連云港市應(yīng)急水源地工程（薔薇湖水庫）生態(tài)工程關(guān)鍵性技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

潘榮生 ，宋 力，劉 婷 ，劉 浩

（1.連云港市通榆河北延送水工程管理處，江蘇 連云港　225000；2.江蘇省水利科學(xué)研究院材料結(jié)構(gòu)研究所，江蘇 揚(yáng)州　225002）

1　項(xiàng)目背景

連云港市歷來為水資源貧乏地區(qū)，薔薇河是目前連云港市區(qū)主要飲用水水源地。薔薇河全長97 km，連云港市境內(nèi)全長約59 km，主要支流有民主河、馬河、沭新河、魯蘭河和烏龍河等。連云港市上游來水主要依托江淮水北調(diào)，薔薇河是其主要骨干道，但連云港地理區(qū)域處于江淮水北調(diào)之末級渠道，整個(gè)調(diào)水線路長，因受沿途企事業(yè)生產(chǎn)用水及居民生活排放廢水的影響，導(dǎo)致薔薇河水質(zhì)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)波動(dòng)季節(jié)性超標(biāo)，當(dāng)有水質(zhì)污染突發(fā)性事件發(fā)生時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重影響薔薇河在連云港區(qū)域內(nèi)的供水。在此背景下，江蘇省發(fā)展改革委員會(huì)陸續(xù)對連云港市應(yīng)急水源地工程（薔薇湖水庫）項(xiàng)目建議書、可研報(bào)告、初步設(shè)計(jì)報(bào)告進(jìn)行了批復(fù)。工程于2014年6月陸續(xù)開工，2016年4月通過合同工程完工驗(yàn)收，2017年6月通過了連云港市發(fā)展改革委員會(huì)組織的投入使用驗(yàn)收。

連云港市應(yīng)急水源地工程位于連云港市海州區(qū)錦屏鎮(zhèn)、東?？h張灣鄉(xiāng)境內(nèi)，薔薇河南岸，東以通榆河為界，西以汾灌高速為界，占地約2.93 km2。該工程的主要建設(shè)內(nèi)容為：在每年6～8月份薔薇河水質(zhì)超標(biāo)期間，新建薔薇湖水庫以滿足連云港市至少7天的應(yīng)急供水量，日水量為70萬m3/d。在其它時(shí)段發(fā)生地方性水質(zhì)污染事件時(shí)，利用該水庫的蓄水量，以滿足市區(qū)至少連續(xù)14天供水量要求。湖區(qū)供水水質(zhì)應(yīng)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

圖1　工程總體布置圖

按功能劃分，湖區(qū)工程劃分為取水工程、凈化區(qū)工程及蓄水工程2大部分（詳見見圖1）。取水工程主要包括穿薔薇河大堤取水涵閘1座、9 m3/s的取水泵站1座；凈化及蓄水工程包括4個(gè)功能區(qū)，分別為：預(yù)處理區(qū)、復(fù)合濕地凈化區(qū)、沉水植物區(qū)、深度凈化區(qū)。水庫有效庫容約650萬m3。

2　水質(zhì)凈化工藝設(shè)計(jì)

2.1　工藝設(shè)計(jì)原則

遵循生態(tài)學(xué)、生態(tài)工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物科學(xué)、現(xiàn)代水利工程學(xué)等基本原理，采用健康生態(tài)功能的設(shè)計(jì)理念，針對薔薇河水質(zhì)特點(diǎn)，緊抓影響水質(zhì)凈化效果的制約因子，生態(tài)凈水工藝的選取原則為：相對成熟、效果可靠、技術(shù)先進(jìn)。生態(tài)工程中水生動(dòng)植物的配置應(yīng)合理，從而構(gòu)筑成健康、良性、可持續(xù)的生態(tài)凈化系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)地域特點(diǎn)，采取有針對性的預(yù)處理生化處理等技術(shù)，對原水進(jìn)行生態(tài)凈化，改善原水水質(zhì)[1]。

2.2　工藝流程

采用組合生態(tài)濕地為主體的生態(tài)處理技術(shù)。復(fù)合表流濕地技術(shù)的核心單元為：預(yù)處理單元、組合生態(tài)濕地單元（挺水植物及沉水植物）、深度凈化單元[2]（詳見圖2）。

圖2　凈水處理工藝流程圖

組合生態(tài)濕地由2段構(gòu)成：前段為復(fù)合表流濕地凈化區(qū)，后段為沉水植物凈化區(qū)。復(fù)合表流人工濕地是在傳統(tǒng)表流濕地的基礎(chǔ)上的改進(jìn)型，主要是通過挺水植物、沉水植物、地形塑造等構(gòu)建，根據(jù)晝夜水位變化較大有利于提高濕地生態(tài)系統(tǒng)生長的自然特點(diǎn)，模擬水位的周期性變幅，充分利用挺水植物、沉水植物、地形構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)吸收、攔截污染物，達(dá)到有效控制水體污染物及氮磷營養(yǎng)水平的效果。后段沉水植物區(qū)主要是通過生長于不同季節(jié)的沉水植物組成，以保持全年常綠的生態(tài)作用。工程的蓄水功能區(qū)為深度凈化區(qū)，在此區(qū)域深淺水過渡區(qū)種植沉水植物，同時(shí)投入底棲貝類及各級水生動(dòng)物，在湖中心設(shè)置超級水動(dòng)力裝置，從而形成穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)，來維持水質(zhì)品質(zhì)。

3　工程區(qū)域布置

3.1　取水工程

取水工程主要包括1座取水涵閘、1座9 m3/s的單向取水泵站及引水明渠。在預(yù)處理區(qū)與薔薇河大堤之間布置工程取水泵站，薔薇河外設(shè)置取水涵閘，并在泵站的前池設(shè)置自庫區(qū)引水渠進(jìn)入深度凈化區(qū)。薔薇河水質(zhì)優(yōu)于地表水Ⅲ類似時(shí)，可以關(guān)閉取水泵站，啟用自庫區(qū)引水渠直接向深度凈化區(qū)供水；薔薇河水質(zhì)在劣于地表水Ⅲ類，但在設(shè)計(jì)水質(zhì)范圍內(nèi)時(shí)，關(guān)閉自引涵管，由泵站提升至預(yù)處理區(qū)；薔薇河水質(zhì)劣于設(shè)計(jì)水質(zhì)的最大濃度時(shí)關(guān)閉取水泵站和庫區(qū)引水渠。

3.2　凈化及蓄水工程

3.2.1預(yù)處理區(qū)

（1）預(yù)處理區(qū)是本工程設(shè)計(jì)的前置單元，通過曝氣和平流沉淀及生物接觸措施，主要去除NH3-N、TP及CODMn，單組水流從預(yù)處理區(qū)的東端向西運(yùn)行至最西端后折向東，水流呈倒“S”型，流程約1200 m。預(yù)處理單元設(shè)置沉淀區(qū)、增氧區(qū)、人工介質(zhì)區(qū)、出水區(qū)等。

（2）預(yù)處理區(qū)前端設(shè)置進(jìn)水渠，原水從進(jìn)水渠進(jìn)入預(yù)處理區(qū)后經(jīng)配水擋板1、2配水后進(jìn)行沉淀；水體經(jīng)沉淀后進(jìn)入由16臺(tái)微泡增氧機(jī)組成的增氧區(qū)；水體在富氧后經(jīng)配水擋板3、4進(jìn)行配水；配水后水體進(jìn)入由20道組合填料和土工布等組成的人工介質(zhì)區(qū)進(jìn)行攔截、吸附等凈化處理；人工介質(zhì)處理后經(jīng)配水擋板5、6經(jīng)出水區(qū)進(jìn)入總收集渠。

（3）預(yù)處理區(qū)四周水面下1.2 m種植了耐寒的苦草、狐尾藻、伊樂藻及菹草等水生植物，有效吸附泥沙，增強(qiáng)凈化功能，同時(shí)在出水區(qū)種植了菱角、睡蓮，景觀效果好。

3.2.2復(fù)合表流濕地凈化區(qū)

（1）復(fù)合表流濕地凈化區(qū)是組合生態(tài)濕地的前段部分，是工程的重要處理單元，由淺灘深溝的微地形塑造和挺水植物與沉水植物復(fù)合構(gòu)建，主要通過大面積的淺灘區(qū)去除CODMn、植物的攔截與吸收去除TP、植物的吸收去除NH3-N。

（2）復(fù)合表流濕地凈化區(qū)分A、B 2組運(yùn)行，A組內(nèi)部分為9個(gè)處理單元、B組內(nèi)部分為6個(gè)處理單元，每個(gè)單元的最大處理水量0.65 m3/s。其中根據(jù)地形條件，A組內(nèi)的ⅡA-1區(qū)、ⅡA-5區(qū)～ⅡA-7區(qū)采用“S”型布置，其余5個(gè)單元采用順?biāo)鳌耙弧毙筒贾?；B組內(nèi)各單元全部采用“S”型布置。處理單元內(nèi)部設(shè)置2次、3次配水河和通風(fēng)河。在1條通風(fēng)河上設(shè)置1座帶控制設(shè)施的放空管。在收集渠A上設(shè)置8處Φ800的超越管。

（3）復(fù)合表流濕地凈化區(qū)灘面種植了黃菖蒲、再力花、香蒲、蘆葦?shù)韧λ参?，配水河及通風(fēng)河內(nèi)種植金魚藻、刺苦草、輪葉黑藻、穗狀狐尾藻、伊樂藻、菹草等沉水植物。

3.2.3沉水植物處理區(qū)

（1）沉水植物處理區(qū)[3]是生態(tài)濕地系統(tǒng)的重要保障單元，本工程共設(shè)置有3組沉水植物區(qū)，分別在鐵路西側(cè)東南角的沉水植物A區(qū)、鐵路東側(cè)中部的沉水植物B區(qū)及東南端的沉水植物C區(qū)。主要通過植物的吸收去除NH3-N。

（2）沉水植物區(qū)分A、B、C 3區(qū)運(yùn)行，其中A區(qū)內(nèi)部設(shè)置1條導(dǎo)流堤，B、C區(qū)通過渠道相連通。

（3）水生動(dòng)植物配置

該區(qū)主要種植了金魚藻、刺苦草、輪葉黑藻、穗狀狐尾藻、伊樂藻、菹草等凈化效果好的沉水植物，快速構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)凈化功能。種植于庫底及水下斜坡，并考慮不同季節(jié)品種的套種。同時(shí)為快速構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，除種植水生植物外還需投放一定的水生動(dòng)物，初步選用烏鱧、鱖魚、鯰魚、鰱魚、鳙魚、蚌、螺等，其中魚類投放約4500尾（規(guī)格＞50 g/尾），蚌和螺投放300 kg的成體。

3.2.4深度凈化區(qū)

（1）深度凈化區(qū)是末端單元，通過前段復(fù)合濕地凈化及沉水植物區(qū)CODMn組成結(jié)構(gòu)的改變，該區(qū)主要是通過構(gòu)建穩(wěn)定、健康的生態(tài)系統(tǒng)，利用生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能穩(wěn)定并進(jìn)一步降低原水的營養(yǎng)鹽水平，抑制藻類的生長及爆發(fā)，保持水質(zhì)在Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，保障飲用水源地供水安全[4]。

（2）沿庫周設(shè)置種植平臺(tái)種植水生植物構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)；在庫內(nèi)投放水生動(dòng)物；利用復(fù)合表流濕地凈化A組內(nèi)的超越管、薔薇河取水涵閘的自引涵管、庫內(nèi)側(cè)北端的排空渠、庫內(nèi)南端的排空預(yù)制砼管、太陽能曝氣機(jī)等設(shè)施進(jìn)行水動(dòng)力聯(lián)合聯(lián)動(dòng)；在2.0 m高程處，沿庫周一圈設(shè)置18 m寬的沉水植物種植平臺(tái)，在平臺(tái)末端設(shè)置0.5 m高，頂寬1 m的土坎，土坎上種植挺水植物。

（3）水生動(dòng)植物配置

該區(qū)動(dòng)植物配置品種與沉水植物區(qū)品種相同，水生植物種植金魚藻、刺苦草、輪葉黑藻、穗狀狐尾藻、伊樂藻、菹草等凈化效果好的沉水植物，快速構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)凈化功能。同時(shí)除種植水生植物外還需投放一定的水生動(dòng)物，初步選用烏鱧、鱖魚、鯰魚、鰱魚、鳙魚、蚌、螺等，其中魚類投放約26250尾（規(guī)格＞50 g/尾），蚌和螺投放1750 kg的成體。

（4）太陽能曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薔薇湖一經(jīng)建成，在較長一段時(shí)間內(nèi)其生態(tài)系統(tǒng)將處于有待健全的亞健康階段，水體抗干擾能力較低，易產(chǎn)生水體溫度分層、水底缺氧等情況。太陽能循環(huán)復(fù)氧技術(shù)以太陽能為動(dòng)力、以高效的水循環(huán)為機(jī)理對水體進(jìn)行充分深層攪動(dòng)、增氧及生物化學(xué)降解，從而實(shí)現(xiàn)對綜合水體品質(zhì)的提高，對藍(lán)綠藻類水華進(jìn)行近效控制。同時(shí)，利用低強(qiáng)度連續(xù)增氧有利于氨氮去除的機(jī)理，進(jìn)一步降低湖區(qū)中氨氮的含量（詳見圖3）。

圖3　太陽能水生態(tài)修復(fù)機(jī)理

太陽能循環(huán)復(fù)氧設(shè)備外40 m為水體去層化的有效影響半徑，設(shè)備外50～100 m為過渡區(qū)。為增加深度凈化區(qū)水體動(dòng)力，增強(qiáng)水體的富營養(yǎng)化防治能力，在深度凈化北部和中部各設(shè)置6臺(tái)，共計(jì)12臺(tái)太陽能曝氣機(jī)（詳見圖4）。太陽能曝機(jī)帶有儲(chǔ)能功能，單臺(tái)曝氣機(jī)太陽能板有效功率＞240 W，有效流量＞30 m3/min。

圖4　復(fù)氧機(jī)理

3.2.5庫區(qū)建筑物工程

為保證工程系統(tǒng)的正常運(yùn)行，滿足應(yīng)急水源地庫區(qū)引水、供水的功能要求，庫區(qū)布置了防護(hù)及功能分隔堤、各類排灌水渠道體系、全場控制閘群、溢流堰等建筑物。

4　工程運(yùn)行效果

薔薇湖水庫自2016年7月試運(yùn)行以來，根據(jù)多次水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)全部達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以上，NH3-N和TP等指標(biāo)更是能達(dá)到Ⅱ類甚至Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，湖區(qū)水質(zhì)基本達(dá)到集中式生活飲用水地表水源地二級保護(hù)區(qū)要求，能夠滿足連云港市正常原水供應(yīng)。

通過湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)管理，保障以挺水植物、沉水植物、浮葉植物為主的濕地生態(tài)系統(tǒng)快速達(dá)到健康穩(wěn)定狀態(tài)。數(shù)10種水生植物、濕生植物及陸域植物，呈現(xiàn)了隨地形特征改變的植物生態(tài)系統(tǒng)的多樣性結(jié)構(gòu)，營造出了一片景色秀美、空氣清新的濕地生態(tài)景觀[5]。同時(shí)，大面積的濕地水面吸引了數(shù)量眾多的鳥類、爬行類、兩棲類及魚類等動(dòng)物的棲息和繁衍，大大提高當(dāng)?shù)氐奈锓N多樣性，生態(tài)效益顯著。

5　結(jié)語

本工程利用生態(tài)濕地凈化技術(shù)措施，保護(hù)原水與改善提升水質(zhì)，同時(shí)利用本工程的蓄水量，滿足市區(qū)最長連續(xù)14天的應(yīng)急原水供應(yīng)需求，保障了城市供水安全。為更好地發(fā)揮工程效益，建議做好以下幾點(diǎn)[6]：

（1）開展地區(qū)水源地保護(hù)區(qū)劃定和水源地保護(hù)辦法或條例的制定，以法規(guī)的形式保障水源地水質(zhì)安全；

（2）進(jìn)一步研究水源地運(yùn)行管理方案，以形成一套科學(xué)完善的運(yùn)行管理體系；

（3）加強(qiáng)對區(qū)域污染源的治理，控源減污。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ]張俊，朱雪誕，李巍，等 . 河網(wǎng)地區(qū)微污染飲用水源地生態(tài)處理工程的設(shè)計(jì)研究 [ J ] . 中國農(nóng)村水利水電，2012（07）:51-53 .

[ 2 ]吳曉東 . 淺談水生態(tài)技術(shù)在薔薇湖建設(shè)中的應(yīng)用[ J ] .治淮，2013（12）:27-28 .

[ 3 ]吳巍巍 . 薔薇湖生態(tài)凈化水源工程蓄水規(guī)模研究 [ J ] .中國農(nóng)村水利水電，2014（08）:55-57 .

[ 4 ]于龍娟 . 生態(tài)凈化原理在桐鄉(xiāng)市應(yīng)急水源地工程中的應(yīng)用 [ J ] . 浙江水利科技，2012（03）:24-26 .

[ 5 ]許海，朱廣偉，秦伯強(qiáng)，等 . 氮磷比對水華藍(lán)藻優(yōu)勢形成的影響 [ J ] . 中國環(huán)境科學(xué)，2011，31（10）:1676-1683.

[ 6 ]連云港市應(yīng)急水源地工程（薔薇湖水庫）初步設(shè)計(jì)報(bào)告[ R ] . 上?？睖y設(shè)計(jì)研究院，2013 .