水源地水質(zhì)安全保障技術(shù)及在北方大型水源地的應(yīng)用

謝建枝 ，張玉寶 ，邱 穎 ，林 娜 ，張躍武 ，張 山

（1.北京市官?gòu)d水庫(kù)管理處，075400，懷來(lái)；2.北京市新水季環(huán)境工程有限公司，100044，北京；3.中鐵六局集團(tuán)北京鐵路建設(shè)有限公司，100142，北京）

水源地是水資源的重要載體，其主要功能是為人類(lèi)生產(chǎn)、生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供水資源。水源地水質(zhì)安全對(duì)人民的身體健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著非常重要的影響。集中式供水水源主要分為河道水源、湖泊水庫(kù)水源和地下水源三種，由于我國(guó)城市地下水開(kāi)采狀況日益嚴(yán)峻，河流、湖泊、水庫(kù)成為重要的飲用水水源，是水源地保護(hù)的重點(diǎn)。

近年，水源地污染事件頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅了城市供水安全，水源地水質(zhì)安全保障技術(shù)成為研究的重要領(lǐng)域。保障水源地水質(zhì)安全，可以有效應(yīng)對(duì)水污染事件，提高水體的自?xún)裟芰?，使水源地水質(zhì)得到改善，同時(shí)也能提高水源地應(yīng)急供水能力。目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)水源地的污染治理和水質(zhì)安全保障技術(shù)進(jìn)行了大量研究，一些重要湖泊、水庫(kù)的綜合治理工作也取得了顯著成效，如我國(guó)的滇池、太湖、巢湖流域，日本的琵琶湖，德國(guó)和瑞士的康斯坦茨湖等。

一、水源地水質(zhì)安全保障技術(shù)體系

1.系統(tǒng)規(guī)劃統(tǒng)領(lǐng)

水源地水質(zhì)安全保障規(guī)劃是針對(duì)水源地未來(lái)的安全性、整體性、可持續(xù)性等問(wèn)題制定的比較全面而長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展計(jì)劃，能夠有效指導(dǎo)水源地保護(hù)，促進(jìn)水源涵養(yǎng)和水質(zhì)安全保障工作，提升水源地水質(zhì)安全保障水平。

針對(duì)水源地水質(zhì)污染特征，系統(tǒng)性地制定水源地水質(zhì)安全保障規(guī)劃，明確管理措施、治理任務(wù)、應(yīng)急預(yù)警方案及保障手段，明確水質(zhì)安全保障工作目標(biāo)和工作重點(diǎn)，制定切實(shí)可行的工作計(jì)劃，為水源地水質(zhì)安全提供有力保障。規(guī)劃是水源地水質(zhì)安全保障的統(tǒng)領(lǐng)性、系統(tǒng)性技術(shù)措施，也是保障水源地水質(zhì)安全的基礎(chǔ)措施。

2.源頭污染控制

源頭污染控制是流域污染治理的根本性措施，包括立法、管理、技術(shù)等多層面手段。其中，技術(shù)方面主要包括集中式污水處理技術(shù)及分散點(diǎn)源污水處理技術(shù)。

（1）集中式污水處理技術(shù)

對(duì)于集中排放的生活污水和工業(yè)廢水，應(yīng)利用截污工程，在其進(jìn)入受納水體前，通過(guò)污水收集設(shè)施及管網(wǎng)運(yùn)輸至污水處理設(shè)施進(jìn)行處理。目前，我國(guó)以河湖補(bǔ)水為目的的污水處理工藝主要在二級(jí)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行深度處理，其中深度處理技術(shù)包括混凝技術(shù)、曝氣生物濾池、臭氧氧化技術(shù)、膜分離技術(shù)以及活性炭吸附技術(shù)等。隨著水污染加劇及人們對(duì)水質(zhì)要求的提高，以生物活性炭技術(shù)為核心的深度處理工藝開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用?；谏锘钚蕴考夹g(shù)開(kāi)發(fā)的新型生物活性炭反應(yīng)器在微污染水處理方面具有較好的應(yīng)用，對(duì)水中微量污染物、有毒有害有機(jī)物、色度、重金屬去除效果明顯，在高品質(zhì)再生水廠建設(shè)、微污染水處理、河湖補(bǔ)水水質(zhì)凈化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（2）分散點(diǎn)源污水處理技術(shù)

分散于水源地周邊的天然及人工河道排污口、農(nóng)村污水排放口等，由于位置分散，污水排放量相對(duì)較小，不便于通過(guò)建設(shè)集中式污水處理廠進(jìn)行集中處理。分散治理可減小收集管網(wǎng)建設(shè)及運(yùn)輸過(guò)程中水量和水質(zhì)的損失，在管理、占地、造價(jià)等方面都有較大的優(yōu)勢(shì)。污水分散處理技術(shù)主要包括分離式系統(tǒng) （氧化溝、SBR生物反應(yīng)器、曝氣生物濾池、膜—生物反應(yīng)器）和一體化系統(tǒng)（凈化槽、沼氣凈化池）等。其中，一體化系統(tǒng)因建造方便，建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用低，占地面積小，得到較好的應(yīng)用。無(wú)動(dòng)力式生物凈化槽是根據(jù)小規(guī)模分散點(diǎn)源污水排放特征研制的一體化污水凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)在厭氧濾池的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，水力停留時(shí)間短，占地小。該技術(shù)能高效、低耗、低運(yùn)行費(fèi)用地處理污水，出水可回用，從而節(jié)約水資源。

3.遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程削減

隨著工業(yè)污染控制力度加大及生活污水處理廠的建設(shè)，源頭污染逐漸得到有效控制，通過(guò)降雨徑流沖刷作用從非特定地點(diǎn)進(jìn)入河流、湖泊、水庫(kù)的污染成為水源地的主要污染源。目前，國(guó)內(nèi)外采取了多種治理措施，有效削減了進(jìn)入水源地的污染物總量。

（1）濱岸緩沖帶

濱岸緩沖帶是鄰近水源地有一定寬度的植被地帶，具有避免污染源和水源地貫通、涵養(yǎng)水源、蓄洪防旱、促淤造地、維持生物多樣性和生態(tài)平衡的作用，能有效攔截凈化外來(lái)污染物，截留地表徑流攜帶的懸浮物，去除部分氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降解有機(jī)污染物。根據(jù)植被類(lèi)型，濱岸緩沖帶可分為林地緩沖帶、草地緩沖帶、復(fù)合緩沖帶等。對(duì)岸邊植物帶的建設(shè)，美國(guó)國(guó)家自然保護(hù)協(xié)會(huì)建議分為三個(gè)植物群帶，第一帶為主要由樹(shù)木組成的寬約4.5 m的植物群帶，以保持堤岸的穩(wěn)定性；第二帶為由速成樹(shù)木組成的寬約18m的植物群帶，以吸收大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；第三帶為主要由草本植物組成的6m寬的植物帶，以截留地表徑流。在緩沖帶構(gòu)建時(shí)，主要研究熱點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)是坡度控制、植物配比、寬度確定等。

（2）人工濕地技術(shù)

人工濕地系統(tǒng)是模擬自然濕地的人工生態(tài)系統(tǒng)，由基質(zhì)、水體、動(dòng)物和微生物組成。徑流中不溶性有機(jī)物通過(guò)濕地的沉淀、過(guò)濾作用，可以很快地被截留并被微生物利用；可溶性有機(jī)物則可通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過(guò)程被分解去除。通過(guò)對(duì)濕地植物收割而將新生的有機(jī)體、N、P等從系統(tǒng)中去除，從而改善入庫(kù)水體水質(zhì)。人工濕地主要有表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地3種類(lèi)型，主要種植的濕地植物有蘆葦、香蒲、水蔥、千屈菜、美人蕉等。人工濕地技術(shù)由于其成本較低、運(yùn)行簡(jiǎn)單、耐受負(fù)荷大等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。

（3）前置庫(kù)技術(shù)

前置庫(kù)技術(shù)利用水庫(kù)從上游到下游存在水質(zhì)濃度變化梯度的特點(diǎn)，將水庫(kù)分為一個(gè)或者若干個(gè)子庫(kù)與主庫(kù)相連，通過(guò)延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，促進(jìn)水中污染物質(zhì)的沉降；同時(shí)利用子庫(kù)中的水生植物、藻類(lèi)進(jìn)一步吸收攔截營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)物，降低進(jìn)入下一級(jí)子庫(kù)或主庫(kù)水中的污染物量，抑制主庫(kù)中藻類(lèi)過(guò)度繁殖，改善水體水質(zhì)。前置庫(kù)技術(shù)的凈化機(jī)理可分為沉降、自然降解、微生物降解、水生植物吸收，即進(jìn)入前置庫(kù)的水體首先進(jìn)入由擋板、溢流板隔出的沉淀區(qū)進(jìn)行物理沉降，之后在導(dǎo)流系統(tǒng)的作用下進(jìn)入主反應(yīng)區(qū)，通過(guò)水生植物的截留、吸收作用完成營(yíng)養(yǎng)鹽含量的削減。前置庫(kù)技術(shù)對(duì)減少水源地外源有機(jī)污染負(fù)荷，特別是去除入庫(kù)地表徑流中的N、P元素有效且安全，具有廣泛的應(yīng)用前景。

4.水源地末端污染治理

（1）水力調(diào)控技術(shù)

水力調(diào)控技術(shù)通過(guò)改變水體的流態(tài)和水中分層的氧氣含量，促進(jìn)水體循環(huán)，從而改善水質(zhì)。基于水力調(diào)控技術(shù)原理開(kāi)發(fā)的水面推流器利用人工水循環(huán)技術(shù)，縱向攪動(dòng)水體，降低水體表面溫度，破壞水華發(fā)生的自然條件。同時(shí)可以影響區(qū)域水體處于安全流速和紊流，甚至通過(guò)在靜止水體中大范圍循環(huán)流動(dòng)，抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)，避免藻細(xì)胞聚集，對(duì)于水源地原位水質(zhì)改善具有明顯的效果。

（2）生態(tài)浮床技術(shù)

生態(tài)浮床技術(shù)通過(guò)在浮床上種植美人蕉、旱傘草、菖蒲等水生或陸生植物，利用植物根系富集微生物形成生物膜，膜中的微生物吸附、吸收水體中氮、磷等有機(jī)污染，同時(shí)釋放出大量能降解有機(jī)物的分泌物，減少氮、磷等有機(jī)物在水體中的含量。同時(shí)，浮床還可以遮擋部分陽(yáng)光，降低藻類(lèi)進(jìn)行光合作用的光照強(qiáng)度，有效地抑制浮游植物過(guò)量繁殖，使水體透明度大幅度提高，水質(zhì)得到改善。近年，在傳統(tǒng)生態(tài)浮床的基礎(chǔ)上，把人工填料、水生動(dòng)物等引入生態(tài)浮床中，開(kāi)發(fā)了組合型生態(tài)浮床技術(shù)，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水源 TN、TP、TOC、葉綠素、總藻毒素和胞外藻毒素均有較好的去除效果。

（3）生物調(diào)控技術(shù)

生物調(diào)控基于生物的生理生化作用及食物鏈原理，在水生態(tài)調(diào)查評(píng)估的基礎(chǔ)上，通過(guò)有計(jì)劃的人為作用，調(diào)整水生植物、濾食性魚(yú)類(lèi)、底棲動(dòng)物及微生物等的種類(lèi)、數(shù)量及分布，力求構(gòu)建生產(chǎn)者—消費(fèi)者—分解者之間的良性動(dòng)態(tài)循環(huán)關(guān)系，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及耐沖擊負(fù)荷能力，提高水體自?xún)裟芰?。在?shí)際工作中，往往根據(jù)水環(huán)境特點(diǎn)及需求僅對(duì)其中一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控。如為了達(dá)到控制水華的目的，有計(jì)劃地投放濾食性魚(yú)類(lèi)及濾食性浮游動(dòng)物，通過(guò)捕食作用控制水中浮游植物生物量，抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)；有計(jì)劃地收割過(guò)量生長(zhǎng)的沉水植物如菹草等，通過(guò)植物體的移除達(dá)到改善水質(zhì)的目的。生物調(diào)控技術(shù)具有較長(zhǎng)的時(shí)間尺度和環(huán)境效益，在水源地水質(zhì)凈化及富營(yíng)養(yǎng)化防治方面發(fā)揮著重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（4）人工介質(zhì)生物強(qiáng)化凈化技術(shù)

人工介質(zhì)生物強(qiáng)化凈化技術(shù)是一種提高水體污染物降解能力的方法，其原理是通過(guò)投加一種可以供微生物附著和生長(zhǎng)的載體，自然富集有降解作用的土著微生物，以達(dá)到改善水質(zhì)的目的。人工介質(zhì)可以提高水源地水體微生物富集效果，經(jīng)人工介質(zhì)處理后，部分水質(zhì)指標(biāo)可以提高1～2個(gè)等級(jí)，使水體富營(yíng)養(yǎng)化水平得到降低，對(duì)于提高微生物的富集效果、改善水質(zhì)凈化有重要的意義。人工凈水草是一種優(yōu)良的新型人工介質(zhì)，采用空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子材料增大比表面積，同時(shí)通過(guò)分子設(shè)計(jì)，引入大量活性和強(qiáng)極性基因，將大量的有益菌和酶制劑牢牢固定在介質(zhì)上，實(shí)現(xiàn)微生物的固定化，可實(shí)現(xiàn)快速脫氮、提高水體透明度并抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)。該人工凈水草化學(xué)及生物學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，長(zhǎng)期浸泡不會(huì)溶出有毒有害物質(zhì)，不產(chǎn)生二次污染，可廣泛應(yīng)用于湖泊、水庫(kù)、河道等水源地水質(zhì)凈化工程中。

5.水質(zhì)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

水質(zhì)預(yù)警主要運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、環(huán)境科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)等理論，將水環(huán)境質(zhì)量、水污染狀況及地理信息等集合在一起，用先進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行分析、計(jì)算、評(píng)價(jià)，使水質(zhì)信息以圖像方式呈現(xiàn)出來(lái)，為水質(zhì)預(yù)警提供可操作的環(huán)境管理和決策支持。

目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展的在線生物檢測(cè)技術(shù)包括在線發(fā)光/熒光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、微生物傳感器水質(zhì)監(jiān)視支援系統(tǒng)、在線攝像系統(tǒng)、水質(zhì)安全在線生物預(yù)警系統(tǒng)等多種生物在線監(jiān)測(cè)儀器。其中水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)及生物毒性安全預(yù)警系統(tǒng)（BEWs）結(jié)合了國(guó)內(nèi)外水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)及生物毒性安全預(yù)警測(cè)試，利用水生生物回避行為與水體典型污染物毒性總量之間存在的較好劑量反應(yīng)關(guān)系，通過(guò)低壓電信號(hào)技術(shù)在線監(jiān)測(cè)生物運(yùn)動(dòng)行為變化，結(jié)合生物環(huán)境脅迫閾值模型對(duì)水質(zhì)變化進(jìn)行智能預(yù)警，迅速判斷污染爆發(fā)時(shí)間和污染物綜合毒性，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、多向、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)在技術(shù)方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平，目前已在我國(guó)多處水源地進(jìn)行了示范應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。

二、水質(zhì)安全保障技術(shù)在北方大型水源地的應(yīng)用

官?gòu)d水庫(kù)位于北京市西北的永定河上游，是新中國(guó)成立后修建的第一座大型水庫(kù)，流域面積為4.34萬(wàn)km2，設(shè)計(jì)總庫(kù)容為41.6億m3。水庫(kù)在建成初期曾是北京市的重要供水水源，在流域周邊人口不斷增長(zhǎng)及生產(chǎn)方式粗放的影響下，水庫(kù)水質(zhì)逐漸惡化，部分水域達(dá)到劣Ⅴ類(lèi)水體，被迫于1997年退出了供水系統(tǒng)。為改善官?gòu)d水庫(kù)水質(zhì)，上級(jí)政府和管理部門(mén)制定了《21世紀(jì)初期首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》，在水庫(kù)重點(diǎn)地段實(shí)行封閉管理；開(kāi)展了一系列水質(zhì)安全保障措施：在源頭控制方面進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)搬遷，并在水庫(kù)周邊及上游河道建設(shè)污水處理廠和分散點(diǎn)源污水處理站，有效控制了源頭污染；通過(guò)前置庫(kù)建設(shè)、濱岸緩沖帶建設(shè)及人工濕地建設(shè)等措施，在污染物遷移轉(zhuǎn)化途徑上削減了進(jìn)入該水庫(kù)的污染物總量；在水庫(kù)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)通過(guò)曝氣增氧、水草收割、生態(tài)浮床建設(shè)及人工凈水草布設(shè)等措施，降低了內(nèi)源污染；同時(shí)，為了降低突發(fā)污染事故對(duì)水質(zhì)安全的影響，在庫(kù)區(qū)關(guān)鍵區(qū)域建設(shè)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效保障了供水安全。通過(guò)以上措施的逐步推進(jìn)，官?gòu)d水庫(kù)水質(zhì)逐漸改善為Ⅲ～Ⅳ類(lèi)并恢復(fù)了水源地功能。

三、結(jié) 語(yǔ)

水源地水質(zhì)安全保障技術(shù)體系對(duì)水源地水環(huán)境安全保護(hù)工作具有重要的指導(dǎo)意義，通過(guò)以上水源地水質(zhì)安全保障措施的實(shí)施，可有效降低飲用水水源地水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)，提高水體自?xún)裟芰?，改善水源地水質(zhì)，為我國(guó)水源地安全保障提供重要參考。然而由于受政策、法規(guī)、資金、技術(shù)以及水源地自身?xiàng)l件的限制，水源地安全保障技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行中也存在一些問(wèn)題：①生態(tài)保障措施對(duì)水環(huán)境的改善多數(shù)只是定性研究，且大都為單一技術(shù)研究，缺少系統(tǒng)集成和綜合考慮，相關(guān)參數(shù)率定缺乏統(tǒng)一規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，缺乏定量依據(jù)；②水源地水質(zhì)安全保障措施往往缺乏長(zhǎng)期運(yùn)行機(jī)制，工程措施往往虎頭蛇尾。因此，在制定水源地水質(zhì)安全保障規(guī)劃時(shí)，需因地制宜，集成運(yùn)用各種水質(zhì)改善技術(shù)，并盡可能優(yōu)先選用成熟可靠的生態(tài)措施，以規(guī)避參數(shù)率定不確定性可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，需制定切實(shí)可行的保障措施，為規(guī)劃措施長(zhǎng)期執(zhí)行保駕護(hù)航。

[1]水利部.全國(guó)城市飲用水水源地安全保障規(guī)劃[R].北京：水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，2006.

[2]朱向宏，劉學(xué)存.無(wú)動(dòng)力式生物處理技術(shù)及其在分散點(diǎn)源污水治理中的應(yīng)用[J].中國(guó)水利，2010（13）.