铁岗-石岩水源生态库及清污截流设施设计治理应用.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER317第 39 卷第 8 期0 引言在城乡居民饮水水源中，水库水源占据重要地位，其水源质量关联到区域民众身体健康和经济社会的稳定1。但随着工业化、城市化进程加快，人类生产活动以及生活产生的废水、土壤污染物等形成的综合污染逐年增加2-3。水库的水质也在日趋恶化，对区域民众的身体健康造成严重危害4。通过多年对水库型水源的污染原因，保护与防治措施的策略研究，取得了一定的成果5。目前，国家发改委批复了较多珠江三角洲水资源配置工程，足以显示，国家级的重要水利工程进入新的全面建身阶段。工程投入使用后，完全可以将西江水引向珠江三角洲东部地区，明显解决铁岗石岩水源生态库及清污截流设施设计治理应用吴凡，许柯（深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000）摘要：社会的高速发展对水源的要求也越来越高，水源的安全和水质的良好，确保民众的健康不受危害，关联着区域社会经济能否和谐、全面以及可持续发展。开展并实施铁岗-石岩水库水源生态库建设和清污截流设施，从工程现状、主要问题等方面综合分析，提出了水源生态库工程建设和清污截流设施设计方案并通过堤型比选、堤址比选、淤泥清淤方式、淤泥处置工艺比选等等，明确了采用设计方案的方式是可行、合理的；最后对治理效果进行综合评价。生态库和清污截流设施的建设不会对水质产生影响且设计标准下的洪峰流量实现了调蓄削峰的作用，对铁岗水库的防洪安全起到了有利的作用。关键词：水质；水源生态库；清污截流；防洪安全中图分类号：TV697.3+1文献标识码：A文章编号：1006-3951(2023)08-0317-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.076Design and Treatment Application of Tiegang-Shiyan Water Source Ecological Reservoir and Sewage Cleaning and Interception FacilitiesWU Fan,XU Ke(Shenzhen Water Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)Abstract:The rapid development of society has increasingly high requirements for water sources.The safety of water sources and the good quality of water ensure that the health of the people is not endangered,which is related to the harmonious,comprehensive,and sustainable development of regional society and economy.The construction of Tiegang-Shiyan water source ecological reservoir and sewage cleaning and interception facilities are currently underway.This article comprehensively analyzes the current situation and main problems of the project,and proposes a design plan for the construction of a water source ecological reservoir project and the design of cleaning and sewage interception facilities.And through the comparison and selection of embankment type,embankment site,sludge dredging method,and sludge disposal process,it is clear that the adoption of design schemes is feasible and reasonable.Finally,a comprehensive evaluation of the governance effectiveness is also conducted.The construction of ecological reservoirs and sewage interception facilities will not have an impact on water quality,and the peak flow under design standards has achieved the function of regulating and reducing peak flow,which has played a beneficial role in the flood control safety of Tiegang Reservoir.Key words:water quality;water source ecological reservoir;cleaning and interception;flood control safety收稿日期：2023-03-23作者简介：吴凡（1993-），男，湖北天门人，工程师，主要从事水工结构设计工作。*318云南水力发电2023 年第 8 期了广州、东莞、深圳 3 个地区供水紧张的问题，更能够为香港等区域储备备用水源，并成为支撑粤港澳大湾区发展的重要资源。投入使用后将完全实现深圳供水的双水源目标，完成水资源配置的优化6。1 工程概况1.1 工程现状铁岗水库、石岩水库是从东江引入原水的东部供水工程，是确保深圳西部区域原水的主体水源，年均供水量 4+108 m3。目前，铁岗石岩水库流域建成区在全市治水提质工作大背景下，正在积极推进建成区正本清源、雨污分流相关工程，片区漏排污水等点源污染近期有望得到解决。但是由于建成区占比大，现状雨污分流率及规划雨污分流率情况下年入库污染总量非常之大，且深圳市铁岗、石岩水库采样及考核断面均处于供水管道取水口，水质情况较水库其他区域良好，近期水库水质考核断面将往上游延伸，包含入库河道位置均将包含在内。届时，入库河道水体水质不达标的情况将会直接暴露。因此，面源污染对河道及水库的污染是一个不可回避的现实问题。为了未来西江引水引入深圳西部片区后，能够有好的、安全的存蓄“容器”，提高水库供水对象饮用水的质量，助力未来粤港澳大湾区的发展，开展并实施铁岗石岩水库水质保障工程，保护好两座供水水库，对面源污染的控制十分必要。1.2 主要问题分析当前流域现状将不能满足深圳宝安区今后经济社会发展对水质的要求，经研究分析得出当前水质的具体问题。1）现状流域区域内为大面积建成区，以及超大的交通流量，既有工程不具备处理突发事件的能力，外部污染源容易通过地面径流直接进入水库，影响水库水质。2）建成区面源污染大。在该水库的上游区域内，为大面积的建成区，大流量的交通，既有截污工程不具备相应的突发事件能力，水质面临的风险极高，污染源极易经过地面径流直接进入水库，影响水库水质。同时，石岩水库上游建成区范围内存在少量排污企业尚未拆迁，对石岩水库现状水质安全造成影响。3）水库水质不稳定，通过查阅两个水库2015-2018 年对取水口处水质进行 41 个月监测形成的资料，水质方面铁岗水库要明显优于石岩水库，石岩水库在个别月份水质较差，具体来说，铁岗水库水质的综合指标16个月达到类水标准，25 个月实现了类水标准；而石岩水库水质综合指标 3 个月达到类水标准，37 个月达到类水标准，1 个月水质指标仅为类水标准。另外，现场查勘发现，九围河及应人石河等河道入库口区域雨天溢流水体存在面源污染，造成库尾区域水质不佳，甚至应人石河因长期存在此种情况，致使河口淤积，现场可嗅轻微臭味。2 水源生态库工程设计分析水源区包含建成区和生态区两部分：建成区雨水是污染源控制的重点区域，应与饮用水水库隔离；而生态区雨水则是无污染的清洁水源，应作为饮用水源直接入库。如此情形，与水源区范围调整的相关原则与思虑相类似，所以参考水源区范围调整依据之一的汇水条件发生变化原则，通过工程措施使水库汇水条件发生变化，避免建成区雨水入库，是适用于本项目的水库水质保障方向。2.1 生态库工程设计2.1.1 生态库堤址选择拟建库区的位置有 1 条交通主干道，在生态堤施工时，为了避免扰动高速基础，可以在南光高速处将堤址区域划分为上下游两个区域，保持与高速基础的合理距离。同时，为了确保充足的生态库的库容，缩减泄水建筑物的尺寸和洪水下泄流量，可以在高速下游区修建生态堤。在下游区地形上呈现一天然垭口，堤身具备长度的优势。从以上外部条件分析，拟建的堤址最佳位置是南光高速东侧 150 m 处，为合理的库容水位，有明显优势。2.1.2 堤型比选根据地质勘察资料，堤址处岩基较深，而土吴凡，许柯 铁岗石岩水源生态库及清污截流设施设计治理应用319石堤岸对地质条件有较好的适应性，且筑堤材料可充分利用当地土石料，施工简便。深圳属于多雨地区，生态库区内水位变动幅度大，采用透水性大的堆石料，利于堤岸边坡的稳定，此时选择混凝土防渗墙作为堤岸的防渗体。堤址处河谷较为开阔，宽深比大，且坝肩为残坡积砾质粘性土，故不适宜布置拱坝。因工程范围内为铁岗水库保护区，无规划料场，若选择土石堤型则需从较远距离进行土石料运输。而生态库工程区靠近城市主干道，交通便利，可将其打造为“湖光山色”的风景带，传统的堤岸形式并不能达到理想的景观效果，需要突破传统的堤岸形态，设计与周围景观相协调的生态堤岸。因此，推荐生态堤岸采用钢筋混凝土结构，由上、下游两个悬臂挡墙组成类似“U”型槽式的结构剖面，内部回填粘性土。2.2 生态堤设计生态库建成后，堤顶不作为主要交通通道，但为了景观设计同时满足后期管理检修时车辆通行等要求，经综合考虑堤顶宽度为 12 m。道路顶高程为 30.62 m，堤身高度 9.62 m，与左右岸环库道路相接。利用为 C35 钢筋混凝土重力式作为生态堤主体结构，断面类似于“U”型槽的形态，堤身和景观塑造则是利用回填土实现。表现为铅直的生态堤上下游挡墙的临水面，内侧墙面坡度和挡墙顶宽度分别为 10.15 和 0.5 m，项目上游和下游挡墙顶部高程为 30.62 m。生态堤底板设置 2 m的厚度以及 1.5 m 的外挑，堤底设置 15 m 的宽度。利用粘性土回填堤身，将隔离带和绿化带设置在粘性土上，或者堤顶铺设道路，堤身结构断面图见图 1。因为生态堤身混凝土体积大，为了防止裂缝，应适当的对堤身混凝土进行分缝。堤身分缝是根据其布置、结构、施工浇筑条件以及混凝土温度控制等要求确定的，生态堤方案堤高 10 m，高度不高，所以只设横缝。钢筋混凝土挡墙每 10 m设 1 道缝，断面结构变化处加设分缝，缝宽均20 mm，缝间设沥青杉木板和橡胶止水带。2.3 基础防渗生态堤岸基础以堤身上游挡墙边线为基准进行混凝土防渗墙施工，防渗墙深度按墙底至少穿透砾砂层进入残积土层 1 m 来控制，根据地质纵剖面确定防渗墙的长度为：8.50 m、4 m、6.50 m。水平范围方面，对应不同深度防渗线长 203 m、60 m、93 m，总长约 356 m。待生态库蓄水运行后，根据观测资料，再确定是否扩大防渗处理范围。生态堤基础渗流计算采用 Geo-studio 软件进行，计算云图见图 2。?图 1 堤身结构图?图 2 基础总水头云图经计算，最大水头流速为 1.410-7 m/s，防渗墙底截面的流量为 5.210-7 m3/s。基础渗透比降的最大值为 2.9。经对比，各土层最大渗透比降均小于其允许渗透比降，因此不会发生渗透破坏，计算成果见表 1。表 1 渗流计算成果表土层名称允许渗透比降渗流场渗透比降淤泥质中粗砂3.041.0 2.9粉质黏土5.001.0残积土4.600.5320云南水力发电2023 年第 8 期3 清污截流设施设计分析3.1 清污设计生态库坝体修筑后，需要对生态库区进行清淤，以保证有足够的调蓄库容。在生态区清污分流，清水直接入库的基础上，利用一定容积水库库尾通过副坝构筑生态库，将建成区不达标雨水完全存蓄，利用水库现状设施或泄洪河道短期内将生态库存蓄雨水外排，排放规模控制在现状河道或现有排水设施过流能力范围内，从而确保进入主库的水体水质达标。目前清淤方式有很多种，主要的方式分为干地作业和带水作业两种。由于此次生态库清淤深度较浅，且清淤量少，降低生态库区水位可利用围堰+抽水台班的办法，将库区积水后自然晒干，形成干地后清淤。针对此工程淤泥提出的几种处理工艺的优缺点进行对比分析，推荐采用固化处理工艺，工艺比选表见表 2。表 2 淤泥处理工艺比选表处置方法优点缺点是否推荐就地真空预压脱水后外弃施工简便、经济工期较长、用地大不推荐直接外弃施工简便、工期短对环境影响较大，难以找到合适的弃置点不推荐就地晾晒后外弃施工简单晾晒周期相对较长，需一定面积场地进行淤泥晾晒推荐新建淤泥处理厂脱水处理工期短，工艺流程简单，适用于洁净淤泥淤泥固化依赖于添加的药剂不推荐按照相关标准，库尾淤泥属于不需要高标准固化处理的洁净淤泥，另外，该项目为极少的清淤方量，晾晒后淤泥无需转输底泥厂脱水，可直接外弃，节省了一定的工期。3.2 截流渠设计既有的石岩水库排洪渠地势为“南北高、中部低”，有必要采用明渠的方式建设截流渠，确保在高程上从北向南流入石河口生态库。截流渠断面形式主要以“U”型断面为主，河道护岸采用石笼+三维土工网垫的生态型材料，河道开挖较深段采用钢板桩结合直立驳岸，河段横断面设计如下。设 计 底 宽 3 m，深 度 约 2 m，设 计 渠 底 高程 32.50 32.20 m。明 渠 左 岸 边 坡 平 均 坡 度1 1.5 1 2、右岸边坡平均坡度 1 2，河底采用干砌石护底，坡底采用景观置石护脚，岸坡采用 400 mm 厚干砌石护坡，砌石上铺种植土，再铺种大叶油草皮。左岸采用锚杆格构梁支护边坡，右岸堤顶采用石笼挡墙防护现状边坡。4 治理效果综合评价4.1 水库及下游河道水质影响分析根据南京水科院铁岗-石岩水库水源地调整截排工程水质保障策略研究成果，一方面，即使考虑最不利情况，让生态库内蓄积前期雨水掺混，提高浓度，超出 50 年一遇洪水后仅总氮指标超过地表水环境类水质标准，因此，溢流洪水本身水质已基本可达到入库标准。另一方面，超标溢流开始后，由于两条河流溢流对水库流场的变化并不显著，溢流结束后，水库流场迅速恢复初始状态，污染物难以进入主库区，更无法威胁水库库区南侧的水厂取水口。新建石岩水库排洪渠东侧截流渠汇水区构筑物较少，以绿化为主，经该渠道进入生态库的水体水质情况良好。因此，生态库调蓄水体虽达不到进入主库地表类水标准，但污染浓度较低。因此，超 50 年一遇洪水溢流不会对铁岗水库主库供水水质产生不利影响。4.2 生态库防洪效果评价生态库控制水位以不高于应人石河 50 年一遇防洪起推水位确定，生态库调蓄高水位为 28 m；另外，从汇水面积上讲，河口以上原集雨面积为9.27 km2，三期清污分流系统实施后，由于将上地区雨水绕开建成区直排入铁岗水库主库，河口以上集雨面积减少至 8.16 km2，相应设计洪峰流量将降低。因此，项目的实施对河道防洪将起到有利影响。吴凡，许柯 铁岗石岩水源生态库及清污截流设施设计治理应用3215 结束语为了提高水库供水对象饮用水的质量，助力未来粤港澳大湾区的发展，深圳市为保护水库饮用水水资源,提出全面实施雨污分流、正本清源、优水优用、分区处理的治理思路7-8。实施铁岗-石岩水库水源生态库建设和清污截流设施，提出了水源生态库工程建设和清污截流设施设计方案并通过堤型比选、堤址比选、淤泥清淤、淤泥处置工艺比选等等，明确了采用设计方案的方式是可行、合理的；通过综合评价，生态库和清污截流设施的建设不会对水质产生影响且设计标准下的洪峰流量实现了调蓄削峰的作用，对铁岗水库的防洪安全起到了有利的影响。参考文献：1肖遥.深圳水库饮用水水源地的生态保护J.皮革制作与环保科技，2021,（14）:23-25.2马明超.浑江水源地保护存在问题及对策探讨J.水土保持应用技术，2021,（3）:67-69.3张丽红.水库水源保护与防治对策研究J.黑龙江科学，2020,（2）:71-73.4郭伟杰，贡丹丹，赵伟华.鄱阳湖流域饶河水生态环境保护与治理对策研究J.水利水电快报，2020,（2）:86-88.5邱雨，马增岭，张子怡.水生态系统中微囊藻毒素的分布及其生态毒理效应研究进展J.应用生态学报，2023,（1）:57-59.6 方国华，王鸿祯，于凤存.城市地表集中式水源地管理风险评价 J.水利经济，2022,（6）:67-70.7 喻婷，陈运梅，吴雪洁.洈水水库饮用水水源地保护研究 J.节能，2019,（4）:25-28.8于凤存，方国华.中小型湖库型饮用水水源地污染负荷总量控制探讨J.水文，2015,（4）:28-31.