一种湖泊清淤工程底泥环境评估方法

技术领域

本发明涉及环境评估技术领域，特别是一种湖泊清淤工程底泥环境评估方法。

背景技术

湖泊是重要的生态系统之一，在城市化和工业化进程中，湖泊遭受了来自人类活动的各种污染，其中包括底泥中的污染物。在过去的几十年里，人们对湖泊底泥污染问题进行了广泛的研究，并开发了一些底泥清淤工程方法和技术。

然而，现有的湖泊底泥清淤工程方法在一定程度上存在着一些不足之处。首先，传统的底泥清淤工程方法往往缺乏对底泥中污染物种类及含量的系统采样和测试，无法准确评估底泥对水体和生态系统的影响。其次，现有技术常常忽略了底泥中污染物的释放和迁移规律，导致清淤工程实施后，底泥中的污染物可能会重新释放到水体中，引起二次污染。此外，现有技术往往缺乏针对清淤工程排放物对周边环境的影响进行全面评估的方法，无法有效评估清淤工程的环境风险和生态风险。

发明内容

鉴于上述现有的湖泊底泥清淤工程方法中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种不仅可以准确评估清淤工程对湖泊水质的影响程度，还综合分析底泥污染物的生态风险和健康风险的湖泊清淤工程底泥环境评估方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种湖泊清淤工程底泥环境评估方法，其包括，对湖泊底泥进行系统采样，测试底泥中污染物种类及含量；进行表层底泥物污染释放分析；建立数学模型，模拟不同工程情景下污染物的释放量和迁移范围；根据底泥中污染物种类和释放量，结合湖泊水文特征，预测清淤工程对湖泊水质的影响程度，并评估水质变化对湖泊生态系统的潜在影响；综合分析底泥污染物的生态风险和健康风险，评估清淤工程排放物对附近区域环境的影响；根据评估结果，提出清淤工程期间的污染控制和环境监测措施，制定底泥无害化处理和综合利用方案。

作为本发明所述湖泊清淤工程底泥环境评估方法的一种优选方案，其中：所述采样包括垂直剖面采样和水平分布采样；所述垂直剖面采样包括使用不扰动式重力取样器或叶筒取样器，获取底泥完整垂直剖面样品；将采集的底泥按设定深度进行分段间隔d

作为本发明所述湖泊清淤工程底泥环境评估方法的一种优选方案，其中：所述表层底泥物污染释放分析包括以下步骤：采用扰动实验或模拟试验，评估清淤过程中底泥中污染物向上覆水的释放潜力；建立数学模型，模拟不同工程情景下污染物的释放量和迁移范围。

作为本发明所述湖泊清淤工程底泥环境评估方法的一种优选方案，其中：为描述污染物在湖泊中的迁移、扩散过程，引入源汇项，模拟底泥扰动引起的污染物持续释放，建立污染物扩散方程，公式如下：

其中，C

作为本发明所述湖泊清淤工程底泥环境评估方法的一种优选方案，其中：求解所述污染物扩散方程包括以下步骤：给定初始条件，即t＝0时的浓度分布；对污染物扩散方程在时间和空间上进行离散化处理：

其中，

作为本发明所述湖泊清淤工程底泥环境评估方法的一种优选方案，其中：所述预测清淤工程对湖泊水质的影响程度，并评估水质变化对湖泊生态系统的潜在影响包括以下步骤：进行浮游生物、沉水植被以及鱼类和贝类的影响评估；构建生态风险评价模型，将各类污染物的生态毒性数据引入；所述生态风险评价模型如下：

其中，R为生态风险指数，W

作为本发明所述湖泊清淤工程底泥环境评估方法的一种优选方案，其中：所述评估清淤工程排放物对附近区域环境的影响包括以下步骤：根据底泥中各类污染物浓度，采用生态风险评价模型计算风险指数，确定关键风险污染物及其对敏感生物种群的影响；收集附近居民的暴露系数，估算各类污染物的健康参考剂量，应用健康风险评价模型，计算风险水平；所述健康风险评价模型如下：

其中，risk为健康风险水平，E

第二方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的湖泊清淤工程底泥环境评估方法的任一步骤。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的湖泊清淤工程底泥环境评估方法的任一步骤。

本发明的有益效果为，本发明通过根据污染物扩散方程，预测清淤作业时污染物的空气扩散范围和底泥排放去向及其对附近水体和土壤的污染影响，可以模拟污染物在不同环境介质中的迁移扩散过程，为环境监测和污染防治提供技术支持；通过综合分析底泥污染物的生态风险和健康风险，评估清淤工程排放物对附近区域环境的影响，可以全面识别环境风险因子，为风险管控提供系统解决方案；本发明提出清淤工程期间的污染控制和环境监测措施，制定底泥无害化处理和综合利用方案，可以从源头、过程和末端全方位控制环境风险，实现底泥清淤工程与环境保护的协调统一，达到预防污染、修复生态的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图。

图1为实施例1中湖泊清淤工程底泥环境评估方法的场景图。

图2为实施例1中湖泊3个断面柱状样底泥总氮含量图。

图3为实施例1中湖泊3个断面柱状样底泥总磷含量图。

图4为实施例1中表层底泥物释放总氮浓度图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1和图2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种湖泊清淤工程底泥环境评估方法，包括以下步骤：

S1：对湖泊底泥进行系统采样，测试底泥中污染物种类及含量。

其中，采样包括垂直剖面采样和水平分布采样。

进一步的，垂直剖面采样包括使用不扰动式重力取样器或叶筒取样器等设备，获取底泥完整垂直剖面样品；将采集的底泥按设定深度进行分段间隔(如5cm)分段，分析不同深度污染物浓度变化；对不同深度段的底泥进行理化特性测试，如粒度组成、有机质含量、pH值等，如图2和图3所示为采集的某湖泊3个断面柱状样底泥总氮和总磷的含量。

水平分布采样包括根据湖泊面积及形态，设置多个采样点，覆盖整个湖区；在每个采样点采集表层底泥(如0-20cm)，混合均匀后作为该点位代表样品；测试各点位底泥中重金属、有机物、营养盐等污染物浓度，分析空间分布特征。

S2：进行表层底泥物污染释放分析。

S2.1：采用扰动实验或模拟试验，评估清淤过程中底泥中污染物向上覆水的释放潜力。

S2.1.1：在实验室条件下，对采集的底泥样品进行人工扰动，测定扰动前后上覆水中污染物浓度变化，计算释放量，模拟不同扰动方式(搅拌、振荡等)和程度的影响。

S2.1.2：采用小型模拟池或柱状装置，充填一定厚度的底泥，利用搅拌器或其他设备，对底泥进行实际清淤作业模拟，监测试验过程中上覆水中污染物浓度的动态变化。

如图4所示，可以看出3个监测断面表层底泥总磷在静态释放的情况下，具有一致性(3-5)。门闸上覆水中总磷浓度先降后升，第5天以后，趋于稳定，0-5天上覆水的浓度达到0.57mg，净增量为0.37mg/L；第5-6天趋于稳定在0.58mg。10天实验释放速率1.75mg(m

S2.1.3：对不同理化条件(pH、温度、溶解氧等)对污染物释放的影响进行分析，评价底泥中有机质、粒度等物理化学性质对释放的影响，分析扰动强度、时间等工程参数对释放的影响。

S2.2：建立数学模型，模拟不同工程情景下污染物的释放量和迁移范围。

建立污染物扩散方程，描述其在湖泊中的迁移、扩散过程，引入源汇项，模拟底泥扰动引起的污染物持续释放，考虑流场、湖流、湖底地形等对扩散迁移过程的影响。

优选的，污染物扩散方程如下：

其中，C

模拟不同的清淤方式(耙吸、挖掘机等)和作业范围，考虑工程持续时间、分区分期等因素对释放的影响，设置不同的湖泊水文情景(流量、风场等)的工况组合。

求解污染物扩散方程，模拟各种工况下的污染物浓度时空分布，预测上覆水和下游水体中不同污染物的最大浓度值及影响范围。

具体的，给定初始条件，即t＝0时的浓度分布；对污染物扩散方程在时间和空间上进行离散化处理：

其中，

离散后将原方程转化为代数方程组。

根据水质标准，设定不同污染物的临界浓度

在关键区域布设在线监测点，实时监控污染物浓度变化。

预测结果与监测结果之差

S3：根据底泥中污染物种类和释放量，结合湖泊水文特征，预测清淤工程对湖泊水质的影响程度，并评估水质变化对湖泊生态系统的潜在影响，如水生生物、浮游生物等。

S3.1：进行浮游生物、沉水植被以及鱼类和贝类的影响评估。

浮游生物影响评估，包括根据模拟的营养盐浓度变化，观察藻类生物量的变动，考虑重金属等污染物对浮游植物和浮游动物的毒性影响。

沉水植被影响评估，包括模拟水体悬浮物和光学特性的变化，观察水质变化对沉水植物生长和分布的影响。

鱼类和贝类影响评估，包括分析重金属和持久性有机污染物在食物链中的富集，评估对经济鱼类和珍稀物种的影响范围和程度。

S3.2：构建生态风险评价模型，将各类污染物的生态毒性数据引入。

计算风险指数，确定生态风险等级和关键风险因子，分析影响程度和持续时间，评估生态系统的恢复能力。

优选的，生态风险评价模型如下：

其中，R为生态风险指数，W

S4：综合分析底泥污染物的生态风险和健康风险，评估清淤工程排放物对附近区域环境的影响。

S4.1：根据底泥中各类污染物浓度，采用生态风险评价模型计算风险指数，确定关键风险污染物及其对敏感生物种群的影响。

考虑生物富集作用，预测污染物在食物链中的传递和放大效应，结合湖泊生态系统的承载能力，评估生态系统的整体风险水平，具体步骤如下：

计算每种污染物的单一风险指数：

R

其中，C

根据各R

将评估结果与历史数据对比分析，分析原因，对于高风险区域，提出修复、污染源治理等建议措施，对关键污染物实施总量控制，从源头降低生态风险。

S4.2：收集附近居民的暴露系数，包括饮水、渔获物等暴露途径，估算各类污染物的健康参考剂量，应用健康风险评价模型，计算风险水平。

优选的，健康风险评价模型如下：

其中，risk为健康风险水平，E

优选的，暴露系数E

S4.3：根据污染物扩散方程，预测清淤作业时污染物的空气扩散范围和底泥排放去向及其对附近水体和土壤的污染影响。

S5：根据评估结果，提出清淤工程期间的污染控制和环境监测措施，制定底泥无害化处理和综合利用方案。

方案如下：优化作业方式，减小扰动强度，控制污染物的释放量；设置隔离设施，如围堰、拦污索等，限制污染物的扩散范围；投加化学药剂固化或氧化污染物，降低其生物有效性；制定监测方案，设置水质、底质、生物、大气等多介质监测点，实施作业期间的动态在线监测，及时发现异常并预警；选择适宜的底泥干化方式，如压滤、离心、自然风干等，对成分合格的底泥制作生态基质或有机肥料。

本实施例还提供一种计算机设备，适用于湖泊清淤工程底泥环境评估方法的情况，包括：存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的湖泊清淤工程底泥环境评估方法。

该计算机设备可以是终端，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的实现湖泊清淤工程底泥环境评估方法；存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(StaticRandom Access Memory,简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically ErasableProgrammable Read－Only Memory,简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(ErasableProgrammable Read Only Memory,简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Red－Only Memory,简称PROM)，只读存储器(Read－Only Memory,简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

综上，本发明通过根据污染物扩散方程，预测清淤作业时污染物的空气扩散范围和底泥排放去向及其对附近水体和土壤的污染影响，可以模拟污染物在不同环境介质中的迁移扩散过程，为环境监测和污染防治提供技术支持；通过综合分析底泥污染物的生态风险和健康风险，评估清淤工程排放物对附近区域环境的影响，可以全面识别环境风险因子，为风险管控提供系统解决方案；本发明提出清淤工程期间的污染控制和环境监测措施，制定底泥无害化处理和综合利用方案，可以从源头、过程和末端全方位控制环境风险，实现底泥清淤工程与环境保护的协调统一，达到预防污染、修复生态的目的。

实施例2

参照表1，为本发明第二个实施例，为进一步验证本发明的先进性，给出了湖泊清淤工程底泥环境评估方法与现有技术的对比数据。

选择某湖泊作为研究对象，确定采样点布设方案，实施垂直剖面采样和水平分布采样，获取底泥样品。

对采集的底泥样品进行理化性质测试，如粒度、有机质含量、重金属含量等，并建立数据库；开展扰动释放实验，测试不同工况下污染物的释放情况，建立如上所述数学模型，模拟污染物在湖泊中的扩散迁移过程，并评估水质变化对生态系统的影响，构建生态风险模型，与现有技术的对比如下：

表1本发明与现有技术的对比

通过实施例的数据对比，可以看出本发明方法最大释放浓度仅为0.6mg/L，明显低于现有技术，释放量控制在较低水平；本发明影响范围为2平方公里，比现有技术小一半以上，污染扩散受到较好控制；本发明的生态风险评估结果为低风险级别，环境影响较小，生态系统恢复能力强，且健康风险指数低于1，对人体健康的危害较小；最重要的是本发明的污染影响持续时间仅30天，远少于现有技术，环境可恢复性好。

综上所述，本发明方法通过优化工艺流程、建立数学模型、制定监控预警措施等，有效控制了底泥污染物的释放和扩散，将生态风险和健康风险降至最低，达到了较好的环境效益，具有显著的创新性和实用价值。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。