森林地面水源取水和水質(zhì)優(yōu)化處理技術

何瑩泉，陳鈺皓，陳富強，劉錫輝

(廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣州 510520)

目前大部分森林區(qū)域內(nèi)由于沒有完善的市政供水設施，難以滿足森林防火、森林旅游和林業(yè)生產(chǎn)活動等日益對用水量的增長需求。特別是在逐漸形成的以水滅火為主要森林防火形式的一種趨勢的情況下[1]，就近就地取得符合使用要求的水源對于開展森林保護、生態(tài)旅游和林業(yè)生產(chǎn)活動具有重要意義。

雨水、山泉和溪流等地面徑流是森林中可利用的理想水源。但森林消防用水和各類服務設施用水(飲用水除外)對水質(zhì)有一定的要求，對取水構(gòu)筑物的設置也有安全上的考慮。地面徑流在枯水期時，枯枝落葉等漂浮物和水生動植物較多；而在豐水期時，由于水量大攜帶了大量的泥沙及懸浮顆粒，導致水質(zhì)變壞，特別是山洪暴發(fā)時，巨大的水量變化使水流具有非常大的破壞性，傳統(tǒng)取水構(gòu)筑物難以適用于森林水源取水工程。

森林地面水源取水和水質(zhì)優(yōu)化處理集成了設置在森林溪流河床上的防沖刷保護結(jié)構(gòu)、多層濾料過濾凈水處理裝置、凈水收集管道、凈水室、閥門井以及出水管道等構(gòu)筑物，是一套適于森林水源取水和水質(zhì)優(yōu)化的處理系統(tǒng)。本研究以收集和處理的水體為測定對象，通過對處理前后水體的水量和水質(zhì)進行測定，從而掌握該系統(tǒng)收集地面水量及處理水質(zhì)的情況，以期為森林地面水源取水和水質(zhì)優(yōu)化處理提供理論依據(jù)。

1 構(gòu)成與原理

1.1 系統(tǒng)原理

采用低負荷的慢濾處理原理，凈水機理是多方面功能的綜合反應，主要是生物吸附降解、沉淀、擴散、靜電吸附機械篩濾的協(xié)同作用[2]。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

由設置在森林溪流河床上的防沖刷保護結(jié)構(gòu)、多層濾料過濾凈水處理裝置、凈水收集管道、凈水室、閥門井以及出水管道等構(gòu)成。過濾凈水處理裝置包括自河床水面向河床底部方向依次設置的各層處理過濾構(gòu)造：① 6 mm粗尼龍編織防沖刷網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為40 mm，作用是在防止發(fā)生洪水時各層濾料被沖刷破壞；② 300 mm厚鵝卵石或礫石層，粒徑60～80 mm，主要攔截較大漂浮和懸浮雜質(zhì)；③ 400 mm厚石英砂層，粒徑0.35～0.50 mm的中粗砂，滲透過濾處理水功能；④ 200 mm厚鵝卵石或礫石層，粒徑20～30 mm，多級過濾處理，凈水收集管敷設床；⑤ 外裹塑料濾布的DN100多孔透水給水管，孔徑10 mm，孔數(shù)60/m，收集清水，防止濾料沙石進入凈水池；⑥ 200 mm厚鵝卵石或礫石層，粒徑20～30 mm，多級過濾處理，清水收集管敷設床。

濾料層為三層，濾池總厚度為1100 mm，粒徑0.35～0.50 mm和20～80 mm。水源水質(zhì)優(yōu)化處理構(gòu)造詳見圖1。

結(jié)合地勢與森林環(huán)境，凈水出水與原水流水方向為90度水力布置，豐水期時，利用上層防沖刷保護層和合理的濾料級配，防止大水流沖力破壞過濾層，并利用形成的大水流沖洗潔凈表面和上層濾料層過濾的雜質(zhì)，自然完成上層濾料沖洗步驟，無需更多的維護清理工作，可有效延長系統(tǒng)的使用壽命，增加系統(tǒng)的安全可靠性。通過上述的過濾凈水處理裝置可有效去除地面徑流水源內(nèi)落葉及懸浮物、泥沙顆粒，處理后的水質(zhì)可達到森林消防用水、林業(yè)生產(chǎn)和各類服務設施的用水的水質(zhì)和水量要求。

2 實驗方法

2.1 實驗地概況

實驗地設在東莞大屏嶂森林公園森林防火系統(tǒng)研究示范基地內(nèi)，在113°59′07″—114°01′11″E，和20°45′44″—22°49′25″N之間。屬南亞熱帶季風氣候，夏秋多雨，春冬干旱；年降雨量1 500～2 400 mm，雨量集中在4—8月。實驗系統(tǒng)設置在示范基地竹徑小溪流河床上；過濾區(qū)尺寸2.6 m×2.2 m×1.2 m面積5.72 m2，體積6.86 m3；凈水室尺寸2.0 m×0.5 m×1.1 m，凈水室容積1.1 m3。

2.2 實驗方法

利用抽水降水實驗測定系統(tǒng)的出水量，數(shù)據(jù)格式為平均值±標準誤差；運用Microsoft Excel 2007軟件統(tǒng)計整理各項數(shù)據(jù)；采用SPSS 19.0軟件，使用配對樣本T檢驗與曲線估算方法對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出原水水位與凈水水位差和出水量之間的函數(shù)關系。原水水質(zhì)采用人工模擬法，以水流擾動上游溪流河床模擬暴雨最不利時原水水質(zhì)，在各出水量工況下采取水樣，測定原水和凈水水質(zhì)，比較不同水量下系統(tǒng)去除雜質(zhì)的效果，得出出水量和處理效果之間最佳的工藝參數(shù)。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 出水量測定實驗

出水量測定實驗采用降水實驗測定系統(tǒng)的產(chǎn)水能力，即出水量(y)，以變頻水泵組為凈水池降水，以不同的流量抽吸凈水池水，抽水水位下降到恒定值時，測量水位下降的刻度(x)，記錄此時水泵的流量。經(jīng)過實驗得出原水水位和凈水水位之差(x)和水泵流量(y)之間的關系圖(圖2)。

圖2 出水量與水位關系圖

從圖2可以看出，出水量(y)與水位差(x)呈現(xiàn)冪函數(shù)曲線變化。由圖可見，判定系數(shù)R2=0.850 2，說明測點次數(shù)解釋出水量總變異的85.02%。在5%的顯著性水平下，回歸系數(shù)通過t檢驗，p值非常小，趨近于0。說明回歸效果較好，得到出水量與水位差的函數(shù)關系[3]：

y=0.397 9x-1.739(x≥0)

實驗結(jié)果顯示，原水水位和凈水池水位差為10～15 cm時，流量變化范圍為2.24～4.23 m3/h，單位過濾面積出水量0.39～0.74m3/(h·m2)；原水水位和凈水池水位差為15～20 cm時，流量變化范圍為4.23～6.22 m3/h，單位過濾面積出水量0.74～1.09(m3/h·m2)。

3.2 出水水質(zhì)分析

水質(zhì)實驗通過不同出水量工況下的多組取水水樣測定完成。經(jīng)實驗數(shù)據(jù)比對，出水水質(zhì)和出水量關系成反比，出水量增大水質(zhì)處理效果減弱，依據(jù)這個規(guī)律可以確定最佳的出水量參數(shù)：原水水位和凈水池水位差為10～15 cm時，為一段理想的系統(tǒng)運行工況，處理效果也較好。表1為此工況下的水質(zhì)檢驗數(shù)據(jù)。

表1 取樣水質(zhì)檢測結(jié)果檢驗項目原水檢測結(jié)果凈水檢測結(jié)果去除部分去除率/%渾濁度(NTU)1740.9173.199.48色度3152683.87臭和味101100.00肉眼可見物505100.00氨氮/(mg/L) 0.360.020.3494.44亞硝酸鹽氮/(mg/L)0.0130.0010.01292.31鋁/(mg/L)0.040.020.0250.00錳/(mg/L)0.110.050.0654.55鐵/(mg/L)6.720.116.6198.36耗氧量/(mg/L)7.190.616.5891.52總大腸桿菌/(MPN/100 mL)169.26.842.50細菌總數(shù)/(CFU/mL)>50013037074.00pH/(mg/L)66.5總硬度(以CaCO3計)/(mg/L)19.721.6-1.9-9.64

4 結(jié)論與討論

1)實驗表明，水位差是系統(tǒng)出水量的決定因素，水位差越大出水量也越大，以系統(tǒng)慢濾原理為依據(jù)，當水位差為10～20 cm時，出水量最穩(wěn)定，系統(tǒng)運行良好。取水口構(gòu)造尺寸以水位差為10～15 cm時最佳，當對水質(zhì)要求不高時，水位差可以選擇為15～20 cm 。當水位差增加時出水量增加，但會減弱水質(zhì)處理的效果。因此，依據(jù)過濾面積=用水量/單位面積出水量的計算公式，如果水源為雨水和泥沙含量較高的水體，可按照用水量計算所得的過濾面積再考慮一定的安全系數(shù)(1.2～1.5)。

2)原水經(jīng)過過濾層的過濾處理后，去除了森林地面徑流99%以上的肉眼可見漂浮物質(zhì)和渾濁度，氨氮、亞硝酸鹽及金屬離子等都有不同程度的改善，凈水pH值輕微為弱堿化，水的硬度也有一定提高，處理效果理想，可以滿足森林消防和游客活動中的大部分用水水質(zhì)要求。

3)該技術適用森林水源類型廣闊，具有應對森林水源水質(zhì)、水位、水量大動態(tài)變化及防暴雨沖刷功能，可適應任何復雜境況。森林溪流山泉，泥沙含量低者為最佳，裝置布置在溪流河床上就可獲取到符合水質(zhì)要求的用水。沒有溪流的情況下，只要林地內(nèi)有一定的匯水面積，在雨水流經(jīng)的凹地布置該裝置即可從雨水中獲取符合水質(zhì)要求的用水。該技術結(jié)構(gòu)合理實用、簡潔樸實、綠色低碳、效果顯著，是構(gòu)建無動力環(huán)保林業(yè)供水系統(tǒng)中的一項關鍵技術，為森林水源生態(tài)收集處理利用開辟了新思路。