小型生態(tài)供水水庫(kù)構(gòu)建探討與初期運(yùn)行效果分析
——金澤水庫(kù)案例

葉源新

(上海城投水務(wù)<集團(tuán)>有限公司，上海 200002)

1 金澤水庫(kù)概況

1.1 金澤水庫(kù)概況

金澤水庫(kù)位于上海市青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)西部、太浦河北岸，水庫(kù)占地2.7 km2，其中水域面積為1.9 km2，總庫(kù)容約910萬(wàn)m3，最高蓄水位為3.30 m，常水位為2.40～2.50 m，近期集中供應(yīng)原水量為351萬(wàn)m3/d。金澤水庫(kù)2016年12月通水，主要向上海市青浦、松江、金山、奉賢和閔行五區(qū)約670萬(wàn)人口集中供應(yīng)原水，可滿足2～3 d的水量需求，提高了應(yīng)對(duì)突發(fā)水污染事故的能力。

金澤水庫(kù)是上海市繼陳行水庫(kù)、青草沙水庫(kù)、東風(fēng)西沙水庫(kù)之外的第四個(gè)水源水庫(kù)，其主要功能是實(shí)現(xiàn)黃浦江上游水源地的集中歸并，提高突發(fā)水污染事故的應(yīng)對(duì)能力，并通過(guò)水源地上移、水庫(kù)調(diào)蓄以及生態(tài)強(qiáng)化凈化工藝提高出庫(kù)水質(zhì)，進(jìn)一步提升黃浦江上游地區(qū)供水水質(zhì)，提升上海市供水安全能級(jí)[1-2]。

1.2 金澤水庫(kù)來(lái)水特征

表1 2015年～2017年太浦河金澤斷面取水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2 金澤生態(tài)水庫(kù)構(gòu)建思路與工程措施

2.1 金澤水庫(kù)水質(zhì)生態(tài)凈化系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵問(wèn)題

金澤水庫(kù)利用閘門(mén)從河道自流引水，整個(gè)流程完全依靠自然水力坡降向輸水泵站供水，難以提供高水損水處理設(shè)施應(yīng)用的基本條件。

相對(duì)于大多數(shù)水庫(kù)及天然湖泊，金澤水庫(kù)換水周期短，最高蓄水位時(shí)換水周期不足3 d，在外河水位較低時(shí)更短。庫(kù)內(nèi)水體停留時(shí)間極短，不利于生態(tài)凈化措施提升水質(zhì)效果的發(fā)揮[3-5]。同時(shí)，庫(kù)內(nèi)水位隨外河水位漲落而變化，水位變幅寬，太浦河日均潮差達(dá)到0.2～0.3 m，全年水位變化可達(dá)0.8～1.1 m。

根據(jù)金澤水庫(kù)上述特點(diǎn)，在水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)中，需要考慮停留時(shí)間、水位等因素對(duì)水生態(tài)凈化系統(tǒng)的影響，結(jié)合運(yùn)行特點(diǎn)、庫(kù)區(qū)構(gòu)型等因素，設(shè)計(jì)適用于金澤水庫(kù)的水質(zhì)生態(tài)凈化系統(tǒng)，同時(shí)，兼顧水庫(kù)作為常規(guī)運(yùn)行的集中飲用水源地在維護(hù)管理工作中船只通行等的實(shí)際需求。

2.2 金澤水庫(kù)水質(zhì)生態(tài)凈化系統(tǒng)措施

金澤水庫(kù)生態(tài)凈化系統(tǒng)構(gòu)建布局如圖1所示。

圖1 金澤水庫(kù)生態(tài)凈化系統(tǒng)構(gòu)建布局圖Fig.1 Layout of Ecological Purification System of Jinze Reservoir

根據(jù)金澤水庫(kù)出庫(kù)原水穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類(lèi)的水質(zhì)目標(biāo)，結(jié)合太浦河引水中溶解氧、總氮、石油類(lèi)、重金屬等超標(biāo)指標(biāo)凈化削減和藻類(lèi)水華暴發(fā)預(yù)控的目的，針對(duì)金澤水庫(kù)生態(tài)凈化系統(tǒng)構(gòu)建特點(diǎn)，綜合考慮不同水質(zhì)生態(tài)凈化技術(shù)優(yōu)勢(shì)，順應(yīng)金澤水庫(kù)用地范圍形狀特征，提出了遵循“劃分區(qū)塊、合理銜接、重點(diǎn)不同、兼顧其他、發(fā)揮統(tǒng)力”的原則，把水庫(kù)及南側(cè)的輸水渠道分為強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)、生態(tài)凈化區(qū)及生態(tài)蓄水庫(kù)三個(gè)主體功能區(qū)塊，并在庫(kù)周有針對(duì)性地進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)。

2.2.1 強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)

強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)利用引水河進(jìn)行布置，將引水河設(shè)計(jì)為先擴(kuò)寬后均勻的細(xì)長(zhǎng)形態(tài)，采用物理凈化、生物接觸氧化為主要理念的凈化技術(shù)，利用自然沉淀、強(qiáng)化充氧、接觸凈化等技術(shù)提升水質(zhì)[6-8]，突出水質(zhì)初步凈化功能，是生態(tài)凈化系統(tǒng)的重要前置核心單元(圖2)。在進(jìn)水區(qū)擴(kuò)寬河道，通過(guò)整流提高水體沉淀性能，經(jīng)自然沉淀去除大顆粒懸浮物，有效降低水體中總磷等污染物含量，同時(shí)簡(jiǎn)化清淤及降低對(duì)后續(xù)措施的影響。接觸凈化區(qū)采取富氧與掛膜相結(jié)合的措施，溶解氧較低時(shí)先進(jìn)行強(qiáng)化充氧，促進(jìn)后續(xù)人工介質(zhì)區(qū)承載的微生物膜發(fā)揮物理攔截、吸附及凈化作用，進(jìn)一步去除水體中的懸浮物及氨氮污染物含量。根據(jù)引水污染負(fù)荷及水力負(fù)荷，按類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)值及選擇設(shè)施的處理能力，設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)通過(guò)強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)后，CODMn和氨氮去除率最高分別達(dá)到5%和8%，溶解氧增加17%。

圖2 金澤水庫(kù)強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)凈化措施Fig.2 Purification Measures of Pretreatment Zone of Jinze Reservoir

2.2.2 生態(tài)凈化區(qū)

生態(tài)凈化區(qū)利用李家蕩庫(kù)區(qū)構(gòu)建，該區(qū)域水位較淺，適宜水生植物生境營(yíng)造，因地制宜建設(shè)成為庫(kù)區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的核心單元，主要利用植物凈化、微生物分解等方式進(jìn)一步提升水質(zhì)(圖3)。利用水位波動(dòng)與植物生長(zhǎng)高度及生物節(jié)律吻合的優(yōu)勢(shì)，在導(dǎo)流潛堤及岸帶平臺(tái)構(gòu)建適宜生境，分別種植沉水植物和挺水植物，并利用導(dǎo)流潛堤頂部布置人工介質(zhì)填料框架，針對(duì)性地去除氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽。通過(guò)生態(tài)凈化區(qū)，預(yù)期CODMn和氨氮去除率最高分別達(dá)到5%和10%。

第一，在房屋拆遷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面，測(cè)繪系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要意義。這主要是由于測(cè)繪系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠在很大程度上避免認(rèn)定不一致，尤其是對(duì)房屋拆遷面積、人員居住情況等。

圖3 金澤水庫(kù)生態(tài)凈化區(qū)措施Fig.3 Measures of Ecological Purification Zone of Jinze Reservoir

2.2.3 生態(tài)蓄水庫(kù)

生態(tài)蓄水庫(kù)利用烏家蕩庫(kù)區(qū)構(gòu)建，該區(qū)域水深較大、自?xún)裟芰?qiáng)，主要功能是水質(zhì)穩(wěn)定及蓄存，目的是長(zhǎng)期維持良好水質(zhì)，防止水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生，是本工程的重要供水保障單元。該區(qū)域主要運(yùn)用水質(zhì)維持技術(shù)，在李家蕩和烏家蕩兩個(gè)庫(kù)區(qū)過(guò)渡的縮窄地段布置生態(tài)導(dǎo)流堤，使李家蕩庫(kù)區(qū)來(lái)水大部分從北側(cè)進(jìn)入烏家蕩庫(kù)區(qū)，改善生態(tài)蓄水庫(kù)北側(cè)湖灣的水流流態(tài)，并促進(jìn)蓄水庫(kù)內(nèi)水體環(huán)流，減少緩滯流區(qū)面積。庫(kù)周進(jìn)一步布置生態(tài)礫石床，形成多孔的微生物富集空間，將水中的有機(jī)物攔截吸附。取水口區(qū)域集中設(shè)置太陽(yáng)能循環(huán)增氧系統(tǒng)，確保出水水體中溶解氧穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，利于在輸水管網(wǎng)中長(zhǎng)距離輸送的原水水質(zhì)保障。在生態(tài)蓄水庫(kù)，預(yù)期CODMn和氨氮去除率為3%。

3 金澤水庫(kù)運(yùn)行初期水質(zhì)生態(tài)凈化效果分析

金澤水庫(kù)2016年12月底通水運(yùn)行，2017年對(duì)水庫(kù)取水(1#)、強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)(2#)、生態(tài)凈化區(qū)(3#)、生態(tài)蓄水庫(kù)(4#)的營(yíng)養(yǎng)鹽、溶解氧、重金屬等關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，初步評(píng)估水庫(kù)生態(tài)凈化措施在運(yùn)行初期的水質(zhì)凈化效果，為水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度、生態(tài)調(diào)控措施調(diào)整和完善等提供科學(xué)依據(jù)。

3.1 營(yíng)養(yǎng)鹽

3.1.1 總氮

金澤水庫(kù)取水總氮質(zhì)量濃度為1.11～2.82 mg/L，經(jīng)過(guò)自然沉淀、強(qiáng)化充氧、接觸凈化的強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)后總氮質(zhì)量濃度為0.95～2.09 mg/L，經(jīng)過(guò)李家蕩生態(tài)凈化區(qū)后總氮質(zhì)量濃度為1.01～ 2.16 mg/L，庫(kù)尾生態(tài)蓄水庫(kù)的輸水區(qū)總氮質(zhì)量濃度為0.92～2.07 mg/L(圖4)。整體來(lái)看，取水口至輸水區(qū)總氮濃度平均削減11.51%。其中，取水口至強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)總氮濃度平均降低4.57%，生態(tài)凈化區(qū)總氮濃度平均降低1.03%，至生態(tài)蓄水庫(kù)輸水區(qū)總氮濃度平均降低5.75%。

3.1.2 總磷

金澤水庫(kù)取水總磷質(zhì)量濃度為0.05～0.12 mg/L，經(jīng)過(guò)強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)后總磷質(zhì)量濃度為0.04～0.09 mg/L，經(jīng)過(guò)生態(tài)凈化區(qū)后總磷質(zhì)量濃度為0.04～0.09 mg/L，生態(tài)蓄水庫(kù)輸水區(qū)總磷質(zhì)量濃度為0.04～0.08 mg/L(圖5)。整體來(lái)看，取水口至輸水區(qū)總磷濃度平均削減32.41%。其中，強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)總磷濃度平均降低28.70%，生態(tài)凈化區(qū)總磷濃度平均降低11.49%。但是，在春夏季節(jié)的5月～8月，生態(tài)凈化區(qū)總磷濃度較強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)升高了25%～75%；在秋季9月和10月，生態(tài)凈化區(qū)總磷濃度較強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)分別降低20%和16.77%。

圖4 金澤水庫(kù)庫(kù)區(qū)總氮生態(tài)凈化效果Fig.4 Eco-Purification Effect of TN in Different Zone of Jinze Reservoir

圖5 金澤水庫(kù)庫(kù)區(qū)總磷生態(tài)凈化效果Fig.5 Eco-Purification Effect of TP in Different Zone of Jinze Reservoir

3.1.3 氨氮

金澤水庫(kù)取水氨氮質(zhì)量濃度為0.04～0.37 mg/L，經(jīng)過(guò)強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)后氨氮質(zhì)量濃度為0.02～0.21 mg/L，經(jīng)過(guò)生態(tài)凈化區(qū)后氨氮質(zhì)量濃度為未檢出～0.18 mg/L，輸水區(qū)氨氮質(zhì)量濃度為0.08～0.16 mg/L(圖6)。整體來(lái)看，取水口至輸水區(qū)氨氮濃度平均削減53.97%。其中，強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)氨氮濃度平均降低36.46%，生態(tài)凈化區(qū)氨氮濃度平均降低16.70%。春季氨氮凈化削減效果優(yōu)于夏季。

圖6 金澤水庫(kù)庫(kù)區(qū)氨氮生態(tài)凈化效果Fig.6 Eco-Purification Effect of Ammonia Nitrogen in Different Zone of Jinze Reservoir

3.2 溶解氧

金澤水庫(kù)取水溶解氧質(zhì)量濃度為3.91～8.67 mg/L，夏季低于地表水III類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)水庫(kù)庫(kù)區(qū)調(diào)蓄，輸水區(qū)溶解氧質(zhì)量濃度為3.87～8.88 mg/L，平均增加5.02%(圖7)。溶解氧增加主要發(fā)生在預(yù)處理區(qū)階段，該階段通過(guò)強(qiáng)化充氧措施，水體溶解氧最高增加34.96%(7月)。

圖7 金澤水庫(kù)庫(kù)區(qū)溶解氧生態(tài)凈化效果Fig.7 Eco-Purification Effect of Dissolved Oxygen in Different Zone of Jinze Reservoir

3.3 重金屬

鐵、錳在庫(kù)區(qū)的濃度變化如圖8所示。金澤水庫(kù)取水鐵濃度為未檢出～1.70 mg/L，錳濃度為未檢出～0.28 mg/L；經(jīng)過(guò)強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)后，鐵濃度為未檢出～1.30 mg/L，錳濃度為未檢出～0.26 mg/L；經(jīng)過(guò)生態(tài)凈化區(qū)后，鐵濃度為未檢出～0.95 mg/L，錳濃度為未檢出～0.24 mg/L；生態(tài)蓄水庫(kù)輸水區(qū)，鐵濃度為未檢出～1.10 mg/L，錳濃度為未檢出～0.20 mg/L。

圖8 金澤水庫(kù)庫(kù)區(qū)重金屬(鐵、錳)濃度變化Fig.8 Eco-Purification Effect of Nutrient (Fe,Mn) in Different Zone of Jinze Reservoir

整體來(lái)看，水庫(kù)對(duì)重金屬有較好的削減作用，取水口至輸水區(qū)鐵濃度平均降低43.37%，錳平均降低38.36%。削減作用主要發(fā)生在取水口至強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)段，該區(qū)段鐵平均降低38.78%，錳平均降低50.48%。生態(tài)凈化區(qū)對(duì)重金屬的削減作用較小，甚至部分時(shí)間出現(xiàn)回升現(xiàn)象。

4 結(jié)論與建議

(1)金澤水庫(kù)在占地局限、水力停留短暫、水頭有限等限制因素下，貫徹“整流沉淀前置處理、富氧集膜結(jié)合吸附、植物生境適宜營(yíng)造、主體結(jié)構(gòu)結(jié)合凈化”的理念，構(gòu)建了強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)、生態(tài)凈化區(qū)、生態(tài)蓄水庫(kù)三模塊的水質(zhì)生態(tài)凈化系統(tǒng)，對(duì)水庫(kù)引水中的營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬等關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)發(fā)揮了一定的凈化削減作用，可為用地緊張地區(qū)小型生態(tài)水庫(kù)的建設(shè)提供思考借鑒及工程實(shí)例。

(2)水庫(kù)目前尚處于運(yùn)行初期，采用強(qiáng)化充氧、擴(kuò)容沉淀等物理技術(shù)措施的強(qiáng)化預(yù)處理區(qū)的水質(zhì)改善較為明顯，氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽及污染物隨泥沙沉降作用得到明顯削減。但是，生態(tài)凈化區(qū)的污染削減作用尚未充分顯現(xiàn)，可能與水庫(kù)運(yùn)行初期水生植物、微生物生境尚未發(fā)育完全，無(wú)法發(fā)揮預(yù)期的水質(zhì)凈化作用有關(guān)。因此，水庫(kù)在后期運(yùn)行管理中，尚需加強(qiáng)生態(tài)凈化區(qū)生境的構(gòu)建、培育和穩(wěn)定，以促進(jìn)發(fā)揮該區(qū)域的水質(zhì)凈化作用。

[1]姚潔.黃浦江上游原水系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)[J].給水排水,2015(10):9-13.

[2]上海黃浦江水源地工程建成通水[J].上海水務(wù),2011(1):39.

[3]吳挺峰,高光,晁建穎,等.基于流域富營(yíng)養(yǎng)化模型的水庫(kù)水華主要誘發(fā)因素及防治對(duì)策[J].水利學(xué)報(bào),2009,40(4):391-397.

[4]丁巧林,余婷,等.水位變動(dòng)對(duì)2種水生植物生長(zhǎng)及生物量分配的影響[J].河北林業(yè)科技,2014(1):1-3.

[5]楊永清.水位波動(dòng)對(duì)水生植物生長(zhǎng)影響的實(shí)驗(yàn)生態(tài)學(xué)研究[D].武漢:武漢大學(xué),2003.

[6]張華,徐彬士.上?；菽纤畯S微污染水源水生物預(yù)處理工程設(shè)計(jì)[J].給水排水,1999,25( 8):1-4.

[7]李懷正,傅威,白月華,等.生物接觸氧化預(yù)處理源水的設(shè)計(jì)參數(shù)[J].中國(guó)給水排水,2001,17(2):43-45.

[8]葉旭全.廣東省東江-深圳供水工程原水生物預(yù)處理工藝的應(yīng)用與研究[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2003:53-65.