都市飲用水庫水質生態處理和分質回用技術初探

王新斌，吳景華

（深圳市水務工程建設管理中心，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，從事水務工程建設管理工作。

0 前 言

都市飲用水水庫的水質保障一直是各方關注的焦點。深圳石巖水庫水質污染嚴重的問題，對此，深圳市水務工程建設管理中心創新治理思路，采取生態處理與分質回用相結合的方式，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、調蓄等功能，是深圳供水網絡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。

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

都市面源污染是指暴雨產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境而產生的污染，它是相對于點源污染而言的一種新型環境污染類型，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出隨機性、差異性和滯后性等特點［4］，這是因為它的發生源、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。由于治污滯后，石巖水庫六條入庫支流帶來自產水徑流的同時也帶了污水，導致水庫水質受到污染，嚴重影響了人民群眾的飲用水安全。據2003年11月4日《南方都市報》報道：石巖水庫的水資源質量屬于極嚴重污染的超5級水質，其主要超標項目是氨氮、總氮。其水質位列廣東省飲用水源倒數第二位。入庫污染的防控與庫區水質的改善到了十分緊急的關頭。

石巖水庫流域內有石巖河、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完善加以解決，但管網的完善尚需5～10年甚至更長的建設周期；在管網尚未徹底完善前，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 創新治理思路

為實現水資源利用與污染防控雙目標，提出了“截、治、清、補”的總體思路?！敖亍保荷搅智鍧嵱晁睾槿霂炖?，污水截排到污水廠處理，微污染雨水截流到人工濕地凈化?！爸巍保哼_標雨水經庫灣保護林前置庫進行水質提升入庫；高污染雨水經初雨調蓄池植物凈化，再回補下游河流景觀水?！扒濉保簬靺^沉積淤泥清理，高地回填，形成人工濕地系統。庫區違建清治，入侵物種清除，最大化的修復庫區生態系統?！把a”：雨水經濕地前置庫生態處理（其主要功能是蓄渾放清、凈化水質［6］），經監測達到Ⅲ類地表水標準后，回補水庫。庫外建設污水廠處理混流污水，出水回補河道。

2.1 建立數字模型，確定規模

面源污染是隨降雨徑流而產生的，面源污染負荷的影響因素有：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、工業區、商業區、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及累積速率［8］。因此建設單位耗時一年，組織40余人，設置了28個測驗點，分別在旱季和雨季對流域內各支流、庫區的水文、水質（PH值、COD、BOD、氨氮、總磷、總氮等）、水生態、土壤及基流、大氣環境進行了定期觀測、巡回測驗。并聯合北京大學深圳研究生院環境生物技術實驗室、環境模擬與污染控制的國家重點實驗室、數字城市及景觀生態學實驗室，進行數據分析、模擬耦合，建立流域降雨與水庫水質之間的技術關系。監測發現：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，水質較差，是石巖水庫主要入庫污染源［9］，庫區污染呈現東線高污染負荷、西線低污染負荷的分布特征。

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14.4 km2，總人口50萬人，生產總值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，水質好轉（見圖1）。

圖1 石巖河、王家莊溪降雨過程水質變化關系

西線：以面源為主，降雨初期污染物濃度在短時內增大，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?？铀涤赀^程水質變化關系

通過監測，建立庫區“降雨—徑流—水質”的水環境數字模型，確定以氨氮和COD為控制指標，合理確定東線截排到庫外處理的方案和規模，西線截流庫內處理的方案和規模。

工程采用濃度控制的方式計算截排規模，當入庫支流因降雨產生的雨污混合水水質劣于控制指標時，雨污混合污水經截留在調蓄池內，再通過隧洞排往庫區外，當條件成熟時可處理達標后回歸水庫；當雨污混合水水質優于控制指標時，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，入庫口污染質濃度采用在線監測儀器進行實時監測，當入庫口污染物質濃度不劣于地表水Ⅲ類水質標準時，才可直接入庫。

為了盡量將不達標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。根據分布源和面源污染物沖刷規律計算，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需要截走的量。最終，石巖河截排規模確定為：隧洞規模20 m3/s+調蓄池庫容30萬m3。

2.2 區別污染輕重，分而治之

東線建成區污染負荷高，西線非建成區污染負荷低，采取東、西線分別處置。規劃思路見圖3。

圖3 規劃建設思路

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、污染嚴重河段，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，在河口設截污閘，截流閘設置常開狀態，這樣，水流在河道內由擋水閘攔截，超過控制指標混合污水進入截流系統，當水質優于地表水Ⅲ類時，通過自動控制把截流閘關閉，擋水閘在水質優于地表水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庫尾截污明渠進入調蓄庫，經泥庫上部建設的濕地處理后，現狀泥庫上部建設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良，污水從進口緩慢流過濕地表面，污水經溢流流出，將水質處理至一級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?？铀吐椴妓⑽廴舅?，對入庫微污染水進行水質“識別”，采用水質在線監測儀器實時監控水質情況，當水質達到Ⅲ類水質標準時可準許入庫，對未達到入庫標準的混流污水截入調蓄池，經生態礫石床——潛流人工濕地處理，達標回補水庫（見圖5）。

圖5 西線的工藝流程

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

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

2.3 強調生態處理，分質回用

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，送至初雨調蓄池處理排放；微污染雨水：根據相關研究，水平潛流人工濕地系統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，達到地表水Ⅲ類后回歸水庫；未達到入庫標準，作為庫外河道補水。達標雨水：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，東線截排系統截排王家莊溪、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）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，設計流量462 m3/s），截污箱涵1 757.81 m（B×H=3×3 m，設計流量20 m3/s），截污明渠940m（底寬10m，渠堤頂高37.35m，設計流量為69 m3/s），庫容30萬m3調蓄庫1座，385 m均質土壩一條（壩高9.5 m，壩頂寬5 m），截污隧洞2 045 m（斷面尺寸D=3 m，設計流量20 m3/s），豎井3座，巡庫路2 078.91 m，管養房1座（總建筑面積632.62 m2）；西線截排系統通過新建兩座前置庫濕地，利用分質排放、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?？铀O置前置庫濕地系統兩座（污水處理能力分別為0.5萬m3/d和0.3萬m3/d）。

3 建設過程

2006年8 月石巖水庫截污工程項目建議書經市發改局批準，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，屬大型城鄉水務工程。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月通過深圳市水務局主持的竣工驗收。2014年11月被中國水利工程協會評為“中國水利優質工程大禹獎”。

4 結束語

在項目前期設計階段率先引入初（?。┯杲嘏爬砟?，使用“城市河流雨污混流管網水流分質排放”技術，對水系來水有選擇的排放和利用；首次將清污分流技術應用到水利工程，將庫區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。開創了水文與水質的耦合，將傳統水利重視大暴雨的洪量計算，向現代水務關注的小雨水的水質分析轉變。

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