南淝河是入巢湖的主要河流之一，是合肥市典型的城市纳污型河流，呈东西走向，全长约70 km.近年来，随着城市化的发展，南淝河水质受氮、磷污染严重^{[1, 2, 3]}.相关部门对南淝河展开了一系列的清淤工作。然而，经对清淤后的河段进行实际观察和监测发现，水污染状况并未取得长期显着效果，水体氮、磷污染依然十分严重。相关研究表明，对富营养化的河道进行清淤或置换上覆水未取得预期的改善效果，往往是由于底泥中氮、磷污染物的释放^[4]以及排污口高强度持续排污^[5]等因素造成的。另外，河道清淤深度^[6]或清淤方式的不合理^[7]也会影响清淤效果，李慧等^[8]的研究表明，南淝河清淤深度控制在10~15 cm内可有效降低磷释放风险，如果超过这个范围则会促使底泥中磷的释放。目前，就南淝河清淤效果量化及模拟再清淤方面的研究鲜有报道。

本文对实际清淤后的底泥进行模拟再清淤试验。在避免干湿沉降和其他外源污染的情况下，研究底泥中氮、磷污染物的释放状况，从而为河道再清淤和南淝河水质的进一步改善提供参考。 1 材料与方法 1.1 试验设计与装置 1.1.1 试验装置与原理

模拟清淤试验装置如图 1所示。其中T1为底泥的采集和培养装置，由长2 m、内径5 cm且不透明的PVC管制成。在管底至管顶1.7 m处钻一小孔，大小使装满的水能自然流出即可。距小孔下方0.5 m处为取水口。

图 1 模拟清淤装置图 Figure 1 Diagram of simulated dredging device

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在进行模拟清淤试验时，通过X12抽滤真空泵使X9抽滤瓶产生真空，由外界大气压力作用迫使底泥经X2玻璃管吸入并进入抽滤瓶中，从而达到抽泥的目的。通过控制玻璃管下潜深度可抽取特定深度的淤泥。 1.1.2 采样点的选取与样品采集

研究区域位于南淝河中游城区段。该区域具有地势平缓，河流流速低，易于污染物沉积等特点。自清淤工程实施后，污染排放源显着减少。四里河是南淝河的主要支流之一，呈南北走向，流速低，且上游工业发达，是当前造成南淝河污染的可能来源。因此，选取代表性的分别位于靠近合作化路桥的河流断面上A点（合作化路桥北岸，简称合北，记为HB）、B点（合作化路桥南岸，简称合南，记为HN）和靠近肥西路桥的河流断面上C点（肥西路桥北岸，简称肥北，记为FB）、D点（肥西路桥南岸，简称肥南，记为FN）共四处采样点进行采样。每个点采集两组底泥样。编号1为对照样，编号2为模拟清淤样。采样点选取与分布状况如表 1所示。

表 1 采样点分布状况 Table 1 Distribution of sampling points

表选项

由于对实际清淤后的效果进行了一段时间的观测以及水位对原状底泥采集的影响。泥样于2014年8月15日（实际清淤约7个月后）采集，为使泥样的采集深度达到或接近目的泥深，标记深度超过总深度10 cm.将PVC管垂直插入泥中，取出后用PVC管封头将底端封死，以防渗漏，立即运回室内进行试验研究。试验用原状水对应于底泥采样点，采集深度为0.5 m,利用取样器采集，用密闭塑料桶盛装。 1.2 模拟清淤试验

将装有泥样的PVC管缓慢加入原状水至设定深度，以避免对泥样造成大的扰动。加水后静置3 d,使悬浮的底泥完全沉淀后测定上覆水中总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH₃-N）和化学需氧量（COD_Cr）的质量浓度，作为初始浓度。然后对编号为2的样管（HB2、HN2、FB2和FN2,共4根样管）进行模拟清淤试验，抽泥装置见图 1.打开抽滤真空泵，调节压力表和通气阀门，并通过控制玻璃管下潜深度来抽取特定深度的泥。为使抽出部分的底泥均匀，玻璃管缓慢旋转地进行下潜。由于国内外对此类方法进行的试验报道很少，没有固定的标准，在模拟清淤过程中，为了使抽出泥水后编号为2的样管补充水的体积一致，便于比较，规定抽出特定深度底泥后保持抽出的泥水总体积为800 mL.模拟清淤的结果如表 2所示。抽出的泥水置于1000 mL烧杯中，用保鲜膜进行封口，于暗处静置12 h.用原状水对每个试验柱补充至设定深度（每次取水后均用原状水补充）.将泥水样静置12 h后，用100 mL移液管移取上层液200 mL并测定其中TN、TP、NH₃-N和COD_Cr的质量浓度，同时做两组重复。利用50 mL离心管对每组整体沉淀泥样于3500 r·min^-1下离心5 min,然后测定离心管中上清液的TN、TP、NH₃-N和COD_Cr的质量浓度。

表 2 抽出泥体积和泥深 Table 2 Volume and depth of extracted sediments

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模拟装置置于室内，试验期间控制室温为25±2 ℃，避光。每隔7 d检测一次上覆水和原状水中TN、TP、NH₃-N和COD_Cr的质量浓度，试验进行28 d. 1.3 样品分析方法

TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）测定；TP采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法（GB 11893-1989）测定；NH₃-N采用纳氏试剂分光光度法（GB 7479-1987）测定。分光光度计为北京普析通用有限责任公司生产的T6新世纪紫外-可见分光光度计。COD_Cr采用上海仪电科学仪器股份有限公司生产的雷磁COD-571-1型消解装置消解和雷磁COD-571型化学需氧量分析仪测定。 1.4 数据处理

底泥中氮、磷等污染物的释放量计算公式^[9]如下：

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式中：Δm_T为上覆水中污染物质量在第T周（T=1、 2、3、4）的变化值，即底泥对上覆水的污染物释放量，mg;V_i为第i（i=1、 2、3、4）次采样时装置中水的体积，L;C_i为第i次采样时污染物质量浓度，mg·L^-1;V_C为取出的水或泥水的体积，L;D_i为第i次采样时所补充的原水中污染物质量浓度，mg·L^-1;d为PVC管内径，m;h为装置中水柱的高度，m;H为PVC管内泥水柱的高度，m;h₀为PVC管内底泥的高度，m.

采用Excel和Origin 8.0软件进行数据统计和分析，并绘图。 2 结果与讨论 2.1 底泥离心液与原上层液中氮、磷污染物的分布情况

图 2为抽出泥水静置后上层液与底泥离心液中污染物质量浓度对照。可以看出，抽出底泥经离心后，离心液中COD_Cr的质量浓度明显高于原上层液，为原上层液的3.6~8.1倍；离心液中TP的质量浓度也较原上层液高，为原上层液的2.1~3.5倍。但TN和NH₃-N的质量浓度在离心液和原上层液之间的变化差异并不明显。因此，底泥中高浓度的COD_Cr和TP向上层水体的迁移是造成水体COD_Cr和TP质量浓度升高的重要原因之一，与司马小峰等^[10]研究的疏浚结果相似。从试验结果可以看出，受污染的底泥中含有高浓度的TN（>>0.2 mg·L^-1）、 NH₃-N、 COD_Cr和TP（>>0.02 mg·L^-1）.这表明，对清出的底泥进行离心式机械脱水后，若不进行妥善处理，脱去的水直接排放会造成严重的污染。

图 2 抽出泥水静置后上层液（C）与底泥离心液（B）中污染物质量浓度比较 Figure 2 Mass concentrations of nitrogen and phosphorus in overlying（C） and interstitial（B） water of extracted sediments after standing still

图选项

室内静态条件下，在避免了水流搅动、温度、光照、风等影响因素后，覆有原状水的底泥中，影响氮、磷污染物释放的因素有：底泥间隙水与上覆水中营养盐的浓度差^[11],底泥中氮、磷污染物的存在形态^[12]及来源，微生物的扰动作用，底泥颗粒大小分布^{[13, 14]}等，其中底泥间隙水与上覆水中营养盐的浓度差是决定氮、磷污染物释放的主要因素之一^[11].因此，室内模拟试验可以很好地反映底泥中氮、磷污染物的释放情况。

图 3为HB底泥污染物释放量变化曲线。可以看出，模拟清淤5.2 cm后的底泥在第1周TN和COD_Cr的释放量明显低于对照样底泥，且在4周后释放量与沉降量达到平衡。模拟清淤后的底泥和对照底泥中TP的释放量在试验期间均大于0,且模拟清淤后的底泥中TP在同一时期内的释放量均大于对照部分。这恰好验证了底泥间隙液中高浓度TP对增加上层水受污染风险的可能性。与底泥中NH₃-N的释放情况对照，两者表现为相同的变化趋势，且相差0.05~1.15 mg.说明对HB底泥进行模拟清淤5.2 cm会促进底泥中磷的释放，但对底泥中NH₃-N的释放并无影响。

图 3 HB底泥污染物释放量对比 Figure 3 Releases of pollutants from sediments from sampling point A after different depth dredging

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图 4为HN底泥污染物释放量变化曲线。模拟清淤5.9 cm后的底泥和对照底泥对TN的释放量变化趋势相同，但模拟清淤后的底泥对TN的释放量在前2周明显低于对照底泥，分别减少3.17 mg和1.72 mg,并在4周后释放量与沉降量达到平衡。试验第1周，两者的底泥对COD_Cr均表现为吸附状态，但模拟清淤后的底泥比对照底泥的吸附量低56 mg;在第2周时，模拟清淤后的底泥和对照底泥又以1周前的吸附量释放出来，之后的释放量和沉降量趋于平衡。模拟清淤后的底泥在试验期间对TP的释放量均小于对照底泥，且两者差值由0.70 mg向0.21 mg逐渐降低。底泥对NH₃-N的释放情况表现为，模拟清淤后的底泥在前3周均小于对照底泥；当试验至第4周时，NH₃-N的释放量和沉降量也开始趋于平衡。这表明对HN底泥模拟清淤5.9 cm,在1周内即可降低底泥中氮、磷污染物的释放，且对磷释放的改善效果更好。

图 4 HN底泥污染物释放量对比 Figure 4 Release of pollutants from sediments from sampling point B after different depth dredging

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图 5为FB底泥污染物释放量的变化曲线。可以看出，模拟清淤2.0 cm后的底泥和对照底泥对TN的释放量呈现相同的变化趋势。但在第2周时，由于模拟清淤对底泥的扰动作用，使2.0 cm以下的底泥中含氮污染物释放，模拟清淤后的底泥对TN的释放量比对照底泥增加了3.46 mg,之后又因沉降作用，两者的污染物差距逐渐减小。底泥中COD_Cr的释放也呈现相同的变化趋势。试验第1周，模拟清淤后的底泥对COD_Cr的释放量较对照底泥高109 mg,第2周模拟清淤后的底泥和对照底泥又以接近1周前的吸附量释放出来，之后COD_Cr的释放量与沉降量均趋于平衡，与图 4中模拟清淤5.9 cm后的结果相似。模拟清淤后的底泥对NH₃-N的释放量在试验第1周较对照底泥低1.43 mg,之后一直较对照底泥高，且高出部分为0.07~1.96 mg.而TP的释放情况表现为，前2周模拟清淤后的底泥对TP的释放量均较对照底泥低，减少0.12 mg或0.04 mg,之后的释放量与沉降量也趋于平衡。可以看出，对FB底泥模拟清淤2.0 cm后，底泥中氮、磷污染物的释放状况并没有发生多大改变。

图 5 FB底泥污染物释放量对比 Figure 5 Releases of pollutants from sediments from sampling point C after different depths dredging

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图 6为FN底泥污染物释放量的变化曲线。模拟清淤8.0 cm后的底泥和对照底泥中TN的释放呈现相同的变化趋势，且模拟清淤后的底泥TN释放量一直比对照底泥高，平均增加3.68 mg.底泥中COD_Cr的释放量也呈现相同的变化趋势，但模拟清淤与对照的差值并不大，为3~9 mg.此外，模拟清淤后的底泥中NH₃-N和TP的释放量始终较对照底泥高，高出部分分别为0.19~0.98 mg和0.11~0.41 mg.在试验第1周，模拟清淤后的底泥中TN、TP、NH₃-N和COD_Cr的释放量均较对照底泥高，分别高出9.68、0.11、0.98、3 mg,说明对FN底泥模拟清淤8.0 cm会导致氮、磷等污染物在1周后爆发性释放。

图 6 FN底泥污染物释放量对比 Figure 6 Releases of pollutants from sediments from sampling D after different depth dredging

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试验发现，不论是模拟清淤后还是对照，在室内试验一个月，底泥中氮、磷污染物释放量的波动幅度均逐渐减小，最终都趋向0.这表明，底泥中可交换的氮、磷污染物浓度在一个月后与其上层水中氮、磷污染物的浓度都达到稳定。

表 3为培养前后底泥氮、磷污染物的净释放量。根据表 3数据可以得出，整个试验阶段，在保持上覆水不被置换和室内控温避光培养的情况下，已清淤河段的底泥（对照样）和模拟清淤后的底泥总体上都呈氮、磷等污染物释放的状态。结合表 2数据可以得出，模拟再清淤2.0、5.2、5.9 cm或8.0 cm,一个月内会明显改变底泥中氮、磷等污染物的释放状态。模拟再清淤5.2 cm或8.0 cm促进了底泥中磷的释放，与对照样相比，净释放量分别增加了1.37、1.10 mg;而模拟再清淤5.9 cm则相反，与对照样相比，TN、TP、NH₃-N和COD_Cr的净释放量分别减少了1.59、1.57、1.45、2 mg.与以上模拟再清淤深度不同的是，当模拟再清淤2.0 cm时，与对照样相比，则几乎没有改变底泥中氮、磷污染物的释放作用。另外，模拟再清淤8.0 cm也促进了底泥中氮的释放，与对照样相比，总氮和氨氮的净释放量分别增加了14.73、2.52 mg.梁止水等^[15]的研究表明，南淝河底泥中氮、磷的含量总体上是随着深度增加而减少的，但局部也存在转折（氮、磷的含量随深度增加而增加）的现象。吴永红等^[16]研究滇池的海东湾和马村湾两处的氮、磷在底泥中的空间分布时也出现了类似的现象。

表 3 底泥中氮、磷污染物的净释放量（mg） Table 3 Net releases of nitrogen and phosphorus pollutants from sediments（mg）

表选项

（1）模拟再清淤后的底泥和实际清淤后的底泥对氮、磷污染物均表现为以7 d为周期的释放与吸附交替的变化，且在一个月后污染物释放量与沉降量达到平衡。

（2）对南淝河位于合作化路桥至长丰路桥段实际清淤后的底泥进行模拟再清淤试验，结果表明：清淤深度在5.9 cm时，短期内可有效降低底泥中氮、磷污染物的释放；而模拟再清淤2.0 cm,短期内几乎不影响底泥中氮、磷污染物的释放状况；当模拟再清淤深度为5.2 cm或8.0 cm时，短期内会增加底泥上层水受氮、磷污染的风险。