深圳市水庫前置庫濕地設(shè)計與實踐研究

【摘要】深圳市部分一級水源地保護區(qū)處于城市包圍之中，“城中有水庫，水庫群中包圍著城市”，保護區(qū)上游有面源污染物進入庫區(qū)水體，對水源地保護區(qū)的水質(zhì)形成威脅。深圳市交通發(fā)達，車流量大，很多庫區(qū)、庫尾分布著主要交通干道，交通事故存在著對水體污染的嚴重威脅。本文以石巖、西麗、甘坑、赤坳等水庫前置庫濕地工程為實例，研究已建成的水源水庫前置庫濕地在規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行方面的經(jīng)驗，針對水庫前置庫濕地設(shè)計和運行中存在的問題，提出優(yōu)化設(shè)計建議和解決方法，為前置庫濕地的科學(xué)建設(shè)提供技術(shù)支撐。

【關(guān)鍵詞】前置庫濕地；設(shè)計建設(shè)；污染控制

前置庫濕地是一種具有投資小和運行費用低、對水體凈化效果好等優(yōu)點，適合于沒有污水收集設(shè)施地區(qū)的面源污染控制。在前置庫中，河水首先進入初沉池，由于擋板和溢流板的作用，泥沙和顆粒物在初沉池內(nèi)得以充分沉淀，然后進入主反應(yīng)區(qū)，由于物理化學(xué)及生物的作用，氮磷、有機物等在主反應(yīng)區(qū)內(nèi)被加速去除。為防治環(huán)境污染，對位于建成區(qū)的水庫水源地保護區(qū)進行面源污染控制，保護水庫水源地水體的水質(zhì)，深圳市于2009年5月完成了《深圳主要水庫建設(shè)河口自然濕地前置庫前期項目建議書》的編制工作，計劃開展赤坳、甘坑、西麗、石巖等6座水源水庫的河口自然濕地前置庫前期工作。同時，市政府啟動了石巖、西麗、甘坑、赤坳等水庫前置庫的建設(shè)工作。

一、深圳市主要水源水庫前置庫濕地建設(shè)規(guī)劃

深圳市主要水源水庫有石巖、西麗、茜坑、赤坳水庫等，集雨面積分別為44、29、3.87、14.6km2，庫尾主要支流有石巖河、王家莊河、大墈河、麻墈河、金龜河等，各支流流經(jīng)眾多建成區(qū)，甘坑河上游流經(jīng)布吉及平湖街道，石巖河流經(jīng)石巖街道，河流集雨面積內(nèi)建成區(qū)多，人口稠密，一方面，面源污染大量進入河道水體，惡化水庫水質(zhì)；另一方面，人類活動頻繁對庫區(qū)水質(zhì)造成威脅。

為解決上述問題，保護水源水庫水質(zhì)，深圳市規(guī)劃建設(shè)6宗水庫前置庫工程，包括：石巖水庫前置庫、甘坑水庫前置庫、西麗水庫前置庫、赤坳水庫前置庫、茜坑水庫前置庫和鐵崗水庫前置庫。

上述前置庫按照功能大致可分為2類：一類在河口建設(shè)濕地，通過生物作用削減面源污染，例如甘坑水庫前置庫、西麗水庫前置庫和石巖水庫前置庫。一類在庫區(qū)近路旁建設(shè)緩沖庫，沉淀突然事件受污染水體，并及時排干前置庫，例如茜坑、赤坳水庫前置庫。

二、前置庫濕地工程建設(shè)實踐與總結(jié)

根據(jù)《深圳主要水庫建設(shè)河口自然濕地前置庫前期項目建議書》，深圳市開展了石巖、甘坑、西麗、赤坳等水庫前置庫濕地工程建設(shè)，目前西麗水庫前置庫濕地仍在建設(shè)中，其余三宗水庫前置庫濕地已經(jīng)建設(shè)完成并投入運行。由于技術(shù)協(xié)調(diào)等多方面問題，茜坑和鐵崗水庫前置庫濕地未按規(guī)劃進行建設(shè)。

2.1 建設(shè)目的

從功能上分析，赤坳水庫前置庫上庫、西麗水庫D區(qū)前置庫和生態(tài)濕地建設(shè)目的主要是為了應(yīng)對突發(fā)污染事件的發(fā)生。

甘坑水庫、西麗水庫A、B、C、E區(qū)、石巖水庫西岸前置庫和生態(tài)濕地系統(tǒng)等是為了采用水生植物的生態(tài)修復(fù)功能，凈化入庫水質(zhì)，截留初期雨水，并在特殊事故中，截留污水，為應(yīng)急處置爭取時間。

上述兩種前置庫濕地，是前置庫濕地主要功能的代表。

各水庫建設(shè)目的見表2-1。

2.2 前置庫選址

前置庫濕地選址需要考慮處理建設(shè)目的及周邊環(huán)境：

1 選擇入庫河口位置

入庫河口建設(shè)前置庫濕地，可通過設(shè)置截流閘，控制河道水體使其進入緩沖庫和水庫，并在緩沖庫前建設(shè)涵養(yǎng)林，如石巖水庫前置庫濕地。

2 選擇緩坡、菜地和魚塘位置

若庫尾有緩坡、菜地或魚塘等條件，應(yīng)充分利用菜地、魚塘等進行前置庫濕地布置，菜地和洼地改建成前置庫濕地，可根據(jù)地形，相應(yīng)配置漫流式濕地與穩(wěn)定塘，魚塘改建成前置庫濕地，可以根據(jù)水深，合理配置相應(yīng)植物。

3 選擇交通道路旁

緩沖突發(fā)水污染事件作用的前置庫濕地，應(yīng)結(jié)合交通道路位置，在事故多發(fā)地段設(shè)置前置庫濕地，例如赤坳前置庫工程靠近坪葵公路，以應(yīng)對赤坳水庫突發(fā)事件頻繁發(fā)生的情況。

2.3 前置庫水力停留時間與水流調(diào)節(jié)

在前置庫設(shè)計過程中，為使入庫徑流中的污染物能被有效去除，必須有足夠庫容以受納絕大部分徑流并保證足夠的滯水時間。根據(jù)國外研究結(jié)果，營養(yǎng)元素的去除率和滯留時間呈正比例關(guān)系，前置庫在滯水時間為2～12 d情況下，對正磷酸鹽的去除率可達34%～61%，對總磷的去除率可達22%～64%。

前置庫濕地庫尾設(shè)置水閘來控制水力停留時間，設(shè)置兩孔水閘，一孔為控制閘，一孔為擋水閘，控制閘處于常開狀態(tài)，關(guān)閉擋水閘。

下雨時初期雨水通過控制閘進入前置庫濕地，處理后進入水庫，保護水庫水體；當(dāng)河道水位達到設(shè)計水位時，控制閘處于開啟狀態(tài)，河道水體通過排洪渠進入水庫；洪水期，開啟控制閘排洪。

在低水位時，開啟擋水閘，夠放空前置庫，方便檢修、清淤。

1 水力停留時間與前置庫庫容的關(guān)系：

西麗水庫A區(qū)前置庫庫容為4.3萬m3，水力停留時間為1.15d，B區(qū)前置庫水力停留時間為11.9d，庫容為1.5萬m3，C區(qū)麻磡河前置庫，濕地設(shè)計水力停留時間為3.21d，穩(wěn)定塘水力停留時間為3.04d，大磡河前置庫濕地設(shè)計水力停留時間為8.15d，D區(qū)緩沖庫有效容積為8.18萬m3，E區(qū)緩沖庫的有效庫容為1.24萬m3，緩沖庫水力停留時間為22d。

甘坑水庫前置庫庫容為2.28萬m3；赤坳水庫前置庫庫容為4.22萬m3；石巖水庫東岸緩沖庫庫容為30萬m3，西岸前置庫（2宗）庫容均為2萬m3，人工濕地規(guī)模為1萬m3。

前置庫濕地庫容是水力停留時間的重要因素，來水條件一致的情況系，前置庫濕地庫容與水力停留時間成正相關(guān)關(guān)系。上述水庫前置庫濕地庫容均大于2萬m3，為保障水力停留時間，前置庫濕地有效庫容不應(yīng)過小，若用地條件有限，可考慮布置“之”字型溝槽，增加前置庫濕地有效處理庫容。

2 水力停留時間與前置庫濕地來水水質(zhì)關(guān)系，前置庫濕地來水水質(zhì)較好，停留時間可以適當(dāng)減少，來水水質(zhì)較差時，應(yīng)延長受污染水體在前置庫中停留時間。例如西麗水庫前置庫濕地A區(qū)來水已經(jīng)過白芒河人工快滲系統(tǒng)處理，水質(zhì)優(yōu)于其他區(qū)前置庫濕地來水水質(zhì)，停留時間遠小于其余各區(qū)。

2.4 土壤特性、植被生長及水生植物

1 土壤特性

前置庫庫尾多為砂質(zhì)土，池塘多為淤泥，具備植物種植條件。

砂質(zhì)土挖成的前置庫濕地，第一年植物不容易成活，應(yīng)放置一年以上，讓庫底存有淤泥，再種植植物，能有效提高植物存活率。

魚塘改建的前置庫濕地，可以通過合理搭配，當(dāng)年種植植物。

2 植被生長

（1）喬木和灌木

在坡度較緩、水位消落變化相對較穩(wěn)定區(qū)域，樹種選擇耐水樹種，包括紅樹林，海桑等，以及白千層、水翁、水松等；該類樹種具有多年生，生長緩慢，管理成本低的特點。樹林的建立，對庫區(qū)鳥類及生物多樣性都有較大的貢獻。

在本次分析前置庫濕地中，甘坑水庫前置庫通過種植植物進行入庫水體污染成分削減，種植海桑兩排，采用“品”字形栽植于土埂背水面。種植竹節(jié)樹兩排，采用“品”字形栽植于土埂頂面。

紅樹林種植土壤要求具有高水分、富含有機質(zhì)等特點，紅樹林群落根系發(fā)達，適應(yīng)于水漲水落，對水體水質(zhì)凈化的能力和污染緩沖能力均有極大提高。

（2）挺水、沉水植物

石巖水庫西岸和西麗水庫均種植蘆葦和香蒲。蘆葦和香蒲都是挺水植物，其中蘆葦是常見水邊植物，適宜水深從幾厘米至1米以上，對氮、磷、COD5有很好的去除效果，根系發(fā)達，抗沖能力強。香蒲為多年生宿根性沼澤草本植物，適宜水深0.15厘米～60厘米，對氮、COD5有很強去除效果，根系發(fā)達，抗沖能力強。

西麗水庫前置庫深水區(qū)種植苦草等漂浮植物和菹草等沉水植物，苦草對氮磷、COD5均有較好的去除效果，菹草為耐寒植物，增強冬季濕地的處理效果，主要去除COD5。各前置庫情況見表5-1，表5-2。

2.5 存在問題

前置庫濕地研究和工程實踐還在不斷完善，前置庫濕地實際運行中，還出現(xiàn)了一些新的問題，需要不斷進行總結(jié)：

一是石巖水庫東岸前置庫在運行中，由于石巖正常水庫目前經(jīng)常處于高水位運行，閘門有時候不能按照要求正常開啟，致使截流污水有時過久停留在前置庫內(nèi)，直至污水水位雍高到能排入截污箱涵中時，才能將污水引走。

二是甘坑水庫前置庫溝槽坡降0.112%，溝槽為梯形斷面，深度0.8-2.2m，土埂迎水面坡比1：2，土埂和溝槽的坡度略陡，減少了與水體的接觸面和植物的有效種植率，將土埂坡度放緩，效果會更好。

三是西麗水庫來水的垃圾問題，西麗水庫麻磡河來水中存在大量的垃圾，對前置庫滲透壩運行產(chǎn)生了不良影響，應(yīng)采取一定的工程措施解決這一問題。

三、優(yōu)化前置庫濕地設(shè)計模式

1 建設(shè)前置庫濕地排洪通道

前置庫濕地排洪通道是保障前置庫安全運行的重要水工建筑物，在前置庫設(shè)計時，應(yīng)特別重視，既要保證行洪安全，又要保證前置庫在運行時水流暢通。

2 設(shè)計水位確定

設(shè)計前置庫濕地時，要根據(jù)該水庫常年運行水位來確定前置庫進出水口的水位，前置庫最低水位應(yīng)高于主庫日常運行水位，確保前置庫能夠排干，讓前置庫土壤能夠翻曬，增加土壤含氧量，細菌分解能力，使植物根系更加發(fā)達，增加前置庫水體自凈能力。

3 設(shè)計“之”字溝槽

建議采用 “之”字型結(jié)構(gòu)的溝槽（例如甘坑、石巖水庫前置庫），延長水流在前置庫中的流動時間，以增加土壤和水體接觸的比表面積，增加水體和土壤的氧氣交換。

4 溝槽坡度設(shè)計

溝槽設(shè)計應(yīng)保證坡面一面略陡一面略緩，緩坡坡角在15～45°，多數(shù)情況下在25°左右，陡坡坡角一般在45°以上。緩坡利于植物生長，水生態(tài)系統(tǒng)形成，且緩坡退水較慢，利于鳥類棲息，陡坡利于排水，保證水流和土壤的氧氣交換。

5 前置庫濕地紅樹植物配置

大量的研究成果證明沿海紅樹林對水質(zhì)凈化具有顯著作用，紅樹林是多年生植物，具有根系發(fā)達，適應(yīng)水位漲落的特點，運用于前置庫濕地時，較草本植物有凈化能力強、便于管理、降低管理成本的優(yōu)點。根據(jù)西麗水庫的種植實踐表明，水庫前置庫濕地淡水紅樹林種植是成功的，在華南地區(qū)，是前置庫濕地植物配置可選的品種，紅樹林淡水種植條件要求有淤泥質(zhì)的土壤及水位的漲落，在前置庫植物配置時，要注意紅樹林種植的位置的選擇和水位控制。

6 前置庫濕地運行調(diào)度

水庫前置庫在運行時，應(yīng)優(yōu)化調(diào)度：

非暴雨和洪水期：關(guān)閉泄洪閘，打開前置庫進水閘，前置庫灌滿后讓水體在庫內(nèi)停留3-7天后排入主庫，而后排干前置庫，干曬1-3天后，再次灌水，往復(fù)循環(huán)。形成前置庫濕地水位一漲一落周期，讓土壤能夠充分呼吸，減輕濕地土壤堵塞，提高前置庫濕地生物處理效率，延長前置庫濕地使用壽命。

②洪水時：打開泄洪閘，關(guān)閉前置庫進水閘，打開出水口，讓水體經(jīng)原河道流入主庫，保障前置庫安全。③洪水過后：及時對水閘前后進行清淤、清渣，確保各水閘能正常運行。

7 在所有前置庫入口處，應(yīng)考慮設(shè)置攔污構(gòu)筑物。

四、小結(jié)

前置庫濕地的建設(shè)工作是一項開創(chuàng)性、跨學(xué)科的工程，在規(guī)劃和實踐的過程中，有許多需要總結(jié)的地方，在此基礎(chǔ)上，分析總結(jié)前置庫濕地規(guī)劃和實踐的經(jīng)驗，針對水庫前置庫濕地設(shè)計和運行中存在的問題，提出優(yōu)化設(shè)計建議和解決方法，為前置庫濕地的科學(xué)建設(shè)提供技術(shù)支撐。