云南高原水庫(kù)面源污染防治中人工濕地工程技術(shù)應(yīng)用探討

周 鋮

(國(guó)家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650000)

1 引言

由于地形地貌的特殊性，云南多地均以水庫(kù)型取水方式作為生產(chǎn)、生活取水的主要方式。近年來(lái)云南省參加水質(zhì)評(píng)價(jià)的190座水庫(kù)水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)率約為96%，但有12%的水庫(kù)存在不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，水質(zhì)超標(biāo)項(xiàng)目為總磷、五日生化需氧量和pH值等[1]。為保證水庫(kù)水質(zhì)達(dá)標(biāo)，保障生產(chǎn)、生活供水安全，需要在水庫(kù)上游實(shí)施點(diǎn)源、面源污染防治措施，其中面源污染治理是污染防治的難點(diǎn)[2～5]。建設(shè)人工濕地是一項(xiàng)投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、管理便捷的面源污染治理措施，目前已迅速發(fā)展和應(yīng)用于河道水質(zhì)提升、污廢水處理、暴雨徑流處理等方面，對(duì)TP、氨氮、COD等均有較好的去除效果，適用于多源性、廣泛性的污染防治[6～8]。

寶象河水庫(kù)位于云南省昆明市官渡區(qū)大板橋境內(nèi)烏納山西麓，匯水面積67 km2，正常蓄水水位2052.0 m，設(shè)計(jì)洪水位2052.5 m，正常庫(kù)容1929萬(wàn)m3，現(xiàn)承擔(dān)著滇中新區(qū)空港經(jīng)濟(jì)區(qū)及主城部分區(qū)域的供水任務(wù)，是該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。近年來(lái)，根據(jù)昆明市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心每月一次的寶象河水庫(kù)庫(kù)區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，寶象河水庫(kù)水質(zhì)類別總體為Ⅲ類，但由于寶象河水庫(kù)入水口上游長(zhǎng)期缺乏管理，上游區(qū)域還存在農(nóng)田耕地面源污染，致使不達(dá)標(biāo)的水體直接流入寶象河水庫(kù)中，對(duì)寶象河水庫(kù)水質(zhì)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。為控制水庫(kù)上游污染物的流入，擬在水庫(kù)入水口建設(shè)人工濕地，構(gòu)建入水口安全屏障。

2 基礎(chǔ)資料

2.1 設(shè)計(jì)流量

根據(jù)《寶象河水庫(kù)水文日?qǐng)?bào)表》(2018年、2019年)，寶象河水庫(kù)進(jìn)水總流量平均日旱流量約為0.55萬(wàn)m3/d，合流最大流量為27萬(wàn)m3/d。

據(jù)水庫(kù)管理部門統(tǒng)計(jì)，寶象河水庫(kù)主要入水口為瓦窯箐、新復(fù)箐、岔河3個(gè)入水庫(kù)口，進(jìn)水流量分別為總進(jìn)水量的70%、10%和10%。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查瓦窯箐、新復(fù)箐、岔河入水庫(kù)口地塊進(jìn)水口處水流斷面和流速，通過(guò)徑流面積校核，調(diào)查估算得到的進(jìn)水流量與當(dāng)日寶象河水庫(kù)水文日?qǐng)?bào)表中的流量對(duì)比，數(shù)據(jù)基本吻合，故該處地塊進(jìn)水設(shè)計(jì)流量可依據(jù)水文日?qǐng)?bào)表數(shù)據(jù)計(jì)算(圖1)。 瓦窯箐、新復(fù)箐、岔河入水庫(kù)口三個(gè)濕地設(shè)計(jì)進(jìn)水流量計(jì)算，如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)流量

2.2 設(shè)計(jì)洪水位

根據(jù)寶象河水庫(kù)工程設(shè)計(jì)參數(shù)，該水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為三百年一遇，設(shè)計(jì)洪水位為2052.5 m，水庫(kù)溢流口標(biāo)高為2052.5 m。

2.3 出水水質(zhì)要求

根據(jù)《中華人民共和國(guó)水污染防治法》第十九條第三款規(guī)定：補(bǔ)給水源為地表水體時(shí)，該地表水體水質(zhì)不應(yīng)低于水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合云南省地方標(biāo)準(zhǔn)《高原湖泊區(qū)域人工濕地技術(shù)規(guī)范》(DB53/T 306-2010)中的人工濕地出水水質(zhì)指標(biāo)和寶象河水源地保護(hù)要求，盡可能提高出水水質(zhì)，確定本項(xiàng)目濕地出水口水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

圖1 入水口濕地位置

表2 水質(zhì)控制指標(biāo)

2.4 進(jìn)水水質(zhì)

為確定濕地進(jìn)水水質(zhì)，對(duì)瓦窯箐、新復(fù)箐、岔河進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，并按相關(guān)規(guī)范采集水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3。

表3 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)

對(duì)比進(jìn)水水質(zhì)和要求的出水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可確定本項(xiàng)目水處理的主要任務(wù)為降低進(jìn)水中的TN，并盡量減少SS、TP濃度。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 處理工藝選擇

人工濕地系統(tǒng)主要分為表面流濕地、水平潛流濕地和垂直潛流濕地三種，其中表面流濕地占地面積大、維護(hù)簡(jiǎn)單，水平潛流濕地占地面積較小、運(yùn)行費(fèi)用較高，垂直潛流濕地占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用高。本項(xiàng)目入水口濕地地塊區(qū)域均為狹長(zhǎng)形，但可用面積有限，選用的濕地形式應(yīng)具有較大的水力負(fù)荷，綜合考慮項(xiàng)目特點(diǎn)，選擇水平潛流濕地形式，進(jìn)水從填料床內(nèi)部緩慢流過(guò)濕地，為避免填料床堵塞，同時(shí)使處理水均勻進(jìn)入濕地系統(tǒng)，在濕地處理池前端設(shè)置沉砂池(圖2)。

圖2 人工濕地設(shè)計(jì)工藝

3.2 處理工藝設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目濕地工程水質(zhì)處理工藝計(jì)算以水力停留時(shí)間和表面水力負(fù)荷計(jì)算，污染負(fù)荷作為校核。

3.2.1 計(jì)算表達(dá)式

水力停留時(shí)間：

式(1)中：t——水力停留時(shí)間，d；V——處理系統(tǒng)有效容積，m3；Q——系統(tǒng)設(shè)計(jì)水量，m3/d。

表面水力負(fù)荷：

(2)

式(2)中：qhs——表面水力負(fù)荷，m3/(m2·d)；A——處理系統(tǒng)面積，m2。

污染負(fù)荷：

(3)

式(3)中：qos——污染負(fù)荷，g/m2·d；C0——系統(tǒng)進(jìn)水污染物濃度，mg/L；C1——系統(tǒng)出水污染物濃度，mg/L。

3.2.2 計(jì)算與校核

本項(xiàng)目預(yù)處理和濕地處理系統(tǒng)按最高日最大時(shí)旱流量計(jì)算。 經(jīng)水力計(jì)算，瓦窯箐、新復(fù)箐、岔河水庫(kù)入水口濕地地塊三塊濕地有效面積分別取10348 m2、3150 m2、4593 m2，有效水深分別為1.0 m、0.8 m、0.3 m。校核結(jié)果如表4。

3.3 豎向設(shè)計(jì)

研究表明[4]，水平潛流人工濕地地面坡度宜為0.5%～3%。為充分體現(xiàn)濕地凈化水體的功能，結(jié)合進(jìn)出水設(shè)計(jì)水位高程，本項(xiàng)目瓦窯箐和新復(fù)箐濕地水力坡度均采用0.5%，岔河濕地水力坡度采用1.9%。

3.4 進(jìn)出水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水處理系統(tǒng)進(jìn)水口一般采用單點(diǎn)布水、多點(diǎn)布水和滲濾埂布水三種方式。為保證濕地進(jìn)出水系統(tǒng)布水集水的均勻性，并利于控制水位和監(jiān)控出水水量和水質(zhì)，本項(xiàng)目結(jié)合工藝特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選用滲濾埂布水方式。滲濾埂采用石籠擋墻的形式均勻布置于攔水壩。滲濾埂布水滲流公式如下：

Q=KAI

(4)

式(4)中：Q——滲流量(m3/d)；A——孔口面積(m2)K——滲流系數(shù)(m/d)，參考相關(guān)水力學(xué)手冊(cè)取值400；I——水力坡降。

根據(jù)滲流量確定滲濾埂面積如表5所示。

3.5 植物選擇

人工濕地植物選擇是水質(zhì)凈化的關(guān)鍵，科學(xué)選擇和配置水生植物對(duì)人工濕地系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義，應(yīng)遵循如下原則[9,10]。

3.5.1 功能性原則

濕地宜選用耐污能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、去污效果好、具有抗凍及抗病蟲害能力、有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、容易管理的本土植物。

3.5.2 生態(tài)性原則

應(yīng)最大限度保持濕地原始地貌，將濕地修復(fù)建設(shè)對(duì)原始環(huán)境的影響降到最低，保護(hù)原始植被的多樣性。

3.5.3 安全性原則

本項(xiàng)目水庫(kù)防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇，設(shè)計(jì)洪水位為2052.5 m，洪水位時(shí)高于設(shè)計(jì)種植土層頂面0.9～1 m，因此應(yīng)選擇耐澇性強(qiáng)的植物。

4 運(yùn)行管理

人工濕地建成后應(yīng)做好運(yùn)行管理和日常維護(hù)，包括如下幾個(gè)方面[11～14]。

4.1 植物管理

人工濕地種植初期應(yīng)保證其存活率，冬季做好防凍，夏季做好遮陽(yáng)防曬；根據(jù)不同植物類型在生長(zhǎng)茂盛、成熟后及時(shí)收割處理；及時(shí)清理人工濕地填料表面的植物落葉及敗落的莖稈；極端降雨天氣后及時(shí)對(duì)濕地景觀進(jìn)行恢復(fù)處理。

4.2 濕地清淤

每年定期清淤，至少每年雨季前必須有一次全面清淤，保持水體通暢；對(duì)濕地運(yùn)行時(shí)間實(shí)行間歇進(jìn)水和輪休工作，以恢復(fù)濕地基質(zhì)滲透性；對(duì)已經(jīng)堵塞的基質(zhì)采取更換、翻新等方法進(jìn)行堵塞恢復(fù)，疏通基質(zhì)。

4.3 攔水壩維護(hù)

為加強(qiáng)濕地管理，要定期對(duì)攔水壩穩(wěn)定性進(jìn)行檢查，并定期清除攔水壩上的雜草，以免雜草蔓延到濕地處理系統(tǒng)中與濕地植物進(jìn)行生存競(jìng)爭(zhēng)。

4.4 進(jìn)出水裝置維護(hù)

對(duì)進(jìn)出水裝置要進(jìn)行周期性的檢查并對(duì)流量進(jìn)行校正；定期去除容易堵塞進(jìn)出水系統(tǒng)的殘?jiān)?，采用高壓水槍或機(jī)械方法對(duì)浸沒(méi)在水中或埋在填料中的進(jìn)出水管道進(jìn)行定期的沖洗。

5 結(jié)論

結(jié)合寶象河水庫(kù)三處入水口基本條件建設(shè)人工濕地，可充分發(fā)揮寶象河水庫(kù)入水口濕地的調(diào)節(jié)功能和生態(tài)效應(yīng)，改善入水口水質(zhì)，保障寶象河水庫(kù)水質(zhì)安全。該項(xiàng)目工程投資及運(yùn)行維護(hù)成本低，對(duì)寶象河水庫(kù)水質(zhì)提升具有現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)體現(xiàn)了人工濕地工程技術(shù)在云南高原水庫(kù)面源污染防治建設(shè)中的顯著優(yōu)勢(shì)，值得推廣應(yīng)用。