飲用水水源保護區上游支流污染評估與控制方案研究

李可心，宛立，張翠雅，衣隆強，韓蕊,2，榮馨宇，吳英海

（1.大連海洋大學，遼寧大連116023；2.設施漁業教育部重點實驗室，遼寧大連116023）

引言

近年來，我國經濟迅速發展給水體帶來的影響越來越大，城市飲用水水源的保護迫在眉睫[1]。近年來，隨著立法等有效措施的實施，點源污染已經得到一定程度控制，而面源污染時空范圍大，具有不確定性，其成分和產生過程也復雜，由農業生產生活引起的非點源污染在相當長的時間內將成為制約水環境改善的重要因素[2]，其控制和治理一直是國內外學者關注的重點內容之一。根據面源污染的形成特點和發生過程，其控制和治理包括源控制、徑流污染物傳輸控制過程和匯系統治理，在這三個控制層面上選擇和應用相應的技術是目前非點源污染治理的主要途徑。隨著水源保護工作的持續深入，水源污染防治技術逐漸成為水源地保護研究的重點問題。

目前，針對飲用水水源地生態修復工程的研究和應用多著眼于單一的生態修復技術，應從整體上進行系統規劃和生態修復[3]。本文介紹了遼寧省大連市碧流河飲用水水源地上游5條支流的概況，對水源地上游支流水質進行評價和污染源解析，選擇其中一條代表性支流對其非點源污染源進行估算，并提出“四層生態控制”工程方案。本研究可為飲用水水源地保護技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

碧流河飲用水水源保護區是大連市最大的水源地，是大連人民的生命之源，位于普蘭店、蓋州交界處，距大連中心城區約170 km（圖1）。1974年經國務院批準，于1975年動工興建，1983年落閘蓄水，1986年10月竣工，通過國家驗收交付使用。碧流河水庫位于大連市最大河流的碧流河干流上，壩址距河口55 km。碧流河水庫上游有數條徑流流入庫區，其中位于普蘭店域內5條入庫支流的位置和流經村落概況如圖1和表1所示。

圖1 碧流河水庫及上游支流位置圖

表1 碧流河水庫上游位于普蘭店境內的5條支流的位置和流經村落概況

1.2 水質分析與評價方法

1.3 農業面源污染排放量

先進行實物排放量計算，分別采用公式（1）和（2）計算種植業污染物排放量[7,8]和畜禽養殖污染物排放量；再采用式（3）計算農業面源污染等標排放量[9]。

式中，Pi為種植業的污染物i的排放量（kg）；Aj為第j種土地利用類型的面積（hm2）；L為污染物i在第j種土地利用類型中的流失系數（kg/hm-2）。

式中，Mi為畜禽養殖污染物i排放量（t/a）；Nu為畜禽養殖類型u的養殖量（頭或羽），由各鄉鎮實地調查得到；Pu為畜禽養殖類型u的糞污排泄系數（kg/頭）；Giu為畜禽養殖類型u糞污中污染物i的含量；Tu為畜禽養殖類型j的糞污處理利用率（%），由抽樣調查得到。

式中，SPi為污染物i的等標排放量（m3/a）；RQi為污染物i的實物排放量（t/a）；C0i為污染物i基于水環境功能分區的水質控制類別標準值（mg/L）。

2 結果分析與討論

2.1 支流水質評價與污染源解析

對上述5條支流進行采樣和水質分析，水質結果如表2所示。

表2 碧流河水庫上游普蘭店境內5條支流水質監測結果（mg/L）

2019年水環境質量公報顯示，碧流河水庫水環境質量持續良好，水質以優為主，Ⅰ類至Ⅲ類水質占比81.0%，同比上升9.6%，無Ⅴ類和劣Ⅴ類水質。相關文獻也表明[10,11]，近年來水庫水體的總氮、氨氮、硝酸鹽氮和硫酸鹽等水質指標都有提高趨勢，但仍存在總氮、溶解氧偶有超標，雖然總體上不構成水體富營養化的條件，但存在著水體富營養化的隱患。由表2可知，碧流河水庫上游5條支流均受到不同程度的污染，支流1和支流5的BOD5、氨氮、TN、TP含量嚴重超標，均未達到地表水Ⅲ類[6]，支流2、3、4受污染程度較支流1、2輕，但仍存在TN、TP含量超標且未達到地表水Ⅲ類要求。可見，支流污染是導致碧流河整體水質有下降趨勢的重要原因。結合現場調查和文獻報道[11]，支流水質受到污染的原因主要有：（1）水庫區域內有大量居民，大量農村生活污水排入水源保護區，鄉鎮人口集中區將大量生活垃圾直接推到河道，日常垃圾隨意丟棄；（2）流域內以農業經濟為主，大量養殖家禽及牲畜，大量糞便未經處理隨意排放，造成大量富營養物質排入水源地；（3）近年來水庫水位降低，村民開墾荒地或挖沙取土，造成水力侵蝕性的水土流失，氮、磷、鉀、農藥以及其他有害物質隨泥沙流入支流并匯入水庫，造成河道淤積和水質污染；（4）碧流河水庫區域工業污染、醫療污染以及飲食行業造成的污染十分嚴重，且大多無環保措施。

2.2 代表性支流污染物負荷估算

結合表1近幾年的水環境質量檢測表可知，支流1的CODCr、BOD5和NH4+-N等指標在5條支流中污染程度較其他幾條支流更為嚴重，故選擇支流1進行污染源排放量估算和生態恢復建設工程具有代表性。其他支流參考同樣方法進行。分別計算污染物實物（表3）和等標排放量（表4）后，得到碧流河流域支流1農業面源BOD5、CODCr、TP和TN的實物排放量分別為1033.0 t/a、1169.9 t/a、80.5 t/a和252.1t/a。

表3 支流1污染物實物排放量(t/a)

表4 支流1污染物等標排放量（m3/a）

2.3 污染控制修復方案

根據前述分析，支流1具有代表性。本研究以支流1為例提出污染控制修復方案，其他支流參考同樣方法進行修復。支流1設置“四層生態控制”工程方案，包括（1）截污工程及人工濕地污水處理工程、（2）流域農業面源污染濕地治理工程、（3）支流濕地生態修復和建設工程、（4）濕地生態、水質監測與河道管理工程，工程方案布置位置及工程內容分別見圖2和表5。

表5 支流1水污染“四層生態控制”工程方案內容

圖2 支流1水污染“四層生態控制”工程方案的位置

（1）截污工程及人工濕地污水處理工程。對農村污水中的黑水采用非水沖糞尿分集式衛生廁所進行控制，灰水采用小型人工濕地技術，以碎石、砂礫等為生物附著填料，水力負荷為10～30cm/d，利用村落空地作為小型生態處理工程場地，灰水凈化后可用于農田或道路灑水。人工濕地：①填料選擇：由碧流河水質可知，應加強對氮、磷的去除，且該河流地處冬季寒冷地區，選擇潛流濕地最為合適，用沸石、蛭石、工業副產品等作為填料，總厚度控制在0.6m左右。②植物選擇：擬選用香蒲、蘆葦等根系發達、繁殖力強、具有較強輸氧能力和除氮、磷能力的植物，同時也種植燈心草等耐寒植物。③預處理：為去除SS和一些容易導致填料堵塞的不利于后續濕地處理的物質，選擇格柵、沉砂池作為預處理設施。④人工濕地配水系統采用階梯式進水，可避免濕地床堵塞和提高SS和有機物的去除，利于后續的植物生長及脫氮過程。⑤防滲處理：防止人工濕地給地下水造成污染，應用黏土等基底料進行夯實。

（2）流域農業面源污染濕地治理工程；建立生態溝渠并設置植被緩沖帶區，在整條支流上分四段分別剪力生態溝渠，總長約2103m，在農田排水渠種植美人蕉等植物利用其根系攔截吸附氮磷等污染物。植被緩沖帶區利用原有岸邊林帶構建以紅竹、板果和楓楊等為主林層的喬、灌、草復層河岸植被緩沖區。同時農業技術部門要在種植技術上進行專業指導，使小流域農業土地得到合理的使用。發展有機農業，降低農藥使用量，促使農業面源的污染程度降至最低。

（3）支流濕地生態修復和建設工程。①前置庫工程（含生態堤壩+生態浮島）：工程面積約為23050m2，其中，固定化區域長1230m，復合水生植物床長203m，寬171m，前后留150m的沉降隔離區域，在浮床上種植美人蕉、蘆葦、荻、多花黑麥草、稗草等植物，生態浮床或生態浮島利用植物和根區微生物共生，產生協同效應去除水體中的氮磷及懸浮顆粒。②生態護坡：采用植被型生態技術，工程長約為1.5km，在護坡內填充營養土，并在護坡表面栽種黑麥草、兩耳草及高羊茅草等植物。該方式有利于維護岸坡穩定性，為水中生物提供了棲息地和活動的場所，減少養護費用。③復合人工濕地：選擇垂直潛流人工濕地(VSFCW)、水平潛流人工濕地(HSFCW)和自由表面流濕地(FWSCW)串聯組合而成的復合人工濕地，該系統對CODCr、NH4-N、NO3-N、TN、TP、TSS、F-、Ni和大腸埃希氏菌(E.coli)的去除率較高，隨季節變化也較為穩定[12]。④底泥清淤：靠近村落的徑流，位于橋梁附近的河段往往堆積生活垃圾和農業垃圾等，采用底泥清淤方法對不同粒徑的泥沙清淤物進行清除，淤泥進行綜合利用或衛生填埋，清淤總長約1.5km，清淤泥層厚度約為0.3~1.5m。

（4）濕地生態、水質監測與河道管理工程：①每個季度對濕地植被、沖刷情況進行一次跟蹤調查；②對碧流河水庫支流1進行水質監測，分別在豐、平、枯水期設置采樣斷面5個，每年采樣8~12次進行檢測分析。③河濱植被緩沖帶管理維護：沿岸1km設置植被緩沖帶，同時進行科學管理。④農村、農業垃圾處置和處理：垃圾進行分類處理。

3 結論

為了解決入庫河流水體污染導致的下游飲用水水源保護區水質下降問題，本研究對碧流河上游支流流域進行實地考察，評估水體污染程度及解析污染源，選擇具有代表性的支流1進行生態工程建設，提出了“四層生態控制”工程方案，圍繞點面源污染，利用生態工程方法首先對污水進行截留、凈化和農田回灌利用，實現首層控制，其次利用流域農業面源污染濕地治理工程作為第二層控制設施，再次對支流進行濕地生態修復和建設作為第三層控制措施，最后，作為最后一道治污屏障，對濕地生態、水質和河道進行后續定期監測維護。本研究將為飲用水水源地保護提供技術參考。