毛宅水庫水質(zhì)提升工程措施與實施效果

廖 偉，熊昭昭，謝亨旺，吳余金，時 紅，蘇 甜

(1.江西省灌溉試驗中心站/江西省農(nóng)業(yè)高效節(jié)水與面源污染防治重點實驗室，江西 南昌 330201；2.南昌大學 資源環(huán)境與化工學院/鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室，江西 南昌 330031；3.浙江大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 310063)

在我國，農(nóng)村地區(qū)大部分都采用手壓或者潛水泵直接提取地下水作為飲用水，一般是每戶一口水井，水源水未經(jīng)處理便直接飲用，飲用水安全方面存在許多問題[1-4]，而集中供水能增加飲用水前處理，提升飲用水安全性。隨著新農(nóng)村建設的推進和村鎮(zhèn)居民生活水平的逐步提高，特別是村鎮(zhèn)居民健康環(huán)保意識不斷增強，在村鎮(zhèn)集中供水日益增大的需求上，國家提出了農(nóng)村飲水安全工程建設。農(nóng)村飲水安全工程的實施極大地提高了農(nóng)村地區(qū)集中供水的比例，提升了農(nóng)村地區(qū)日常飲用水的安全性[5-6]。隨著經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)村飲水安全工程的持續(xù)投入，雖然大部分農(nóng)村地區(qū)農(nóng)村飲用安全工程運行良好，但仍有部分工程存在飲用水水質(zhì)指標部分超標等問題[3,7-9]，保護水源安全是保障農(nóng)村集中供水安全的前提條件和首要問題。

江西礦產(chǎn)資源豐富，也是農(nóng)業(yè)大省，受自然條件及經(jīng)濟發(fā)展等原因，加上農(nóng)藥、化肥的大面積使用和工業(yè)、生活污水的不達標排放等人類活動的影響，導致農(nóng)村飲水安全問題比較突出，在我國具有地區(qū)代表性[10-12]。同時，部分已建農(nóng)村供水工程標準低，缺乏水處理及保護措施，飲用水水量和水質(zhì)存在安全隱患，致使全省仍有一些農(nóng)村居民飲用水水質(zhì)較差。因此系統(tǒng)性地分析江西省農(nóng)村飲水安全工程現(xiàn)狀，剖析水源水污染來源，分析針對性可采取的防護措施十分必要。

本文結合江西省上饒市玉山縣毛宅水庫水質(zhì)提升工程設計與實施效果，探討了由養(yǎng)殖廢水過量排放后引起氮磷超標的水庫性水源地采取的措施和實施效果，為相關污染類型水源地綜合治理提供參考。

1 江西省農(nóng)村飲水安全工程現(xiàn)狀

1.1 江西省農(nóng)村飲水安全工程水源調(diào)查

江西省農(nóng)村飲用水主要分為集中式供水與分散式供水2種方式，據(jù)未公開發(fā)表統(tǒng)計資料顯示，江西省已經(jīng)建設農(nóng)村飲水工程53826處。其中，集中式供水工程22026處，受益人口2281.57萬人，占總受益人口的98.7%；分散式供水工程31800處，受益人口29.77萬人，占總受益人口的1.3%。其中，全省22026處集中式供水工程中有15658處采用地表水作為水源，受益人口1935.36萬人，

通過國家飲用水衛(wèi)生監(jiān)測系統(tǒng)，由于江西省農(nóng)村飲用水安全工程的實施，2017年全省11個設區(qū)市75個縣(市、區(qū))報告飲用集中式供水和分散式供水人口3959.61萬人，飲用集中式供水的人口比例占53.83%，飲用分散式供水的人口比例占46.17%。在飲用集中式供水的人口中，飲用地表水的人口比例占76.94%，飲用地下水的人口比例占23.06%。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上得出江西省農(nóng)村飲用水安全工程主要以地表水作為水源地。

1.2 江西省農(nóng)村飲用水水源防護問題分析

通過資料收集及現(xiàn)場調(diào)查分析表明：江西省農(nóng)村飲用水水源中，農(nóng)村生活污染是各類水源最主要的污染源，其次是農(nóng)業(yè)面源污染，工業(yè)廢水占比較少。污染物來源分類描述見表1。

從表1分析得出，農(nóng)村生活污染和農(nóng)業(yè)面源污染對水源水質(zhì)影響較輕微，有害污染物排放量不大，在采取一定環(huán)境管理及治理措施后，水源水質(zhì)較容易恢復，而如果有大量的畜禽養(yǎng)殖廢水排入水體，累積一段時間，特別是污染物沉入水底污染底泥后，則較難恢復，不得不采取工程措施。在靠近礦山或地勢比較低洼的地方，容易造成地方性水質(zhì)超標，需要根據(jù)污染源的特點采取針對性措施。

表1 江西省農(nóng)村飲用水水源污染物來源

2 農(nóng)村飲用水水源防護技術簡介

2.1 制定適宜的農(nóng)村飲用水水源水質(zhì)保護分區(qū)管理制度

整體而言，應該結合農(nóng)村飲用水源水水質(zhì)污染現(xiàn)狀，充分利用農(nóng)村飲用水水源保護分區(qū)管理技術，實行污染物總量控制為核心，兼顧水資源管理和利用，綜合考慮土地、環(huán)境、經(jīng)濟等要素，制定適宜的農(nóng)村飲用水水源水質(zhì)保護策略和相關管理制度[13]。

2.2 推廣農(nóng)業(yè)面源污染綜合防治技術

對于受面源污染的水源區(qū)域[14]，應該以污染源頭控制為主，過程削減為輔，開展水稻田間水肥高效利用綜合調(diào)控技術[15]，減少化肥的施用量及農(nóng)業(yè)排水；科學構建排水生態(tài)溝及塘堰濕地[16-17]，充分發(fā)揮排水生態(tài)溝及塘堰濕地對農(nóng)業(yè)排水水體中各類污染物的削減作用；完善農(nóng)村污水收集系統(tǒng)，開展農(nóng)村污水處理工程應用示范，如應用人工濕地生態(tài)修復技術處理農(nóng)村污水[18-19]，不僅能保障出水效果，而且可以提升景觀效果。

2.3 開展治理或處理技術

實行分區(qū)管理制度以及推廣農(nóng)業(yè)面源污染防治技術主要是為了減少污染物排入水源地。對于水質(zhì)達不到國家標準的水源地，則需要采取相關措施[20-21]。例如：地下水源含高濃度鐵錳，可以開展超濾膜凈化技術[22]；水體富營養(yǎng)化的水庫性水源地，可以開展清淤、生態(tài)修復[23-24]等技術或者采用聯(lián)合修復技術。

3 工程實例

3.1 工程簡介

毛宅水庫位于江西省上饒市玉山縣下鎮(zhèn)鎮(zhèn)毛宅村，為信江玉山水支流滄溪的上游(圖1)。水庫控制集雨面積10.5 km2，水庫正常庫容為1002.4萬m3，總庫容為1116.53萬m3，死庫容為10.0萬m3。毛宅水庫為玉山縣下鎮(zhèn)鎮(zhèn)農(nóng)村飲水安全集中供水工程項目的供水水源，該供水工程是江西省十二五規(guī)劃中農(nóng)村飲水安全項目之一。自2011年該供水工程立項以來，由于水庫水源污染問題，一直不能滿足國家生活飲用水水源水質(zhì)標準，受到各界關注，供水工程一直未及時投入使用。2017年先后采用劃分保護區(qū)、清淤、生態(tài)修復等技術改善水源的水質(zhì)。

3.2 治理方案

為解決水庫水源污染的問題，當?shù)卣扇×硕喾N聯(lián)合措施。改善水源水質(zhì)整體思路為：第一步為關停周邊養(yǎng)殖場，拆除污染企業(yè)，在水庫岸坡建設生態(tài)隔離帶，減少污染源；第二步為放空水庫，對污染嚴重的區(qū)域實施清淤工程，并利用適量的生石灰消毒和調(diào)節(jié)pH值；第三步在水位恢復后，在水庫取水口構建定做的人工生態(tài)浮島，加強水質(zhì)凈化效果。

圖1 毛宅水庫示意圖

3.3 工程措施與實施效果

3.3.1 環(huán)境管理措施控制源頭 針對毛宅水庫容易因農(nóng)業(yè)面源污染，尤其是水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜禽養(yǎng)殖等而導致的水源水質(zhì)氮、磷超標，水體富營養(yǎng)化，對毛宅水庫進行保護分區(qū)研究。河流取水口周圍100 m及上游500 m處，湖庫周圍500 m處設立隔離防護設施或標志。對集中式供水水源點劃定嚴格的保護區(qū)，禁止排污、堆放垃圾及濫采亂挖等活動。加強水資源保護的意義、重要性以及相關法律法規(guī)宣傳力度，完善地方水資源保護的政策法規(guī)體系。根據(jù)水質(zhì)保護的要求，制定相關水質(zhì)保護條例。加強取水、排污的監(jiān)督管理，控制新的污染發(fā)生。加強水質(zhì)監(jiān)測，通過控制斷面及控制點的監(jiān)測，了解水源地水域排污狀況和水質(zhì)變化趨勢，有效地實施水資源保護的監(jiān)督和管理，使監(jiān)測為水資源統(tǒng)一管理和保護服務。

依據(jù)國家及江西省地方劃定水源保護區(qū)的標準法規(guī)，結合毛宅水庫具體污染情況及周邊環(huán)境，劃定毛宅水庫全部水域為一級保護區(qū)水域、取水口一側半徑200 m陸地為一級保護區(qū)陸域，以及水域邊緣向外2000 m范圍陸地為二級保護區(qū)陸域。

在圖2中，藍色區(qū)域為毛宅水庫水域，其所有水域范圍劃為一級保護區(qū)；圖中紅色扇形為一級保護區(qū)陸域范圍，位于取水口一側200 m范圍內(nèi)；圖中不規(guī)則區(qū)域為二級保護區(qū)陸域范圍，由CAD對水庫水面輪廓進行2000 m偏移后所得，由于水庫為不規(guī)則形狀，因而偏移結果較粗略，實際劃定中應以保護水質(zhì)為前提，綜合考慮地理、人文等條件進行劃定。

3.3.2 清淤工程減少內(nèi)源污染 毛宅水庫周圍畜牧養(yǎng)殖業(yè)較多，大量的養(yǎng)殖廢水流入水庫，造成水質(zhì)惡化。毛宅水庫周圍污染土壤和清淤前后底泥監(jiān)測平均值見表2，毛宅水庫底泥有效磷含量較高。

圖2 毛宅水庫保護分區(qū)圖

表2 毛宅水庫清淤后底泥樣品變化情況

毛宅水庫清淤后，項目研究小組分別對水源多次采樣分析，研究結果如表3所示。

表3 毛宅水庫清淤后水質(zhì)變化情況

實驗數(shù)據(jù)表明，清淤后，毛宅水庫水質(zhì)平均總氮由1.31 mg/L降至1.21 mg/L，降低了7.6%；平均總磷有1.23 mg/L降至0.06 mg/L，降低了95.12%。毛宅水庫水質(zhì)在清淤后總磷含量顯著減低，水體中總磷由劣Ⅴ類水質(zhì)轉變?yōu)閮?yōu)于地表Ⅲ類水。而磷是造成淡水水華、藍藻爆發(fā)的控制性因子，清淤后極大促進了水庫水質(zhì)的改善。

3.3.3 建立生態(tài)浮島強化凈化效果 水庫生態(tài)修復技術常用的手段為清淤和水生植物生態(tài)修復，毛宅水庫水質(zhì)提升技術在啟動清淤工程后，也討論了構建生態(tài)浮島的工程措施，并于2017年10月在集中取水口上方安裝了生態(tài)浮島的工程措施。

如圖3所示，生態(tài)浮島面積為500 m2，采用HDPE可載人浮體構成，并設有人工隔水墻、納米曝氣泵具有固化微生物、曝氣復氧的作用，增強水體修復效果，種植美人蕉、梭魚草、水生鳶尾、風車草、狐尾藻等水生植物組合，可在當?shù)刈匀辉蕉?/p>

根據(jù)毛宅水庫水質(zhì)提升工程實施方案，水庫清淤后，為進一步改善水質(zhì)，在取水口上端建立生態(tài)浮島，生態(tài)浮島工程設計圖及效果圖如圖3所示。相對于清淤工程，生態(tài)浮島工程不僅具有效果持續(xù)時間長、經(jīng)濟成本低，還具有景觀價值。生態(tài)浮島項目實施后于2018年對毛宅水庫水質(zhì)進行了取樣分析，水質(zhì)數(shù)據(jù)見表4。

從表4可以看出，生態(tài)浮島安裝后水質(zhì)中總氮得到了大幅度降低，由地表Ⅳ類水轉變?yōu)榈乇恝箢愃凰|(zhì)中總磷的含量有所上升，多點平均值仍保持在地表Ⅲ類水標準。

圖3 毛宅水庫生態(tài)浮島設計及效果圖表4 毛宅水庫2018年構建生態(tài)浮島后水質(zhì)情況(清淤后)

項目ⅠⅡⅢⅣ總氮/(mg/L)0.29±0.010.16±0.020.15±0.010.15±0.02總磷/(mg/L)0.19±0.020.19±0.030.20±0.020.20±0.01氨氮/(mg/L)0.15±0.010.12±0.010.14±0.020.12±0.01pH值6.5±0.16.7±0.26.9±0.16.9±0.1

3.4 毛宅水庫生態(tài)修復對水庫水質(zhì)綜合提升效果

毛宅水庫為周圍農(nóng)村地區(qū)集中供水的重要水源地，其水質(zhì)的好壞直接關系到周圍居民的飲水安全。經(jīng)過課題組及相關專家的反復探討，毛宅水庫水質(zhì)提升技術應用了清淤和生態(tài)浮島組合工程措施。

如圖4所示，分別在水庫清淤前、水庫清淤后、水庫安裝生態(tài)浮島調(diào)試運行穩(wěn)定后分別對水庫水質(zhì)主要污染物總氮、總磷進行了監(jiān)測。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，項目實施后水庫水質(zhì)總氮、總磷去除率分別達到85%、90%，毛宅水庫生態(tài)修復對水庫水質(zhì)提升效果明顯。毛宅水庫主要污染物總氮、總磷分別由項目改造實施前的地表Ⅳ類、劣Ⅴ類水質(zhì)提升為地表Ⅲ類水標準，達到集中供水水源地的標準。

通過監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)得出，水源水水質(zhì)中總磷主要在清淤中削減，而總氮主要在安裝生態(tài)浮島后得到大量去除?？赡苁怯捎谒w總磷主要由底泥釋放引起，底泥與上覆水層生物活動頻繁，擾動劇烈，容易釋放到水體中，改造后底泥中有效磷含量降低，底泥釋放能力降低，大大降低了水體中磷素的含量。清淤后，水體總氮較清淤前有所降低，但水體總氮主要在構建生態(tài)浮島后削減，水體總氮是在構建生態(tài)浮島運行穩(wěn)定后完全達到地表Ⅲ類水水質(zhì)標準。

圖4 毛宅水庫改造后水質(zhì)變化情況

主要原因分析如下：(1)拆除了附近的養(yǎng)殖場，減少了氮源的流入，并通過安裝生物浮島對水質(zhì)起到了一定凈化作用，所以水庫水質(zhì)總氮含量持續(xù)降低；(2)通過清淤工程，大量降低了底泥中有效磷的含量，減少了內(nèi)源性磷素的來源；拆除養(yǎng)殖場、構建生物浮島對總磷有一定的凈化作用。

4 小結

通過調(diào)查與工程項目實施主要得出以下結論：(1)江西省農(nóng)村飲用水安全工程主要以地表水作為水源地，主要受到農(nóng)村生活污染和農(nóng)業(yè)面源污染；(2)對于總磷超標的水庫性水源，底泥修復技術可以極大地減少內(nèi)源性磷素的來源，具有較好的改善作用；(3)人工生態(tài)浮島技術用于處理氮、磷輕度超標的水源具有很好的效果。