入库径流污染综合防控技术应用实践——以彭州市西河水库为例

颜廷熠，王君勤

(四川省水利科学研究院，成都 610072)

西河水库位于彭州市隆丰镇境内，除少量天然来水外，水库来水主要是通过约8km长的引水渠从湔江引水，水库功能以城镇供水和灌溉为主，是彭州市城区集中供水水源地之一，水库水源清洁对保障城区居民饮水安全具有重要意义。但近年来，西河水库水体连续出现总氮超标，水质不能满足《地表水环境质量标准》［1］Ⅲ类标准，其上游湔江流域总氮浓度也居高不下，成为影响当地供水安全的重要隐患。

西河水库引水渠在引入水量的同时也带来了沿途污染物，为有效地限制和减少污染物进入库区，有必要对入库径流污染物进行防控处理。目前国内外对入库径流开展污染防控的技术主要包括:渗流沟技术、前置库工程技术、氧化塘技术、土地处理技术、高效率生物滤池、砾石间接触氧化、生态护坡、人工浮床净水技术等［2，3］。本文在对西河水库污染现状及污染来源特征进行调查的基础上，结合库区周边自然地理实际条件，集成了“生态护坡—岸边人工湿地—人工浮岛”综合防控技术，并设计建设了相应的示范工程，对西河水库入库径流污染防控开展了实践应用研究。

1 西河水库污染现状与污染来源调查

根据四川省环境监测总站每月公布的《四川省主要城市集中式饮用水源地水质月报》资料，自2003年起，西河水库几乎每月均有总氮超标现象，为了查明西河水库总氮超标原因，在当地环保部门的协助下对西河水库及其上游湔江的污染来源开展了总氮专项监测调查。

1.1 总氮专项监测调查

本次水质专项监测项目为总氮、氨氮和硝态氮3项指标;监测断面为湔江源头银厂沟大龙潭至西河水库库尾等12个监测断面，各监测断面位置分布情况见表1和图1。水质监测调查评价标准采用《地表水环境质量标准》，其中1#断面执行I类水域标准，其他断面执行Ⅲ类水域标准。

图1 西河水库和上游湔江总氮专项监测断面位置分布图Fig.1 The schematic diagram of total nitrogen special monitoring section points of Xihe reservoir and Jianjiang river

1.2 监测结果分析

本次水质专项监测结果见表2和图2。

表2 西河水库和湔江总氮专项监测结果表Tab.2 The special monitoring results of Xihe reservoir and Jianjiang river (mg/L)

图2 西河水库和湔江总氮专项监测结果图Fig.2 The schematic diagram of special monitoring results of Xihe reservoir and Jianjiang river

监测结果表明:总氮项目在湔江源头银厂沟大龙潭断面即不能达到划定的I类标准，甚至超过Ⅱ类标准，以下至湔江通济镇出境断面 (6#断面)开始超过Ⅲ类标准。西河水库引水渠断面 (11#断面)超标最多，超标95%;从沿程变化趋势来看，本次监测的3个指标都是沿程增高;总氮的主要成分是硝态氮，各断面硝态氮占总氮的比例在55.4%～95.2%之间，平均 80.5%。所有总氮超标的监测断面，其硝态氮的数值已接近或超过总氮Ⅲ类标准值1.00mg/L;白水河总氮浓度与湔江大致相等，对湔江水质的影响不大，白鹿河总氮浓度低于湔江，对湔江总氮还有稀释作用。

1.3 西河水库总氮超标原因分析

(1)湔江流域地质构造污染

湔江流域源于岷山山脉的茶坪山银厂沟，跨“东部四川中台拗”和“西部龙门山褶断带”两大地质构造单元，地质构造复杂，发育有银厂沟、白水河一带的“彭灌杂岩”和罕见的巨型灰岩冰川漂砾地质奇观，出产铜、金、磁铁矿、铜镍矿、蛇纹岩、石棉、滑石、石墨、钾长石、硅石等矿物。尤其是“5·12”汶川地震造成银厂沟上游生态破坏严重，大量山体滑崩、地表裸露，进一步加剧了地质构造污染。本次专项监测结果表明，在没有污染源汇入的情况下，湔江源头银厂沟大龙潭断面达不到划定的I类标准，总氮超标2.1倍，硝态氮是构成总氮的主要成分，这明地质构造原因是西河水库总氮超标的重要污染来源。

(2)沿线农业面源污染

从水库上游湔江源头至引水渠入库口分布有龙门山镇、小鱼洞镇、通济镇、白鹿镇、新兴镇、丹景山镇和隆丰镇等7个乡镇，沿线农业生产主要以传统耕作方式为主，农药和化肥使用量大、利用率低，这些化学物质的累积和流失不仅污染了农田土壤，而且随灌溉或降雨径流进入湔江和西河水库。本次监测结果显示3个监测指标都是沿程增高，表明沿线农业面源污染为西河水库总氮超标的重要污染源之一。

(3)居民生活排水污染

“5·12”汶川地震灾后重建启动后，湔江沿岸统规统建的居民小区相继建成，农村居民居住模式由传统分散居住转变为集中居住，部分居民生活污水未经处理直接排放，汇入湔江，居民生活污染也成为西河水库重要的污染来源。

2 入库径流污染综合防控技术

调查结果表明，西河水库污染来源主要是农业面源污染、湔江上游地质构造及生活排水污染3者叠加构成的，并随入库径流汇入西河水库，从而引发了库区水体污染问题。为有效防控治理入库径流污染，根据库区周边自然地理条件，在借鉴国内外现有防控技术和实践经验的基础上，研究集成了“生态护坡—岸边人工湿地—人工浮岛”综合防控技术。

2.1 生态护坡技术

西河水库引水渠入库处两侧边坡为高陡土坡、植被稀疏杂乱，降雨径流入渗和入库径流冲刷极易引发水土流失，地表径流污染物也随之汇入库区水体，从而造成污染。为有效解决入库处两侧边坡地表径流污染、消除滑坡、垮塌等安全隐患，决定采用植物和工程措施相结合的生态护坡技术进行边坡防护。在满足岸坡稳定和行洪过水要求的基础上，对自然坡面按比例放坡，人工铺设草皮并加以固定和养护，草皮返青成活后，形成的生态防护系统可以达到固土保水、防止水土流失污染、美化库区环境的目的［4］。

2.2 人工湿地系统

西河水库引水渠入库后过水断面逐渐增大，水流流速变缓，伴随库区水位的消涨，自然形成了介于陆地和水体之间的扇形淤积带，可以在淤积带上采用人工湿地技术对入库径流进行污染防控。人工湿地系统净化原理是利用土壤基质-微生物-水生植物的物理、化学和生物的协同作用，通过吸附、沉淀、植物吸收和微生物分解等综合作用，达到处理有机污染物及N、P植物营养元素的目的［5］。根据项目区条件，布设的湿地系统主要由浅水区水生植物带和深水区水生植物带组成，选择净水效果好、适应性强、根茎繁殖能力强的水竹、水生美人蕉、黄花鸢尾、梭鱼草等多种水生植物进行人工种植。

2.3 人工浮岛净水技术

充分利用库区天然水面，采用人工浮岛净水技术进行原位水体净化。人工浮岛对水体的净化原理主要是通过表面积很大的水生植物根系吸附水体中大量的植物营养元素，同时发达根系表明形成生物膜，膜中微生物通过新陈代谢活动，将水中有机污染物质降解转化为无机物，并被根系吸收，通过收割植物，实现营养物质去除和水质净化的目的［6］。西河水库采用的人工浮岛技术通过模仿植物自然生长所需条件，在水面上设置浮体，筛选净水能力强的水生植物种植于浮体上，利用植物的根部吸附和吸收作用，去除水体中的氮、磷等污染成分。

3 示范工程建设

根据研究集成的综合净水技术，结合库区实际自然条件，设计并建设了生态护坡示范工程、人工湿地系统示范工程和人工浮岛示范工程。示范工程平面布置情况见图3。

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

3.1 生态护坡工程

结合项目区地形条件，生态护坡示范工程设计成果见图4。工程建设内容主要包括场地清理，坡度修整，草皮铺设与固定和草坪养护。建设主要参数:放坡坡度1∶1.5;表土层疏松厚度15～20cm;草种选用台湾二号品种，单块草坪规格为30×30cm;铺设草坪1750m2，其中打锁钉草坪栽植面积950m2、无锁钉草坪栽植面积800m2。工程结束后，按计划开展了后续灌溉、施肥等日常维护工作，建成后生态护坡示范工程运行良好。

图4 生态护坡工程设计示意图Fig.4 Schematic diagram of ecological slope protection project

3.2 人工湿地工程

以水流入库处自然淤积带为基质，人工湿地系统示范工程设计成果见图5。工程建设内容主要包括淤积带垃圾清理、表面清淤、地形整理和水生植物栽植与养护等。工程主要设计参数:湿地系统采用重力自流过水形式，以进水端相对高程为参考标准，沿水流方向地面坡度设计为1∶1000;湿地系统由浅水区水生植物带和深水区水生植物带组成，总面积约2400m2，其中浅水区水生植物带宽度为6～15m，面积约1480m2，深水区水生植物带宽度为3～7m，面积约925m2;浅水区水生植物选用千屈菜、水生美人蕉、水葱和水竹，植物平均行株距为15×15cm，平均栽种密度为45株/m2，深水区水生植物选用芦苇、黄花鸢尾、梭鱼草和再力花，植物平均行株距为20×20cm，平均栽种密度为25株/m2。生态护坡工程建成后，植物生长良好，达到了设计目的。

图5 人工湿地系统示意图Fig.5 Schematic diagram of artificial wetland system

3.3 人工浮岛工程

借鉴近年来人工浮岛净水技术发展成果，设计的人工浮岛工程由漂浮载体、固定基质、水生植物和水下固定系统组成。其中浮岛载体由高分子材料制作，内设种植篮和连接件，为装置提供浮力;固定基质采用传统的种植棉材料，用于固定水生植物，为植物根系提供发育空间;水生植物是浮岛装置净化水质的主体，筛选根系发达、根茎繁殖能力强、净水效果好的水竹、水生美人蕉等水生植物进行人工无土栽种;水下固定系统由高耐腐烂性的尼龙绳索和预制砼块组成，利用尼龙绳索沿浮岛周边捆扎、预留出足够长度的绳索与沉入水底的预制砼块连接为一体，达到位置固定和随水位涨落自动调整的功能，具体设计成果见图6。建设的人工浮岛工程由自行设计的浮床搭接组成，通过预制砼块固定空间位置，浮床表面栽种各类水生植物。工程主要参数:单块浮床载体尺寸90×90cm，能够提供的最大浮力1075N;每个浮岛装置由6块浮床载体组成，面积29.16m2，工程共建造3个独立浮岛装置，总面积87.48m2;水生植物筛选根茎繁殖能力强、净水效果好的水生美人蕉、黄花鸢尾、再力花等挺水水生植物品种，实际种植密度根据植株大小，每块浮床为32～48株。

图6 人工浮岛工程设计示意图Fig.6 Schematic diagram of artificial floating island

4 防控效果分析

西河水库作为彭州市重要的城镇集中供水水源地，在治理前总氮超标现象时有发生，库区水质不能满足《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准。示范工程于2010年9月份建成后，选择工程进水口和出水口两个断面 (见图3，示范工程平面布置示意图)开展工程防控效果监测工作，监测指标包括酸碱度、溶解氧、化学需氧量、总磷、氟化物、挥发酚、粪大肠菌群、氨氮、总氮、硝酸盐氮、六价铬和硫化物等12项指标，每月进行1次监测，总计进行了24次水质检测，检测结果见表3。

工程出水中各项水质指标的平均浓度与国家现行地表水环境质量标准 (GB3838-2002)Ⅲ标准相比，可以得出，经“生态护坡-岸边湿地-人工浮岛系统”工程处理过的径流来水，除总氮以外，其他指标可以达到地表水Ⅲ类标准要求，其中，径流来水总氮平均超标63%，总氮工程平均去除率23.93%，出水总氮平均超标24%，说明示范工程在径流污染防控方面发挥了积极作用。

5 结语

课题组充分利用库区自然条件，综合采用生态护坡、人工湿地和人工浮岛净水技术对西河水库入库径流进行了污染防控实践应用研究。结果表明，工程实施后，除总氮以外，其他指标可以达到地表水Ⅲ类标准要求，净水效果明显。总氮指标削减方面，入库径流总氮平均超标63%，出水总氮平均超标24%，总氮工程平均去除率23.93%，由此可见，工程实施后虽然总氮指标未能达到地表水Ⅲ类水质标准，但工程去除效率明显，总氮不能达标的主要是由于入库污染负荷较大、资金有限，工程建设规模小造成的，与选用的技术无关。综上所述，“生态护坡-岸边湿地带-人工浮岛”综合处理技术能够有效限制和减少入库径流污染物，可以为国内类似地表水体污染防控提供技术参考。

表3 工程进、出水水质指标检测结果Tab.3 Monitoring results of inflow and outflow water quality of the demonstration project (mg/L)

［1］GB3838-2002，地表水环境质量标准［S］.

［2］彭文启.入库河流水质改善对策与实践［C］.上海:中国水利学会2002学术年会，2002.36-41.

［3］李 彬，吕锡武.河口前置库技术［J］.三峡大学学报，2007，29(6):528-532.

［4］刘黎明，邱卫民.传统护坡与生态护坡比较分析［J］.三峡大学学报，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 强.水生植物在水污染治理中的净化机理及其应用［J］.工业安全与环保，2005，31(1):6-9.