某滨海地区水库库前生态净化系统方案设计

汪鹏合， 吴巍巍

（中国长江三峡集团上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

水源地建设是保障地区工农业生产和居民生活用水、 促进地区经济社会持续向好发展的重要举措， 而库区水体水质保障是水源地工程建设和运营成败的关键。 生态净化技术可利用植物-基质-微生物的协同作用有效去除水体中的氮、磷等营养盐和有机污染物[1-2]，近年来在杭州、宁波、天津、 连云港等多个水源地水质保障工程中被普遍应用并获得广泛研究和报道[3-7]。 但是，滨海地区土壤往往含盐量很高， 生态净化系统由于表层土壤氯离子的持续释放常出现水体盐度升高、 湿地植物生长及净化功能受到抑制的现象， 成为构建滨海地区水库生态净化系统和实现库区水体水质安全保障的一个工程难点[8]。

本案例针对华东某省L 市一个工业应急备用水源工程的原水净化需求，结合工程特点，设计了一套比较合理的库前生态净化系统。 方案主要包括净化工艺选择、系统总体布局、湿地功能分区设计、 植物群落配置和土壤盐分影响控制措施等方面， 克服了耐盐耐寒水生植物群落配置和滨海地区土壤氯离子释放控制的技术难题， 可以为我国其它滨海地区新建水库的水体水质保障提供技术支撑和模式借鉴。

1 项目概况

项目所在地处于暖温带与亚热带过渡地带，属湿润性季风气候；四季分明，雨量适中，冬无严寒、夏无酷暑；年平均气温14℃，最高和最低气温分别为40℃和-18℃，常年无霜期为220 天；多年平均降雨量930.0mm，集中于夏季；多年平均蒸发量为855.1mm， 年平均最大蒸发量为961.3mm；年平均风速3.1m/s，最大风速29.3m/s。

该工业应急备用水源工程位于L 市东南部，主要包括取（引）水系统、净化及蓄水系统和输（退）水系统等建设内容（图1）。 工程永久占地面积约240公顷，新建生态净化湿地面积约10 公顷，库区主体水域面积约195 公顷，应急备用库容4 500 000m3，日供水规模40 万t。水库引水水源为库区西边2km处一条河道，供水对象为紧邻库区东侧的新区第二水厂，最终服务对象为新区石化产业基地。

图1 新区工业应急备用水源工程布局图

生态净化及蓄水系统是本工程建设的重点之一，是库区水体水质保障的关键，关系着项目的成败。

2 水质保障目标

本工程库区水体水质保障目标参照 《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）IV 类，主要控制指标为溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨 氮（NH3-N）和总磷（TP）。 另外，参照新区第二水厂与石化基地用水企业相关协议的水质要求， 水体氯离子（Cl-）浓度不应高于250mg/L。

取水河道在一年之中存在2 个水质超标风险存在时期：一是6 月—7 月。 由于农灌用水排放入河，携带大量农业面源污染物，导致水体氮磷含量升高、水体溶解氧浓度不足。二是1 月—4 月。表现为CODMn和氯化物等超标。 各主要超标污染物的年 最 大 值：CODMn为12.14mg/L，NH3-N 为2.80mg/L，TP 为0.59mg/L；DO 浓度的年最小值为0.63mg/L。

综合上述各指标，CODMn可取最大值，NH3-N和TP 取90%保证率对应值，确定生态净化系统进出水水质指标如表1。 氯化物采用源头控制，不作为生态净化系统设计考虑的水质指标。

表1 生态净化系统进出水水质指标

3 系统方案设计

3.1 净化工艺选择

人工湿地通常包括潜流型和表面流型两种：潜流型人工湿地的表面污染负荷更高、占地较小，但易堵塞、对运维管理要求较高、且投资较大；表面流人工湿地的污染负荷更低， 所以对土地面积要求较大[9]。 复合型人工湿地是在传统表面流人工湿地基础上融合了潜流型湿地净化机理的改进型，在传统表面流湿地基础上增加了吸附性填料，可综合利用填料、 植物和二者表面的微生物的协同作用提高湿地净化效率， 因此在相同处理规模下相较传统表面流湿地而言占地面积更小 （不同类型人工湿地比较分析见表2）。所以，本生态净化系统的核心净化单元采用复合型人工湿地， 整体采用“沉淀池+复合型人工湿地+生态蓄水大库”的形式。

表2 不同类型人工湿地比较分析

3.2 系统整体布局

（1）平面布局

生态净化系统包括沉淀池、 复合型人工湿地和生态蓄水大库3 个功能单元，结合现状地形，平面布局如图2。

图2 生态净化系统平面布置图

沉淀池：作为生态净化系统的前置单元，位于中间位置，来水通过管道进入池底，再经过分流设施向两侧核心净化功能区配水。 主要功能在于初步沉淀颗粒污染物和实现来水水量的稳定及分流。

复合型人工湿地：分为东、西2 个片区，西片包括湿地W1—W6，东片包括一级湿地（E1—E6）、尾部湿地（E7）和湿地出水区；作为核心净化单元，旨在通过不同区域的好氧/缺氧环境交替，藉由“填料-植物-微生物”的综合作用，实现氮磷营养盐和有机污染物的去除。

生态蓄水大库： 是生态净化湿地系统的最后一个单元，兼具蓄水、水质维护和区域生态景观品质提升等功能。

（2）竖向设计

结合现状地形， 生态净化系统各单元底高程和常水位如表3。

表3 各单元底高程和常水位

（3）水力流程设计

根据系统平面布局与竖向设计， 确定系统水力流程如下（图3）。

图3 核心湿地水力流程剖面图

西片： 引水管道→沉淀池→1# 闸阀→西配水渠→矩形堰→西区湿地→西集水渠→蓄水大库；

东片： 引水管道→沉淀池→2# 闸阀→东配水渠→矩形堰→一级湿地→东集水渠→尾部湿地→景观跌水堰→湿地出水区→蓄水大库。

3.3 各功能区设计

（1）核心单元面积计算

根据水库运营调度方案， 库区日常换水规模为5 万t/d， 因此确定生态净化系统处理规模为50 000m3/d。 本系统的核心功能单元为复合型人工湿地，按照50 000m3/d 的处理规模取湿地面积。

本工程中主要需控制的水质指标为CODMn、NH3-N 和TP， 系统的净化能力相对而言在低温季节更弱， 故可按水温小于12℃时系统的污染物（CODMn、NH3-N 和TP） 表面负荷和水力负荷进行计算，取计算结果中的最大值，同时校核水力停留时间（HRT）。

1）用污染物表面负荷计算湿地面积

公式为：

式中：A—湿地面积，m2；Q—污水流量，m3/d；C0—进水污染物浓度，mg/L；Ce—出水污染物浓度，mg/L；Np—污染物表面负荷， 以CODMn、NH3-N、TP计，g/（m2·d）。

将CODMn、NH3-N、TP 等污染物浓度和污染表面负荷带入公式进行计算， 得人工湿地系统总面积约需100 000m2。 见表4。

表4 核心湿地面积计算

2）校核表面水力负荷

公式为：

式中：A—湿地面积，m2；Q—污水流量，m3/d；Nq—水力负荷，m3/（m2·d）。

Q=50 000m3/d，A 取100 000m2，代入公式得表面水力负荷约为0.5m3/（m2·d）。

3）校核水力停留时间

公式为：

式中：T—水力停留时间，d；V—人工湿地有效容积，m3；n—人工湿地孔隙率 （考虑植物和填料），%；Q—污水流量，m3/d。

综合考虑土地利用条件等项目实际情况，核心湿地面积取98 300m2， 系统平均水深0.48m，系统有效容积47 300m3。 代入公式，得水力停留时间约为22.7h， 对应表面水力负荷约为0.51m3/（m2·d）。

（2）各功能区主要参数

1）沉淀池

面积3 125m2（长125m×宽25m）， 常水位3.2m，底高程0.5m，有效库容8 438m3；设计水力停留时间4.05h，表面水力负荷16.0m3/（m2·d）。

2）复合型人工湿地

分为东、西2 片区，西片包括湿地W1—W6，东片包括一级湿地（E1—E6）、尾部湿地（E7）和湿地出水区。

西片湿地面积49 000m2， 东片一级湿地面积43 000m2，两者设计水深均为0.3—0.65m、平均水深0.47m；尾部湿地面积4 800m2，平均水深0.6m；湿地出水区面积1 500m2，平均水深0.8m。 湿地出水区底部铺设景观卵石，不种植物，其余单元底部40cm 厚度表层土壤替换为盐度低于0.4%的种植土和粒径3—5cm 左右的砾石， 两种材料铺设厚度均为20cm。

各单元面积、常水位和底高程设计见表3。

3）生态蓄水区

面积1 950 000m2，常水位1.97m，死水位-1.23m，库底平均高程-2.73m，有效库容4 500 000m3。

3.4 水生植物配置

遵照土著种优先的原则，选择耐污、耐盐和耐寒性能较强的水生植物物种， 结合不同植物适宜水深、生长期和花期等因素，实现植物群落科学合理配置。 工程所在地区常用的生态净化挺水植物有 芦 苇 （Phragmites communis（Cav.）Trin. ex Steud.）、 花 叶 芦 竹 （Arundo donax var.versicolor Stokes）、水 葱（Scirpus validus Vahl）、黄 菖 蒲（Iris pseudacorus）、东方香蒲（Typha orientalis Presl）、再力花（Thalia dealbata Fraser）、水生美人蕉（Canna glauca）、 梭 鱼 草 （Pontederia cordata）、 旱 伞 草（Cyperus involucratus Rottboll）等，其中芦苇、花叶芦竹、水葱和水生美人蕉等耐盐性较好，芦苇、花叶芦竹和黄菖蒲等耐寒性较好，可以耐盐、耐寒植物为主构建湿地植物群落[10-12]。 此外，生态湿地作为一种特殊的景观类型， 在植物配置上还应考虑系统的景观效果。 一方面， 注意结合地形配置挺水、沉水、浮叶等不同生活型的水生植物，实现植物群落层次结构的丰富；另一方面，注意不同物候期、不同花期及花色植物的组合，实现湿地四季色彩的有序更替。

因此， 本系统的复合表面流湿地浅水区 （水深≤50cm）种植挺水植物，主要选择芦苇、花叶芦竹、黄菖蒲和黑三棱（Sparganium stoloniferum），少量种植水葱和水生美人蕉等； 复合表面流湿地深水区（水深50cm—70cm）种植沉水植物，选择苦草（Vallisneria natans（Lour.）Hara）和狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）、少量种植菹草（Potamogeton crispus）和金鱼藻（Ceratophyllum demersum）等；尾部湿地除种植沉水植物外， 搭配适量浮叶植物如荷花（Nelumbo nucifera）和睡莲（Myriophyllum verticillatum）等景观效果较好的浮叶植物。 生态蓄水区因为水深较大， 仅在库周浅水区种植少量水生植物，主要考虑蓄水功能，兼顾水质维护和区域生态景观品质提升等功能。

3.5 土壤盐分影响控制

本项目所在地临近海岸，成陆时间较短，土壤多为滨海盐土，盐分含量高。 根据土壤盐度初步检测数据， 工程区域土层盐度主要分布在2.0%—3.5%区间，氯离子含量在5—15g/kg 区间。所以，如何控制土壤氯离子释放对生态系统构建的不利影响是本工程方案设计的一个重点。 针对生态净化系统种植区土壤氯离子释放对水生植物可能造成的不利影响， 在湿地W1—W6 和E1—E6 单元采取种植土回填措施，将湿地表层40cm 盐度较高的土壤替换为盐度0.4%以下的种植土和砾石。 根据搅拌换水法土壤脱盐的原理[13]，在尾部湿地采取表土脱盐措施， 通过机械搅拌和冲洗将湿地表层40cm 的土壤盐度降低到0.4%以下，从而降低土壤氯离子持续释放对湿地植物造成的盐度胁迫。 另一方面， 在植物群落配置过程中选用更多的耐盐性物种来提升植物的生长适应性。

4 项目效益分析

新区工业应急备用水源工程旨在保障石化产业园区企业生产、生活用水安全，避免了突发断水事件引发的相关经济损失； 按照设计的年应急供水量1 200 万t 测算，平均年工程效益达5 318 万元，经济效益显著。 同时，库前生态净化系统对原水的处理可有效削减水体氮磷营养盐和有机污染物，有助于区域水生态环境质量的提升；按照设计的生态湿地处理规模测算， 每年可削减CODMn456t、NH3-N 96.7t、TP 14.60t， 生态环境效益突出。 最后，库前生态湿地净化技术提供了滨海地区水库水质保障的新思路，有力支撑了滨海地区的水利生态基础设施建设，是推动新时代新阶段水利高质量发展的重要实践，具有良好的社会效益。

5 结语

库前生态净化系统是保障水库水体水质稳定的重要手段，净化工艺流程、总体布局和湿地面积等核心参数的确定是方案设计重点， 土壤盐分影响控制和湿地植物群落配置是方案设计关键。 本文所选案例展示了滨海地区新建水库项目中库前湿地净化技术的应用具备显著的经济效益、 突出的生态环境效益和良好的社会效益， 可为我国其它滨海地区新建水库的水体水质保障提供技术支撑和模式借鉴。 □