水库型水源地保护与防治策略研究

2022-06-17简鸿福游文荪

水利规划与设计 2022年6期

吕辉，简鸿福，游文荪，邓伟

(江西省水利科学院，江西南昌 330000)

1 研究背景

水库型水源地作为城乡居民重要饮用水水源地之一，其水质安全关乎到人民身体健康和社会发展稳定。但近年来，随着经济社会的发展，人类活动产生的生产生活污水、水土流失等造成的污染物随之增加。由于水库水体流速缓慢，污染物入库后容易沉淀到库底，增加底泥污染物的含量，同时低流速水面降低了水复氧作用和库区潜流交换的作用，水体对有机质的自净效果减弱，当水体中氮、磷等营养元素过剩时，一些藻类大量繁殖使水库呈现富营养化的状态[1]，造成水库水质恶化，影响下游供水居民的身体健康。近年来，对水库型水源地受污染的原因分析、保护与防治策略、治理设计等方面有一定的研究成果[2- 4]，但当前的研究多是通过一些工程措施和非工程措施对库区范围内的污染物进行有针对性的防治，而对于入库河道、陆地及库区进行“岸-河-库”一体化的系统防治策略的研究尚不多见。文中以江西省乐丰水库水源地为例，在区域现状及污染源分析的基础上，提出了从岸上、河道到库区构建“岸-河-库三道防线”的防治思路及防治措施，为水库型水源地保护与防治提供了有益建议。

2 现状分析

乐丰水库位于江西省崇仁县巴山镇西部乐丰村，坝址座落于抚河流域崇仁河宝塘水支流园背水主流上。乐丰水库总库容为978万m3，水库一般水面面积约65万m2，平均水深约10～13m，是一座以供水为主，兼顾防洪、灌溉等综合利用的小(1)型水利枢纽工程，设计供水人口14.4万人，是崇仁县主要饮用水源地。

乐丰水库水源地保护区内藻类过度生长现象较为严重，其中，蓝藻成为库区主要优势种，蓝藻水华的风险不仅在于其将大量增加自来水厂对饮用水处理的成本，还会产生水质异味问题，造成供水水质的安全隐患。

通过现场摸查，该区域主要由村庄、农田、林地构成，无工业、规模化养殖业等污染源输入，其主要污染源主要来自内源污染和外源污染。

2.1 内源污染

(1)蓝藻成为库区主要优势种

通过对乐丰水库水质进行检测，发现乐丰水库饮用水中上层发生了比较典型的蓝藻水华，部分点位甚至有大量微囊藻出现。世界卫生组织推荐的饮用水中微囊藻毒素安全标准为不超过1μg/L，当微囊藻水华成为库区主要藻类水华时，将大量分泌致癌类蓝藻毒素[5]，极大地威胁着附近居民健康安全。

(2)水库底泥释放污染物

底泥具有污染物储存和释放的双重功能，当污染物不断进入水体并沉积至水库底泥中，底泥储存、转化、分解部分污染物，当生境发生变化时，底泥开始释放污染物，引起水生态系统发生物质循环及能量流动过程，底泥污染物的储存和释放2个过程的动态平衡造成了水体中氮、磷等元素含量的变化[6- 7]，引起“二次污染”。有研究结论表明，湖库底泥中氮、磷的含量与水体富营养化程度呈正相关关系[8]。前期调查发现，乐丰水库的底泥中总氮和总磷均超标，且底泥有机质主要来自于外源污染物，表明外源污染输入是乐丰水库水质问题的主要因素。

2.2 外源污染

(1)水库北岸大量农田面源污染直排进库区

调查发现乐丰水库北部区域存在多片农田，耕地面积约1565亩，其中，水库北岸大概有4处梯田造成农田面源污染直排进库区，合计约600亩。根据江西地区施肥强度计算，乐丰水库北部区域直接入库氨氮2.2t，COD18t，总磷0.12t，对水库局部区域的水体营养盐浓度影响较为显著。在扩散条件差、水体流速缓慢的季节，该片区水体甚至有可能发生局部区域蓝藻水华现象，产生的藻类会逐步扩散进入下游的水源地，进而威胁饮用水安全。

(2)入库河流沿河村庄的生活污水排放入库

入库河道为宝塘水支流园背水，沿河村落包括巴山镇永胜村5个村小组和白陂乡座陂村1个村小组，共6个居民点，约230户905人。村民正常生活产生的生活污水、垃圾以及散养家禽产生的粪便容易随雨水流入河道，进而汇入水库，污染水体。

3 总体思路

3.1 防治区划分

本次防治区域面积为18.1km2，主要为乐丰水库流域内居民生活、生产等活动影响的区域，按治理对象划分为生活污染防治区、生产污染防治区、河道污染净化区及库体生态修复区4个区域，主要采取工程措施与非工程措施并行防治。生活污染防治区主要为园背水沿河村落，包括6个村小组；生产污染防治区主要为流域内耕地；河道污染净化区主要为入库河道的宝塘水支流园背水，水库上游3km长入库河道为本次重点防治河段；库体生态修复区主要为库区水体。

3.2 防治思路

乐丰水库水源地保护与防治工程以构建“岸-河-库三道防线”为主要思路。第一道防线为岸上污染防治工程，主要针对生活污染防治区、生产污染防治区，包括：①农村生活区生活污水湿地净化工程，对农村生活污水进行生态化深度处理后再让其流入库区河道；②建设垃圾中转站和回收系统等；③库岸隔离净化工程，通过对生产区设置防护隔离网、生态沟，在库区岸线区域建立污染物植被缓冲带，将库区周边的面源污染拦截和消除在植被缓冲带以外。第二道防线为入库河道污染净化工程，主要针对河道污染净化区，包括在入库河道修建生态滚水堰、前置库。第三道防线为水库水体生态修复工程，主要针对库体生态修复区，包括在库区部分库汊及取水口附近布置生态浮岛等。水库“三道防线”布置如图1所示。通过构筑三道防线，控制上游污染物质排放量，尤其是总氮磷的排放量，使水库的水质问题，特别是藻类过度生长达到控制或不再全面性爆发，保障乐丰水库的供水水源安全。

图1 乐丰水库水源地“三道防线”布置示意图

4 保护与防治策略

根据工程区现状和设计思路，通过生活污水人工湿地处理工程、生活垃圾处理工程、库岸隔离净化工程、生态滚水堰及前置库建设工程、生态浮岛、管理措施等工程措施和非工程措施，共同构筑乐丰水库水源工程的三道防线，保障水库供水安全。

4.1 人工湿地及生活垃圾处理系统

在工程区内的6个村小组分别建设一套处理生活污水的人工湿地净化系统，将农村各住户的生活污水，通过管网排到集水井进行收集，自流入高效厌氧池，污水在无分子氧条件下，通过厌氧微生物(包括兼氧微生物)的繁殖与代谢活动，将污水中的各种复杂有机物分解转化；厌氧出水自流到人工湿地，污水从湿地布水管均匀垂直流过填料的底部，然后通过给集水管均匀排走，达到生活污水无公害处理的效果。人工湿地工艺流程如图2所示。

图2 人工湿地工艺流程图

在6个村小组分别建设生活垃圾处理系统，设立垃圾桶和生活垃圾收集站，由村委会负责监督管理垃圾收集站的运作，将农村居民生活垃圾集中收集、转运、处理，减少生活垃圾对沿流河道的影响。

4.2 库岸隔离净化工程

主要包括植被缓冲带、生态沟和防护栏。以水库正常蓄水位水面线至水面线外延50m区域构建植被缓冲带，面积约0.75km2，植被缓冲带区域内禁止耕种、减少人类活动，让区域内植物自然生长。区域内林地、灌木林等植被相对茂盛、密集的地带让其自然生长，荒草地、泥沙地等植被相对稀薄的地带可人工种植湿地植物，如芦苇植物带，形成一道生态植物屏障。水库北岸有大量梯田，面源污染容易直接排入库区，为进一步削减农田面源污染和人类活动对库区水体的影响，拟在梯田近河岸带位置开挖生态沟并植草，吸收和降解地表径流中的N、P等污染物，阻隔面源污染物直接进入水体，减少进入水体的污染负荷，并在与河岸交界处设置防护栏(围网)，减少人类活动对进水河的干扰。

4.3 生态滚水堰工程

生态滚水堰的主要作用是通过河道中建坝适当提高水位，增加来水停留时间及与河道的湿生、挺水植物等的接触时间，拦截、净化上游村庄及农田排入河道的污染物，增强上游入库河道的水质净化能力[9]。生态滚水堰所选位置应尽量避开农田区，同时利用堰体构造出梯级挡水、跌水的效果。选择的堰体材料应具有一定透水性，既能起到挡住一部分水体造成一定回水面积的作用，又能够让水体透过堰体流入下游，常选用格宾石笼作为主体材料。

4.4 前置库工程

水库生态前置库是水生态系统修复的主要措施之一。实践证明，水库前置库生态工程可见显著减轻水库水质污染，减少总氮、总磷入库量，为水库生态系统多样性提供浅水区、产卵场、育幼场和种子库，是水库水生态系统良性发展的重要措施[10]。前置库透水堤坝结构型式与生态滚水堰类似，利用透水性材料构筑坝体。坝顶高程应高于水库常水位，保障在较长时期内坝顶位于水面以上，最大程度的利用好前置库的生态修复功能。为有效利用河道水体增大前置库水域面积，可设置多座前置库，保障在库水位达到正常蓄水位时仍有未淹没的前置库正常运行。根据流域水文特征和地形特点，在乐丰水库库尾处设置2座前置库。另外，可通过生物修复措施增强前置库的生态修复功能，如在前置库两岸水边采用置石、抛石等方式构筑生物槽和人工湿地，在下游两侧河岸带植被覆盖率较低区域种植高等水生挺水植物，在库区种植沉水植物，培育底栖动物，放养罗非鱼等底层吃食性鱼类等。

4.5 生态浮岛

生态浮岛技术[11]即在浮体材料上种植植物，通过植物自身的同化作用吸收水源水中氮、磷，依靠附着于植物根系上的微生物去除一部分氨态氮、COD，使得水体的营养得到转移，减轻水体由于封闭或自循环不足带来的水体腥臭、富营养化现象；同时由于浮岛的遮光效应、接触沉淀作用等，可在一定程度上控制有害藻类的增殖。生态浮岛能使水体透明度提高，同时水质指标也得到有效的改善，特别是对藻类有很好的抑制效果。结合水库测量和卫星遥感资料，可在库区流速相对缓慢的库湾及取水口附近布设8处生态浮岛。