深圳市水庫前置庫濕地設計與實踐研究

【摘要】深圳市部分一級水源地保護區處于城市包圍之中，“城中有水庫，水庫群中包圍著城市”，保護區上游有面源污染物進入庫區水體，對水源地保護區的水質形成威脅。深圳市交通發達，車流量大，很多庫區、庫尾分布著主要交通干道，交通事故存在著對水體污染的嚴重威脅。本文以石巖、西麗、甘坑、赤坳等水庫前置庫濕地工程為實例，研究已建成的水源水庫前置庫濕地在規劃、設計、建設、運行方面的經驗，針對水庫前置庫濕地設計和運行中存在的問題，提出優化設計建議和解決方法，為前置庫濕地的科學建設提供技術支撐。

【關鍵詞】前置庫濕地；設計建設；污染控制

前置庫濕地是一種具有投資小和運行費用低、對水體凈化效果好等優點，適合于沒有污水收集設施地區的面源污染控制。在前置庫中，河水首先進入初沉池，由于擋板和溢流板的作用，泥沙和顆粒物在初沉池內得以充分沉淀，然后進入主反應區，由于物理化學及生物的作用，氮磷、有機物等在主反應區內被加速去除。為防治環境污染，對位于建成區的水庫水源地保護區進行面源污染控制，保護水庫水源地水體的水質，深圳市于2009年5月完成了《深圳主要水庫建設河口自然濕地前置庫前期項目建議書》的編制工作，計劃開展赤坳、甘坑、西麗、石巖等6座水源水庫的河口自然濕地前置庫前期工作。同時，市政府啟動了石巖、西麗、甘坑、赤坳等水庫前置庫的建設工作。

一、深圳市主要水源水庫前置庫濕地建設規劃

深圳市主要水源水庫有石巖、西麗、茜坑、赤坳水庫等，集雨面積分別為44、29、3.87、14.6km2，庫尾主要支流有石巖河、王家莊河、大墈河、麻墈河、金龜河等，各支流流經眾多建成區，甘坑河上游流經布吉及平湖街道，石巖河流經石巖街道，河流集雨面積內建成區多，人口稠密，一方面，面源污染大量進入河道水體，惡化水庫水質；另一方面，人類活動頻繁對庫區水質造成威脅。

為解決上述問題，保護水源水庫水質，深圳市規劃建設6宗水庫前置庫工程，包括：石巖水庫前置庫、甘坑水庫前置庫、西麗水庫前置庫、赤坳水庫前置庫、茜坑水庫前置庫和鐵崗水庫前置庫。

上述前置庫按照功能大致可分為2類：一類在河口建設濕地，通過生物作用削減面源污染，例如甘坑水庫前置庫、西麗水庫前置庫和石巖水庫前置庫。一類在庫區近路旁建設緩沖庫，沉淀突然事件受污染水體，并及時排干前置庫，例如茜坑、赤坳水庫前置庫。

二、前置庫濕地工程建設實踐與總結

根據《深圳主要水庫建設河口自然濕地前置庫前期項目建議書》，深圳市開展了石巖、甘坑、西麗、赤坳等水庫前置庫濕地工程建設，目前西麗水庫前置庫濕地仍在建設中，其余三宗水庫前置庫濕地已經建設完成并投入運行。由于技術協調等多方面問題，茜坑和鐵崗水庫前置庫濕地未按規劃進行建設。

2.1 建設目的

從功能上分析，赤坳水庫前置庫上庫、西麗水庫D區前置庫和生態濕地建設目的主要是為了應對突發污染事件的發生。

甘坑水庫、西麗水庫A、B、C、E區、石巖水庫西岸前置庫和生態濕地系統等是為了采用水生植物的生態修復功能，凈化入庫水質，截留初期雨水，并在特殊事故中，截留污水，為應急處置爭取時間。

上述兩種前置庫濕地，是前置庫濕地主要功能的代表。

各水庫建設目的見表2-1。

2.2 前置庫選址

前置庫濕地選址需要考慮處理建設目的及周邊環境：

1 選擇入庫河口位置

入庫河口建設前置庫濕地，可通過設置截流閘，控制河道水體使其進入緩沖庫和水庫，并在緩沖庫前建設涵養林，如石巖水庫前置庫濕地。

2 選擇緩坡、菜地和魚塘位置

若庫尾有緩坡、菜地或魚塘等條件，應充分利用菜地、魚塘等進行前置庫濕地布置，菜地和洼地改建成前置庫濕地，可根據地形，相應配置漫流式濕地與穩定塘，魚塘改建成前置庫濕地，可以根據水深，合理配置相應植物。

3 選擇交通道路旁

緩沖突發水污染事件作用的前置庫濕地，應結合交通道路位置，在事故多發地段設置前置庫濕地，例如赤坳前置庫工程靠近坪葵公路，以應對赤坳水庫突發事件頻繁發生的情況。

2.3 前置庫水力停留時間與水流調節

在前置庫設計過程中，為使入庫徑流中的污染物能被有效去除，必須有足夠庫容以受納絕大部分徑流并保證足夠的滯水時間。根據國外研究結果，營養元素的去除率和滯留時間呈正比例關系，前置庫在滯水時間為2～12 d情況下，對正磷酸鹽的去除率可達34%～61%，對總磷的去除率可達22%～64%。

前置庫濕地庫尾設置水閘來控制水力停留時間，設置兩孔水閘，一孔為控制閘，一孔為擋水閘，控制閘處于常開狀態，關閉擋水閘。

下雨時初期雨水通過控制閘進入前置庫濕地，處理后進入水庫，保護水庫水體；當河道水位達到設計水位時，控制閘處于開啟狀態，河道水體通過排洪渠進入水庫；洪水期，開啟控制閘排洪。

在低水位時，開啟擋水閘，夠放空前置庫，方便檢修、清淤。

1 水力停留時間與前置庫庫容的關系：

西麗水庫A區前置庫庫容為4.3萬m3，水力停留時間為1.15d，B區前置庫水力停留時間為11.9d，庫容為1.5萬m3，C區麻磡河前置庫，濕地設計水力停留時間為3.21d，穩定塘水力停留時間為3.04d，大磡河前置庫濕地設計水力停留時間為8.15d，D區緩沖庫有效容積為8.18萬m3，E區緩沖庫的有效庫容為1.24萬m3，緩沖庫水力停留時間為22d。

甘坑水庫前置庫庫容為2.28萬m3；赤坳水庫前置庫庫容為4.22萬m3；石巖水庫東岸緩沖庫庫容為30萬m3，西岸前置庫（2宗）庫容均為2萬m3，人工濕地規模為1萬m3。

前置庫濕地庫容是水力停留時間的重要因素，來水條件一致的情況系，前置庫濕地庫容與水力停留時間成正相關關系。上述水庫前置庫濕地庫容均大于2萬m3，為保障水力停留時間，前置庫濕地有效庫容不應過小，若用地條件有限，可考慮布置“之”字型溝槽，增加前置庫濕地有效處理庫容。

2 水力停留時間與前置庫濕地來水水質關系，前置庫濕地來水水質較好，停留時間可以適當減少，來水水質較差時，應延長受污染水體在前置庫中停留時間。例如西麗水庫前置庫濕地A區來水已經過白芒河人工快滲系統處理，水質優于其他區前置庫濕地來水水質，停留時間遠小于其余各區。

2.4 土壤特性、植被生長及水生植物

1 土壤特性

前置庫庫尾多為砂質土，池塘多為淤泥，具備植物種植條件。

砂質土挖成的前置庫濕地，第一年植物不容易成活，應放置一年以上，讓庫底存有淤泥，再種植植物，能有效提高植物存活率。

魚塘改建的前置庫濕地，可以通過合理搭配，當年種植植物。

2 植被生長

（1）喬木和灌木

在坡度較緩、水位消落變化相對較穩定區域，樹種選擇耐水樹種，包括紅樹林，海桑等，以及白千層、水翁、水松等；該類樹種具有多年生，生長緩慢，管理成本低的特點。樹林的建立，對庫區鳥類及生物多樣性都有較大的貢獻。

在本次分析前置庫濕地中，甘坑水庫前置庫通過種植植物進行入庫水體污染成分削減，種植海桑兩排，采用“品”字形栽植于土埂背水面。種植竹節樹兩排，采用“品”字形栽植于土埂頂面。

紅樹林種植土壤要求具有高水分、富含有機質等特點，紅樹林群落根系發達，適應于水漲水落，對水體水質凈化的能力和污染緩沖能力均有極大提高。

（2）挺水、沉水植物

石巖水庫西岸和西麗水庫均種植蘆葦和香蒲。蘆葦和香蒲都是挺水植物，其中蘆葦是常見水邊植物，適宜水深從幾厘米至1米以上，對氮、磷、COD5有很好的去除效果，根系發達，抗沖能力強。香蒲為多年生宿根性沼澤草本植物，適宜水深0.15厘米～60厘米，對氮、COD5有很強去除效果，根系發達，抗沖能力強。

西麗水庫前置庫深水區種植苦草等漂浮植物和菹草等沉水植物，苦草對氮磷、COD5均有較好的去除效果，菹草為耐寒植物，增強冬季濕地的處理效果，主要去除COD5。各前置庫情況見表5-1，表5-2。

2.5 存在問題

前置庫濕地研究和工程實踐還在不斷完善，前置庫濕地實際運行中，還出現了一些新的問題，需要不斷進行總結：

一是石巖水庫東岸前置庫在運行中，由于石巖正常水庫目前經常處于高水位運行，閘門有時候不能按照要求正常開啟，致使截流污水有時過久停留在前置庫內，直至污水水位雍高到能排入截污箱涵中時，才能將污水引走。

二是甘坑水庫前置庫溝槽坡降0.112%，溝槽為梯形斷面，深度0.8-2.2m，土埂迎水面坡比1：2，土埂和溝槽的坡度略陡，減少了與水體的接觸面和植物的有效種植率，將土埂坡度放緩，效果會更好。

三是西麗水庫來水的垃圾問題，西麗水庫麻磡河來水中存在大量的垃圾，對前置庫滲透壩運行產生了不良影響，應采取一定的工程措施解決這一問題。

三、優化前置庫濕地設計模式

1 建設前置庫濕地排洪通道

前置庫濕地排洪通道是保障前置庫安全運行的重要水工建筑物，在前置庫設計時，應特別重視，既要保證行洪安全，又要保證前置庫在運行時水流暢通。

2 設計水位確定

設計前置庫濕地時，要根據該水庫常年運行水位來確定前置庫進出水口的水位，前置庫最低水位應高于主庫日常運行水位，確保前置庫能夠排干，讓前置庫土壤能夠翻曬，增加土壤含氧量，細菌分解能力，使植物根系更加發達，增加前置庫水體自凈能力。

3 設計“之”字溝槽

建議采用 “之”字型結構的溝槽（例如甘坑、石巖水庫前置庫），延長水流在前置庫中的流動時間，以增加土壤和水體接觸的比表面積，增加水體和土壤的氧氣交換。

4 溝槽坡度設計

溝槽設計應保證坡面一面略陡一面略緩，緩坡坡角在15～45°，多數情況下在25°左右，陡坡坡角一般在45°以上。緩坡利于植物生長，水生態系統形成，且緩坡退水較慢，利于鳥類棲息，陡坡利于排水，保證水流和土壤的氧氣交換。

5 前置庫濕地紅樹植物配置

大量的研究成果證明沿海紅樹林對水質凈化具有顯著作用，紅樹林是多年生植物，具有根系發達，適應水位漲落的特點，運用于前置庫濕地時，較草本植物有凈化能力強、便于管理、降低管理成本的優點。根據西麗水庫的種植實踐表明，水庫前置庫濕地淡水紅樹林種植是成功的，在華南地區，是前置庫濕地植物配置可選的品種，紅樹林淡水種植條件要求有淤泥質的土壤及水位的漲落，在前置庫植物配置時，要注意紅樹林種植的位置的選擇和水位控制。

6 前置庫濕地運行調度

水庫前置庫在運行時，應優化調度：

非暴雨和洪水期：關閉泄洪閘，打開前置庫進水閘，前置庫灌滿后讓水體在庫內停留3-7天后排入主庫，而后排干前置庫，干曬1-3天后，再次灌水，往復循環。形成前置庫濕地水位一漲一落周期，讓土壤能夠充分呼吸，減輕濕地土壤堵塞，提高前置庫濕地生物處理效率，延長前置庫濕地使用壽命。

②洪水時：打開泄洪閘，關閉前置庫進水閘，打開出水口，讓水體經原河道流入主庫，保障前置庫安全。③洪水過后：及時對水閘前后進行清淤、清渣，確保各水閘能正常運行。

7 在所有前置庫入口處，應考慮設置攔污構筑物。

四、小結

前置庫濕地的建設工作是一項開創性、跨學科的工程，在規劃和實踐的過程中，有許多需要總結的地方，在此基礎上，分析總結前置庫濕地規劃和實踐的經驗，針對水庫前置庫濕地設計和運行中存在的問題，提出優化設計建議和解決方法，為前置庫濕地的科學建設提供技術支撐。