入庫徑流污染綜合防控技術應用實踐——以彭州市西河水庫為例

顏廷熠，王君勤

(四川省水利科學研究院，成都 610072)

西河水庫位于彭州市隆豐鎮(zhèn)境內，除少量天然來水外，水庫來水主要是通過約8km長的引水渠從湔江引水，水庫功能以城鎮(zhèn)供水和灌溉為主，是彭州市城區(qū)集中供水水源地之一，水庫水源清潔對保障城區(qū)居民飲水安全具有重要意義。但近年來，西河水庫水體連續(xù)出現總氮超標，水質不能滿足《地表水環(huán)境質量標準》［1］Ⅲ類標準，其上游湔江流域總氮濃度也居高不下，成為影響當地供水安全的重要隱患。

西河水庫引水渠在引入水量的同時也帶來了沿途污染物，為有效地限制和減少污染物進入庫區(qū)，有必要對入庫徑流污染物進行防控處理。目前國內外對入庫徑流開展污染防控的技術主要包括:滲流溝技術、前置庫工程技術、氧化塘技術、土地處理技術、高效率生物濾池、礫石間接觸氧化、生態(tài)護坡、人工浮床凈水技術等［2，3］。本文在對西河水庫污染現狀及污染來源特征進行調查的基礎上，結合庫區(qū)周邊自然地理實際條件，集成了“生態(tài)護坡—岸邊人工濕地—人工浮島”綜合防控技術，并設計建設了相應的示范工程，對西河水庫入庫徑流污染防控開展了實踐應用研究。

1 西河水庫污染現狀與污染來源調查

根據四川省環(huán)境監(jiān)測總站每月公布的《四川省主要城市集中式飲用水源地水質月報》資料，自2003年起，西河水庫幾乎每月均有總氮超標現象，為了查明西河水庫總氮超標原因，在當地環(huán)保部門的協助下對西河水庫及其上游湔江的污染來源開展了總氮專項監(jiān)測調查。

1.1 總氮專項監(jiān)測調查

本次水質專項監(jiān)測項目為總氮、氨氮和硝態(tài)氮3項指標;監(jiān)測斷面為湔江源頭銀廠溝大龍?zhí)吨廖骱铀畮鞄煳驳?2個監(jiān)測斷面，各監(jiān)測斷面位置分布情況見表1和圖1。水質監(jiān)測調查評價標準采用《地表水環(huán)境質量標準》，其中1#斷面執(zhí)行I類水域標準，其他斷面執(zhí)行Ⅲ類水域標準。

圖1 西河水庫和上游湔江總氮專項監(jiān)測斷面位置分布圖Fig.1 The schematic diagram of total nitrogen special monitoring section points of Xihe reservoir and Jianjiang river

1.2 監(jiān)測結果分析

本次水質專項監(jiān)測結果見表2和圖2。

表2 西河水庫和湔江總氮專項監(jiān)測結果表Tab.2 The special monitoring results of Xihe reservoir and Jianjiang river (mg/L)

圖2 西河水庫和湔江總氮專項監(jiān)測結果圖Fig.2 The schematic diagram of special monitoring results of Xihe reservoir and Jianjiang river

監(jiān)測結果表明:總氮項目在湔江源頭銀廠溝大龍?zhí)稊嗝婕床荒苓_到劃定的I類標準，甚至超過Ⅱ類標準，以下至湔江通濟鎮(zhèn)出境斷面 (6#斷面)開始超過Ⅲ類標準。西河水庫引水渠斷面 (11#斷面)超標最多，超標95%;從沿程變化趨勢來看，本次監(jiān)測的3個指標都是沿程增高;總氮的主要成分是硝態(tài)氮，各斷面硝態(tài)氮占總氮的比例在55.4%～95.2%之間，平均 80.5%。所有總氮超標的監(jiān)測斷面，其硝態(tài)氮的數值已接近或超過總氮Ⅲ類標準值1.00mg/L;白水河總氮濃度與湔江大致相等，對湔江水質的影響不大，白鹿河總氮濃度低于湔江，對湔江總氮還有稀釋作用。

1.3 西河水庫總氮超標原因分析

(1)湔江流域地質構造污染

湔江流域源于岷山山脈的茶坪山銀廠溝，跨“東部四川中臺拗”和“西部龍門山褶斷帶”兩大地質構造單元，地質構造復雜，發(fā)育有銀廠溝、白水河一帶的“彭灌雜巖”和罕見的巨型灰?guī)r冰川漂礫地質奇觀，出產銅、金、磁鐵礦、銅鎳礦、蛇紋巖、石棉、滑石、石墨、鉀長石、硅石等礦物。尤其是“5·12”汶川地震造成銀廠溝上游生態(tài)破壞嚴重，大量山體滑崩、地表裸露，進一步加劇了地質構造污染。本次專項監(jiān)測結果表明，在沒有污染源匯入的情況下，湔江源頭銀廠溝大龍?zhí)稊嗝孢_不到劃定的I類標準，總氮超標2.1倍，硝態(tài)氮是構成總氮的主要成分，這明地質構造原因是西河水庫總氮超標的重要污染來源。

(2)沿線農業(yè)面源污染

從水庫上游湔江源頭至引水渠入庫口分布有龍門山鎮(zhèn)、小魚洞鎮(zhèn)、通濟鎮(zhèn)、白鹿鎮(zhèn)、新興鎮(zhèn)、丹景山鎮(zhèn)和隆豐鎮(zhèn)等7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，沿線農業(yè)生產主要以傳統(tǒng)耕作方式為主，農藥和化肥使用量大、利用率低，這些化學物質的累積和流失不僅污染了農田土壤，而且隨灌溉或降雨徑流進入湔江和西河水庫。本次監(jiān)測結果顯示3個監(jiān)測指標都是沿程增高，表明沿線農業(yè)面源污染為西河水庫總氮超標的重要污染源之一。

(3)居民生活排水污染

“5·12”汶川地震災后重建啟動后，湔江沿岸統(tǒng)規(guī)統(tǒng)建的居民小區(qū)相繼建成，農村居民居住模式由傳統(tǒng)分散居住轉變?yōu)榧芯幼?，部分居民生活污水未經處理直接排放，匯入湔江，居民生活污染也成為西河水庫重要的污染來源。

2 入庫徑流污染綜合防控技術

調查結果表明，西河水庫污染來源主要是農業(yè)面源污染、湔江上游地質構造及生活排水污染3者疊加構成的，并隨入庫徑流匯入西河水庫，從而引發(fā)了庫區(qū)水體污染問題。為有效防控治理入庫徑流污染，根據庫區(qū)周邊自然地理條件，在借鑒國內外現有防控技術和實踐經驗的基礎上，研究集成了“生態(tài)護坡—岸邊人工濕地—人工浮島”綜合防控技術。

2.1 生態(tài)護坡技術

西河水庫引水渠入庫處兩側邊坡為高陡土坡、植被稀疏雜亂，降雨徑流入滲和入庫徑流沖刷極易引發(fā)水土流失，地表徑流污染物也隨之匯入庫區(qū)水體，從而造成污染。為有效解決入庫處兩側邊坡地表徑流污染、消除滑坡、垮塌等安全隱患，決定采用植物和工程措施相結合的生態(tài)護坡技術進行邊坡防護。在滿足岸坡穩(wěn)定和行洪過水要求的基礎上，對自然坡面按比例放坡，人工鋪設草皮并加以固定和養(yǎng)護，草皮返青成活后，形成的生態(tài)防護系統(tǒng)可以達到固土保水、防止水土流失污染、美化庫區(qū)環(huán)境的目的［4］。

2.2 人工濕地系統(tǒng)

西河水庫引水渠入庫后過水斷面逐漸增大，水流流速變緩，伴隨庫區(qū)水位的消漲，自然形成了介于陸地和水體之間的扇形淤積帶，可以在淤積帶上采用人工濕地技術對入庫徑流進行污染防控。人工濕地系統(tǒng)凈化原理是利用土壤基質-微生物-水生植物的物理、化學和生物的協同作用，通過吸附、沉淀、植物吸收和微生物分解等綜合作用，達到處理有機污染物及N、P植物營養(yǎng)元素的目的［5］。根據項目區(qū)條件，布設的濕地系統(tǒng)主要由淺水區(qū)水生植物帶和深水區(qū)水生植物帶組成，選擇凈水效果好、適應性強、根莖繁殖能力強的水竹、水生美人蕉、黃花鳶尾、梭魚草等多種水生植物進行人工種植。

2.3 人工浮島凈水技術

充分利用庫區(qū)天然水面，采用人工浮島凈水技術進行原位水體凈化。人工浮島對水體的凈化原理主要是通過表面積很大的水生植物根系吸附水體中大量的植物營養(yǎng)元素，同時發(fā)達根系表明形成生物膜，膜中微生物通過新陳代謝活動，將水中有機污染物質降解轉化為無機物，并被根系吸收，通過收割植物，實現營養(yǎng)物質去除和水質凈化的目的［6］。西河水庫采用的人工浮島技術通過模仿植物自然生長所需條件，在水面上設置浮體，篩選凈水能力強的水生植物種植于浮體上，利用植物的根部吸附和吸收作用，去除水體中的氮、磷等污染成分。

3 示范工程建設

根據研究集成的綜合凈水技術，結合庫區(qū)實際自然條件，設計并建設了生態(tài)護坡示范工程、人工濕地系統(tǒng)示范工程和人工浮島示范工程。示范工程平面布置情況見圖3。

圖3 示范工程平面布置示意圖Fig.3 Layout of demonstration project

3.1 生態(tài)護坡工程

結合項目區(qū)地形條件，生態(tài)護坡示范工程設計成果見圖4。工程建設內容主要包括場地清理，坡度修整，草皮鋪設與固定和草坪養(yǎng)護。建設主要參數:放坡坡度1∶1.5;表土層疏松厚度15～20cm;草種選用臺灣二號品種，單塊草坪規(guī)格為30×30cm;鋪設草坪1750m2，其中打鎖釘草坪栽植面積950m2、無鎖釘草坪栽植面積800m2。工程結束后，按計劃開展了后續(xù)灌溉、施肥等日常維護工作，建成后生態(tài)護坡示范工程運行良好。

圖4 生態(tài)護坡工程設計示意圖Fig.4 Schematic diagram of ecological slope protection project

3.2 人工濕地工程

以水流入庫處自然淤積帶為基質，人工濕地系統(tǒng)示范工程設計成果見圖5。工程建設內容主要包括淤積帶垃圾清理、表面清淤、地形整理和水生植物栽植與養(yǎng)護等。工程主要設計參數:濕地系統(tǒng)采用重力自流過水形式，以進水端相對高程為參考標準，沿水流方向地面坡度設計為1∶1000;濕地系統(tǒng)由淺水區(qū)水生植物帶和深水區(qū)水生植物帶組成，總面積約2400m2，其中淺水區(qū)水生植物帶寬度為6～15m，面積約1480m2，深水區(qū)水生植物帶寬度為3～7m，面積約925m2;淺水區(qū)水生植物選用千屈菜、水生美人蕉、水蔥和水竹，植物平均行株距為15×15cm，平均栽種密度為45株/m2，深水區(qū)水生植物選用蘆葦、黃花鳶尾、梭魚草和再力花，植物平均行株距為20×20cm，平均栽種密度為25株/m2。生態(tài)護坡工程建成后，植物生長良好，達到了設計目的。

圖5 人工濕地系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of artificial wetland system

3.3 人工浮島工程

借鑒近年來人工浮島凈水技術發(fā)展成果，設計的人工浮島工程由漂浮載體、固定基質、水生植物和水下固定系統(tǒng)組成。其中浮島載體由高分子材料制作，內設種植籃和連接件，為裝置提供浮力;固定基質采用傳統(tǒng)的種植棉材料，用于固定水生植物，為植物根系提供發(fā)育空間;水生植物是浮島裝置凈化水質的主體，篩選根系發(fā)達、根莖繁殖能力強、凈水效果好的水竹、水生美人蕉等水生植物進行人工無土栽種;水下固定系統(tǒng)由高耐腐爛性的尼龍繩索和預制砼塊組成，利用尼龍繩索沿浮島周邊捆扎、預留出足夠長度的繩索與沉入水底的預制砼塊連接為一體，達到位置固定和隨水位漲落自動調整的功能，具體設計成果見圖6。建設的人工浮島工程由自行設計的浮床搭接組成，通過預制砼塊固定空間位置，浮床表面栽種各類水生植物。工程主要參數:單塊浮床載體尺寸90×90cm，能夠提供的最大浮力1075N;每個浮島裝置由6塊浮床載體組成，面積29.16m2，工程共建造3個獨立浮島裝置，總面積87.48m2;水生植物篩選根莖繁殖能力強、凈水效果好的水生美人蕉、黃花鳶尾、再力花等挺水水生植物品種，實際種植密度根據植株大小，每塊浮床為32～48株。

圖6 人工浮島工程設計示意圖Fig.6 Schematic diagram of artificial floating island

4 防控效果分析

西河水庫作為彭州市重要的城鎮(zhèn)集中供水水源地，在治理前總氮超標現象時有發(fā)生，庫區(qū)水質不能滿足《地表水環(huán)境質量標準》Ⅲ類標準。示范工程于2010年9月份建成后，選擇工程進水口和出水口兩個斷面 (見圖3，示范工程平面布置示意圖)開展工程防控效果監(jiān)測工作，監(jiān)測指標包括酸堿度、溶解氧、化學需氧量、總磷、氟化物、揮發(fā)酚、糞大腸菌群、氨氮、總氮、硝酸鹽氮、六價鉻和硫化物等12項指標，每月進行1次監(jiān)測，總計進行了24次水質檢測，檢測結果見表3。

工程出水中各項水質指標的平均濃度與國家現行地表水環(huán)境質量標準 (GB3838-2002)Ⅲ標準相比，可以得出，經“生態(tài)護坡-岸邊濕地-人工浮島系統(tǒng)”工程處理過的徑流來水，除總氮以外，其他指標可以達到地表水Ⅲ類標準要求，其中，徑流來水總氮平均超標63%，總氮工程平均去除率23.93%，出水總氮平均超標24%，說明示范工程在徑流污染防控方面發(fā)揮了積極作用。

5 結語

課題組充分利用庫區(qū)自然條件，綜合采用生態(tài)護坡、人工濕地和人工浮島凈水技術對西河水庫入庫徑流進行了污染防控實踐應用研究。結果表明，工程實施后，除總氮以外，其他指標可以達到地表水Ⅲ類標準要求，凈水效果明顯?？偟笜讼鳒p方面，入庫徑流總氮平均超標63%，出水總氮平均超標24%，總氮工程平均去除率23.93%，由此可見，工程實施后雖然總氮指標未能達到地表水Ⅲ類水質標準，但工程去除效率明顯，總氮不能達標的主要是由于入庫污染負荷較大、資金有限，工程建設規(guī)模小造成的，與選用的技術無關。綜上所述，“生態(tài)護坡-岸邊濕地帶-人工浮島”綜合處理技術能夠有效限制和減少入庫徑流污染物，可以為國內類似地表水體污染防控提供技術參考。

表3 工程進、出水水質指標檢測結果Tab.3 Monitoring results of inflow and outflow water quality of the demonstration project (mg/L)

［1］GB3838-2002，地表水環(huán)境質量標準［S］.

［2］彭文啟.入庫河流水質改善對策與實踐［C］.上海:中國水利學會2002學術年會，2002.36-41.

［3］李 彬，呂錫武.河口前置庫技術［J］.三峽大學學報，2007，29(6):528-532.

［4］劉黎明，邱衛(wèi)民.傳統(tǒng)護坡與生態(tài)護坡比較分析［J］.三峽大學學報，2007，29(6):528-532.

［5］Chen S W，Kao C M，Jou C R，et al.Use of a Constructed Wetland for Post-Treatment of Swine Wastewater［J］.Environment Engineering Science，2008，25(3):407～417.

［6］程 丹，李 強.水生植物在水污染治理中的凈化機理及其應用［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2005，31(1):6-9.