都市飲用水庫水質(zhì)生態(tài)處理和分質(zhì)回用技術(shù)初探

王新斌，吳景華

（深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 深圳 518000）

修回日期：2023-08-16

第一作者簡介：王新斌（1972—），男，湖北云夢人，本科，高級工程師，從事水務(wù)工程建設(shè)管理工作。

0 前 言

都市飲用水水庫的水質(zhì)保障一直是各方關(guān)注的焦點。深圳石巖水庫水質(zhì)污染嚴(yán)重的問題，對此，深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心創(chuàng)新治理思路，采取生態(tài)處理與分質(zhì)回用相結(jié)合的方式，綜合治理水庫污染問題，取得較好的效果。

1 項目背景

深圳市石巖水庫位于深圳西部的茅洲河流域，這座總庫容為3154萬m3的中型水庫具有防洪、供水、調(diào)蓄等功能，是深圳供水網(wǎng)絡(luò)中重要的供水水庫之一，年供水量超過3.5億m3，受益人口380萬，2011年被列入全國重要飲用水水源地名錄，2013年深圳市鐵崗石巖水庫管理處通過國家級水利工程管理單位驗收，成為深圳首個國家級水利工程管理單位。

隨著深圳經(jīng)濟特區(qū)快速發(fā)展、自然環(huán)境開發(fā)過度，石巖水庫流域46 km2的集雨范圍內(nèi)建成區(qū)超過50%，成為典型的都市水庫。由于流域內(nèi)社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人口出現(xiàn)急劇增加，可滲透地面的面積比例逐漸變小，由暴雨徑流產(chǎn)生的突發(fā)性、沖擊性的都市面源污染已成為水庫水體水環(huán)境污染的主要來源之一［1］。

都市面源污染是指暴雨產(chǎn)生的徑流沖刷地面污染物（城市各類垃圾、粉塵、化肥、重金屬、大氣干濕沉降物、各種在地間上的排放物、植物的殘余物等），通過城市地表徑流帶入河道水庫等水環(huán)境而產(chǎn)生的污染，它是相對于點源污染而言的一種新型環(huán)境污染類型，亦稱為城市非點源污染［2-3］。不同于一般點源污染，城市的面源污染表現(xiàn)出隨機性、差異性和滯后性等特點［4］，這是因為它的發(fā)生源、遷移途徑和污染物的濃度等差別較大；城市的面源污染物質(zhì)一部分直接沉積在地表，其他的部分則飄散在空氣中隨著降雨進入路面或者土壤的表面［5］。沉積在地表的或通過降雨進入路面的污染物在降雨徑流過程中將最終進入地表水體，影響水體水質(zhì)。由于治污滯后，石巖水庫六條入庫支流帶來自產(chǎn)水徑流的同時也帶了污水，導(dǎo)致水庫水質(zhì)受到污染，嚴(yán)重影響了人民群眾的飲用水安全。據(jù)2003年11月4日《南方都市報》報道：石巖水庫的水資源質(zhì)量屬于極嚴(yán)重污染的超5級水質(zhì)，其主要超標(biāo)項目是氨氮、總氮。其水質(zhì)位列廣東省飲用水源倒數(shù)第二位。入庫污染的防控與庫區(qū)水質(zhì)的改善到了十分緊急的關(guān)頭。

石巖水庫流域內(nèi)有石巖河、麻布水等6條入庫支流，入庫污染來源主要為旱季漏排污水、雨季混流污水與面源污染。

漏排污水可以通過管網(wǎng)完善加以解決，但管網(wǎng)的完善尚需5～10年甚至更長的建設(shè)周期；在管網(wǎng)尚未徹底完善前，將不可避免存在雨季混流污水污染；且雨季混流污水與面源污染則隨降雨而來，入庫雨水帶來了水資源同時也帶來了污染，形成了水資源利用與水庫污染防控的矛盾對立。石巖水庫治污截污迫在眉睫。

2 創(chuàng)新治理思路

為實現(xiàn)水資源利用與污染防控雙目標(biāo)，提出了“截、治、清、補”的總體思路。“截”：山林清潔雨水截洪入庫利用，污水截排到污水廠處理，微污染雨水截流到人工濕地凈化。“治”：達(dá)標(biāo)雨水經(jīng)庫灣保護林前置庫進行水質(zhì)提升入庫；高污染雨水經(jīng)初雨調(diào)蓄池植物凈化，再回補下游河流景觀水。“清”：庫區(qū)沉積淤泥清理，高地回填，形成人工濕地系統(tǒng)。庫區(qū)違建清治，入侵物種清除，最大化的修復(fù)庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)。“補”：雨水經(jīng)濕地前置庫生態(tài)處理（其主要功能是蓄渾放清、凈化水質(zhì)［6］），經(jīng)監(jiān)測達(dá)到Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)后，回補水庫。庫外建設(shè)污水廠處理混流污水，出水回補河道。

2.1 建立數(shù)字模型，確定規(guī)模

面源污染是隨降雨徑流而產(chǎn)生的，面源污染負(fù)荷的影響因素有：降雨的強度、降雨量、降雨的歷時、城市土地的利用類型（如居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、城市道路等）、大氣的污染狀況、地表的清掃狀況等［7］。其中城市的圖例利用類型決定著污染物的性質(zhì)及累積速率［8］。因此建設(shè)單位耗時一年，組織40余人，設(shè)置了28個測驗點，分別在旱季和雨季對流域內(nèi)各支流、庫區(qū)的水文、水質(zhì)（PH值、COD、BOD、氨氮、總磷、總氮等）、水生態(tài)、土壤及基流、大氣環(huán)境進行了定期觀測、巡回測驗。并聯(lián)合北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境生物技術(shù)實驗室、環(huán)境模擬與污染控制的國家重點實驗室、數(shù)字城市及景觀生態(tài)學(xué)實驗室，進行數(shù)據(jù)分析、模擬耦合，建立流域降雨與水庫水質(zhì)之間的技術(shù)關(guān)系。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：石巖水庫流域東岸污染強度低于西岸，但容易被沖刷，降雨徑流污染物濃度高于西岸，水質(zhì)較差，是石巖水庫主要入庫污染源［9］，庫區(qū)污染呈現(xiàn)東線高污染負(fù)荷、西線低污染負(fù)荷的分布特征。

東線：包括石巖河、王家莊溪、深坑壢、白坑窩四條支流，總流域面積35 km2，建成區(qū)14.4 km2，總?cè)丝?0萬人，生產(chǎn)總值205億元。東線有旱季污水漏排入河，雨季降雨攜大量的點源污水及面源污染入河，降雨強度14.6 mm/h下，初期河流水質(zhì)濃度大于旱季，降雨歷時30 min，徑流污染物濃度隨降雨徑流的增加而減少，水質(zhì)好轉(zhuǎn)（見圖1）。

圖1 石巖河、王家莊溪降雨過程水質(zhì)變化關(guān)系

西線：以面源為主，降雨初期污染物濃度在短時內(nèi)增大，降雨歷時15 min后，徑流污染物濃度隨降雨下降（見圖2）。

圖2 麻布水、運牛坑水降雨過程水質(zhì)變化關(guān)系

通過監(jiān)測，建立庫區(qū)“降雨—徑流—水質(zhì)”的水環(huán)境數(shù)字模型，確定以氨氮和COD為控制指標(biāo)，合理確定東線截排到庫外處理的方案和規(guī)模，西線截流庫內(nèi)處理的方案和規(guī)模。

工程采用濃度控制的方式計算截排規(guī)模，當(dāng)入庫支流因降雨產(chǎn)生的雨污混合水水質(zhì)劣于控制指標(biāo)時，雨污混合污水經(jīng)截留在調(diào)蓄池內(nèi)，再通過隧洞排往庫區(qū)外，當(dāng)條件成熟時可處理達(dá)標(biāo)后回歸水庫；當(dāng)雨污混合水水質(zhì)優(yōu)于控制指標(biāo)時，雨水徑流直接進入水庫。入河污染物包括點源、分布源和非點源污染，點源污染以污水的形式入河，分布源和非點源受降雨的沖刷隨徑流進入河道，入庫口污染質(zhì)濃度采用在線監(jiān)測儀器進行實時監(jiān)測，當(dāng)入庫口污染物質(zhì)濃度不劣于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時，才可直接入庫。

為了盡量將不達(dá)標(biāo)的混合污水截出庫外，對《深圳市水文資料年鑒》（2002年版）石巖水庫雨量站40多年雨量記錄中的逐日降雨量表中大于5 mm的日雨量進行統(tǒng)計，分別計算出，每20場雨遭遇一場（P=5%）、每10場雨遭遇一場（P=10%）、每7場雨遭遇一場（P=15%）、每5場雨遭遇一場（P=20%）的雨型的徑流過程。根據(jù)分布源和面源污染物沖刷規(guī)律計算，得出不同頻率下每場降雨徑流在石巖河口形成的污染物濃度瞬時值，由此得出每場降雨所對應(yīng)需要截走的量。最終，石巖河截排規(guī)模確定為：隧洞規(guī)模20 m3/s+調(diào)蓄池庫容30萬m3。

2.2 區(qū)別污染輕重，分而治之

東線建成區(qū)污染負(fù)荷高，西線非建成區(qū)污染負(fù)荷低，采取東、西線分別處置。規(guī)劃思路見圖3。

圖3 規(guī)劃建設(shè)思路

東線：對于上游林地清潔雨水，截洪入水庫，充分利用本地水資源。對處于建成區(qū)、污染嚴(yán)重河段，旱季污水截排至下游污水處理廠，漏排部分截排到人工濕地；雨季水量小、污染重的初期雨水，在河口設(shè)截污閘，截流閘設(shè)置常開狀態(tài)，這樣，水流在河道內(nèi)由擋水閘攔截，超過控制指標(biāo)混合污水進入截流系統(tǒng)，當(dāng)水質(zhì)優(yōu)于地表水Ⅲ類時，通過自動控制把截流閘關(guān)閉，擋水閘在水質(zhì)優(yōu)于地表水Ⅲ類或洪水時開啟，讓符合入庫要求的水進入水庫。通過箱涵、隧洞，截排至庫外及茅洲河綜合整治工程；水量大、污染較輕部分混流污水經(jīng)庫尾截污明渠進入調(diào)蓄庫，經(jīng)泥庫上部建設(shè)的濕地處理后，現(xiàn)狀泥庫上部建設(shè)的水平流人工濕地面積15萬m2，其水深0.5 m，其上種植有挺水植物，其對有機物、懸浮物等去除效果優(yōu)良，污水從進口緩慢流過濕地表面，污水經(jīng)溢流流出，將水質(zhì)處理至一級A后進入庫外茅洲河，作為景觀水補充（見圖4）。

圖4 東線的工藝流程

西線：運牛坑水和麻布水微污染水，對入庫微污染水進行水質(zhì)“識別”，采用水質(zhì)在線監(jiān)測儀器實時監(jiān)控水質(zhì)情況，當(dāng)水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時可準(zhǔn)許入庫，對未達(dá)到入庫標(biāo)準(zhǔn)的混流污水截入調(diào)蓄池，經(jīng)生態(tài)礫石床——潛流人工濕地處理，達(dá)標(biāo)回補水庫（見圖5）。

圖5 西線的工藝流程

為實現(xiàn)對入庫微污染水進行水質(zhì)“識別”，項目專門研究并成功運用了新型實用專利技術(shù)。該技術(shù)被列入“2014年度水利先進實用技術(shù)推廣指導(dǎo)目錄”發(fā)明專利“城市河流雨污混流管網(wǎng)水流分質(zhì)排放”技術(shù)。

庫區(qū)：對底泥污染進行清淤，利用徑背村處庫尾設(shè)置泥庫，泥庫干化后，建立人工濕地，對東線調(diào)蓄庫水進行處理。同時，清理庫周違建和外來物種，建設(shè)庫灣保護林濕地，進一步對達(dá)標(biāo)入庫雨水進行生態(tài)凈化（見圖6）。

2.3 強調(diào)生態(tài)處理，分質(zhì)回用

污水：進入庫外污水處理廠處理，作為河道景觀用水。高污染雨水：截入下游茅洲河綜合整治工程，送至初雨調(diào)蓄池處理排放；微污染雨水：根據(jù)相關(guān)研究，水平潛流人工濕地系統(tǒng)對微污染原水有較好處理效果［10-11］，因此本工程微污染雨水進入潛流人工濕地處理，達(dá)到地表水Ⅲ類后回歸水庫；未達(dá)到入庫標(biāo)準(zhǔn)，作為庫外河道補水。達(dá)標(biāo)雨水：進入庫灣保護林進一步提升水庫，回歸水庫。

按照該總體思路本工程興建東、西線兩個截排系統(tǒng)，東線截排系統(tǒng)截排王家莊溪、石巖河、深坑瀝、白坑窩等支流受污染水體，最終將該受污染水體（污染水體列為茅洲河綜合治理項目任務(wù)）繞過水庫排往庫下游茅洲河綜合整治工程，輸送下游處理，主要工程項目有（從上游至下游依次為）：DN2200截污管道775 m（設(shè)計流量15 m3/s），石巖河六孔截污擋水閘（其中四孔擋水閘單孔寬12 m，兩孔控制閘單孔9 m，閘門高2.918 m，設(shè)計流量462 m3/s），截污箱涵1 757.81 m（B×H=3×3 m，設(shè)計流量20 m3/s），截污明渠940m（底寬10m，渠堤頂高37.35m，設(shè)計流量為69 m3/s），庫容30萬m3調(diào)蓄庫1座，385 m均質(zhì)土壩一條（壩高9.5 m，壩頂寬5 m），截污隧洞2 045 m（斷面尺寸D=3 m，設(shè)計流量20 m3/s），豎井3座，巡庫路2 078.91 m，管養(yǎng)房1座（總建筑面積632.62 m2）；西線截排系統(tǒng)通過新建兩座前置庫濕地，利用分質(zhì)排放、生物凈化的方式對入庫水體進行處理，主要包括麻布水和運牛坑水設(shè)置前置庫濕地系統(tǒng)兩座（污水處理能力分別為0.5萬m3/d和0.3萬m3/d）。

3 建設(shè)過程

2006年8 月石巖水庫截污工程項目建議書經(jīng)市發(fā)改局批準(zhǔn)，2008年被納入“深圳市十大重點工程”。工程總投資2.09億元，工期3年，屬大型城鄉(xiāng)水務(wù)工程。工程于2008年12月開工，2012年11月通水運行，2012年12月所有單位工程完成完工驗收。2013年6月，石巖水庫被評為“國家級水利工程管理單位”。2014年4月通過深圳市水務(wù)局主持的竣工驗收。2014年11月被中國水利工程協(xié)會評為“中國水利優(yōu)質(zhì)工程大禹獎”。

4 結(jié)束語

在項目前期設(shè)計階段率先引入初（小）雨截排理念，使用“城市河流雨污混流管網(wǎng)水流分質(zhì)排放”技術(shù)，對水系來水有選擇的排放和利用；首次將清污分流技術(shù)應(yīng)用到水利工程，將庫區(qū)雨水分為清潔雨水和受污染的雨水，分別直接利用和處理后回用。開創(chuàng)了水文與水質(zhì)的耦合，將傳統(tǒng)水利重視大暴雨的洪量計算，向現(xiàn)代水務(wù)關(guān)注的小雨水的水質(zhì)分析轉(zhuǎn)變。

石巖水庫截污工程的建設(shè)，增強了水庫的防洪和調(diào)蓄能力，極大提升了水質(zhì)安全保障率；清潔雨水直接入庫，人工濕地生態(tài)處理系統(tǒng)日處理污水量0.8萬m3，本地水資源利用率提高67%；系統(tǒng)年污水截排量1 200萬m3，消減COD 1 220 t，入庫污染負(fù)荷削減率94%，水庫水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率100%。工程竣工一年，經(jīng)歷了汛期洪水、雨季面源和旱季污水的考驗，石巖水庫水質(zhì)全面好轉(zhuǎn)，為深圳市寶安區(qū)、光明區(qū)380萬人口的飲水安全提供了有力保障；項目建設(shè)，也使周邊生態(tài)系統(tǒng)得到修復(fù)，景觀有較大的改善。如今的石巖水庫水質(zhì)清澈，岸邊鮮花飄香，構(gòu)建了一幅和諧優(yōu)美的生態(tài)畫卷，是城鄉(xiāng)水系整治和生態(tài)治理工程的典范。