黃前水庫上游農村面源污染梯級凈化技術探析

宋慶健 王如巖 王 莉

(泰安市水文局，山東 泰安 271000)

黃前水庫位于大汶河二級支流石汶河上游，泰安市泰山景區黃前鎮北，始建于1958年，總庫容8248萬m3，是一座以防洪為主，兼顧城市供水、農業灌溉、水產養殖等綜合利用的重點中型水庫。水庫于1992年開始向泰安城區供水，日供水10萬m3，供水量占泰安城區總用水量的70%以上，是泰安城區主要的供水水源地。水庫上游為山區，由農村生活和農業生產而產生的農村面源污染是水庫主要的污染源之一。因此，加強對黃前水庫上游農村面源污染治理，對改善水源地水質狀況，保障城市用水安全是十分必要的。

1 黃前水庫流域概況

黃前水庫上游流域控制面積292km2，水庫流域系純山區，呈扇形，流域形狀系數0.66，河網密度系數0.26，長度21.1km，平均寬度12.7km，干流長度29.9km，干流平均坡度9.72‰，彎曲系數1.57，為東北西南走向季節性河流，河源深切、侵蝕強烈。

水庫流域內地層絕大部分為前震旦系的花崗巖、花崗片麻巖和混合巖，也有零星火成巖和變質巖分布。土壤類型主要是棕壤、砂壤，部分為黏土。棕壤呈微酸性，pH值在6左右，平均土壤厚度在0.3～0.5m左右。上游植被良好，森林覆蓋率40%～50%。

水庫流域屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，多年平均降雨761mm，主要集中在6—9月份，占年降雨量的75%左右。黃前水庫流域東、北、西三面環山，水源主要由泰山、長清嶺和大青山3條溪流匯聚而來，上游主要有麻塔河、下港河、石屋志河和紅河等河流，水資源比較豐富。

2 水庫農村面源污染分析

農村面源污染,是指農村生活和農業生產活動中，溶解的或固體的污染物，如：農田中的土粒、氮素、磷素、農藥重金屬、農村禽畜糞便與生活垃圾等有機或無機物質，從非特定的地域，在降水和徑流沖刷作用下，通過農田地表徑流、農田排水和地下滲漏，使大量污染物進入河流、湖泊、水庫等所引起的污染[1]。

黃前水庫上游為山區，村莊多沿上游河道及其支流而建，種植業及林果業是當地農村的主要產業。流域內農村生活及農業生產產生的農村面源污染是影響水庫水體質量的一個重要因素。

2.1 農村生活污染

黃前水庫流域內涵蓋泰安市泰山景區黃前鎮、大津口鄉、下港鎮和濟南市萊蕪區大王莊鎮等鄉鎮，共涉及70多個行政村，近8萬余人，人口密度平均275人/km2。流域內村莊及農戶大多沒有污水處理設施，含磷洗滌劑被當地居民廣泛使用，廚房污水、洗浴污水、洗衣污水、糞便水等排入上游河道。廚房殘余、廢電池、塑料等生活垃圾的亂堆亂放現象還比較普遍，有的沿河居民直接將生活垃圾倒在河道旁，當發生降雨時，雨水將生活垃圾帶入水庫造成污染。隨著水庫上游鄉村旅游業的發展，農家樂、鄉村民宿以及游客旅游中產生的污水和垃圾也是農村生活污染的重要來源。

2.2 農業生產污染

黃前水庫流域的氣候特征適宜農作物生長，種植業、林果業發展相對較快，農作物以小麥、玉米、地瓜、花生為主，林果業以板栗、蘋果、山楂為主。為提高農產品的產量，化肥、農藥、除草劑、農膜等被當地農民廣泛使用，過量的化肥、殘留的農藥和廢棄的農膜被雨水或農田排水帶入到水庫上游河道。為增加家庭經濟收入，農戶畜禽養殖比較普遍，產生的糞便露天堆放且不做無害化處理，糞便水隨雨水進入到上游河道[2]。農業生產中產生的秸稈、樹枝等再生利用率低，被當地居民隨便堆放，任由其腐爛，當有降雨時，腐水隨雨水進入上游河道，從而進入水庫，造成水庫水體污染。

3 河道梯級凈化技術方案選擇

農村面源污染分布廣，不確定性大，成分復雜，防控難度大。黃前水庫農村面源污染主要是上游農村生活和農業生產中的污染物經上游河流及其支流匯入水庫，造成水庫水體污染。黃前水庫農村面源污染治理是一項長期的系統工程，其中提升水庫上游天然溝渠河道的生態凈化功能，是水庫上游農村面源污染治理的重要措施之一。

黃前水庫上游山區水資源豐富，溝渠河道海拔較高，自然落差較大，水流動力具有地形優勢。山區溝渠河道碎石、砂礫材料豐富，氣候特征適于植物生長，本土植物適應性強，可建堰攔水建設滯留塘，種植水生植物建設人工濕地。同時，結合農村“一池三改”(沼氣池與改廁、改廚、改圈相結合),根據山區地形特點集中處理。通過提升河道自然生態環境，發揮重力沉降、植物吸收、微生物降解對河道水質的凈化作用[3]，選擇“農村處理水—滯留塘—自然曝氣—人工濕地”的梯級生態凈化技術。

4 梯級凈化方案設計

黃前水庫上游面積廣、村莊分散、住戶分散，梯級凈化方案應根據山區村莊及溝渠河道實際進行優化設計，實現滯留塘單元、自然曝氣單元、人工濕地單元的有機組合，發揮對上游受農村面源污染河流的生態凈化作用，將經過多級凈化的河道水體排入水庫。同時，充分利用河道地形、現有塘壩、原生植被，以降低建設運行成本。設計技術方案見圖1。

圖1 梯級凈化技術方案

4.1 農村處理水單元

加大政策及資金扶持力度，推進黃前水庫上游山區農村“一池三改”實施，考慮到山區農村住戶人口少且集中度低，宜以幾戶人家形成一個處理單元，對人、畜糞便、廚房污水、洗浴污水等進行集中收集處理排放。

4.2 滯留塘單元

顆粒物沉降是滯留塘去除污染物的主要途徑[4]。可利用水庫上游村莊及溝渠河道現有塘壩，也可根據上游河道地形，利用河道碎石等直接在河床上建堰攔水構建滯留塘，同時，在滯留塘內及岸坡種植適宜的水生植物。

4.3 自然曝氣單元

水庫上游溝渠河道自然落差較大，水流動力具有優勢。水體在流動過程中從高處跌落，也可根據河道地形設置跌水坎，形成落差跌水，使水體充氧。根據落差大小，跌水可做成單級或多級。可在河道內放置石塊，用石塊擋水，使水流濺起充氧,同時可將滯留塘出水面建成斜面式溢流堰，增加水體容氧量[3]。

4.4 人工濕地單元

在溝渠河道旁側或寬域處及河道入口等較大匯水處，構建溝槽或塘壩，填充一定土壤或砂石，種植蘆葦、水蔥、香蒲、美人蕉等水生植物，形成人工濕地，利用濕地系統處理河道污水。

5 梯級凈化方案效益分析

5.1 提高分解能力

梯級凈化方案充分利用黃前水庫上游山區及河道地形落差大、水流動力較大的特點，將農戶處理水及其他農村面源污水帶入河道滯留塘及人工濕地，利用溝渠河道高差起伏實現自然曝氣，無須投入額外動力支持。滯留塘延長了河道水體的滯留時間，降低了水流速度，加快了水體顆粒物的沉降[4]。河道水體經過多級自然曝氣，與空氣不斷接觸，及時補充水體微生物消耗的氧，增強了水中微生物分解污染物的能力，從而達到凈化河道水體的作用。

5.2 推動“一池三改”

推進農村“一池三改”，充分發揮沼氣綜合利用技術的作用，在對農村生活污染進行無害化處理、有效降低生活污染強度的同時，可改變山區農民的生活方式，提升農民生活質量，獲得較好的綜合效益。

5.3 發揮水生植物作用

凈化單元中種植的水生植物能夠大量吸收河道污水中的氮、磷等營養物質或將污水中的有害物質轉化為無害物質，還能降低河道水流流速，增加顆粒沉降，攔截河道中的大部分漂浮物及懸浮物。水生植物還能釋放氧氣，增強河道水體活性，美化周邊環境。

5.4 發揮微生物凈化作用

各凈化單元適于微生物的繁殖，能夠有效發揮微生物在河道污水處理中的作用，將大部分有機污染物分解變成對環境無害的無機物，提升河道水體質量。

5.5 建設運行成本較低

梯級凈化方案借用黃前水庫上游山區溝渠河道地形特點，可就地取材建設凈化單元，建設投資小，技術操作簡單，運行管理投入少。凈化單元還可設置成觀光生態景點，在水域較大的單元內適度養魚，增加農民收入，切實增加水庫上游山區群眾的收益。

6 結 語

黃前水庫上游農村面源污染梯級凈化方案充分考慮了水庫上游農村面源污染和山區河流地形特點等因素，通過各凈化單元的多級組合凈化作用，實現對黃前水庫上游河道及其支流的生態凈化，有效提升河道水體質量，降低水庫上游農村面源污染對水庫的影響，從而改善黃前水庫水質狀況。該方案具有投資小、易建設、運行費用低等特點，適合水庫上游山區河流污染的治理，具有較好的參考價值和實踐意義。