L：L：前置功能區(qū)技術(shù)在飲用水水源地水庫微污染水體水質(zhì)提升中的應(yīng)用孫德中;張有鎖【摘要】Inrecentyears,withtherapiddevelopmentoftheindustrialandagriculturaleconomy,alargenumberofsurfacesourcepollutionintheupperreachesofthedrinkingwatersourcereservoirentersthemainbodyofthereservoirarea.Thepollutioncausedtheexceedingstandardofthetotalnitrogen(TN)andtotalphosphorus(TP)inthesereservoirareas,andformingmicropollutedwaterbody,whichbringsgreatinfluencetothewaterqualityofthedrinkingwatersource.Therefore,protectingwaterresourcesandgivingfullplaytotheproductivityofwaterresourcesisimperativeforpollutionpreventionandcontrolofdrinkingwatersourceprotectionareas.Theadvantagesoftheprefunctionalareatechnologyarestrongapplicability,goodeconomyandobvioustreatmenteffect,anditcanmakethewaterqualitymeettherequirementsofthenationalassessment.TakingChengbeireservoirofZhoushancityofZhejiangProvinceastheresearchobject,thispaperexpoundsanddesignsthesystemcompositionandpurificationmechanismoftheprefunctionalarea,andputsforwardthedesignpointsandcalculationprocess,andgivesafullexplanationoftheexistingproblemsandsolutions.ThistechnologywillbepaidmoreandmoreattentionbydomesticwaterrestorationprofessionalsinChina.%近年來，隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展,有大量飲用水水源地水庫上游區(qū)域內(nèi)的面源污染進(jìn)入庫區(qū)主體，造成了這些庫區(qū)水體總氮(TN)、總磷(TP)等指標(biāo)超標(biāo)，形成了明顯的微污染水體，給飲用水水源地水質(zhì)保護(hù)帶來較大威脅，因此，保護(hù)好水資源，充分發(fā)揮水資源的生產(chǎn)力，對飲用水水源地保護(hù)區(qū)進(jìn)行污染防控勢在必行.前置功能區(qū)技術(shù)就是利用其適用性強、經(jīng)濟性好、處理效果明顯的優(yōu)點,使水質(zhì)能夠達(dá)到國家相關(guān)評價要求.本文以浙江省舟山市城北水庫為研究對象,闡述并設(shè)計了前置功能區(qū)的系統(tǒng)組成及凈化機理，提出了設(shè)計要點及計算過程，并對存在的問題及解決措施給予了充分說明.這種技術(shù)在國內(nèi)會越來越受到廣大水生態(tài)修復(fù)專業(yè)人士的關(guān)注，必將有較好的推廣價值.【期刊名稱】《化學(xué)工程師》【年(卷)，期】2018(032)005【總頁數(shù)】4頁(P48-51)【關(guān)鍵詞】前置功能區(qū);微污染水體;水質(zhì)提升;研究【作者】孫德中漲有鎖【作者單位】中交天航港灣建設(shè)工程有限公司，天津300456;中交天航港灣建設(shè)工程有限公司，天津300456【正文語種】中文【中圖分類】X524飲用水水源地保護(hù)區(qū)水庫內(nèi)總體水質(zhì)一般較好，但是隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，有少數(shù)水庫上游區(qū)域內(nèi)大量面源污染物進(jìn)入庫區(qū)主體，同時伴隨總氮元素指標(biāo)超標(biāo)的初期雨水的進(jìn)入，對飲用水水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)的水質(zhì)保護(hù)形成構(gòu)成了主要威脅，因其庫內(nèi)水質(zhì)超標(biāo)因子主要為總氮(TN)、總磷(TP)，所以稱其為微污染水體。影響飲用水水源地水庫水質(zhì)的污染主要為農(nóng)業(yè)面源污染、周邊山林枯枝敗葉腐蝕、初期雨水，其中農(nóng)業(yè)面源污染是指人們在從事農(nóng)村生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中使用的化肥、農(nóng)畜禽糞便和生活垃圾等有機或無機污染物通過地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏造成的污染；周邊山林枯枝敗葉腐蝕及初期雨水的污染主要是含氮元素超標(biāo)物質(zhì)進(jìn)入水體，使水體中NH4、NH3+超標(biāo)造成總氮（TN）值超標(biāo)。以上污染源沒有明確的產(chǎn)生源頭，各類污染物聚集再水體表面，隨著水體流動流向水庫，形成污染。為有效保護(hù)水質(zhì)安全、改善水質(zhì)指標(biāo)，營造生態(tài)、清潔、合格的飲用水，對飲用水水源地水庫進(jìn)行污染防治尤顯重要。目前，防治因以上原因造成的微污染水體的主要防治技術(shù)主要有兩類：第一類為是控制源頭技術(shù)；第二類是水體污染物削減技術(shù)。而其中，水體污染物削減技術(shù)中的前置功能區(qū)技術(shù)不僅集合了兩種技術(shù)的優(yōu)勢部分，還涵蓋物理、化學(xué)及生物學(xué)科的優(yōu)勢技術(shù)，成本低廉、施工簡便、效果較優(yōu)、適用面廣、管護(hù)方便等優(yōu)點，在國外部分國家已有很多成功的案例［1］，同時也是目前國內(nèi)飲用水水源地微污染水體水質(zhì)提升的有效途徑之一。1前置功能區(qū)技術(shù)的概述所謂前置功能區(qū)技術(shù)主要功能主要包括為蓄渾放清、凈化水質(zhì)、水力消能及和攔截垃圾攔截。具體是將水庫分為一個或多個子庫（前置庫）與主庫相連。指利用根據(jù)水庫的存在形態(tài)，利用水庫上游到下游的水體水質(zhì)濃度變化特點，將水庫分為一個或多個子庫與主庫相連，利用水體再前置功能區(qū)的停留間歇時間，使水中靠自然沉降的物質(zhì)發(fā)生物理沉降作用，同時采用水生態(tài)構(gòu)建技術(shù)，使水生植物、藻類、微生物等吸收、吸附營養(yǎng)鹽類物質(zhì)，從而降低水庫下游水體水質(zhì)中的營養(yǎng)鹽含量濃度，改善水質(zhì)［2,3］。2前置功能區(qū)的系統(tǒng)組成及其凈化機理2.1前置功能區(qū)的系統(tǒng)組成一般前置功能區(qū)主要由3部分構(gòu)成，即沉降系統(tǒng)、導(dǎo)流系統(tǒng)和強化凈化系統(tǒng)。2.2前置功能區(qū)的凈化機理2.2.1沉降系統(tǒng)沉降系統(tǒng)也稱為〃泥溜”系統(tǒng)。其主要凈化機理是通過利用泥沙及污染物顆粒的重力沉淀作用，并結(jié)合功能區(qū)內(nèi)的根系發(fā)達(dá)的水生植物吸收吸附作用，從而實現(xiàn)初步凈化的效果。該系統(tǒng)能去除絕大部分泥沙及總氮、總磷素，去除率一般可達(dá)25%~30%［3］。2.2.2導(dǎo)流系統(tǒng)為防止前置功能區(qū)遇到大流量洪水暴溢，在前置功能區(qū)內(nèi)部設(shè)置安全穩(wěn)定、質(zhì)量可靠的導(dǎo)流系統(tǒng)，使超過設(shè)計暴雨強度的水通過導(dǎo)流系統(tǒng)流出，保證前置功能區(qū)的凈化效果，有效攔截表面污染物。2.2.3強化凈化系統(tǒng)(1)淺水礫石床過濾凈化區(qū)通過礫石床的土壤進(jìn)行吸附、截留、過濾、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等物理化學(xué)過程去除水中的氮、磷等營養(yǎng)成分污染物。(2)淺水植物濾床凈化區(qū)在淺水區(qū)種植適宜本地生長的挺水植物，利用其植物的根系作用，可以吸附含氮和磷的污染物質(zhì)，促進(jìn)污染物的聚集沉降。(3)深水強化凈化區(qū)在功能區(qū)內(nèi)設(shè)置深水區(qū)，通過生態(tài)浮島、固化微生物菌、微納米曝氣等技術(shù)，深度脫氮除磷。(4)水生態(tài)構(gòu)建在功能區(qū)底部構(gòu)建生長效果好、可吸收污染物的螺類、魚類的完整生物鏈，可促進(jìn)形成良好的生態(tài)系統(tǒng)的形成。(5)岸坡濕地建設(shè)在水庫邊坡的水流漲落帶設(shè)置濕地系統(tǒng)，培育淺水植物、挺水植物等，且保證植物的長期存活，使得該系統(tǒng)能進(jìn)一步沉降粒徑較小的泥沙，去除氮、磷元素污染物。該系統(tǒng)能進(jìn)一步沉降粒徑較小的泥沙，總氮、總磷素的去除率分別可達(dá)35%和50%左右［8~10］。2.3前置功能區(qū)系統(tǒng)確定前置功能區(qū)共涉及兩大分項工程，即來水引水工程即凈化處理工程。引水工程主要涉及攔水壩、格柵、輸水管及泄洪渠等工程建設(shè)。凈化處理主要涉及沉淀區(qū)、淺水凈化區(qū)、深水凈化區(qū)及人字壩等工程建設(shè)。本系統(tǒng)以浙江省舟山市城北水庫為研究范例。圖1前置功能區(qū)圖Fig.1Advantagesoftheprefunctionalarea由舟山市的水文氣象基礎(chǔ)資料可知，舟山市降雨主要集中在夏季，夏季產(chǎn)生的降雨徑流量最大，帶入水庫的污染物量最多。因此前置功能區(qū)的設(shè)計過程中選用夏季的水利停留時間。舟山市夏季雨水量較大，且集中，結(jié)合相關(guān)研究成果，此設(shè)計中前置功能區(qū)的水力停留時間T選用2d。根據(jù)城北水庫的水文資料，求出進(jìn)入前置功能區(qū)的初期雨水徑流量為：Uhlmann和Benndroflll的研究結(jié)果指出表明，前置功能區(qū)中總磷的去除率會隨著水深的增加呈指數(shù)下降。由此可知，Qr=(15000+3000)x2=36000m3前置功能庫區(qū)的水深過大，在影響水生植物光合作用的同時會降低污染物的去除率。結(jié)合前置功能區(qū)的相關(guān)研究成果，計算前置功能區(qū)設(shè)計平均水深為H=1.5m情況的設(shè)計面積，進(jìn)而結(jié)合庫區(qū)現(xiàn)狀確定前置區(qū)的設(shè)計面積S。S=Q/H=36000/1.5=24000m2結(jié)合相關(guān)研究成果、工程案例和庫區(qū)的場地的實際情況，此工程中設(shè)置前置功能區(qū)的總面積為22400m2，即沉降區(qū)為400m2，淺水生態(tài)凈化區(qū)為11000m2，深水強化區(qū)為11000m2。3前置功能區(qū)構(gòu)筑物應(yīng)用工程3.1垃圾處理工程考慮到來水可能攜帶較多垃圾和枯萎雜亂的植物。因此，考慮在來水進(jìn)庫前設(shè)置隔離柵進(jìn)行攔截，并通過人工清理的方式，對垃圾進(jìn)行移除。格柵主要分布于中段溪坑及王家塘溪坑入庫處。考慮采用2道尼龍網(wǎng)材料浮球格柵對來水垃圾進(jìn)行慮除。此外考慮到水庫水位上升時，水庫內(nèi)部垃圾可能流入前置功能區(qū)，考慮在人字壩壩頂增設(shè)一道粗格柵。3.2弓|水工程考慮到城北水庫主要地表徑流為兩段溪坑，且兩處徑流距離較遠(yuǎn)，為順利實施本項目，考慮將其中一處溪坑入庫口水位通過增設(shè)攔水壩進(jìn)行提升，再通過管道重力流將溪水輸送至前置功能區(qū)。攔水壩作為城北水庫飲用水提升工程配套建設(shè)內(nèi)容之一，主要作用是在水庫入庫山溝新建擋水建筑物，抬升水位，埋設(shè)管道，飲水至新建的泄洪渠。配規(guī)模小、結(jié)構(gòu)形式比較簡單。本次設(shè)計攔水壩采用C25砼灌砌石，壩長6.0m，壩高1.8m，上下游坡比1:1，頂寬2.0m。引流管的管徑設(shè)置為D=200mm，管段總長度為L=206m，并在管段中設(shè)置4座檢查井和1座跌水井。另一段溪坑引水工程中的管段布置，盡量沿著原有溪坑布置，不侵占農(nóng)田。同時由于該段溪坑的來水自上游山上流下，水中會參雜很多泥沙，所以引水工程中的檢查井和跌水井要定期清理淤泥，防治管段淤積，進(jìn)而影響引水過程。3.3泄洪渠工程本次新建泄洪渠長152.15m。考慮泄洪渠的位置、地質(zhì)情況、水流特征、施工條件和工程造價等因素，綜合分析后確定確定本次選擇直立式擋墻斷面。泄洪渠的標(biāo)高為32.12m，和擋水大壩的壩頂標(biāo)高一樣。新建直立式擋墻型式：C25砼灌砌石重力式擋墻，擋墻壓頂外邊緣作為泄洪渠控制線，擋墻頂寬80cm，內(nèi)外卜坡坡比分別為1:0.2和1:0.3,擋墻底部做40cm厚砼基礎(chǔ)，壓頂為10cm厚C15砼，寬80cm，擋墻背填筑配合生態(tài)治理工程措施與之相結(jié)合。3.4前置壩工程城北水庫總庫容145.75萬m3，屬小（1）型水庫。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)要求，前置功能區(qū)大壩設(shè)計工程等別為IV等，大壩、溢洪道、放水設(shè)施和翻水泵站等主要永久性建筑物為4級，次要永久性建筑物和臨時建筑物為5級。城北水庫原大壩是《舟山市城北水庫飲用水水質(zhì)提升綜合防治工程》配套建設(shè)實施內(nèi)容，前置壩下游為城北水庫庫區(qū)。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)和城北水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)，并參照舟山類似工程情況，確定新建大壩洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇、校核標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，臨時建筑物度汛標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。本工程屬新建工程，根據(jù)《舟山市城北水庫飲用水水質(zhì)提升綜合防治工程》及本階段設(shè)計要求：在確定了綜合防治工程方案之后，本次新建前置壩壩址擬定在城北水庫庫區(qū)上游，大壩長210m，壩高7.12m，壩頂標(biāo)高32.12m，溢流口標(biāo)高31.55m。3.5水質(zhì)凈化設(shè)計前置功能區(qū)共設(shè)計三大區(qū)塊對來水進(jìn)行處理，分別為沉降區(qū)塊、淺水生態(tài)凈化區(qū)及深水生態(tài)凈化區(qū)。在前置功能區(qū)水質(zhì)凈化設(shè)計過程中，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，本項目設(shè)計的前置功能區(qū)，在旱流情況下來水預(yù)計可在前置功能區(qū)滯留8.6d，在徑流初期雨水水量情況下來水預(yù)計可在前置功能區(qū)滯留1.7d。本項目前置功能區(qū)沉降區(qū)塊共400m2，水深0.5m，內(nèi)植蘆葦?shù)韧λ参?，?dāng)來水通過沉降區(qū)塊時，泥沙和其他的污染物顆粒會靠自身重力沉底，從而達(dá)到初步凈化水體水質(zhì)的效果。淺水生態(tài)凈化區(qū)共分兩大區(qū)塊即礫石床與植物濾床。礫石床共計4000m2，有效水深0.5m，內(nèi)植挺水植物。植物濾床共計7000m2，平均水深1.0m，內(nèi)植挺水植物，沉水植物，通過攔截水流作用，促進(jìn)泥沙和其它顆粒物沉降。本項目的深水強化凈化區(qū)共計11000m2，平均水深2m，通過投放一定比例的水生動植物同時配設(shè)生態(tài)浮島及水生植物，來激活凈化區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)。3.4前置功能區(qū)各處理單元處理效率去除率預(yù)測在前置功能區(qū)設(shè)計過程中，為使入庫徑流中的污染物可以被有效去除，必須有足夠庫容以受納絕大部分徑流，同時需要保證足夠的水力停留時間。結(jié)合本項目實際，在旱流情況下來水預(yù)計可在前置功能區(qū)滯留8.6d，結(jié)合以上經(jīng)驗設(shè)定經(jīng)前置功能區(qū)凈化后TN預(yù)計可削減40%，TP預(yù)計削減50%；在徑流初期雨水水量情況下來水預(yù)計可在前置功能區(qū)滯留1.7d，結(jié)合以上經(jīng)驗設(shè)定經(jīng)前置功能區(qū)凈化后TN預(yù)計可削減11%，TP預(yù)計削減19%。4前置功能區(qū)技術(shù)存在的問題及解決措施4.1防治二次污染的問題為有效防治二次污染，要做到對功能區(qū)內(nèi)的垃圾污染物、腐殖植被及時清理。為便于利用，應(yīng)選用本土化的，且經(jīng)濟效益可觀的植物，可有效提升植被的生長效率及再利用率。如采用挺水植物的蘇丹草、里麥草、茭草等挺水植物，這些草料可以喂養(yǎng)奶牛，可進(jìn)一步發(fā)展生態(tài)農(nóng)場。4.2水生植被交替問題由于季節(jié)、氣溫、雨水量等氣候的變化因素，以及植物本身的生長習(xí)性上的差異，前置功能區(qū)內(nèi)的植被必然存在能否順利銜接的重大問題。因此，培養(yǎng)和馴化適合冬季運行的水生生態(tài)系統(tǒng)，開發(fā)冬季運行的輔助凈化系統(tǒng)，增強系統(tǒng)冬季的運行效果，從而有利于水體的持續(xù)凈化。4.3加強理論研究開發(fā)各種影響因素下的前置功能區(qū)的凈污模型，涉及物理與生態(tài)作用結(jié)合的新技術(shù)，延長水力停留時間，強化系統(tǒng)凈化能力，為優(yōu)化前置功能區(qū)的運行調(diào)控建立理論基礎(chǔ)。5結(jié)語前置功能區(qū)技術(shù)應(yīng)用在飲用水水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)水庫水質(zhì)提升工程項目中，其很好的結(jié)合了當(dāng)?shù)氐牡匦翁卣鳎鉀Q了面源污染帶來的系列問題，對總氮(T