云南高原水庫面源污染防治中人工濕地工程技術應用探討

周 鋮

(國家林業局昆明勘察設計院，云南 昆明 650000)

1 引言

由于地形地貌的特殊性，云南多地均以水庫型取水方式作為生產、生活取水的主要方式。近年來云南省參加水質評價的190座水庫水質總體達標率約為96%，但有12%的水庫存在不同程度的富營養化現象，水質超標項目為總磷、五日生化需氧量和pH值等[1]。為保證水庫水質達標，保障生產、生活供水安全，需要在水庫上游實施點源、面源污染防治措施，其中面源污染治理是污染防治的難點[2～5]。建設人工濕地是一項投資省、運行費用低、管理便捷的面源污染治理措施，目前已迅速發展和應用于河道水質提升、污廢水處理、暴雨徑流處理等方面，對TP、氨氮、COD等均有較好的去除效果，適用于多源性、廣泛性的污染防治[6～8]。

寶象河水庫位于云南省昆明市官渡區大板橋境內烏納山西麓，匯水面積67 km2，正常蓄水水位2052.0 m，設計洪水位2052.5 m，正常庫容1929萬m3，現承擔著滇中新區空港經濟區及主城部分區域的供水任務，是該區域社會經濟發展的重要基礎。近年來，根據昆明市環境監測中心每月一次的寶象河水庫庫區水質監測結果，寶象河水庫水質類別總體為Ⅲ類，但由于寶象河水庫入水口上游長期缺乏管理，上游區域還存在農田耕地面源污染，致使不達標的水體直接流入寶象河水庫中，對寶象河水庫水質構成了嚴重的威脅。為控制水庫上游污染物的流入，擬在水庫入水口建設人工濕地，構建入水口安全屏障。

2 基礎資料

2.1 設計流量

根據《寶象河水庫水文日報表》(2018年、2019年)，寶象河水庫進水總流量平均日旱流量約為0.55萬m3/d，合流最大流量為27萬m3/d。

據水庫管理部門統計，寶象河水庫主要入水口為瓦窯箐、新復箐、岔河3個入水庫口，進水流量分別為總進水量的70%、10%和10%。經現場調查瓦窯箐、新復箐、岔河入水庫口地塊進水口處水流斷面和流速，通過徑流面積校核，調查估算得到的進水流量與當日寶象河水庫水文日報表中的流量對比，數據基本吻合，故該處地塊進水設計流量可依據水文日報表數據計算(圖1)。 瓦窯箐、新復箐、岔河入水庫口三個濕地設計進水流量計算，如表1所示。

表1 設計流量

2.2 設計洪水位

根據寶象河水庫工程設計參數，該水庫防洪標準為三百年一遇，設計洪水位為2052.5 m，水庫溢流口標高為2052.5 m。

2.3 出水水質要求

根據《中華人民共和國水污染防治法》第十九條第三款規定：補給水源為地表水體時，該地表水體水質不應低于水環境質量標準Ⅲ類標準。結合云南省地方標準《高原湖泊區域人工濕地技術規范》(DB53/T 306-2010)中的人工濕地出水水質指標和寶象河水源地保護要求，盡可能提高出水水質，確定本項目濕地出水口水質控制標準如表2所示。

圖1 入水口濕地位置

表2 水質控制指標

2.4 進水水質

為確定濕地進水水質，對瓦窯箐、新復箐、岔河進水水質進行了實地調查，并按相關規范采集水樣進行水質檢測，檢測結果如表3。

表3 進水水質指標

對比進水水質和要求的出水質標準，可確定本項目水處理的主要任務為降低進水中的TN，并盡量減少SS、TP濃度。

3 工程設計

3.1 處理工藝選擇

人工濕地系統主要分為表面流濕地、水平潛流濕地和垂直潛流濕地三種，其中表面流濕地占地面積大、維護簡單，水平潛流濕地占地面積較小、運行費用較高，垂直潛流濕地占地面積小、運行費用高。本項目入水口濕地地塊區域均為狹長形，但可用面積有限，選用的濕地形式應具有較大的水力負荷，綜合考慮項目特點，選擇水平潛流濕地形式，進水從填料床內部緩慢流過濕地，為避免填料床堵塞，同時使處理水均勻進入濕地系統，在濕地處理池前端設置沉砂池(圖2)。

圖2 人工濕地設計工藝

3.2 處理工藝設計

本項目濕地工程水質處理工藝計算以水力停留時間和表面水力負荷計算，污染負荷作為校核。

3.2.1 計算表達式

水力停留時間：

式(1)中：t——水力停留時間，d；V——處理系統有效容積，m3；Q——系統設計水量，m3/d。

表面水力負荷：

(2)

式(2)中：qhs——表面水力負荷，m3/(m2·d)；A——處理系統面積，m2。

污染負荷：

(3)

式(3)中：qos——污染負荷，g/m2·d；C0——系統進水污染物濃度，mg/L；C1——系統出水污染物濃度，mg/L。

3.2.2 計算與校核

本項目預處理和濕地處理系統按最高日最大時旱流量計算。 經水力計算，瓦窯箐、新復箐、岔河水庫入水口濕地地塊三塊濕地有效面積分別取10348 m2、3150 m2、4593 m2，有效水深分別為1.0 m、0.8 m、0.3 m。校核結果如表4。

3.3 豎向設計

研究表明[4]，水平潛流人工濕地地面坡度宜為0.5%～3%。為充分體現濕地凈化水體的功能，結合進出水設計水位高程，本項目瓦窯箐和新復箐濕地水力坡度均采用0.5%，岔河濕地水力坡度采用1.9%。

3.4 進出水系統設計

水處理系統進水口一般采用單點布水、多點布水和滲濾埂布水三種方式。為保證濕地進出水系統布水集水的均勻性，并利于控制水位和監控出水水量和水質，本項目結合工藝特點及現場實際情況選用滲濾埂布水方式。滲濾埂采用石籠擋墻的形式均勻布置于攔水壩。滲濾埂布水滲流公式如下：

Q=KAI

(4)

式(4)中：Q——滲流量(m3/d)；A——孔口面積(m2)K——滲流系數(m/d)，參考相關水力學手冊取值400；I——水力坡降。

根據滲流量確定滲濾埂面積如表5所示。

3.5 植物選擇

人工濕地植物選擇是水質凈化的關鍵，科學選擇和配置水生植物對人工濕地系統建設具有重要意義，應遵循如下原則[9,10]。

3.5.1 功能性原則

濕地宜選用耐污能力強、根系發達、去污效果好、具有抗凍及抗病蟲害能力、有一定的經濟價值、容易管理的本土植物。

3.5.2 生態性原則

應最大限度保持濕地原始地貌，將濕地修復建設對原始環境的影響降到最低，保護原始植被的多樣性。

3.5.3 安全性原則

本項目水庫防洪設計標準為300年一遇，設計洪水位為2052.5 m，洪水位時高于設計種植土層頂面0.9～1 m，因此應選擇耐澇性強的植物。

4 運行管理

人工濕地建成后應做好運行管理和日常維護，包括如下幾個方面[11～14]。

4.1 植物管理

人工濕地種植初期應保證其存活率，冬季做好防凍，夏季做好遮陽防曬；根據不同植物類型在生長茂盛、成熟后及時收割處理；及時清理人工濕地填料表面的植物落葉及敗落的莖稈；極端降雨天氣后及時對濕地景觀進行恢復處理。

4.2 濕地清淤

每年定期清淤，至少每年雨季前必須有一次全面清淤，保持水體通暢；對濕地運行時間實行間歇進水和輪休工作，以恢復濕地基質滲透性；對已經堵塞的基質采取更換、翻新等方法進行堵塞恢復，疏通基質。

4.3 攔水壩維護

為加強濕地管理，要定期對攔水壩穩定性進行檢查，并定期清除攔水壩上的雜草，以免雜草蔓延到濕地處理系統中與濕地植物進行生存競爭。

4.4 進出水裝置維護

對進出水裝置要進行周期性的檢查并對流量進行校正；定期去除容易堵塞進出水系統的殘渣，采用高壓水槍或機械方法對浸沒在水中或埋在填料中的進出水管道進行定期的沖洗。

5 結論

結合寶象河水庫三處入水口基本條件建設人工濕地，可充分發揮寶象河水庫入水口濕地的調節功能和生態效應，改善入水口水質，保障寶象河水庫水質安全。該項目工程投資及運行維護成本低，對寶象河水庫水質提升具有現實意義，同時體現了人工濕地工程技術在云南高原水庫面源污染防治建設中的顯著優勢，值得推廣應用。