连云港市应急水源地工程（蔷薇湖水库）生态工程关键性技术设计与实践

2018-04-04潘荣生

江苏水利 2018年3期

潘荣生，宋力，刘婷，刘浩

（1.连云港市通榆河北延送水工程管理处，江苏连云港　225000；2.江苏省水利科学研究院材料结构研究所，江苏扬州　225002）

1　项目背景

连云港市历来为水资源贫乏地区，蔷薇河是目前连云港市区主要饮用水水源地。蔷薇河全长97 km，连云港市境内全长约59 km，主要支流有民主河、马河、沭新河、鲁兰河和乌龙河等。连云港市上游来水主要依托江淮水北调，蔷薇河是其主要骨干道，但连云港地理区域处于江淮水北调之末级渠道，整个调水线路长，因受沿途企事业生产用水及居民生活排放废水的影响，导致蔷薇河水质会经常出现波动季节性超标，当有水质污染突发性事件发生时，将会导致严重影响蔷薇河在连云港区域内的供水。在此背景下，江苏省发展改革委员会陆续对连云港市应急水源地工程（蔷薇湖水库）项目建议书、可研报告、初步设计报告进行了批复。工程于2014年6月陆续开工，2016年4月通过合同工程完工验收，2017年6月通过了连云港市发展改革委员会组织的投入使用验收。

连云港市应急水源地工程位于连云港市海州区锦屏镇、东海县张湾乡境内，蔷薇河南岸，东以通榆河为界，西以汾灌高速为界，占地约2.93 km2。该工程的主要建设内容为：在每年6～8月份蔷薇河水质超标期间，新建蔷薇湖水库以满足连云港市至少7天的应急供水量，日水量为70万m3/d。在其它时段发生地方性水质污染事件时，利用该水库的蓄水量，以满足市区至少连续14天供水量要求。湖区供水水质应满足《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准。

图1　工程总体布置图

按功能划分，湖区工程划分为取水工程、净化区工程及蓄水工程2大部分（详见见图1）。取水工程主要包括穿蔷薇河大堤取水涵闸1座、9 m3/s的取水泵站1座；净化及蓄水工程包括4个功能区，分别为：预处理区、复合湿地净化区、沉水植物区、深度净化区。水库有效库容约650万m3。

2　水质净化工艺设计

2.1　工艺设计原则

遵循生态学、生态工程学、环境科学、生物科学、现代水利工程学等基本原理，采用健康生态功能的设计理念，针对蔷薇河水质特点，紧抓影响水质净化效果的制约因子，生态净水工艺的选取原则为：相对成熟、效果可靠、技术先进。生态工程中水生动植物的配置应合理，从而构筑成健康、良性、可持续的生态净化系统，同时应根据地域特点，采取有针对性的预处理生化处理等技术，对原水进行生态净化，改善原水水质[1]。

2.2　工艺流程

采用组合生态湿地为主体的生态处理技术。复合表流湿地技术的核心单元为：预处理单元、组合生态湿地单元（挺水植物及沉水植物）、深度净化单元[2]（详见图2）。

图2　净水处理工艺流程图

组合生态湿地由2段构成：前段为复合表流湿地净化区，后段为沉水植物净化区。复合表流人工湿地是在传统表流湿地的基础上的改进型，主要是通过挺水植物、沉水植物、地形塑造等构建，根据昼夜水位变化较大有利于提高湿地生态系统生长的自然特点，模拟水位的周期性变幅，充分利用挺水植物、沉水植物、地形构成的复合系统吸收、拦截污染物，达到有效控制水体污染物及氮磷营养水平的效果。后段沉水植物区主要是通过生长于不同季节的沉水植物组成，以保持全年常绿的生态作用。工程的蓄水功能区为深度净化区，在此区域深浅水过渡区种植沉水植物，同时投入底栖贝类及各级水生动物，在湖中心设置超级水动力装置，从而形成稳定的水生态系统，来维持水质品质。

3　工程区域布置

3.1　取水工程

取水工程主要包括1座取水涵闸、1座9 m3/s的单向取水泵站及引水明渠。在预处理区与蔷薇河大堤之间布置工程取水泵站，蔷薇河外设置取水涵闸，并在泵站的前池设置自库区引水渠进入深度净化区。蔷薇河水质优于地表水Ⅲ类似时，可以关闭取水泵站，启用自库区引水渠直接向深度净化区供水；蔷薇河水质在劣于地表水Ⅲ类，但在设计水质范围内时，关闭自引涵管，由泵站提升至预处理区；蔷薇河水质劣于设计水质的最大浓度时关闭取水泵站和库区引水渠。

3.2　净化及蓄水工程

3.2.1预处理区

（1）预处理区是本工程设计的前置单元，通过曝气和平流沉淀及生物接触措施，主要去除NH3-N、TP及CODMn，单组水流从预处理区的东端向西运行至最西端后折向东，水流呈倒“S”型，流程约1200 m。预处理单元设置沉淀区、增氧区、人工介质区、出水区等。

（2）预处理区前端设置进水渠，原水从进水渠进入预处理区后经配水挡板1、2配水后进行沉淀；水体经沉淀后进入由16台微泡增氧机组成的增氧区；水体在富氧后经配水挡板3、4进行配水；配水后水体进入由20道组合填料和土工布等组成的人工介质区进行拦截、吸附等净化处理；人工介质处理后经配水挡板5、6经出水区进入总收集渠。

（3）预处理区四周水面下1.2 m种植了耐寒的苦草、狐尾藻、伊乐藻及菹草等水生植物，有效吸附泥沙，增强净化功能，同时在出水区种植了菱角、睡莲，景观效果好。

3.2.2复合表流湿地净化区

（1）复合表流湿地净化区是组合生态湿地的前段部分，是工程的重要处理单元，由浅滩深沟的微地形塑造和挺水植物与沉水植物复合构建，主要通过大面积的浅滩区去除CODMn、植物的拦截与吸收去除TP、植物的吸收去除NH3-N。

（2）复合表流湿地净化区分A、B 2组运行，A组内部分为9个处理单元、B组内部分为6个处理单元，每个单元的最大处理水量0.65 m3/s。其中根据地形条件，A组内的ⅡA-1区、ⅡA-5区～ⅡA-7区采用“S”型布置，其余5个单元采用顺水流“一”型布置；B组内各单元全部采用“S”型布置。处理单元内部设置2次、3次配水河和通风河。在1条通风河上设置1座带控制设施的放空管。在收集渠A上设置8处Φ800的超越管。

（3）复合表流湿地净化区滩面种植了黄菖蒲、再力花、香蒲、芦苇等挺水植物，配水河及通风河内种植金鱼藻、刺苦草、轮叶黑藻、穗状狐尾藻、伊乐藻、菹草等沉水植物。

3.2.3沉水植物处理区

（1）沉水植物处理区[3]是生态湿地系统的重要保障单元，本工程共设置有3组沉水植物区，分别在铁路西侧东南角的沉水植物A区、铁路东侧中部的沉水植物B区及东南端的沉水植物C区。主要通过植物的吸收去除NH3-N。

（2）沉水植物区分A、B、C 3区运行，其中A区内部设置1条导流堤，B、C区通过渠道相连通。

（3）水生动植物配置

该区主要种植了金鱼藻、刺苦草、轮叶黑藻、穗状狐尾藻、伊乐藻、菹草等净化效果好的沉水植物，快速构建稳定的生态系统，发挥生态系统净化功能。种植于库底及水下斜坡，并考虑不同季节品种的套种。同时为快速构建稳定的生态系统，除种植水生植物外还需投放一定的水生动物，初步选用乌鳢、鳜鱼、鲶鱼、鲢鱼、鳙鱼、蚌、螺等，其中鱼类投放约4500尾（规格＞50 g/尾），蚌和螺投放300 kg的成体。

3.2.4深度净化区

（1）深度净化区是末端单元，通过前段复合湿地净化及沉水植物区CODMn组成结构的改变，该区主要是通过构建稳定、健康的生态系统，利用生态系统的自净功能稳定并进一步降低原水的营养盐水平，抑制藻类的生长及爆发，保持水质在Ⅲ类水标准，保障饮用水源地供水安全[4]。

（2）沿库周设置种植平台种植水生植物构建生态系统；在库内投放水生动物；利用复合表流湿地净化A组内的超越管、蔷薇河取水涵闸的自引涵管、库内侧北端的排空渠、库内南端的排空预制砼管、太阳能曝气机等设施进行水动力联合联动；在2.0 m高程处，沿库周一圈设置18 m宽的沉水植物种植平台，在平台末端设置0.5 m高，顶宽1 m的土坎，土坎上种植挺水植物。

（3）水生动植物配置

该区动植物配置品种与沉水植物区品种相同，水生植物种植金鱼藻、刺苦草、轮叶黑藻、穗状狐尾藻、伊乐藻、菹草等净化效果好的沉水植物，快速构建稳定的生态系统，发挥生态系统净化功能。同时除种植水生植物外还需投放一定的水生动物，初步选用乌鳢、鳜鱼、鲶鱼、鲢鱼、鳙鱼、蚌、螺等，其中鱼类投放约26250尾（规格＞50 g/尾），蚌和螺投放1750 kg的成体。

（4）太阳能曝气系统设计

蔷薇湖一经建成，在较长一段时间内其生态系统将处于有待健全的亚健康阶段，水体抗干扰能力较低，易产生水体温度分层、水底缺氧等情况。太阳能循环复氧技术以太阳能为动力、以高效的水循环为机理对水体进行充分深层搅动、增氧及生物化学降解，从而实现对综合水体品质的提高，对蓝绿藻类水华进行近效控制。同时，利用低强度连续增氧有利于氨氮去除的机理，进一步降低湖区中氨氮的含量（详见图3）。

图3　太阳能水生态修复机理

太阳能循环复氧设备外40 m为水体去层化的有效影响半径，设备外50～100 m为过渡区。为增加深度净化区水体动力，增强水体的富营养化防治能力，在深度净化北部和中部各设置6台，共计12台太阳能曝气机（详见图4）。太阳能曝机带有储能功能，单台曝气机太阳能板有效功率＞240 W，有效流量＞30 m3/min。

图4　复氧机理

3.2.5库区建筑物工程

为保证工程系统的正常运行，满足应急水源地库区引水、供水的功能要求，库区布置了防护及功能分隔堤、各类排灌水渠道体系、全场控制闸群、溢流堰等建筑物。

4　工程运行效果

蔷薇湖水库自2016年7月试运行以来，根据多次水质监测结果，湖区水质监测指标全部达到地表水Ⅲ类水质标准以上，NH3-N和TP等指标更是能达到Ⅱ类甚至Ⅰ类水质标准，湖区水质基本达到集中式生活饮用水地表水源地二级保护区要求，能够满足连云港市正常原水供应。

通过湖区生态系统维护管理，保障以挺水植物、沉水植物、浮叶植物为主的湿地生态系统快速达到健康稳定状态。数10种水生植物、湿生植物及陆域植物，呈现了随地形特征改变的植物生态系统的多样性结构，营造出了一片景色秀美、空气清新的湿地生态景观[5]。同时，大面积的湿地水面吸引了数量众多的鸟类、爬行类、两栖类及鱼类等动物的栖息和繁衍，大大提高当地的物种多样性，生态效益显著。