饮用水水源保护区上游支流污染评估与控制方案研究

李可心，宛立，张翠雅，衣隆强，韩蕊,2，荣馨宇，吴英海

（1.大连海洋大学，辽宁大连116023；2.设施渔业教育部重点实验室，辽宁大连116023）

引言

近年来，我国经济迅速发展给水体带来的影响越来越大，城市饮用水水源的保护迫在眉睫[1]。近年来，随着立法等有效措施的实施，点源污染已经得到一定程度控制，而面源污染时空范围大，具有不确定性，其成分和产生过程也复杂，由农业生产生活引起的非点源污染在相当长的时间内将成为制约水环境改善的重要因素[2]，其控制和治理一直是国内外学者关注的重点内容之一。根据面源污染的形成特点和发生过程，其控制和治理包括源控制、径流污染物传输控制过程和汇系统治理，在这三个控制层面上选择和应用相应的技术是目前非点源污染治理的主要途径。随着水源保护工作的持续深入，水源污染防治技术逐渐成为水源地保护研究的重点问题。

目前，针对饮用水水源地生态修复工程的研究和应用多着眼于单一的生态修复技术，应从整体上进行系统规划和生态修复[3]。本文介绍了辽宁省大连市碧流河饮用水水源地上游5条支流的概况，对水源地上游支流水质进行评价和污染源解析，选择其中一条代表性支流对其非点源污染源进行估算，并提出“四层生态控制”工程方案。本研究可为饮用水水源地保护技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

碧流河饮用水水源保护区是大连市最大的水源地，是大连人民的生命之源，位于普兰店、盖州交界处，距大连中心城区约170 km（图1）。1974年经国务院批准，于1975年动工兴建，1983年落闸蓄水，1986年10月竣工，通过国家验收交付使用。碧流河水库位于大连市最大河流的碧流河干流上，坝址距河口55 km。碧流河水库上游有数条径流流入库区，其中位于普兰店域内5条入库支流的位置和流经村落概况如图1和表1所示。

图1 碧流河水库及上游支流位置图

表1 碧流河水库上游位于普兰店境内的5条支流的位置和流经村落概况

1.2 水质分析与评价方法

1.3 农业面源污染排放量

先进行实物排放量计算，分别采用公式（1）和（2）计算种植业污染物排放量[7,8]和畜禽养殖污染物排放量；再采用式（3）计算农业面源污染等标排放量[9]。

式中，Pi为种植业的污染物i的排放量（kg）；Aj为第j种土地利用类型的面积（hm2）；L为污染物i在第j种土地利用类型中的流失系数（kg/hm-2）。

式中，Mi为畜禽养殖污染物i排放量（t/a）；Nu为畜禽养殖类型u的养殖量（头或羽），由各乡镇实地调查得到；Pu为畜禽养殖类型u的粪污排泄系数（kg/头）；Giu为畜禽养殖类型u粪污中污染物i的含量；Tu为畜禽养殖类型j的粪污处理利用率（%），由抽样调查得到。

式中，SPi为污染物i的等标排放量（m3/a）；RQi为污染物i的实物排放量（t/a）；C0i为污染物i基于水环境功能分区的水质控制类别标准值（mg/L）。

2 结果分析与讨论

2.1 支流水质评价与污染源解析

对上述5条支流进行采样和水质分析，水质结果如表2所示。

表2 碧流河水库上游普兰店境内5条支流水质监测结果（mg/L）

2019年水环境质量公报显示，碧流河水库水环境质量持续良好，水质以优为主，Ⅰ类至Ⅲ类水质占比81.0%，同比上升9.6%，无Ⅴ类和劣Ⅴ类水质。相关文献也表明[10,11]，近年来水库水体的总氮、氨氮、硝酸盐氮和硫酸盐等水质指标都有提高趋势，但仍存在总氮、溶解氧偶有超标，虽然总体上不构成水体富营养化的条件，但存在着水体富营养化的隐患。由表2可知，碧流河水库上游5条支流均受到不同程度的污染，支流1和支流5的BOD5、氨氮、TN、TP含量严重超标，均未达到地表水Ⅲ类[6]，支流2、3、4受污染程度较支流1、2轻，但仍存在TN、TP含量超标且未达到地表水Ⅲ类要求。可见，支流污染是导致碧流河整体水质有下降趋势的重要原因。结合现场调查和文献报道[11]，支流水质受到污染的原因主要有：（1）水库区域内有大量居民，大量农村生活污水排入水源保护区，乡镇人口集中区将大量生活垃圾直接推到河道，日常垃圾随意丢弃；（2）流域内以农业经济为主，大量养殖家禽及牲畜，大量粪便未经处理随意排放，造成大量富营养物质排入水源地；（3）近年来水库水位降低，村民开垦荒地或挖沙取土，造成水力侵蚀性的水土流失，氮、磷、钾、农药以及其他有害物质随泥沙流入支流并汇入水库，造成河道淤积和水质污染；（4）碧流河水库区域工业污染、医疗污染以及饮食行业造成的污染十分严重，且大多无环保措施。

2.2 代表性支流污染物负荷估算

结合表1近几年的水环境质量检测表可知，支流1的CODCr、BOD5和NH4+-N等指标在5条支流中污染程度较其他几条支流更为严重，故选择支流1进行污染源排放量估算和生态恢复建设工程具有代表性。其他支流参考同样方法进行。分别计算污染物实物（表3）和等标排放量（表4）后，得到碧流河流域支流1农业面源BOD5、CODCr、TP和TN的实物排放量分别为1033.0 t/a、1169.9 t/a、80.5 t/a和252.1t/a。

表3 支流1污染物实物排放量(t/a)

表4 支流1污染物等标排放量（m3/a）

2.3 污染控制修复方案

根据前述分析，支流1具有代表性。本研究以支流1为例提出污染控制修复方案，其他支流参考同样方法进行修复。支流1设置“四层生态控制”工程方案，包括（1）截污工程及人工湿地污水处理工程、（2）流域农业面源污染湿地治理工程、（3）支流湿地生态修复和建设工程、（4）湿地生态、水质监测与河道管理工程，工程方案布置位置及工程内容分别见图2和表5。

表5 支流1水污染“四层生态控制”工程方案内容

图2 支流1水污染“四层生态控制”工程方案的位置

（1）截污工程及人工湿地污水处理工程。对农村污水中的黑水采用非水冲粪尿分集式卫生厕所进行控制，灰水采用小型人工湿地技术，以碎石、砂砾等为生物附着填料，水力负荷为10～30cm/d，利用村落空地作为小型生态处理工程场地，灰水净化后可用于农田或道路洒水。人工湿地：①填料选择：由碧流河水质可知，应加强对氮、磷的去除，且该河流地处冬季寒冷地区，选择潜流湿地最为合适，用沸石、蛭石、工业副产品等作为填料，总厚度控制在0.6m左右。②植物选择：拟选用香蒲、芦苇等根系发达、繁殖力强、具有较强输氧能力和除氮、磷能力的植物，同时也种植灯心草等耐寒植物。③预处理：为去除SS和一些容易导致填料堵塞的不利于后续湿地处理的物质，选择格栅、沉砂池作为预处理设施。④人工湿地配水系统采用阶梯式进水，可避免湿地床堵塞和提高SS和有机物的去除，利于后续的植物生长及脱氮过程。⑤防渗处理：防止人工湿地给地下水造成污染，应用黏土等基底料进行夯实。

（2）流域农业面源污染湿地治理工程；建立生态沟渠并设置植被缓冲带区，在整条支流上分四段分别剪力生态沟渠，总长约2103m，在农田排水渠种植美人蕉等植物利用其根系拦截吸附氮磷等污染物。植被缓冲带区利用原有岸边林带构建以红竹、板果和枫杨等为主林层的乔、灌、草复层河岸植被缓冲区。同时农业技术部门要在种植技术上进行专业指导，使小流域农业土地得到合理的使用。发展有机农业，降低农药使用量，促使农业面源的污染程度降至最低。

（3）支流湿地生态修复和建设工程。①前置库工程（含生态堤坝+生态浮岛）：工程面积约为23050m2，其中，固定化区域长1230m，复合水生植物床长203m，宽171m，前后留150m的沉降隔离区域，在浮床上种植美人蕉、芦苇、荻、多花黑麦草、稗草等植物，生态浮床或生态浮岛利用植物和根区微生物共生，产生协同效应去除水体中的氮磷及悬浮颗粒。②生态护坡：采用植被型生态技术，工程长约为1.5km，在护坡内填充营养土，并在护坡表面栽种黑麦草、两耳草及高羊茅草等植物。该方式有利于维护岸坡稳定性，为水中生物提供了栖息地和活动的场所，减少养护费用。③复合人工湿地：选择垂直潜流人工湿地(VSFCW)、水平潜流人工湿地(HSFCW)和自由表面流湿地(FWSCW)串联组合而成的复合人工湿地，该系统对CODCr、NH4-N、NO3-N、TN、TP、TSS、F-、Ni和大肠埃希氏菌(E.coli)的去除率较高，随季节变化也较为稳定[12]。④底泥清淤：靠近村落的径流，位于桥梁附近的河段往往堆积生活垃圾和农业垃圾等，采用底泥清淤方法对不同粒径的泥沙清淤物进行清除，淤泥进行综合利用或卫生填埋，清淤总长约1.5km，清淤泥层厚度约为0.3~1.5m。

（4）湿地生态、水质监测与河道管理工程：①每个季度对湿地植被、冲刷情况进行一次跟踪调查；②对碧流河水库支流1进行水质监测，分别在丰、平、枯水期设置采样断面5个，每年采样8~12次进行检测分析。③河滨植被缓冲带管理维护：沿岸1km设置植被缓冲带，同时进行科学管理。④农村、农业垃圾处置和处理：垃圾进行分类处理。

3 结论

为了解决入库河流水体污染导致的下游饮用水水源保护区水质下降问题，本研究对碧流河上游支流流域进行实地考察，评估水体污染程度及解析污染源，选择具有代表性的支流1进行生态工程建设，提出了“四层生态控制”工程方案，围绕点面源污染，利用生态工程方法首先对污水进行截留、净化和农田回灌利用，实现首层控制，其次利用流域农业面源污染湿地治理工程作为第二层控制设施，再次对支流进行湿地生态修复和建设作为第三层控制措施，最后，作为最后一道治污屏障，对湿地生态、水质和河道进行后续定期监测维护。本研究将为饮用水水源地保护提供技术参考。