人工湖水质检测与改善方案研究

2012-11-15周筝

中国测试 2012年5期

周筝

（成都工业学院，四川成都 611730）

0 引言

随着人们对生活品质的要求不断提高，亲近自然景观、亲近水景的愿望越来越强烈。城市中心花园、生活社区、公园绿地、大学校园等很多地方，都能看到景观水体，小型的如喷泉，大型的多以人工湖的形式出现。然而，人工湖一旦建成，如运行处理不当会造成水质浑浊、水草滋生、蚊蝇滋长等现象，使美景变成污水池；因此，有必要研究具体方法，改善人工湖水质，更好地美化环境。

1 人工湖水质检测

1.1 检测项目和方法

根据人工湖实际情况，主要测定水体综合指标、总磷和氨氮，具体检测项目为pH值、溶解氧DO、化学需氧量COD、生化需氧量BOD5、高锰酸盐指数、总磷和氨氮。人工湖水质应符合GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水域标准。

测定方法参照《水和废水监测分析方法》[1]及国家标准方法，结合实验条件，pH采用pH计测定，DO和BOD5采用碘量法测定，高锰酸盐指数采用酸性高锰酸钾法测定，总磷采用钼锑抗分光光度法测定，氨氮采用钠氏试剂分光光度法测定。

1.2 检测点位

检测点位见图1。A点位为人工湖拟引水入口处，外围为摸底河，目前由于诸多原因未连接开通，按照采样检测要求以进入湖口处设立采样点。B点位是根据人工湖形状，在湖的Y字型一端设亲水平台，有一桥梁可以便于采样检测，由于湖面较窄，为检测重点点位。C点位位于人工湖湖面最宽处，为湖中心地段，湖中心有一座桥横跨湖面，以此为采样点位进行采样。D点位位于人工湖湖水拟出口处，湖面较窄，需设立检测点位进行水质检测。

图1 人工湖检测点位图

1.3 检测结果

成都郫县某高校人工湖经过为期一年的水质检测，得出人工湖现状如下：

（1）人工湖水体为封闭水体，没有流动水源，目前补水采用地下水补偿，沿岸没有排污口。

（2）对人工湖水体 pH 值、DO、BOD5、高锰酸盐指数、总磷和氨氮等各项指标进行检测，其中，水体pH值、DO、BOD5、高锰酸盐指数项目数据稳定，不受降雨和其他因素影响，均未超过国家标准；总磷和氨氮部分时间和检测点位超标。时间主要集中在降雨之后和未及时补水时段，雨前雨后指标波动较大。监测及主要控制点位主要集中在D和B点，D点为湖面狭小区域，B点为亲水平台区，现场观测已发现有藻类浮于湖面，大量投放的鱼料形成湖面垃圾造成湖体富营养化，产生油膜和臭味。人工湖水质主要控制项目为总磷，氨氮也需进一步观测。

（3）水质受补水和雨水影响较大，若没有及时补水水位明显下降，水质较差。雨水适量可以一定程度上缓解水质污染问题，但是雨量过大反而使水质更加混浊，因此需要进一步处理雨水问题，避免雨水直接灌入湖内。

2 水量平衡分析

2.1 耗水量

人工湖景观水系的耗水量主要包括水面蒸发损失水量和湖壁湖底的渗漏量[2]。

2.1.1 水面蒸发损失水量

按蒸发深度乘以水面面积来估算蒸发损失水量。年平均蒸发量比较稳定，5月至9月蒸发量较大，5月至9月平均月蒸发量为170mm，水面面积为23 000 m2，按此估算，则水面蒸发损失水量为23 000×0.17=3910m3/月≈130m3/d。

2.1.2 渗漏量

景观水体的防渗与水利工程上输水渠道的防渗有较大的区别。景观水体不以输水为目的，主要关注的是一个水位相对稳定、水质良好的景观水域，水系的流速也较小，另外景观水体防渗作法也要和景观水生植物布置等相协调。如需进行防渗，对于人工湖，湖底可考虑土料防渗、薄膜防渗等，驳岸可考虑采用浆砌卵石防渗，或在防渗层上面覆土种植植物；垂直的湖岸结合湖岸结构可考虑采用浆砌块石或混凝土重力式挡土墙防渗[3]。防渗尽量采用生态效果好的土料防渗层，并结合景观设计，在岸边水生植物区，做好植物生长壤土层和防渗层的合理组合。

2.2 防渗后的渗漏量计算

郫县地下水属岷江流域卵石型孔隙潜水，局部深度范围内为承压水。地下水由大气降水和地表水补给，地下水位受季节变化的影响，平均为枯水季节3.0m，丰水季节2.0m。人工湖水深最深约2.5m，浅处为0.2 m，渗漏方式主要为自由渗漏，把其当成一个很大的渠道计算其自由渗漏量。人工湖平均水面宽约为70 m左右，假定其断面为梯形断面，平均湖底宽取60m，平均水深取1.5m，边坡系数取3.3。

根据SL81-2004《渠道防渗技术规范》，对于土质防渗层（土料夯实层或挂淤层）的渠道，渗漏损失可按式（1）计算：

式中：S防——防渗后每千米渠道的渗漏量，m3/s；

K1——防渗层的渗透系数，m/d；

δ1——渠坡防渗层厚度，m；

δ2——渠底防渗层厚度，m；

b——渠底宽度，m；

h——渠道平均水深，m；

Hk——毛细管水最大上升高度，m，本例取0.5m；

m——边坡系数。

采用同一防渗措施在不同防渗层厚度下的渗漏量理论计算结果见表1。

表1 不同防渗层厚度下的渗漏量理论计算

从表1中可以看出，提高土料防渗层的厚度，可以显著降低渗漏量。经过防渗处理后，可以大大降低景观水体的渗漏量。景观水体在投入使用后，在渠底和渠壁逐渐会有黏泥淤积，淤积的沉积物也会增大渗漏阻力，降低渗漏量。

2.3 防渗后水量平衡分析

防渗后水量平衡分析见表2。

表2 水量平衡分析表

从表2可以看出，在未考虑雨水回用于景观水，水系做好防渗的情况，需要的上游来水量约为3 500 m3/d。水系的设计应尽量减少死水区，以使水体都能得到较为充分的更新交换。

3 人工湖水质改善总体方案

3.1 抽取地下水进行引水换水

郫县地下水水质为HCO3-+SO42-－Ca2+，对混凝土无侵蚀性。硬度检测得出总硬度在600mg/L左右，为Ⅴ类地下水体，丰水季节地下水位为0.80～2.50m。不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用[4]（参见地下水水质标准GB/T 14848-1993）。中国农业科学院乔冬梅等研究表明[5]，在地下水水位低于3m地区进行微咸水灌溉，在小于1 m的土层内不会形成严重的积盐现象。也就是说，郫县地下水水位不到3m，且地下水水质较好，长期采用抽取地下水的方式灌湖，不会对土壤造成盐碱化的后果；因此，可以采用抽取地下水的方式进行引水换水。

由于人工湖水源不能引进摸底河河水补充，枯水季节主要采用地下水源补充，丰水季节采用地下水源补充和雨水收集回流补充。根据人工湖水体蒸发量和渗透量，已得出对水体采用0.5m厚粘土层防渗处理后，为保持水面不下降需要的最小来水量约为3500m3/d。

3.2 雨水收集回用

根据参考文献[6]，雨水有其自身的优点更适合回用于杂用水。首先，雨水处理工艺简单；其次，雨水利用的费用较低。前期进行管道和处理设施建设后基本不需要追加其他设备。

人工湖水体经过现场观测和水质检测得出，雨水灌入水体是影响水质的主要因素；因此，要对其进行相应处理以防雨水污染，首先应该对雨水进行收集回用。校园人工湖位于校园中间位置，西北面主要为家属住宅区，可以集中规划大规模的雨水收集系统，将家属住宅区内的屋面、绿地和路面的雨水径流收集利用。

3.2.1 雨水收集

初期雨水是下雨前半小时雨水，水质较差，在雨水收集利用中通常都采取初期雨水弃流的方法，将弃流雨水经过雨水沉淀池后进入污水管道直接输送至污水处理厂进行处理。

雨水的收集主要有屋面雨水收集、绿地雨水收集、路面雨水收集这3种类型[7]。图2是一种典型屋面雨水收集方式，屋面雨水经雨水斗、雨水立管、独立设置的雨水管道经过滤器过滤后流入蓄水池[8]。绿地雨水收集主要采用下凹式绿地的形式，如图3所示，使绿地高程低于路面高程，降水后雨水径流进入绿地。下凹式绿地渗透贮存设施可以起到调蓄作用，弥补降水和渗透的不均衡[9]。道路雨水处理主要是将初期雨水排入污水处理站后，中期和后期的雨水进入下凹式绿地。

图2 典型雨水收集方式

图3 绿地雨水处置方式

校园人工湖周边雨水以屋面雨水和绿地雨水收集为主，道路雨水经初期弃流后可进入下凹式绿地，对超过绿地储存容量和下渗量而形成的地表降雨径流则利用边沟或明渠向人工湖周边汇集，经过进一步处理后入湖。

3.2.2 雨水量预测

人工湖人工湿地面积设计采用处理补充水为参照的设计方法[10]，主要为收集回用的雨水，可收集雨水量为：

式中：φ——径流系数（取0.9）；

H——年平均降雨量（取960mm）；

A——雨水收集径流面积（共186400m2）。

以人工湖西北面教师公寓区面积为主要集雨区，约171400cm2，沿湖周边5m宽的路面也为集雨区，约为 15000cm2）；得出 Q=440m3/d。（不考虑弃流设施）

3.3 人工湿地处理回用雨水

雨水经过收集后，通过人工湿地处理，作为补充水汇入湖中。人工湿地技术作为利用“水景绿地”处理景观水体的生态综合工艺，具有很大优势，并且由于处理的不是废水，处理工艺还要相对简单些，可采用潜流式人工湿地。人工湖人工湿地面积设计采用处理补充水为参照的设计方法，以处理回用雨水为主，处理量主要指收集回用的雨水量。