引江濟淮派河截導污尾水凈化濕地設計研究

余 婷

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 233000)

派河，引江濟淮之清水廊道，承擔江淮溝通段全部水量輸送任務，引江濟淮通水后要求其水質不低于地表水Ⅲ類標準。為保障派河水質，2014年8月安徽省上報水利部的《引江濟淮工程項目建議書》中，提出針對性地采取治污、避污、截污、導污、控污等綜合防治措施。派河截導污就是對直排入派河的污水處理廠尾水采取截污導流措施，確保一江清水北上。

依據(jù)有關批復，九聯(lián)圩承擔合肥市經開區(qū)污水廠40萬t/d的尾水凈化任務，工程實施后，將直接削減進入派河的污染負荷，為引江濟淮輸水水質提供有力的保障，并間接改善巢湖水質，推動美麗巢湖建設，因此九聯(lián)圩濕地的規(guī)劃和建設，是十分必要的。

1 項目區(qū)概況

九聯(lián)圩位于合肥市包河區(qū)牛角大圩內，原為2814漁場區(qū)，即利用低洼地產荒地開挖的淡水綜合養(yǎng)魚區(qū)。項目區(qū)北臨丙子河，南瀕派河，東與巢湖一堤之隔，內部由連片方塊狀的魚塘組成。

本次規(guī)劃設計的九聯(lián)圩總占地1395畝，占地已隨引江濟淮主體工程報批。場地現(xiàn)狀為連片魚塘組成，塘底高程約為6.0m(1985國家高程基準，下同)，塘埂高程8.0～9.0m，塘內水位7.5～8.0m，均為平鍋底，四周有直立漿砌石護岸。圩內中間有1條長1.8km，寬10～20m的排澇干溝，圩內澇水通過排澇干溝送至丙子河對岸的排澇泵站，最終入巢湖。由于水體長期缺乏流動，魚塘和溝渠內部水質較差。

丙子河是九聯(lián)圩北部，是北澇圩高排區(qū)的主要排水通道，流域面積17.6km2，河道全長6.05km，底寬10～500m，設計防洪標準為50年一遇。河口建有生態(tài)濕地面積30hm2，濕地常水位8.10m，防洪水位8.7m，河口還建有防洪閘及排澇泵站各1座。丙子河非汛期主要依靠天然降雨補給，導致河道內水位較低，水體缺乏流動性，河道水質較差。

2 區(qū)域水質、底泥分析

2.1 外河水質

派河位于巢湖西部，是巢湖的一級支流，河道全長60km，流域面積585km2。派河本身是一條重污染河道，入河污染主要為小廟鎮(zhèn)、上派鎮(zhèn)沿河工業(yè)污廢水及沿河小區(qū)生活污水、經開區(qū)污水處理廠、野生動物園污水處理廠尾水等，2020年派河主要指標滿足Ⅳ類水標準，派河下段是引江濟淮工程輸水線路，水質管理目標近期為Ⅲ類，遠期為Ⅲ類。

巢湖流域位于安徽省腹地，長江流域下游左岸，流域總面積13486km2。目前巢湖已形成點源面源并重、總磷總氮為主的污染負荷結構；2020年水質主要指標基本滿足Ⅳ類水標準，遠期水質管理目標為Ⅲ類，中度營養(yǎng)化。

2.2 污水處理廠尾水水質分析

經開區(qū)污水處理廠位于合肥市經濟技術開發(fā)區(qū)南部，工程占地約為93048m2，服務面積82km2。污水處理廠共有4期，工程總規(guī)模40萬t/d。出水設計值在穩(wěn)定達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準的基礎上，TP、NH3-N、COD、TN主要指標濃度值分別不高于0.3、1.5、30、5mg/L，基本達到地表水環(huán)境質量Ⅳ類標準(TN除外)。

按照河道水質標準(TN不做考核)，污水處理廠尾水基本滿足河道地表水Ⅳ類水標準。單從出水水質來看，尾水水質已經很好，但考慮到派河在江淮運河輸水期水質要求較高，同時污水處理廠尾水存在色度低、有氣味、可生化性較差等問題，利用九聯(lián)圩構建生態(tài)濕地，對尾水處理后排放，是非常有意義的。

2.3 九聯(lián)圩現(xiàn)狀水質和底泥分析

2.3.1監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

九聯(lián)圩原為2814漁場區(qū)，現(xiàn)狀為連片方塊狀的魚塘。依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》，采取單因子評價方法(下同)。采用環(huán)保部門統(tǒng)計整理的水質監(jiān)測資料，并結合現(xiàn)場取樣監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，評價的主要因子為高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、COD、NH3-N、TP、TN，分別在2019年12月31日和2020年1月31日進行了2次監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖1—2所示。

圖1監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：監(jiān)測的4個水樣中，COD除了九聯(lián)圩內部魚塘超標外，其他均達到地表Ⅴ類水標準；TN北澇圩污水處理廠下和丙子河河口濕地超標；TP、NH3-N基本滿足Ⅴ類水標準。

圖2監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：監(jiān)測的4個水樣中，COD均達到地表Ⅳ類水標準；TN北澇圩污水處理廠下、丙子河河口濕地和九聯(lián)圩魚塘均超標；TP、NH3-N基本滿足Ⅴ類水標準。

通過2次水質監(jiān)測結果，COD除魚塘區(qū)域超標外，基本達到地表Ⅳ類水標準；TN超標嚴重，4個監(jiān)測點水質為Ⅴ—劣Ⅴ類；TP、NH3-N基本滿足Ⅴ類水標準。其中北澇圩污水處理廠出水水質除TN超標外，COD、NH3-N、TP均優(yōu)于GB 18918—2002中的一級A標準。

2.3.2底泥現(xiàn)狀及分析

重金屬含量評估：依據(jù)GB 15618—2018《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》，參照規(guī)范中對水田的農用地土壤污染風險篩選值。九聯(lián)圩分別在魚塘、排澇干溝區(qū)域各取了1個底泥樣，根據(jù)檢測結果顯示，重金屬元素不超標，遠遠低于農用地土壤污染風險管制值。即該區(qū)域農產品質量安全、農作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境可能存在的風險低，一般情況下可以忽略，完全符合農用污泥控制標準。

圖1 2019年水質監(jiān)測結果分析(單位：mg/L)

圖2 2020年水質監(jiān)測結果分析(單位：mg/L)

營養(yǎng)鹽指數(shù)評估：九聯(lián)圩魚塘魚塘底泥淤積情況較好，排澇干溝污染嚴重，分析原因可能是魚塘區(qū)域原先被承包，底泥清理過；排澇干溝長期缺乏管理，底泥淤積嚴重所致。

3 設計范圍與目標

3.1 設計范圍

九聯(lián)圩位于包河區(qū)牛角大圩東北角，北臨丙子河，南瀕派河，東靠環(huán)湖大道，與巢湖一堤之隔。同時也是巢湖風景名勝區(qū)、環(huán)巢湖濕地公園的重要組成部分。濕地總面積1395畝。

3.2 工程任務

九聯(lián)圩生態(tài)濕地本次建設后的任務有：①構建生態(tài)濕地，凈化污水處理廠尾水，確保派河清水廊道水質，削減入巢湖污染負荷；②重構尾水生態(tài)系統(tǒng)，豐富生物多樣性，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境；③保護與展示漁場文化，完善濕地基礎設施，發(fā)揮濕地科普宣教、休閑游憩功能。

3.3 濕地凈化目標

新建九聯(lián)圩濕地替代補償原派河天然河道排水的環(huán)境容量，避免因派河截導污工程建設加劇巢湖水體污染負荷。根據(jù)《安徽省水功能區(qū)納污能力核定和分階段限排總量控制方案》，該段限制排放總量COD為583t/a，NH3-N為84t/a，即新建九聯(lián)圩濕地最終COD削減量大于583t/a，NH3-N削減量大于84t/a。經開區(qū)污水廠截導污路線示意圖如圖3所示。

4 生態(tài)濕地設計

4.1 濕地進、出水水量及水質

進水水量：九聯(lián)圩濕地進水水量需要結合丙子河區(qū)間來水的匯入綜合確定。九聯(lián)圩進水水量考慮了丙子河天然徑流量、區(qū)間北澇圩污水處理廠尾水量(2萬t/d)和經開區(qū)污水處理廠尾水量相疊加，進水流量為5m3/s。

進水水質：尾水水質基本達到地表水Ⅳ類，即TP、TN、NH3-N、COD 4項指標濃度值分別為0.3、5、1.5、30mg/L?？紤]到丙子河流域自身存在一定的入河污染負荷，其水體對尾水凈化能力有限，從偏保守角度出發(fā)，本次工程以污水廠尾水出水水質(物化指標)作為濕地進水水質，即濕地進水水質的TP為0.3mg/L、TN為5mg/L、NH3-N為1.5mg/L、COD為30mg/L。

圖3 經開區(qū)污水廠截導污路線示意圖

出水水量：按照最惡劣工況，即進水水量疊加汛期九聯(lián)圩排澇流量，排澇標準采用10年一遇24h暴雨1d平均排出，經計算汛期排澇流量為1.2m3/s，即九聯(lián)圩濕地出水水量為6.2m3/s。

出水水質：單從物化指標來看，污水廠尾水除總氮外，COD、氨氮、總磷均滿足河道地表水Ⅳ類水標準，但污水廠尾水存在出水水質不穩(wěn)定，色度低、有氣味、可生化性較差等問題，尤其是污水廠尾水在出廠之前需加入大量的消毒藥劑，微生物數(shù)量極少，水體缺乏活性，且污水廠尾水成分較為復雜，直接排入對自然水體，對河道生態(tài)系統(tǒng)造成不明影響，目前在國內外仍處于探索階段，一般情況下，都需要在尾水排放末端增設一個人工濕地。故此，本次濕地設計出水水質不對物化指標做定量化考核要求，重點以削減污染負荷總量，重構尾水生態(tài)系統(tǒng)，豐富濕地生物多樣性為主。

4.2 濕地工藝流程

從工程實用角度出發(fā)，按照系統(tǒng)布水方式的不同或水流方式差異一般分為自由表面流人工濕地(FWS)和潛流型人工濕地(SFS)。

九聯(lián)圩原為2814漁場區(qū)，區(qū)域內部基本為坑塘水面。鑒于項目區(qū)內可利用的坑塘面積較大、濕地污染負荷較低、便于生態(tài)系統(tǒng)構建、科普展示和管理維護等角度綜合考慮，在九聯(lián)圩采用全表面流人工濕地工藝。

4.3 進出水線路與規(guī)模

濕地進水：丙子河相對九聯(lián)圩地勢、水位較高，在丙子河上設置建筑物，可自流引水進入九聯(lián)圩濕地，本次規(guī)劃在丙子河河口新建1座進水涵閘。

濕地出水：常規(guī)應設置在濕地末端，考慮到派河復線船閘正在規(guī)劃設計中，在濕地末端建設排水泵站排水入派河，難度較大。因此九聯(lián)圩排水仍利用丙子一站原有排澇通道，通過排澇干溝導入丙子河北側的排澇站，最終通過泵站抽排入巢湖。

九聯(lián)圩濕地進出水、濕地分區(qū)示意圖如圖4所示。

圖4 九聯(lián)圩濕地進出水、濕地分區(qū)示意圖

4.4 濕地設計

4.4.1濕地功能分區(qū)

九聯(lián)圩濕地面積1395畝，根據(jù)實測的1∶1000地形圖，結合現(xiàn)狀道路和溝渠坑塘的分布等情況，將九聯(lián)圩濕地以中間排澇溝為界，劃分為3個并聯(lián)的凈化單元，分區(qū)凈化污水處理廠尾水。其中前端穩(wěn)定塘面積約277.5畝，濕地單元一面積約217.5畝，濕地單元二約345畝，濕地單元三區(qū)位于排澇溝西側，面積約555畝。

九聯(lián)圩濕地進水水質除TN過高外，COD、NH3-N、TP基本滿足河道地表水Ⅳ類水標準。但考慮到遠期巢湖水質要求較高，同時污水處理廠尾水存在出水水質不穩(wěn)定，色度低、有氣味、可生化性較差等問題，本次規(guī)劃將濕地單元三區(qū)作為尾水凈化示范區(qū)，設計進水流量為2.0m3/s。

通過對污水處理廠尾水中氮的成分進行檢驗，可以看出污水廠尾水中有機氮含量最高，占到總氮總量的81.5%，氨氮和硝酸鹽氮含量較少。

經開區(qū)污水廠尾水中氮成分檢測結果見表1。

表1 經開區(qū)污水廠尾水中氮成分表

污水中氮的存在形式主要有4種：有機氮(蛋白質、尿素，氨基酸、硝基化合物等)、氨氮(NH4+、NH3)、硝酸鹽氮(NO3-)和亞硝酸鹽氮(NO2-)。去除機制包括揮發(fā)、氨化、硝化/反硝化、植物吸收和基質的吸附、過濾、沉淀作用。其中無機氮(包括NH4+-N和NO3--N)可以被濕地中植物吸收，最終通過植物收割從濕地中去除。人工濕地基質可以通過吸收、吸附、過濾等途徑去除一部分氮，但是濕地中氮去除最主要途徑是微生物的硝化/反硝化作用。

鑒于此，本次將濕地單元三區(qū)前端設計曝氣塘→好氧塘→厭氧塘的三段脫氮多塘處理系統(tǒng)。第一段曝氣塘的主要作用是代謝分解有機物，并使有機氮氨化。第二段氧化塘主要進行硝化反應，將氨氮氧化。第三段是厭氧塘進行反硝化，通過投放藻類增加C源，使硝態(tài)氮在缺氧條件下被還原為N2。濕地示范區(qū)各塊魚塘之間通過直接開埂、設置涵管或堰壩進行連通，根據(jù)不同水深種植不同類型的水生植物。

4.4.2濕地生境營造

九聯(lián)圩原為2814漁場區(qū)，魚塘長寬，底高程基本一致，本次從生境營造角度對魚塘進行改造，如圖5所示。將現(xiàn)有魚塘挖深，將其土方填至另一部分魚塘中，改造成深中淺3個梯度，形成好氧、兼氧、厭氧塘，并植以不同的水生植物，提高氮的硝化反硝化效率。其中好氧塘水深控制在0.5～1.0m，兼氧塘(現(xiàn)有魚塘保留)水深控制在1.5～2.0m，厭氧塘水深控制在2.5～3.0m。

圖5 魚塘改造示意圖

濕地水位控制主要通過水力坡降進行計算。九聯(lián)圩濕地總長約1.8km，考慮到場地現(xiàn)狀為2814漁場區(qū)，地形非常平坦，本次通過連通涵管、跌水堰壩控制不同水塘水位及水流方向，濕地整體水力坡降為0.7‰。

同時考慮到現(xiàn)有魚塘均為直立漿砌石護岸，為利于水生植物栽種，對現(xiàn)狀護岸進行改造?，F(xiàn)有直立漿砌石護岸保持現(xiàn)狀，魚塘開挖的土方用來填筑邊坡，濕地近岸帶邊坡不得大于1∶5。經計算，魚塘水下地形改造土方開挖基本平衡，開挖土方48.8萬m3，回填土方48.3萬m3。

4.4.3濕地生態(tài)系統(tǒng)構建

首先要確定以提高生物多樣性、優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)結構為主的修復目標；其次結合深潭、淺灘等不同的生境，構建陸生、浮葉、挺水、沉水植物、魚類、底棲生物、鳥類全食物鏈，逐步形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。

陸域植物配置：以本地自然形成片林景觀的樹種為主，同時適當增加常綠植物比例，設計中常綠植物總量占50%～60%，用以彌補洪水位線以下植物群落景觀在冬季蕭條的缺陷，主要鄉(xiāng)土樹種有：女貞、香樟、桂花、枇杷、水杉、落羽杉等。同時，臨水處以多年生草本和灌木為主體，如迎春、凌霄、紅花草、蘆葦、荻、烏桕、楓楊等。

水生植物配置：作為牛角大圩農業(yè)生態(tài)園的組成部分，本次在九聯(lián)圩濕地構建以水八仙為主的水生植物群落，一方面能發(fā)揮濕地凈化作用，同時帶來經濟收入，減少濕地植物養(yǎng)護收割費用；另一方面能貼合農業(yè)生態(tài)園定位，更好的發(fā)揮其科普、宣教功能。挺水植物選用千屈菜、黃菖蒲、美人蕉、香蒲等，浮葉植物選擇芡實、荇菜、莼菜、荷花、睡蓮等，沉水植物選用金魚藻、菹草、苦草等。濕地共種植水生植物23萬m2。并在圩內投放魚苗和底棲動物，構建健康的水生態(tài)系統(tǒng)。

4.5 圩塘濕地設計

九聯(lián)圩濕地位于肥西派河濕地公園范圍內，除了凈化尾水、改善入巢湖水質外，還要兼顧濕地普及教育和示范的作用。連片方塊狀的圩田是九聯(lián)圩濕地主要組成部分，整齊劃一水塘使得區(qū)域景觀單調，但同時形成了圩田濕地的特色。九聯(lián)圩濕地設計以盡量保留圩田方塊狀肌理為原則，對方塊狀圩田進行功能改造，在滿足濕地凈化功能基礎上，結合濕地棧道、橋梁、垂釣平臺、濕地科普館的設置，打造特色圩塘濕地。

4.6 濕地凈化效果分析

項目區(qū)的來水主要為經開區(qū)污水處理廠尾水，因此濕地進水為持續(xù)流且水量恒定。營養(yǎng)元素通過九聯(lián)圩濕地中會逐步削減。其中，植物在春季及冬季處于休眠狀態(tài)，不會削減過量營養(yǎng)元素；微生物在溫度較低時，活性較差，尤其是水溫低于5℃時，對營養(yǎng)元素削減效果大大下降。

表2 濕地凈化能力分析表

在氣溫高于15℃時，營養(yǎng)元素削減較高；氣溫在5～15℃時，營養(yǎng)元素削減率下降60%左右；在氣溫低于5℃時，營養(yǎng)元素削減率下降80%左右，即每年的11月16日至2月19日。

濕地凈化能力參考相關案例和規(guī)范，去除效率見表2。結合濕地面積和凈化能力，估算九聯(lián)圩濕地每年可削減COD、NH3-N、TP污染負荷量分別為1752、87.6、15.33t/a，能替代補償原派河天然河道排水的環(huán)境容量需求。

5 結語

引江濟淮工程作為以明渠為主的調水工程，保障輸水水質安全是工程建設的關鍵。派河作為江淮溝通段清水廊道，對沿線的污水處理廠尾水采取截污導流措施，必要性是不言而喻的。本文從打造江淮清水廊道的角度出發(fā)，利用九聯(lián)圩建設尾水凈化濕地，通過功能分區(qū)、生境營造、生態(tài)系統(tǒng)構建等措施，構建特色圩塘濕地。本工程的實施將有效改善區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，提高水體自凈能力，為圩區(qū)類似尾水凈化濕地的規(guī)劃和設計提供參考和借鑒，同時為合肥創(chuàng)建國際濕地城市盡一份力。