间位置示意图。
图2为本发明实施例1示例中采样点分布示意图。
图3为本发明实施例1示例中离绞吸头不同距离水体悬浮颗粒物(TSS)浓度结果图。
图4为本发明实施例1示例中离绞吸头不同距离水体高锰酸盐指数、氨氮、总氮和总磷浓度结果图。
图5为本发明实施例1示例中离绞吸头不同距离水体铜浓度结果图。
图6为本发明实施例1示例的离绞吸头不同距离水体砷浓度结果图。
图7为本发明实施例1示例中离绞吸头不同距离水体锌浓度结果图。
图8为本发明实施例2示例中模拟实验过程照片。
图9为本发明实施例2示例中底泥悬浮后沉降过程中水体氮、磷和悬浮颗粒物浓度变化结果图。
图10为本发明实施例2示例中底泥悬浮后沉降过程中水体重金属含量变化结果图。
图11为本发明实施例3示例中研究区域清淤前后的柱状底泥图。
图12为本发明实施例3示例中研究区域内清淤船清淤前后柱状底泥污染物含量结果图。
具体实施方式
具体实施时，本发明种绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，包括以下步骤：
第一步、以正在目标水域实施清淤作业的绞吸船为目标船，在目标船附近水域设置一组采样点，采集水样并检测各项指标，根据检测数据分析绞吸船清淤作业对水体水质的实际影响范围；
第二步、在目标水域采集柱状底泥水样，以室内模拟实验，通过模拟绞吸船对底泥的扰动过程，扰动后在水样放置不同时间时分别检测各项指标，根据检测数据分析绞吸船清淤作业对上覆水水质的实际影响；
第三步、在目标水域中于绞吸船清淤作业前后分别采集柱状底泥水样，并检测底泥各项指标，根据检测数据分析绞吸船清淤作业对底泥污染物含量的实际影响；
以上所有分析结果共同构成绞吸船清淤作业过程对周边水环境影响的分析结果。
具体而言，第一步中，绞吸船具有绞吸头；设置采样点时，在目标船附近水域中选取预定点，先设置若干条以该预定点为端点的射线状采样线，再设置若干以该预定点为圆心的同心圆，在每条采样线上与各同心圆的交点处分别设置采样断面，每个采样断面在水面下预定距离设置采样点；采样时，先在水面于各采样点位置设立标记，当目标船绞吸头移动至预定点时，在预定时间内将各采样点的水样采集完毕，所得水样为待测水样；此外，在采样线附近水域另设一组对照采样点，并在目标船绞吸头移动至预定点之前在各对照采样点采集水样，所得水样为对照水样。
采样线有5条，相邻采样线之间的夹角均为45度；在每条采样线上分别在距离绞吸头0m、5m、10m、20m、30m、50m、100m处设置采样断面；预定距离为0.5m。
检测的各项指标包括基本检测指标和附加检测指标，基本检测指标包括总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、氨氮浓度、高锰酸盐指数、以及主要重金属浓度，附加检测指标包括其余重金属浓度；主要重金属与其余重金属构成水体重金属，水体重金属由镉Cd、铬Cr、铜Cu、镍Ni、锌Zn、砷As、铅Pb、汞Hg构成；主要重金属为目标水域底泥各重金属中含量最高的重金属，其余重金属为水体重金属中除主要重金属外的其余重金属；
检测时，对于待测水样和对照水样均检测基本检测指标，且对于对照水样以及待测水样中的指定水样还要检测附加检测指标；
分析绞吸船清淤作业对水体水质的实际影响范围包括：根据总悬浮颗粒物TSS浓度检测数据分析绞吸头对水体TSS浓度的最大影响距离；根据总氮TN浓度、总磷TP浓度、氨氮浓度、高锰酸盐指数检测数据分析绞吸头对水体总氮TN浓度、总磷TP浓度、氨氮浓度、高锰酸盐指数的影响趋势；根据主要重金属浓度的检测数据、或者根据主要重金属浓度和其余重金属浓度的检测数据分析绞吸头对水体重金属浓度的的影响趋势。
具体而言，第二步中，柱状底泥水样分为优化组和模拟组；室内模拟实验包括优化条件步和模拟步；
优化条件步包括：将优化组的柱状底泥水样放入筒形容器中，放置至底泥与上覆水的分界面清晰稳定，将由电机驱动的搅拌桨插入水样中并设置在分界面上方的预设位置；预设不同的搅拌桨转速，并以搅拌桨在各预设转速下分别扰动柱状底泥水样，扰动预设时间后取适量上覆水检测总悬浮颗粒物TSS浓度，从而获得搅拌桨转速-总悬浮颗粒物TSS浓度数据的对应数据组；此外，在绞吸船清淤作业时取绞吸船的绞吸头旁水样并检测总悬浮颗粒物TSS浓度，检测结果记作浓度A，在上述对应数据组中找出最接近浓度A的总悬浮颗粒物TSS浓度数据，该总悬浮颗粒物TSS浓度数据对应的搅拌桨转速即为模拟转速；
模拟步包括：将模拟组的柱状底泥水样放入筒形容器中，放置至底泥与上覆水的分界面清晰稳定，将由电机驱动的搅拌桨插入水样中并设置在分界面上方的预设位置；将搅拌桨转速设定为上述模拟转速，并以搅拌桨扰动柱状底泥水样预设时间后停止转动，并开始计时；在预设时间点分别取适量上覆水检测各项指标。
注：柱状底泥水样本身即含有柱状底泥和水，放入容器时尽量保持柱状底泥原先的状态，在容器中静置后即形成底泥与上覆水的自然状态。
在模拟步中，预设时间点包括：0.5h、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h。
在模拟步中，检测的各项指标包括：总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度、磷酸盐浓度、以及重金属浓度，重金属包括镉Cd、铬Cr、铜Cu、镍Ni、锌Zn、砷As、铅Pb、汞Hg；
分析绞吸船清淤作业对上覆水水质的实际影响包括：根据总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度、磷酸盐浓度的检测数据分别分析绞吸船清淤作业对上覆水中总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度、磷酸盐浓度的影响趋势以及扰动后保持稳定所需的时间；根据各重金属浓度的检测数据分析绞吸船清淤作业对上覆水中各重金属浓度的影响趋势以及扰动后保持稳定所需的时间。
具体而言，第三步中，于绞吸船清淤作业前后分别采集柱状底泥水样时，采样器的采样管底端与水面的距离保持一致；先将各柱状底泥水样中的底泥按预设长度从上向下分割成小段，再对各小段底泥进行检测。
第三步中，分割的预设长度为从上向下每5cm为一段，直至底泥被分割完全。
注：即按照0-5cm，5-10cm，10-15cm，15-20cm，20-25cm，25-30cm，30-35cm，35-40cm，40-45cm，45-50cm的原则分割。
检测的各项指标包括：总氮含量、全磷含量、有机质含量、主要重金属含量；主要重金属为目标水域底泥各重金属中含量最高的重金属；
分析绞吸船清淤作业对底泥污染物含量的实际影响包括：根据绞吸船清淤作业前后底泥各项指标的检测数据进行对比，并分析其变化趋势和变化程度。
下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
实施例1
本实施例为本发明在具体实施时的第一步，其基本内容如前文所述。
本实施例的具体实施示例内容如下。
以正在某目标水域实施清淤作业绞吸船为目标船，该绞吸船挖泥功效为200m3/h，定位桩至绞吸头长度30m，绞吸头左右摆动角度±45°，船体向前移动速率1m/5min，绞吸后的底泥通过管道加压输送到岸边。采样时利用大疆无人机拍摄记录采样过程和水体变化过程。研究区域空间位置如图1所示。
绞吸船作业时，绞吸头低速旋转，切削挖掘底泥，通过挖泥船上离心泵的作用吸取绞刀切削挖掘的底泥，并提升、加压，泥浆通过排泥管线全封闭输送至排泥场。
采样时，在目标船附近水域中选取预定点，该预定点为绞吸船的绞吸头即将到达的位点，设置5条以该预定点为端点的射线状采样线，每条采样线上在距离绞吸头0m、5m、10m、20m、30m、50m、100m分别设置采样断面，每个采样断面在水面下0.5m设置采样点，共设置5*7＝35个采样点，如图2所示。采样时，所有水样尽可能在短时间内采集完毕。在目标船附近水域中另外设置5个对照水样采集点，共设置35+5＝40个采样点。
现场采样时，用竹竿在水面标记好采样点的位置。在目标船绞吸头移动至预定点之前在各对照采样点采集水样，所得水样为对照水样；在目标船绞吸头到达预定点时，分组采集不同采样点水样，所得水样为待测水样。水样经现场处理后冷藏保存及时送实验室分析。
采集得到所有水样均检测基本检测指标，即：总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、氨氮浓度、高锰酸盐指数、以及主要重金属浓度，本示例中目标水域底泥各重金属中含量最高的重金属为镉Cd，因此主要重金属浓度即为镉Cd浓度；图2中的射线A、C和E取得的待测水样，以及对照水样加测附加检测指标，即铬Cr、铜Cu、镍Ni、锌Zn、砷As、铅Pb、汞Hg7种重金属的浓度。水样污染物检测方法均采用国家规定的标准分析方法，具体检测方法如下：水和废水高锰酸盐指数《水质高锰酸盐指数的测定酸性高锰酸钾法》(GB/T11892-1989)，
水和废水总汞《水质汞、砷、硒、铋和锑的测定原子荧光法》(HJ 694-2014)，
水和废水砷《水质汞、砷、硒、铋和锑的测定原子荧光法》(HJ 694-2014)，
水和废水总磷《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》(GB/T 11893-1989)，
水和废水总氮《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ636-2012)，
水和废水氨氮《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》(HJ 535-2009)，
水和废水铅《水质32种元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ776-2015)，
水和废水铜《水质32种元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ776-2015)，
水和废水铬《水质32种元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ776-2015)，
水和废水锌《水质32种元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ776-2015)，
水和废水镉《水质32种元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ776-2015)，
水和废水镍《水质32种元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ776-2015)。
悬浮颗粒物含量检测：取一定体积的地表水样，经过0.45μm的滤膜过滤后，将留在滤膜上的固体物质烘干称重，计算单位体积水样携带的颗粒物含量(国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法(第四版).北京,中国环境科学出版社，2002)。
具体检测结果如下：
(1)离绞吸头不同距离水体总悬浮颗粒物(TSS)浓度
绞吸船在实际施工过程中，绞刀头切削底泥形成的泥浆不能完全通过离心泵吸取，部分外泄的泥浆加上绞刀头工作过程中形成的水流引起底泥再悬浮，造成水体浑浊，总悬浮颗粒物浓度明显上升。图3为离绞吸头不同距离的各采样点水体总悬浮颗粒物浓度(图中虚线为对照水样平均值)。
从图中可以看出，绞吸头处的水体TSS浓度最高，离绞吸头距离越远，水体TSS浓度越低，离绞吸头50m和100m水体的TSS浓度与对照水体TSS浓度相等，也就是说在此工况条件下绞吸船的绞吸头在作业时对水体TSS浓度影响距离不超过50m。
绞吸船作业时，绞吸头是边切削底泥边做扇形扫动，绞吸头经过之处底泥受扰动作用力最大，水体TSS浓度最高，绞吸头离开后悬浮在水体中的大颗粒迅速沉降，随后细小颗粒逐渐沉降。现场采样时，受湖泊采样交通条件限制，不可能完全做到在同一时间采集完所有样品，所以在5条采样线绞吸头处水样TSS浓度并不完全一致，绞吸头处水体TSS浓度最高值为1.3g/L，该值是绞吸头在摆动过程中离圆心处最近时采集到水样测定值。在5条射线状采样线的绞吸头处水样TSS浓度在持续约0.5h的采样过程中由1.3g/L下降至0.36g/L。
(2)离绞吸头不同距离水体高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷浓度
绞吸船作业时与绞吸头不同距离处水体高锰酸盐指数和氨氮、总氮、总磷浓度如图4所示(图中实线为对照水样平均值，两道虚线中，靠近图底部的虚线为地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅲ类标准值，靠近图顶部的虚线为地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅳ类标准值)。
由该图结果可知，水体高锰酸盐指数和氨氮浓度较低，均未超过地表水环境Ⅲ类标准值，绞吸船清淤作业过程中离绞吸头不同距离水体的高锰酸盐指数变化幅度很小，氨氮浓度则离绞吸头距离较近的采样点水体低于较远的采样点水体，在离绞吸头30m的采样点水体氨氮浓度与离绞吸头50m、100m的采样点水体基本一致，水体氨氮浓度总体均高于对照水样。发明人结合研究经验推测，造成距离绞吸头30m以内的采样点水体氨氮浓度低于30m以外采样点水体的主要原因应该是，底泥中颗粒态和溶解态氨氮在绞吸头工作时受扰动均匀扩散进入周边水体，悬浮颗粒物在扩散过程中吸附水体中的氨氮，悬浮颗粒物扩散距离为30m，离绞吸头30m以外采样点水体基本不受颗粒物吸附影响。
监测点位水体总氮浓度总体介于地表水环境质量Ⅲ类标准值和Ⅳ类标准值之间，对照水样的总氮平均浓度为1.2mg/L。与氨氮类似，离绞吸头距离较近的采样点水体总氮浓度总体低于距离绞吸头较远的水体，距离绞吸头50m范围内水体总氮浓度平均值与对照类似，距离100m采样点总氮浓度平均值约为1.5mg/L，总体高于50m以内采样点。发明人结合研究经验推测，监测点位水体总氮主要形态是氨氮和硝态氮，悬浮颗粒物扩散过程中水体氨氮被颗粒物吸附，靠近绞吸头水体硝态氮浓度低于远离绞吸头的水体；硝态氮未被吸附，靠近绞吸头水体的硝态氮浓度高于远离绞吸头的水体，水体中氨态氮浓度和硝态氮浓度相反的变化趋势相互抵消，造成在颗粒物扩散影响范围(50m)以内总氮浓度与对照水样相差不大，离绞吸头100m处水体总氮浓度略有升高的趋势。
监测点位水体总磷浓度总体和对照水样相差不大，受多种因素影响不同点位水体总磷浓度变幅较宽，离绞吸头不同距离采样点水体的总磷浓度变化趋势不明显。
(3)离绞吸头不同距离水体重金属浓度
清淤过程中重金属释放是底泥清淤施工工艺选择的重要考虑因素。对于底泥重金属含量(尤其是表层0-20cm底泥重金属含量)高于风险管控值的区域，监测结果对于评价绞吸船作业过程对水体重金属含量影响具有重要意义。
下表为离绞吸头不同距离水体重金属浓度统计结果。
注：“/”表示无该项统计值，“*”表示样品未检测，“ND”表示样品浓度未超过检测限，“#”表示地表水环境质量标准(GB3838-2002)没有该项标准值。
离绞吸头不同距离水体重金属铜、砷和锌浓度的分布情况见图5至图7。图5中，实线为地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅲ类标准值；图6中，虚线为地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅲ类标准值，实线为地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅳ类标准值；图7中，虚线为地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅲ类标准值，实线为地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅳ类标准值。
本示例中，以绞吸头为圆心的5条放射线取样点均检测重金属镉浓度，选择A、C、E3条放射线样品额外检测其它7种重金属。绞吸船工作时，所有水样重金属浓度均未超过国家地表水环境Ⅲ水体质量标准值。所有水样镉、铅、镍等3种重金属浓度均未超过检测限，部分水样的铜、铬、锌和总汞等4种重金属浓度超过检测限，所有水样砷浓度均超过检测限。
综上所述，本示例分析绞吸船清淤作业对水体水质的实际影响范围的具体分析结果为：绞吸船作业时对水体TSS浓度影响距离不超过50m，清淤过程中水体高锰酸盐指数和氨氮浓度未超过地表水环境Ⅲ类标准值，水体总氮和总磷浓度总体介于地表水环境质量Ⅲ类标准值和Ⅳ类标准值之间，分别有49％和31％水样超过对照采样点，受多种因素影响不同距离采样点位水体总氮和总磷浓度变幅较宽。绞吸船工作时，周边50m范围内水体水样重金属浓度均未超过国家地表水环境Ⅲ水体质量标准值，其中镉、铅、镍3种重金属浓度均未超过检测限。
实施例2
本实施例为本发明在具体实施时的第二步，其基本内容如前文所述。
本实施例以实施例1为基础。
本实施例的具体实施示例内容如下。
本示例基于实施例1的示例。
湖泊水体悬浮颗粒物含量不仅受到绞吸船绞吸作业过程影响，湖区风浪也是主要原因。目标区域平均水深约为1.2m，沉积在湖底底部的泥沙容易在风浪作用下再悬浮进入上覆水体。在无风或者微风条件下，绞吸船清淤作业后受扰动的上覆水悬浮颗粒物随着绞吸头扰动作用减弱会逐渐沉降。由于无法控制外界环境条件，难以通过现场采样说明绞吸船施工后上覆水悬浮颗粒物沉降过程。因此，本示例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柱状底泥样品，排除野外条件风浪干扰作用，模拟绞吸船作业后上覆水体悬浮颗粒物沉降过程。
现场采集实施例1中某采样点位附近的柱状底泥水样，并分为优化组和模拟组，及时运回实验室开展模拟实验，模拟实验过程照片如图8所示。
利用优化组的柱状底泥水样开展优化条件步的实验，设置不同的电机搅拌桨转速扰动柱状样品，测定不同转速条件下柱状样品上覆水悬浮颗粒物浓度，获取与绞吸船作业扰动时相一致的上覆水悬浮物颗粒物浓度时的转速，设定拟开展模拟步实验扰动柱状底泥水样的转速。经过多次实验，转速为300转/min时，获取的柱状底泥水样上覆水悬浮颗粒物浓度为1.5g/L左右，与绞吸头作业时该采样点上覆水悬浮颗粒物浓度基本一致。
采用模拟组的柱状底泥水样开展模拟步的实验，柱状底泥扰动后分别在0.5h、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h分别采集上覆水样，及时在实验室检测水样TSS、TN、TP、硝态氮、氨氮、磷酸盐和8种重金属浓度。水样检测方法均采用国家规定的标准分析方法。
模拟实验结果表明，如图9所示，底泥扰动悬浮后上覆水体总氮、总磷和悬浮颗粒物浓度处于较高水平，停止扰动0.5h后上覆水体总氮、总磷和悬浮颗粒物浓度迅速下降为初始值的26％、10％和16％，停止扰动4h后，上覆水体总氮、总磷和悬浮颗粒物浓度下降为初始值的20％、7％和5％，并基本保持稳定。底泥扰动悬浮后上覆水体硝态氮、氨态氮(即氨氮)和磷酸盐浓度在停止扰动后，相比于初始值有所波动，总体变化不大。由此可推测，底泥再悬浮水体营养盐浓度升高主要是悬浮颗粒态浓度上升引起的。
施工后悬浮颗粒物沉降过程中上覆水水体重金属浓度变化过程如图10所示；图10中的各小图中，当只有一条虚线时该虚线为地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅳ类标准值；当有两条虚线时，靠近小图顶部的虚线为地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅳ类标准值，靠近小图底部的虚线为地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅲ类标准值。该结果表明，在检测的8种重金属中，镉、铅、铬、汞等4种重金属浓度低于检测限，水体铜浓度只在开始时第1个水样检出，镍浓度只是在前4个水样检出，所有水样锌和砷浓度均检出，水体重金属浓度均低于地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅲ类标准值。
与总氮、总磷和悬浮颗粒物浓度类似，随着沉降时间的延长，底泥扰动悬浮后上覆水体中能够检出的重金属浓度变低。水体镍浓度在沉降开始3h后由高于检出下降为低于检测限，水体锌和砷浓度在沉降开始3h后基本保持稳定。
本示例是将原位柱状底泥水样采回实验室后，模拟清淤船作业过程中扰动后底泥沉降实验，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，但是水体中污染物浓度可能并不随时间延长增加而升高。
模拟实验结果表明，清淤船作业过程中，在绞吸头作用下短期内水体悬浮颗粒物、总氮和总磷浓度迅速升高，停止扰动4h后，上覆水体总氮、总磷和悬浮颗粒物浓度下降为初始值的20％、7％和5％，并基本保持稳定；实验过程中，水体镉、铅、铬、汞等4种重金属浓度均低于检测限，铜浓度仅在开始第1个样品检出，沉降过程开始3h后，镍浓度下降为低于检测限，锌和砷浓度保持基本稳定。
综上所述，本示例分析绞吸船清淤作业对上覆水水质的实际影响的具体分析结果为：上覆水体总氮、总磷和悬浮颗粒物浓度在底泥停止扰动0.5h后下降为初始值的26％、10％和16％，停止扰动4h后，上覆水体总氮、总磷和悬浮颗粒物浓度下降为初始值的20％、7％和5％，此后基本保持稳定。上覆水体硝态氮、氨态氮和磷酸盐浓度在停止扰动后，相比于初始值有所波动，总体变化不大。施工后悬浮颗粒物沉降过程中上覆水水体重金属浓度均低于地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅲ类标准值，镉、铅、铬、汞等4种重金属浓度低于检测限，水体铜浓度只在开始时第1个水样检出，水体镍浓度在沉降开始3h后由高于检出下降为低于检测限，水体锌和砷浓度在沉降开始3h后基本保持稳定。
实施例3
本实施例为本发明在具体实施时的第三步，其基本内容如前文所述。
本实施例以实施例1为基础。
本实施例的具体实施示例内容如下。
本示例基于实施例2的示例。
在目标清淤区域内，于绞吸船清淤作业前和作业后分别采集1个柱状底泥样品。现场采集样品时，每个柱状底泥按照从上向下分别按照0-5cm，5-10cm，10-15cm，15-20cm，20-25cm，25-30cm，30-35cm，35-40cm，40-45cm，45-50cm的原则进行分割。
本次研究区域清淤前后柱状底泥样品如图11所示。采样管长55cm，清淤前柱状底泥样品高度为40cm，清淤后柱状底泥样品高度为15cm，底泥被清除的高度为25cm，照片表明上层灰褐色底泥已经被清除，下层黑色底土层成为新生成底泥界面。
清淤前后底泥样品检测指标与检测方法如下：
总氮：《土壤质量总氮的测定凯氏法》(HJ 717—2014)
全磷：《土壤全磷的测定碱熔-钼锑抗分光光度法》(HJ 632-2011)
有机质：《土壤有机质的测定重铬酸钾分光光度法》(HJ 615-2011)
镉：《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)
本示例采用的底泥总氮、全磷污染程度评估标准如下表所示，(单位：mg/kg)：
| 指标 | 清洁 | 轻度污染 | 中度污染 | 重度污染 |
| 总氮 | 1128 | 1377 | 1627 | >1627 |
| 全磷 | 434 | 497 | 625 | >625 |
| 水质类别 | Ⅲ | Ⅳ | Ⅴ | 劣Ⅴ |
本示例采用的底泥重金属污染程度评估标准参考下表，(单位：mg/kg)：
| 标准种类 | Cr | Cu | Ni | Zn | As | Cd | Pb | Hg |
| (GB 15618—2018)风险筛选值 | 300 | 200 | 100 | 250 | 25 | 0.3 | 140 | 0.6 |
| (GB 15618—2018)风险管制值 | 1000 | / | / | / | 120 | 3.0 | 4.0 | 2.4 |
| (GB 36600—2018)第一类用地筛选值 | 3.0 | 2000 | 150 | / | 20 | 20 | 400 | 8 |
| (GB 36600—2018)第一类用地管制值 | 30 | 8000 | 600 | / | 120 | 47 | 800 | 33 |
| (GB 36600—2018)第二类用地筛选值 | 5.7 | 18000 | 900 | / | 60 | 65 | 800 | 38 |
| (GB 36600—2018)第二类用地管制值 | 78 | 36000 | 2000 | / | 140 | 172 | 2500 | 82 |
| (CJ/T 340-2016)I级标准(mg/kg) | 100 | 40 | 40 | 150 | 30 | 0.4 | 85 | 0.4 |
| (CJ/T 340-2016)Ⅱ级标准(mg/kg) | 200 | 300 | 80 | 350 | 30 | 0.8 | 300 | 1.2 |
| (CJ/T 340-2016)Ⅲ级标准(mg/kg) | 250 | 400 | 150 | 500 | 35 | 1.2 | 450 | 1.5 |
注：CJ/T 340-2016GB和GB 15618—2018中铬为总铬，GB 36600—2018中铬为六价铬。
如前文所述，目标水域底泥各重金属中含量最高的重金属为镉，本示例评价底泥镉含量，采用的评估标准为：《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB15618—2018)》重金属镉(Cd)风险筛选值和管制值分别为0.3mg/kg和3.0mg/kg。
环保型绞吸船通过绞吸头低速旋转将表层底泥剥离，原先埋藏底部底泥与上覆水体形成新生成水土界面。比较研究区域清淤船清淤前后柱状底泥污染物含量如图12所示(总氮、全磷垂直图中左竖线、右竖线依次为轻度污染、重度污染评价标准值，镉含量垂直分布图中左竖线为目标区域所属流域底泥镉元素背景值，右竖线为《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB 15618—2018)》中重金属风险筛选值)，可以发现绞吸头将污染物含量较高的表层底泥清除，新生成的底泥界面表层底泥总氮、全磷、有机质和镉等污染物含量显著低于清淤前底泥污染物含量。该区域清淤前后0-20cm表层底泥总氮、全磷、有机质和镉等4种污染物去除率分别为70％、73％、72％和85％。
新生成界面表层底泥总氮污染程度由“重度污染”改善为“清洁”，底泥全磷污染程度由“中度污染”改善为“清洁”，重金属镉含量由超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB 15618—2018)》重金属镉(Cd)风险筛选值(0.3mg/kg)下降至接近“背景值”。
综上所述，本示例分析绞吸船清淤作业对底泥污染物含量实际影响的具体分析结果为：新生成的底泥界面表层底泥总氮、全磷、有机质和镉等污染物含量显著低于清淤前底泥污染物含量，清淤前后0-20cm表层底泥总氮、全磷、有机质和镉等4种污染物去除率分别为70％、73％、72％和85％。新生成界面表层底泥总氮污染程度由“重度污染”改善为“清洁”，底泥全磷污染程度由“中度污染”改善为“清洁”，重金属镉含量由超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB 15618—2018)》重金属镉(Cd)风险筛选值(0.3mg/kg)下降至接近“背景值”。
以上各示例的所有分析结果共同构成绞吸船清淤作业过程对周边水环境影响的分析结果。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步、以正在目标水域实施清淤作业的绞吸船为目标船，在目标船附近水域设置一组采样点，采集水样并检测各项指标，根据检测数据分析绞吸船清淤作业对水体水质的实际影响范围；
第一步中，所述绞吸船具有绞吸头；设置采样点时，在目标船附近水域中选取预定点，先设置若干条以该预定点为端点的射线状采样线，再设置若干以该预定点为圆心的同心圆，在每条采样线上与各同心圆的交点处分别设置采样断面，每个采样断面在水面下预定距离设置采样点；采样时，先在水面于各采样点位置设立标记，当目标船绞吸头移动至预定点时，在预定时间内将各采样点的水样采集完毕，所得水样为待测水样；此外，在采样线附近水域另设一组对照采样点，并在目标船绞吸头移动至预定点之前在各对照采样点采集水样，所得水样为对照水样；
第二步、在目标水域采集柱状底泥水样，以室内模拟实验，通过模拟绞吸船对底泥的扰动过程，扰动后在水样放置不同时间时分别检测各项指标，根据检测数据分析绞吸船清淤作业对上覆水水质的实际影响；
第二步中，所述柱状底泥水样分为优化组和模拟组；所述室内模拟实验包括优化条件步和模拟步；
所述优化条件步包括：将优化组的柱状底泥水样放入筒形容器中，放置至底泥与上覆水的分界面清晰稳定，将由电机驱动的搅拌桨插入水样中并设置在分界面上方的预设位置；预设不同的搅拌桨转速，并以搅拌桨在各预设转速下分别扰动柱状底泥水样，扰动预设时间后取适量上覆水检测总悬浮颗粒物TSS浓度，从而获得搅拌桨转速-总悬浮颗粒物TSS浓度数据的对应数据组；此外，在绞吸船清淤作业时取绞吸船的绞吸头旁水样并检测总悬浮颗粒物TSS浓度，检测结果记作浓度A，在上述对应数据组中找出最接近浓度A的总悬浮颗粒物TSS浓度数据，该总悬浮颗粒物TSS浓度数据对应的搅拌桨转速即为模拟转速；
所述模拟步包括：将模拟组的柱状底泥水样放入筒形容器中，放置至底泥与上覆水的分界面清晰稳定，将由电机驱动的搅拌桨插入水样中并设置在分界面上方的预设位置；将搅拌桨转速设定为上述模拟转速，并以搅拌桨扰动柱状底泥水样预设时间后停止转动，并开始计时；在预设时间点分别取适量上覆水检测各项指标；
第三步、在目标水域中于绞吸船清淤作业前后分别采集柱状底泥水样，并检测底泥各项指标，根据检测数据分析绞吸船清淤作业对底泥污染物含量的实际影响；
以上所有分析结果共同构成绞吸船清淤作业过程对周边水环境影响的分析结果。
2.根据权利要求1所述的绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，其特征是，所述采样线有5条，相邻采样线之间的夹角均为45度；在每条采样线上分别在距离绞吸头0m、5m、10m、20m、30m、50m、100m处设置采样断面；所述预定距离为0.5m。
3.根据权利要求1所述的绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，其特征是，所述检测的各项指标包括基本检测指标和附加检测指标，所述基本检测指标包括总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、氨氮浓度、高锰酸盐指数、以及主要重金属浓度，所述附加检测指标包括其余重金属浓度；所述主要重金属与其余重金属构成水体重金属，所述水体重金属由镉Cd、铬Cr、铜Cu、镍Ni、锌Zn、砷As、铅Pb、汞Hg构成；所述主要重金属为目标水域底泥各重金属中含量最高的重金属，所述其余重金属为水体重金属中除主要重金属外的其余重金属；
检测方法检测时，对于待测水样和对照水样均检测基本检测指标，且对于对照水样以及待测水样中的指定水样还要检测附加检测指标；
分析绞吸船清淤作业对水体水质的实际影响范围包括：根据总悬浮颗粒物TSS浓度检测数据分析绞吸头对水体TSS浓度的最大影响距离；根据总氮TN浓度、总磷TP浓度、氨氮浓度、高锰酸盐指数检测数据分析绞吸头对水体总氮TN浓度、总磷TP浓度、氨氮浓度、高锰酸盐指数的影响趋势；根据主要重金属浓度的检测数据、或者根据主要重金属浓度和其余重金属浓度的检测数据分析绞吸头对水体重金属浓度的的影响趋势。
4.根据权利要求1所述的绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，其特征是，在模拟步中，预设时间点包括：0.5h、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h。
5.根据权利要求1所述的绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，其特征是，在模拟步中，检测的各项指标包括：总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度、磷酸盐浓度、以及重金属浓度，所述重金属包括镉Cd、铬Cr、铜Cu、镍Ni、锌Zn、砷As、铅Pb、汞Hg；
分析绞吸船清淤作业对上覆水水质的实际影响包括：根据总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度、磷酸盐浓度的检测数据分别分析绞吸船清淤作业对上覆水中总悬浮颗粒物TSS浓度、总氮TN浓度、总磷TP浓度、硝态氮浓度、氨氮浓度、磷酸盐浓度的影响趋势以及扰动后保持稳定所需的时间；根据各重金属浓度的检测数据分析绞吸船清淤作业对上覆水中各重金属浓度的影响趋势以及扰动后保持稳定所需的时间。
6.根据权利要求1所述的绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，其特征是，第三步中，于绞吸船清淤作业前后分别采集柱状底泥水样时，采样器的采样管底端与水面的距离保持一致；先将各柱状底泥水样中的底泥按预设长度从上向下分割成小段，再对各小段底泥进行检测。
7.根据权利要求6所述的绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，其特征是，第三步中，分割的预设长度为从上向下每5cm为一段，直至底泥被分割完全。
8.根据权利要求6所述的绞吸船清淤作业过程的水环境影响监测评价方法，其特征是，检测的各项指标包括：总氮含量、全磷含量、有机质含量、主要重金属含量；所述主要重金属为目标水域底泥各重金属中含量最高的重金属；
分析绞吸船清淤作业对底泥污染物含量的实际影响包括：根据绞吸船清淤作业前后底泥各项指标的检测数据进行对比，并分析其变化趋势和变化程度。
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