顏廷熠，王君勤

(四川省水利科學(xué)研究院，成都 610072)

西河水庫位于彭州市隆豐鎮(zhèn)境內(nèi)，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(duì)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(xiàn)總氮超標(biāo)，水質(zhì)不能滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［1］Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，其上游湔江流域總氮濃度也居高不下，成為影響當(dāng)?shù)毓┧踩闹匾[患。

西河水庫引水渠在引入水量的同時(shí)也帶來了沿途污染物，為有效地限制和減少污染物進(jìn)入庫區(qū)，有必要對(duì)入庫徑流污染物進(jìn)行防控處理。目前國內(nèi)外對(duì)入庫徑流開展污染防控的技術(shù)主要包括:滲流溝技術(shù)、前置庫工程技術(shù)、氧化塘技術(shù)、土地處理技術(shù)、高效率生物濾池、礫石間接觸氧化、生態(tài)護(hù)坡、人工浮床凈水技術(shù)等［2，3］。本文在對(duì)西河水庫污染現(xiàn)狀及污染來源特征進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合庫區(qū)周邊自然地理實(shí)際條件，集成了“生態(tài)護(hù)坡—岸邊人工濕地—人工浮島”綜合防控技術(shù)，并設(shè)計(jì)建設(shè)了相應(yīng)的示范工程，對(duì)西河水庫入庫徑流污染防控開展了實(shí)踐應(yīng)用研究。

1 西河水庫污染現(xiàn)狀與污染來源調(diào)查

根據(jù)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(zhì)月報(bào)》資料，自2003年起，西河水庫幾乎每月均有總氮超標(biāo)現(xiàn)象，為了查明西河水庫總氮超標(biāo)原因，在當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的協(xié)助下對(duì)西河水庫及其上游湔江的污染來源開展了總氮專項(xiàng)監(jiān)測調(diào)查。

1.1 總氮專項(xiàng)監(jiān)測調(diào)查

本次水質(zhì)專項(xiàng)監(jiān)測項(xiàng)目為總氮、氨氮和硝態(tài)氮3項(xiàng)指標(biāo);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(gè)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(zhì)監(jiān)測調(diào)查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，其中1#斷面執(zhí)行I類水域標(biāo)準(zhǔn)，其他斷面執(zhí)行Ⅲ類水域標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 西河水庫和上游湔江總氮專項(xiàng)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(jié)果分析

本次水質(zhì)專項(xiàng)監(jiān)測結(jié)果見表2和圖2。

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

監(jiān)測結(jié)果表明:總氮項(xiàng)目在湔江源頭銀廠溝大龍?zhí)稊嗝婕床荒苓_(dá)到劃定的I類標(biāo)準(zhǔn)，甚至超過Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，以下至湔江通濟(jì)鎮(zhèn)出境斷面 (6#斷面)開始超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。西河水庫引水渠斷面 (11#斷面)超標(biāo)最多，超標(biāo)95%;從沿程變化趨勢(shì)來看，本次監(jiān)測的3個(gè)指標(biāo)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(biāo)的監(jiān)測斷面，其硝態(tài)氮的數(shù)值已接近或超過總氮Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值1.00mg/L;白水河總氮濃度與湔江大致相等，對(duì)湔江水質(zhì)的影響不大，白鹿河總氮濃度低于湔江，對(duì)湔江總氮還有稀釋作用。

1.3 西河水庫總氮超標(biāo)原因分析

(1)湔江流域地質(zhì)構(gòu)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(tái)拗”和“西部龍門山褶斷帶”兩大地質(zhì)構(gòu)造單元，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)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(zhì)奇觀，出產(chǎn)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(yán)重，大量山體滑崩、地表裸露，進(jìn)一步加劇了地質(zhì)構(gòu)造污染。本次專項(xiàng)監(jiān)測結(jié)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_(dá)不到劃定的I類標(biāo)準(zhǔn)，總氮超標(biāo)2.1倍，硝態(tài)氮是構(gòu)成總氮的主要成分，這明地質(zhì)構(gòu)造原因是西河水庫總氮超標(biāo)的重要污染來源。

(2)沿線農(nóng)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(jì)鎮(zhèn)、白鹿鎮(zhèn)、新興鎮(zhèn)、丹景山鎮(zhèn)和隆豐鎮(zhèn)等7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，沿線農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要以傳統(tǒng)耕作方式為主，農(nóng)藥和化肥使用量大、利用率低，這些化學(xué)物質(zhì)的累積和流失不僅污染了農(nóng)田土壤，而且隨灌溉或降雨徑流進(jìn)入湔江和西河水庫。本次監(jiān)測結(jié)果顯示3個(gè)監(jiān)測指標(biāo)都是沿程增高，表明沿線農(nóng)業(yè)面源污染為西河水庫總氮超標(biāo)的重要污染源之一。

(3)居民生活排水污染

“5·12”汶川地震災(zāi)后重建啟動(dòng)后，湔江沿岸統(tǒng)規(guī)統(tǒng)建的居民小區(qū)相繼建成，農(nóng)村居民居住模式由傳統(tǒng)分散居住轉(zhuǎn)變?yōu)榧芯幼?，部分居民生活污水未?jīng)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(shù)

調(diào)查結(jié)果表明，西河水庫污染來源主要是農(nóng)業(yè)面源污染、湔江上游地質(zhì)構(gòu)造及生活排水污染3者疊加構(gòu)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(jù)庫區(qū)周邊自然地理?xiàng)l件，在借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有防控技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究集成了“生態(tài)護(hù)坡—岸邊人工濕地—人工浮島”綜合防控技術(shù)。

2.1 生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

西河水庫引水渠入庫處兩側(cè)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(cè)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(jié)合的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行邊坡防護(hù)。在滿足岸坡穩(wěn)定和行洪過水要求的基礎(chǔ)上，對(duì)自然坡面按比例放坡，人工鋪設(shè)草皮并加以固定和養(yǎng)護(hù)，草皮返青成活后，形成的生態(tài)防護(hù)系統(tǒng)可以達(dá)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?dāng)嗝嬷饾u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(shù)對(duì)入庫徑流進(jìn)行污染防控。人工濕地系統(tǒng)凈化原理是利用土壤基質(zhì)-微生物-水生植物的物理、化學(xué)和生物的協(xié)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(dá)到處理有機(jī)污染物及N、P植物營養(yǎng)元素的目的［5］。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)條件，布設(shè)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(yīng)性強(qiáng)、根莖繁殖能力強(qiáng)的水竹、水生美人蕉、黃花鳶尾、梭魚草等多種水生植物進(jìn)行人工種植。

2.3 人工浮島凈水技術(shù)

充分利用庫區(qū)天然水面，采用人工浮島凈水技術(shù)進(jìn)行原位水體凈化。人工浮島對(duì)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(shí)發(fā)達(dá)根系表明形成生物膜，膜中微生物通過新陳代謝活動(dòng)，將水中有機(jī)污染物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化為無機(jī)物，并被根系吸收，通過收割植物，實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)去除和水質(zhì)凈化的目的［6］。西河水庫采用的人工浮島技術(shù)通過模仿植物自然生長所需條件，在水面上設(shè)置浮體，篩選凈水能力強(qiáng)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(shè)

根據(jù)研究集成的綜合凈水技術(shù)，結(jié)合庫區(qū)實(shí)際自然條件，設(shè)計(jì)并建設(shè)了生態(tài)護(hù)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(hù)坡工程

結(jié)合項(xiàng)目區(qū)地形條件，生態(tài)護(hù)坡示范工程設(shè)計(jì)成果見圖4。工程建設(shè)內(nèi)容主要包括場地清理，坡度修整，草皮鋪設(shè)與固定和草坪養(yǎng)護(hù)。建設(shè)主要參數(shù):放坡坡度1∶1.5;表土層疏松厚度15～20cm;草種選用臺(tái)灣二號(hào)品種，單塊草坪規(guī)格為30×30cm;鋪設(shè)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(jié)束后，按計(jì)劃開展了后續(xù)灌溉、施肥等日常維護(hù)工作，建成后生態(tài)護(hù)坡示范工程運(yùn)行良好。

圖4 生態(tài)護(hù)坡工程設(shè)計(jì)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(zhì)，人工濕地系統(tǒng)示范工程設(shè)計(jì)成果見圖5。工程建設(shè)內(nèi)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(hù)等。工程主要設(shè)計(jì)參數(shù):濕地系統(tǒng)采用重力自流過水形式，以進(jìn)水端相對(duì)高程為參考標(biāo)準(zhǔn)，沿水流方向地面坡度設(shè)計(jì)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(hù)坡工程建成后，植物生長良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)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(shù)發(fā)展成果，設(shè)計(jì)的人工浮島工程由漂浮載體、固定基質(zhì)、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(nèi)設(shè)種植籃和連接件，為裝置提供浮力;固定基質(zhì)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(zhì)的主體，篩選根系發(fā)達(dá)、根莖繁殖能力強(qiáng)、凈水效果好的水竹、水生美人蕉等水生植物進(jìn)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(yù)制砼塊組成，利用尼龍繩索沿浮島周邊捆扎、預(yù)留出足夠長度的繩索與沉入水底的預(yù)制砼塊連接為一體，達(dá)到位置固定和隨水位漲落自動(dòng)調(diào)整的功能，具體設(shè)計(jì)成果見圖6。建設(shè)的人工浮島工程由自行設(shè)計(jì)的浮床搭接組成，通過預(yù)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(shù):單塊浮床載體尺寸90×90cm，能夠提供的最大浮力1075N;每個(gè)浮島裝置由6塊浮床載體組成，面積29.16m2，工程共建造3個(gè)獨(dú)立浮島裝置，總面積87.48m2;水生植物篩選根莖繁殖能力強(qiáng)、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(shí)際種植密度根據(jù)植株大小，每塊浮床為32～48株。

圖6 人工浮島工程設(shè)計(jì)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(biāo)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，庫區(qū)水質(zhì)不能滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。示范工程于2010年9月份建成后，選擇工程進(jìn)水口和出水口兩個(gè)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(biāo)包括酸堿度、溶解氧、化學(xué)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(jià)鉻和硫化物等12項(xiàng)指標(biāo)，每月進(jìn)行1次監(jiān)測，總計(jì)進(jìn)行了24次水質(zhì)檢測，檢測結(jié)果見表3。

工程出水中各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的平均濃度與國家現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (GB3838-2002)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)相比，可以得出，經(jīng)“生態(tài)護(hù)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(biāo)可以達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求，其中，徑流來水總氮平均超標(biāo)63%，總氮工程平均去除率23.93%，出水總氮平均超標(biāo)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(jié)語

課題組充分利用庫區(qū)自然條件，綜合采用生態(tài)護(hù)坡、人工濕地和人工浮島凈水技術(shù)對(duì)西河水庫入庫徑流進(jìn)行了污染防控實(shí)踐應(yīng)用研究。結(jié)果表明，工程實(shí)施后，除總氮以外，其他指標(biāo)可以達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求，凈水效果明顯。總氮指標(biāo)削減方面，入庫徑流總氮平均超標(biāo)63%，出水總氮平均超標(biāo)24%，總氮工程平均去除率23.93%，由此可見，工程實(shí)施后雖然總氮指標(biāo)未能達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但工程去除效率明顯，總氮不能達(dá)標(biāo)的主要是由于入庫污染負(fù)荷較大、資金有限，工程建設(shè)規(guī)模小造成的，與選用的技術(shù)無關(guān)。綜上所述，“生態(tài)護(hù)坡-岸邊濕地帶-人工浮島”綜合處理技術(shù)能夠有效限制和減少入庫徑流污染物，可以為國內(nèi)類似地表水體污染防控提供技術(shù)參考。

表3 工程進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］彭文啟.入庫河流水質(zhì)改善對(duì)策與實(shí)踐［C］.上海:中國水利學(xué)會(huì)2002學(xué)術(shù)年會(huì)，2002.36-41.

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

［4］劉黎明，邱衛(wèi)民.傳統(tǒng)護(hù)坡與生態(tài)護(hù)坡比較分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，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(qiáng).水生植物在水污染治理中的凈化機(jī)理及其應(yīng)用［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2005，31(1):6-9.