某濱海地區(qū)水庫庫前生態(tài)凈化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

汪鵬合， 吳巍巍

（中國長江三峽集團(tuán)上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

水源地建設(shè)是保障地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水、 促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)向好發(fā)展的重要舉措， 而庫區(qū)水體水質(zhì)保障是水源地工程建設(shè)和運(yùn)營成敗的關(guān)鍵。 生態(tài)凈化技術(shù)可利用植物-基質(zhì)-微生物的協(xié)同作用有效去除水體中的氮、磷等營養(yǎng)鹽和有機(jī)污染物[1-2]，近年來在杭州、寧波、天津、 連云港等多個水源地水質(zhì)保障工程中被普遍應(yīng)用并獲得廣泛研究和報(bào)道[3-7]。 但是，濱海地區(qū)土壤往往含鹽量很高， 生態(tài)凈化系統(tǒng)由于表層土壤氯離子的持續(xù)釋放常出現(xiàn)水體鹽度升高、 濕地植物生長及凈化功能受到抑制的現(xiàn)象， 成為構(gòu)建濱海地區(qū)水庫生態(tài)凈化系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)庫區(qū)水體水質(zhì)安全保障的一個工程難點(diǎn)[8]。

本案例針對華東某省L 市一個工業(yè)應(yīng)急備用水源工程的原水凈化需求，結(jié)合工程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套比較合理的庫前生態(tài)凈化系統(tǒng)。 方案主要包括凈化工藝選擇、系統(tǒng)總體布局、濕地功能分區(qū)設(shè)計(jì)、 植物群落配置和土壤鹽分影響控制措施等方面， 克服了耐鹽耐寒水生植物群落配置和濱海地區(qū)土壤氯離子釋放控制的技術(shù)難題， 可以為我國其它濱海地區(qū)新建水庫的水體水質(zhì)保障提供技術(shù)支撐和模式借鑒。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目所在地處于暖溫帶與亞熱帶過渡地帶，屬濕潤性季風(fēng)氣候；四季分明，雨量適中，冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑；年平均氣溫14℃，最高和最低氣溫分別為40℃和-18℃，常年無霜期為220 天；多年平均降雨量930.0mm，集中于夏季；多年平均蒸發(fā)量為855.1mm， 年平均最大蒸發(fā)量為961.3mm；年平均風(fēng)速3.1m/s，最大風(fēng)速29.3m/s。

該工業(yè)應(yīng)急備用水源工程位于L 市東南部，主要包括?。ㄒ┧到y(tǒng)、凈化及蓄水系統(tǒng)和輸（退）水系統(tǒng)等建設(shè)內(nèi)容（圖1）。 工程永久占地面積約240公頃，新建生態(tài)凈化濕地面積約10 公頃，庫區(qū)主體水域面積約195 公頃，應(yīng)急備用庫容4 500 000m3，日供水規(guī)模40 萬t。水庫引水水源為庫區(qū)西邊2km處一條河道，供水對象為緊鄰庫區(qū)東側(cè)的新區(qū)第二水廠，最終服務(wù)對象為新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)基地。

圖1 新區(qū)工業(yè)應(yīng)急備用水源工程布局圖

生態(tài)凈化及蓄水系統(tǒng)是本工程建設(shè)的重點(diǎn)之一，是庫區(qū)水體水質(zhì)保障的關(guān)鍵，關(guān)系著項(xiàng)目的成敗。

2 水質(zhì)保障目標(biāo)

本工程庫區(qū)水體水質(zhì)保障目標(biāo)參照 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）IV 類，主要控制指標(biāo)為溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨 氮（NH3-N）和總磷（TP）。 另外，參照新區(qū)第二水廠與石化基地用水企業(yè)相關(guān)協(xié)議的水質(zhì)要求， 水體氯離子（Cl-）濃度不應(yīng)高于250mg/L。

取水河道在一年之中存在2 個水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)存在時期：一是6 月—7 月。 由于農(nóng)灌用水排放入河，攜帶大量農(nóng)業(yè)面源污染物，導(dǎo)致水體氮磷含量升高、水體溶解氧濃度不足。二是1 月—4 月。表現(xiàn)為CODMn和氯化物等超標(biāo)。 各主要超標(biāo)污染物的年 最 大 值：CODMn為12.14mg/L，NH3-N 為2.80mg/L，TP 為0.59mg/L；DO 濃度的年最小值為0.63mg/L。

綜合上述各指標(biāo)，CODMn可取最大值，NH3-N和TP 取90%保證率對應(yīng)值，確定生態(tài)凈化系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)如表1。 氯化物采用源頭控制，不作為生態(tài)凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的水質(zhì)指標(biāo)。

表1 生態(tài)凈化系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 凈化工藝選擇

人工濕地通常包括潛流型和表面流型兩種：潛流型人工濕地的表面污染負(fù)荷更高、占地較小，但易堵塞、對運(yùn)維管理要求較高、且投資較大；表面流人工濕地的污染負(fù)荷更低， 所以對土地面積要求較大[9]。 復(fù)合型人工濕地是在傳統(tǒng)表面流人工濕地基礎(chǔ)上融合了潛流型濕地凈化機(jī)理的改進(jìn)型，在傳統(tǒng)表面流濕地基礎(chǔ)上增加了吸附性填料，可綜合利用填料、 植物和二者表面的微生物的協(xié)同作用提高濕地凈化效率， 因此在相同處理規(guī)模下相較傳統(tǒng)表面流濕地而言占地面積更小 （不同類型人工濕地比較分析見表2）。所以，本生態(tài)凈化系統(tǒng)的核心凈化單元采用復(fù)合型人工濕地， 整體采用“沉淀池+復(fù)合型人工濕地+生態(tài)蓄水大庫”的形式。

表2 不同類型人工濕地比較分析

3.2 系統(tǒng)整體布局

（1）平面布局

生態(tài)凈化系統(tǒng)包括沉淀池、 復(fù)合型人工濕地和生態(tài)蓄水大庫3 個功能單元，結(jié)合現(xiàn)狀地形，平面布局如圖2。

圖2 生態(tài)凈化系統(tǒng)平面布置圖

沉淀池：作為生態(tài)凈化系統(tǒng)的前置單元，位于中間位置，來水通過管道進(jìn)入池底，再經(jīng)過分流設(shè)施向兩側(cè)核心凈化功能區(qū)配水。 主要功能在于初步沉淀顆粒污染物和實(shí)現(xiàn)來水水量的穩(wěn)定及分流。

復(fù)合型人工濕地：分為東、西2 個片區(qū)，西片包括濕地W1—W6，東片包括一級濕地（E1—E6）、尾部濕地（E7）和濕地出水區(qū)；作為核心凈化單元，旨在通過不同區(qū)域的好氧/缺氧環(huán)境交替，藉由“填料-植物-微生物”的綜合作用，實(shí)現(xiàn)氮磷營養(yǎng)鹽和有機(jī)污染物的去除。

生態(tài)蓄水大庫： 是生態(tài)凈化濕地系統(tǒng)的最后一個單元，兼具蓄水、水質(zhì)維護(hù)和區(qū)域生態(tài)景觀品質(zhì)提升等功能。

（2）豎向設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)狀地形， 生態(tài)凈化系統(tǒng)各單元底高程和常水位如表3。

表3 各單元底高程和常水位

（3）水力流程設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)平面布局與豎向設(shè)計(jì)， 確定系統(tǒng)水力流程如下（圖3）。

圖3 核心濕地水力流程剖面圖

西片： 引水管道→沉淀池→1# 閘閥→西配水渠→矩形堰→西區(qū)濕地→西集水渠→蓄水大庫；

東片： 引水管道→沉淀池→2# 閘閥→東配水渠→矩形堰→一級濕地→東集水渠→尾部濕地→景觀跌水堰→濕地出水區(qū)→蓄水大庫。

3.3 各功能區(qū)設(shè)計(jì)

（1）核心單元面積計(jì)算

根據(jù)水庫運(yùn)營調(diào)度方案， 庫區(qū)日常換水規(guī)模為5 萬t/d， 因此確定生態(tài)凈化系統(tǒng)處理規(guī)模為50 000m3/d。 本系統(tǒng)的核心功能單元為復(fù)合型人工濕地，按照50 000m3/d 的處理規(guī)模取濕地面積。

本工程中主要需控制的水質(zhì)指標(biāo)為CODMn、NH3-N 和TP， 系統(tǒng)的凈化能力相對而言在低溫季節(jié)更弱， 故可按水溫小于12℃時系統(tǒng)的污染物（CODMn、NH3-N 和TP） 表面負(fù)荷和水力負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，取計(jì)算結(jié)果中的最大值，同時校核水力停留時間（HRT）。

1）用污染物表面負(fù)荷計(jì)算濕地面積

公式為：

式中：A—濕地面積，m2；Q—污水流量，m3/d；C0—進(jìn)水污染物濃度，mg/L；Ce—出水污染物濃度，mg/L；Np—污染物表面負(fù)荷， 以CODMn、NH3-N、TP計(jì)，g/（m2·d）。

將CODMn、NH3-N、TP 等污染物濃度和污染表面負(fù)荷帶入公式進(jìn)行計(jì)算， 得人工濕地系統(tǒng)總面積約需100 000m2。 見表4。

表4 核心濕地面積計(jì)算

2）校核表面水力負(fù)荷

公式為：

式中：A—濕地面積，m2；Q—污水流量，m3/d；Nq—水力負(fù)荷，m3/（m2·d）。

Q=50 000m3/d，A 取100 000m2，代入公式得表面水力負(fù)荷約為0.5m3/（m2·d）。

3）校核水力停留時間

公式為：

式中：T—水力停留時間，d；V—人工濕地有效容積，m3；n—人工濕地孔隙率 （考慮植物和填料），%；Q—污水流量，m3/d。

綜合考慮土地利用條件等項(xiàng)目實(shí)際情況，核心濕地面積取98 300m2， 系統(tǒng)平均水深0.48m，系統(tǒng)有效容積47 300m3。 代入公式，得水力停留時間約為22.7h， 對應(yīng)表面水力負(fù)荷約為0.51m3/（m2·d）。

（2）各功能區(qū)主要參數(shù)

1）沉淀池

面積3 125m2（長125m×寬25m）， 常水位3.2m，底高程0.5m，有效庫容8 438m3；設(shè)計(jì)水力停留時間4.05h，表面水力負(fù)荷16.0m3/（m2·d）。

2）復(fù)合型人工濕地

分為東、西2 片區(qū)，西片包括濕地W1—W6，東片包括一級濕地（E1—E6）、尾部濕地（E7）和濕地出水區(qū)。

西片濕地面積49 000m2， 東片一級濕地面積43 000m2，兩者設(shè)計(jì)水深均為0.3—0.65m、平均水深0.47m；尾部濕地面積4 800m2，平均水深0.6m；濕地出水區(qū)面積1 500m2，平均水深0.8m。 濕地出水區(qū)底部鋪設(shè)景觀卵石，不種植物，其余單元底部40cm 厚度表層土壤替換為鹽度低于0.4%的種植土和粒徑3—5cm 左右的礫石， 兩種材料鋪設(shè)厚度均為20cm。

各單元面積、常水位和底高程設(shè)計(jì)見表3。

3）生態(tài)蓄水區(qū)

面積1 950 000m2，常水位1.97m，死水位-1.23m，庫底平均高程-2.73m，有效庫容4 500 000m3。

3.4 水生植物配置

遵照土著種優(yōu)先的原則，選擇耐污、耐鹽和耐寒性能較強(qiáng)的水生植物物種， 結(jié)合不同植物適宜水深、生長期和花期等因素，實(shí)現(xiàn)植物群落科學(xué)合理配置。 工程所在地區(qū)常用的生態(tài)凈化挺水植物有 蘆 葦 （Phragmites communis（Cav.）Trin. ex Steud.）、 花 葉 蘆 竹 （Arundo donax var.versicolor Stokes）、水 蔥（Scirpus validus Vahl）、黃 菖 蒲（Iris pseudacorus）、東方香蒲（Typha orientalis Presl）、再力花（Thalia dealbata Fraser）、水生美人蕉（Canna glauca）、 梭 魚 草 （Pontederia cordata）、 旱 傘 草（Cyperus involucratus Rottboll）等，其中蘆葦、花葉蘆竹、水蔥和水生美人蕉等耐鹽性較好，蘆葦、花葉蘆竹和黃菖蒲等耐寒性較好，可以耐鹽、耐寒植物為主構(gòu)建濕地植物群落[10-12]。 此外，生態(tài)濕地作為一種特殊的景觀類型， 在植物配置上還應(yīng)考慮系統(tǒng)的景觀效果。 一方面， 注意結(jié)合地形配置挺水、沉水、浮葉等不同生活型的水生植物，實(shí)現(xiàn)植物群落層次結(jié)構(gòu)的豐富；另一方面，注意不同物候期、不同花期及花色植物的組合，實(shí)現(xiàn)濕地四季色彩的有序更替。

因此， 本系統(tǒng)的復(fù)合表面流濕地淺水區(qū) （水深≤50cm）種植挺水植物，主要選擇蘆葦、花葉蘆竹、黃菖蒲和黑三棱（Sparganium stoloniferum），少量種植水蔥和水生美人蕉等； 復(fù)合表面流濕地深水區(qū)（水深50cm—70cm）種植沉水植物，選擇苦草（Vallisneria natans（Lour.）Hara）和狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）、少量種植菹草（Potamogeton crispus）和金魚藻（Ceratophyllum demersum）等；尾部濕地除種植沉水植物外， 搭配適量浮葉植物如荷花（Nelumbo nucifera）和睡蓮（Myriophyllum verticillatum）等景觀效果較好的浮葉植物。 生態(tài)蓄水區(qū)因?yàn)樗钶^大， 僅在庫周淺水區(qū)種植少量水生植物，主要考慮蓄水功能，兼顧水質(zhì)維護(hù)和區(qū)域生態(tài)景觀品質(zhì)提升等功能。

3.5 土壤鹽分影響控制

本項(xiàng)目所在地臨近海岸，成陸時間較短，土壤多為濱海鹽土，鹽分含量高。 根據(jù)土壤鹽度初步檢測數(shù)據(jù)， 工程區(qū)域土層鹽度主要分布在2.0%—3.5%區(qū)間，氯離子含量在5—15g/kg 區(qū)間。所以，如何控制土壤氯離子釋放對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的不利影響是本工程方案設(shè)計(jì)的一個重點(diǎn)。 針對生態(tài)凈化系統(tǒng)種植區(qū)土壤氯離子釋放對水生植物可能造成的不利影響， 在濕地W1—W6 和E1—E6 單元采取種植土回填措施，將濕地表層40cm 鹽度較高的土壤替換為鹽度0.4%以下的種植土和礫石。 根據(jù)攪拌換水法土壤脫鹽的原理[13]，在尾部濕地采取表土脫鹽措施， 通過機(jī)械攪拌和沖洗將濕地表層40cm 的土壤鹽度降低到0.4%以下，從而降低土壤氯離子持續(xù)釋放對濕地植物造成的鹽度脅迫。 另一方面， 在植物群落配置過程中選用更多的耐鹽性物種來提升植物的生長適應(yīng)性。

4 項(xiàng)目效益分析

新區(qū)工業(yè)應(yīng)急備用水源工程旨在保障石化產(chǎn)業(yè)園區(qū)企業(yè)生產(chǎn)、生活用水安全，避免了突發(fā)斷水事件引發(fā)的相關(guān)經(jīng)濟(jì)損失； 按照設(shè)計(jì)的年應(yīng)急供水量1 200 萬t 測算，平均年工程效益達(dá)5 318 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 同時，庫前生態(tài)凈化系統(tǒng)對原水的處理可有效削減水體氮磷營養(yǎng)鹽和有機(jī)污染物，有助于區(qū)域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升；按照設(shè)計(jì)的生態(tài)濕地處理規(guī)模測算， 每年可削減CODMn456t、NH3-N 96.7t、TP 14.60t， 生態(tài)環(huán)境效益突出。 最后，庫前生態(tài)濕地凈化技術(shù)提供了濱海地區(qū)水庫水質(zhì)保障的新思路，有力支撐了濱海地區(qū)的水利生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是推動新時代新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要實(shí)踐，具有良好的社會效益。

5 結(jié)語

庫前生態(tài)凈化系統(tǒng)是保障水庫水體水質(zhì)穩(wěn)定的重要手段，凈化工藝流程、總體布局和濕地面積等核心參數(shù)的確定是方案設(shè)計(jì)重點(diǎn)， 土壤鹽分影響控制和濕地植物群落配置是方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵。 本文所選案例展示了濱海地區(qū)新建水庫項(xiàng)目中庫前濕地凈化技術(shù)的應(yīng)用具備顯著的經(jīng)濟(jì)效益、 突出的生態(tài)環(huán)境效益和良好的社會效益， 可為我國其它濱海地區(qū)新建水庫的水體水質(zhì)保障提供技術(shù)支撐和模式借鑒。 □