都市饮用水库水质生态处理和分质回用技术初探

王新斌，吴景华

（深圳市水务工程建设管理中心，广东 深圳 518000）

修回日期：2023-08-16

第一作者简介：王新斌（1972—），男，湖北云梦人，本科，高级工程师，从事水务工程建设管理工作。

0 前 言

都市饮用水水库的水质保障一直是各方关注的焦点。深圳石岩水库水质污染严重的问题，对此，深圳市水务工程建设管理中心创新治理思路，采取生态处理与分质回用相结合的方式，综合治理水库污染问题，取得较好的效果。

1 项目背景

深圳市石岩水库位于深圳西部的茅洲河流域，这座总库容为3154万m3的中型水库具有防洪、供水、调蓄等功能，是深圳供水网络中重要的供水水库之一，年供水量超过3.5亿m3，受益人口380万，2011年被列入全国重要饮用水水源地名录，2013年深圳市铁岗石岩水库管理处通过国家级水利工程管理单位验收，成为深圳首个国家级水利工程管理单位。

随着深圳经济特区快速发展、自然环境开发过度，石岩水库流域46 km2的集雨范围内建成区超过50%，成为典型的都市水库。由于流域内社会经济快速发展，人口出现急剧增加，可渗透地面的面积比例逐渐变小，由暴雨径流产生的突发性、冲击性的都市面源污染已成为水库水体水环境污染的主要来源之一［1］。

都市面源污染是指暴雨产生的径流冲刷地面污染物（城市各类垃圾、粉尘、化肥、重金属、大气干湿沉降物、各种在地间上的排放物、植物的残余物等），通过城市地表径流带入河道水库等水环境而产生的污染，它是相对于点源污染而言的一种新型环境污染类型，亦称为城市非点源污染［2-3］。不同于一般点源污染，城市的面源污染表现出随机性、差异性和滞后性等特点［4］，这是因为它的发生源、迁移途径和污染物的浓度等差别较大；城市的面源污染物质一部分直接沉积在地表，其他的部分则飘散在空气中随着降雨进入路面或者土壤的表面［5］。沉积在地表的或通过降雨进入路面的污染物在降雨径流过程中将最终进入地表水体，影响水体水质。由于治污滞后，石岩水库六条入库支流带来自产水径流的同时也带了污水，导致水库水质受到污染，严重影响了人民群众的饮用水安全。据2003年11月4日《南方都市报》报道：石岩水库的水资源质量属于极严重污染的超5级水质，其主要超标项目是氨氮、总氮。其水质位列广东省饮用水源倒数第二位。入库污染的防控与库区水质的改善到了十分紧急的关头。

石岩水库流域内有石岩河、麻布水等6条入库支流，入库污染来源主要为旱季漏排污水、雨季混流污水与面源污染。

漏排污水可以通过管网完善加以解决，但管网的完善尚需5～10年甚至更长的建设周期；在管网尚未彻底完善前，将不可避免存在雨季混流污水污染；且雨季混流污水与面源污染则随降雨而来，入库雨水带来了水资源同时也带来了污染，形成了水资源利用与水库污染防控的矛盾对立。石岩水库治污截污迫在眉睫。

2 创新治理思路

为实现水资源利用与污染防控双目标，提出了“截、治、清、补”的总体思路。“截”：山林清洁雨水截洪入库利用，污水截排到污水厂处理，微污染雨水截流到人工湿地净化。“治”：达标雨水经库湾保护林前置库进行水质提升入库；高污染雨水经初雨调蓄池植物净化，再回补下游河流景观水。“清”：库区沉积淤泥清理，高地回填，形成人工湿地系统。库区违建清治，入侵物种清除，最大化的修复库区生态系统。“补”：雨水经湿地前置库生态处理（其主要功能是蓄浑放清、净化水质［6］），经监测达到Ⅲ类地表水标准后，回补水库。库外建设污水厂处理混流污水，出水回补河道。

2.1 建立数字模型，确定规模

面源污染是随降雨径流而产生的，面源污染负荷的影响因素有：降雨的强度、降雨量、降雨的历时、城市土地的利用类型（如居民区、工业区、商业区、城市道路等）、大气的污染状况、地表的清扫状况等［7］。其中城市的图例利用类型决定着污染物的性质及累积速率［8］。因此建设单位耗时一年，组织40余人，设置了28个测验点，分别在旱季和雨季对流域内各支流、库区的水文、水质（PH值、COD、BOD、氨氮、总磷、总氮等）、水生态、土壤及基流、大气环境进行了定期观测、巡回测验。并联合北京大学深圳研究生院环境生物技术实验室、环境模拟与污染控制的国家重点实验室、数字城市及景观生态学实验室，进行数据分析、模拟耦合，建立流域降雨与水库水质之间的技术关系。监测发现：石岩水库流域东岸污染强度低于西岸，但容易被冲刷，降雨径流污染物浓度高于西岸，水质较差，是石岩水库主要入库污染源［9］，库区污染呈现东线高污染负荷、西线低污染负荷的分布特征。

东线：包括石岩河、王家庄溪、深坑坜、白坑窝四条支流，总流域面积35 km2，建成区14.4 km2，总人口50万人，生产总值205亿元。东线有旱季污水漏排入河，雨季降雨携大量的点源污水及面源污染入河，降雨强度14.6 mm/h下，初期河流水质浓度大于旱季，降雨历时30 min，径流污染物浓度随降雨径流的增加而减少，水质好转（见图1）。

图1 石岩河、王家庄溪降雨过程水质变化关系

西线：以面源为主，降雨初期污染物浓度在短时内增大，降雨历时15 min后，径流污染物浓度随降雨下降（见图2）。

图2 麻布水、运牛坑水降雨过程水质变化关系

通过监测，建立库区“降雨—径流—水质”的水环境数字模型，确定以氨氮和COD为控制指标，合理确定东线截排到库外处理的方案和规模，西线截流库内处理的方案和规模。

工程采用浓度控制的方式计算截排规模，当入库支流因降雨产生的雨污混合水水质劣于控制指标时，雨污混合污水经截留在调蓄池内，再通过隧洞排往库区外，当条件成熟时可处理达标后回归水库；当雨污混合水水质优于控制指标时，雨水径流直接进入水库。入河污染物包括点源、分布源和非点源污染，点源污染以污水的形式入河，分布源和非点源受降雨的冲刷随径流进入河道，入库口污染质浓度采用在线监测仪器进行实时监测，当入库口污染物质浓度不劣于地表水Ⅲ类水质标准时，才可直接入库。

为了尽量将不达标的混合污水截出库外，对《深圳市水文资料年鉴》（2002年版）石岩水库雨量站40多年雨量记录中的逐日降雨量表中大于5 mm的日雨量进行统计，分别计算出，每20场雨遭遇一场（P=5%）、每10场雨遭遇一场（P=10%）、每7场雨遭遇一场（P=15%）、每5场雨遭遇一场（P=20%）的雨型的径流过程。根据分布源和面源污染物冲刷规律计算，得出不同频率下每场降雨径流在石岩河口形成的污染物浓度瞬时值，由此得出每场降雨所对应需要截走的量。最终，石岩河截排规模确定为：隧洞规模20 m3/s+调蓄池库容30万m3。

2.2 区别污染轻重，分而治之

东线建成区污染负荷高，西线非建成区污染负荷低，采取东、西线分别处置。规划思路见图3。

图3 规划建设思路

东线：对于上游林地清洁雨水，截洪入水库，充分利用本地水资源。对处于建成区、污染严重河段，旱季污水截排至下游污水处理厂，漏排部分截排到人工湿地；雨季水量小、污染重的初期雨水，在河口设截污闸，截流闸设置常开状态，这样，水流在河道内由挡水闸拦截，超过控制指标混合污水进入截流系统，当水质优于地表水Ⅲ类时，通过自动控制把截流闸关闭，挡水闸在水质优于地表水Ⅲ类或洪水时开启，让符合入库要求的水进入水库。通过箱涵、隧洞，截排至库外及茅洲河综合整治工程；水量大、污染较轻部分混流污水经库尾截污明渠进入调蓄库，经泥库上部建设的湿地处理后，现状泥库上部建设的水平流人工湿地面积15万m2，其水深0.5 m，其上种植有挺水植物，其对有机物、悬浮物等去除效果优良，污水从进口缓慢流过湿地表面，污水经溢流流出，将水质处理至一级A后进入库外茅洲河，作为景观水补充（见图4）。

图4 东线的工艺流程

西线：运牛坑水和麻布水微污染水，对入库微污染水进行水质“识别”，采用水质在线监测仪器实时监控水质情况，当水质达到Ⅲ类水质标准时可准许入库，对未达到入库标准的混流污水截入调蓄池，经生态砾石床——潜流人工湿地处理，达标回补水库（见图5）。

图5 西线的工艺流程

为实现对入库微污染水进行水质“识别”，项目专门研究并成功运用了新型实用专利技术。该技术被列入“2014年度水利先进实用技术推广指导目录”发明专利“城市河流雨污混流管网水流分质排放”技术。

库区：对底泥污染进行清淤，利用径背村处库尾设置泥库，泥库干化后，建立人工湿地，对东线调蓄库水进行处理。同时，清理库周违建和外来物种，建设库湾保护林湿地，进一步对达标入库雨水进行生态净化（见图6）。

2.3 强调生态处理，分质回用

污水：进入库外污水处理厂处理，作为河道景观用水。高污染雨水：截入下游茅洲河综合整治工程，送至初雨调蓄池处理排放；微污染雨水：根据相关研究，水平潜流人工湿地系统对微污染原水有较好处理效果［10-11］，因此本工程微污染雨水进入潜流人工湿地处理，达到地表水Ⅲ类后回归水库；未达到入库标准，作为库外河道补水。达标雨水：进入库湾保护林进一步提升水库，回归水库。

按照该总体思路本工程兴建东、西线两个截排系统，东线截排系统截排王家庄溪、石岩河、深坑沥、白坑窝等支流受污染水体，最终将该受污染水体（污染水体列为茅洲河综合治理项目任务）绕过水库排往库下游茅洲河综合整治工程，输送下游处理，主要工程项目有（从上游至下游依次为）：DN2200截污管道775 m（设计流量15 m3/s），石岩河六孔截污挡水闸（其中四孔挡水闸单孔宽12 m，两孔控制闸单孔9 m，闸门高2.918 m，设计流量462 m3/s），截污箱涵1 757.81 m（B×H=3×3 m，设计流量20 m3/s），截污明渠940m（底宽10m，渠堤顶高37.35m，设计流量为69 m3/s），库容30万m3调蓄库1座，385 m均质土坝一条（坝高9.5 m，坝顶宽5 m），截污隧洞2 045 m（断面尺寸D=3 m，设计流量20 m3/s），竖井3座，巡库路2 078.91 m，管养房1座（总建筑面积632.62 m2）；西线截排系统通过新建两座前置库湿地，利用分质排放、生物净化的方式对入库水体进行处理，主要包括麻布水和运牛坑水设置前置库湿地系统两座（污水处理能力分别为0.5万m3/d和0.3万m3/d）。

3 建设过程

2006年8 月石岩水库截污工程项目建议书经市发改局批准，2008年被纳入“深圳市十大重点工程”。工程总投资2.09亿元，工期3年，属大型城乡水务工程。工程于2008年12月开工，2012年11月通水运行，2012年12月所有单位工程完成完工验收。2013年6月，石岩水库被评为“国家级水利工程管理单位”。2014年4月通过深圳市水务局主持的竣工验收。2014年11月被中国水利工程协会评为“中国水利优质工程大禹奖”。

4 结束语

在项目前期设计阶段率先引入初（小）雨截排理念，使用“城市河流雨污混流管网水流分质排放”技术，对水系来水有选择的排放和利用；首次将清污分流技术应用到水利工程，将库区雨水分为清洁雨水和受污染的雨水，分别直接利用和处理后回用。开创了水文与水质的耦合，将传统水利重视大暴雨的洪量计算，向现代水务关注的小雨水的水质分析转变。

石岩水库截污工程的建设，增强了水库的防洪和调蓄能力，极大提升了水质安全保障率；清洁雨水直接入库，人工湿地生态处理系统日处理污水量0.8万m3，本地水资源利用率提高67%；系统年污水截排量1 200万m3，消减COD 1 220 t，入库污染负荷削减率94%，水库水质指标达标率100%。工程竣工一年，经历了汛期洪水、雨季面源和旱季污水的考验，石岩水库水质全面好转，为深圳市宝安区、光明区380万人口的饮水安全提供了有力保障；项目建设，也使周边生态系统得到修复，景观有较大的改善。如今的石岩水库水质清澈，岸边鲜花飘香，构建了一幅和谐优美的生态画卷，是城乡水系整治和生态治理工程的典范。