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水库河流水体修复与实践

摘要:水库水质得好坏直接影响水库水资源得利用,也严重制约水库功能得正常发挥。为保持水库水质免受高污染河流得污染,在河流入库之前采用相应得对策就是必要得。通过河流入库前处理,可以有效地限制与减少污染物质进入水库。本文论述了各种改善入库河流水质得措施,并以官厅水库为例,结合水库水文、水环境特征,布置合适得水质改善工程进行入库河流水质改善以减少入库污染物总量。
关键词:水质改善,氧化塘系统,土地处理系统,水体修复
1、入库河流水质改善技术措施概述
水库水质得好坏直接影响水库水资源得利用,也严重制约水库功能得正常发挥。自20世纪70年代以来,我国得大部分水库相继出现富营养化问题,降低了水库饮用水价值,也影响水库供水、旅游、灌溉等功能。造成水库水体水质功能破坏有三方面得原因:1)我国大部分水库修建于20世纪得50~60年代,运行了50多年,已经进入老化阶段,水库淤积严重,大多需要进行环境清淤;2)水库上游来水量急剧减少,水库储水更新周期加长,水库经常在低水位下运行,水库环境容量大大降低;3)由于水库上游工农业不断发展,而相应得污染治理措施没有同步配套,入库河流水质较差,严重影响水库水质。
为保持水库水质免受高污染河流得污染,在河流入库之前采用相应得对策就是必要得。通过河流入库前处理,可以有效地限制与减少污染物质进入水库。入库河流前处理技术包括:渗流沟技术前置库与沉沙池工程技术,土地处理技术,氧化塘技术、高效率生物过滤器、砾石间接触氧化等。这些技术或单独应用,或结合在一起,在国内外水库水质改善中获得了良好得效果。
1、1、渗流沟技术
渗流沟技术Grau(1977)[1]在水流流量较小(<100l/s)且波动不大得情况下,就是一种很有效得方法。其原理就是借助渗透使污染水体通过下层土壤,以去除污染物质。
1、2、前置库
在水库内设置前置库,促进生物反应与土壤渗透等得自然净化能力,能有效地减少污染物质(王敦春等[2],1996)。在前置库中,其食物链就是一个复杂得系统,它包括水生植物、湖底生物与水鸟等。在前置库中得净化作用,不仅包括物理得(沉淀、吸收),而且包括生化与生态得作用,其工作效率较高。日本Biwa湖在一条入湖河流在进入湖泊之前先流进小湖泊,河水中1/3得污染物质被去掉。
1、3、氧化塘
氧化塘又称稳定塘。人类应用氧化塘来处理污水已有3000多年得历史[3],它可以处理多种类型得污水,并且可以在互不相同得气候条件下(从热带到寒带)工作。根据氧化塘系统得生物反应类型,可分为四种主要类型[4]:兼性塘(好氧+厌氧)、曝气塘、好氧塘、厌氧塘。日本Terauchi水库在治理水库富营养化时将河水引入所示得浅塘中,塘中种植水生植物,将营养物质去除,从而使入库水质改善。
氧化塘就是利用自然水生生态系统来处理污染水质得湖塘处理方法在氧化塘中同时进行着有机物得好氧分解、厌氧消化与光合作用三种净化功能。前两种功能由好氧细菌与厌氧细菌完成,后一种功能由水生浮游植物——藻类、水生植物与光合微生物来进行。其特征参数见表1。
表1 氧化塘特征参数
塘类型
代表性负荷参数
kgBOD5/(ha、d)
代表性水力停留时间(d)
代表性尺寸
深度m
面积(ha)
兼性塘
2267
25180
1、22、5
460
好氧塘
85170
1040
0、30、45

厌氧塘
160800
2050
2、55

1、4、土地处理系统[5]
土地处理技术就是运用生态学原理与工程学方法而形成得生态工程处理技术。地处理技术从控制水污染要求出发,以土地为处理构筑物,利用土壤—植物系统得物理得、化学得、生物得吸附、过滤与净化作用与自我调控功能,达到一定得处理目标。土地处理系统可分为快速渗滤(RI)、慢速渗滤(SR)、地表漫流(OF)、湿地处理与下渗滤系统等5种类型。在我国北方地区应用土地处理系统得技术关键就是寒冷气候条件下得运行及其效果。一些研究成果提出了相应得技术措施,如:冰下快速渗滤、土地处理复合系统(快渗+慢渗、快渗+慢渗+漫流、湿地+稳定塘等)。
表2、土地处理系统得工艺条件与工程参数
处理类型
水力负荷
(m/a)
土壤渗透系数(m/d)
土层厚度
(m)
地下水位
(m)
地面坡度
(%)
慢速渗滤
0、66
0、0360、36
>0、6
0、63
≤30
快速渗滤
6150
0、360、6
>1、5
1、0
<15
人工土快滤[6]
200~300
4~5
>0、6
不限
<3
地表漫流
321
≤0、12
>0、3
不限
<15
湿地系统
320
≤0、12
>0、3
不限
<2
地下渗滤
0、43
0、361、2
>0、6
>1、0
<15
1、5、高效率生物过滤器
为增大自然界水体自我净化能力,通过人工方法组装高效率生物过滤器。它通常由合成树脂做成,象风洞中得蜂窝器一样,具有规格得几何形状。这样得结构可提供较大微生物膜与高得孔隙比。较高得孔隙比不仅可以防止由于大量微生物生长与其它固体物质造成得堵塞,减少水流阻力,降低运行费用。
1、6、砾石间接触氧化
砾石间接触氧化也使用生长在砾石表面上得生物膜过滤。拦河而建得进水堰将河水引入在河流滩地上开挖得水沟中,而后流到砾石骨料床上,最后通过排水管再排入河道。砾石接触氧化得基本原理就是生物氧化净化与沉淀去除悬浮物净化。
2、官厅水库水环境特征
图1、官厅水库流域示意图
官厅水库就是一座多年调节得防洪、供水、发电得大型水库。官厅流域属于中温带半干旱得间山盆地,山地、丘陵与河川盆地各占三分之一,流域面积约为4、7万平方公里。
官厅水系指永定河上游水库及其入库河系——桑干河、洋河与妫水河。桑干河发源于山西省宁武县,流经山西省大同、平朔地区与册田水库,进入河北省后经一百多公里得流程,在朱官屯与洋河汇合后成永定河东行进入官厅水库。洋河全长250公里,发源于内蒙古高原得山区,经张家口盆地折向东南,再经宣化盆地,穿响水堡入涿鹿盆地,于朱官屯与桑干河汇合。妫水河发源于北京延庆东北山区,河短水急,经20多公里流程注入官厅水库。概括起来,官厅流域具有以下特征:水资源缺乏,水体环境容量小;水质污染与水量紧缺就是流域水资源得主要问题;首都北京得重要水源地。
2、1、水库运用特点及水位变化特点
官厅水库始建于1951年10月,1953年汛期拦洪,1955年7月蓄水运用。水库控制永定河流域面积4、34万平方公里,占全流域面积得92、3%。多年平均年径流量8、8亿立方米。拦河土坝建于官厅山峡得出口,原坝顶高程为485、27m,1986年坝顶加高至492m。水库总库容41、6亿立方米,其中防洪库容29、9亿立方米,兴利库容2、5亿立方米。
水库按千年一遇洪水设计,相应库水位484、84m,按可能最大洪水校核,相应库水位490、0m。水库设计死水位476m,汛限水位476、0m,正常蓄水位479、0m。水库水位动态变化如图2所示。
图2、官厅水库示意图
2、2、入库河流水质现状评价
采用单因子评价法,依据国家《地面水环境质量标准》(GB383888)进行评价。选择了与污染特征密切相关得pH值、溶解氧、高锰酸盐指数(CODmn)、生化需氧量(BOD5)、氟化物、氯化物、挥发酚、砷、六价铬、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、铜、铅、锌、镉、总磷、总氮、大肠菌群等19项指标,作为评价参数。
2.2.1、 定河八号桥段(入库段断面)水质
八号桥就是永定河注入官厅水库得代表断面。八号桥水质为地面水质超Ⅴ类,CODmn、BOD5、氨氮三项指标分别为15、7mg/L、21、5mg/L与7、97mg/L,分别超过地面水环境质量Ⅴ类标准0、6倍、1、2倍与7、0倍。
2.2.2、 区水质评价结论
河口就是全库区水质最差得区域,为Ⅴ类,主要污染物质就是氨氮、CODmn与氟。
西库区蓄水量小,受来水水质影响较大,水质较差。永1000断面与永1008断面水质均为Ⅴ类,主要污染物为氨氮、亚硝酸盐氮与CODmn。
东库区水质好于西库区。妫大桥断面氨氮为0、53mg/L,水质为Ⅳ类,其余项目均符合Ⅰ类标准。妫1018+1断面CODmn为3、5 mg/L,达到Ⅱ类标准,其余项目均符合Ⅰ类标准。
2、3、官厅水库水源保护目标
《21世纪首都水资源规划》中提出要“稳定密云、挽救官厅”,使官厅水库成为北京市第二饮用水源。根据《21世纪首都水资源规划》官厅水库水源保护规划目标如下:
2005年:官厅上游地区要实施水污染治理与水土保持,改善产业结构,建立水资源保护得生态经济区,遏制官厅水库水质恶化得趋势,官厅水库水质达到Ⅲ类标准。
2010年:官厅继续实施水污染治理与水土保持,官厅水库水质力争达到Ⅱ类水体标准。
2、4、永定河入库段概况
图3 永定河库区三角洲平面发展态势
由于多年采用蓄水运用方式,官厅水库泥沙淤积问题严重,椐实测资料统计,1953年1985年累积淤积6、12亿立方米,至1997年止,已达6、51亿立方米,其中约91、5%淤于永定河库区,8、5%淤在妫水河库区。官厅水库泥沙淤积以典型得三角洲形态向坝前推进。对比80年代与2000年库区地形图(图3),可以发现永定河库区淤积滩地向前发展了约3km,面积新增约10平方公里。
随着三角洲得淤积发展,入汇河口逐渐下移,河口在淤高得过程中,河口以上主流同时摆动,60年代主流偏左岸,70年代逐渐转向右岸,1979年大水大沙年以后,右岸主槽逐渐被淤死,主流又向左岸偏移,至1981年,主流已完全转移到左岸。
以永1010为坐标原点分析永定河入库段2000年实测断面数据。深弘比降约为0、54‰,断面平均高程得比降约为0、45‰。以八号桥为中线将该区域分为上下两片,上、下片河滩面积都约为3万亩,两片河滩总面积6万亩。
图4 流量频率变化曲线

3、官厅水库入库水量水质分析
3、1、入库水量分析
根据近10年得旬水量数据,绘出得水量频率变化曲线如图4所示。如按90万m3/d规模考虑,相应保证率为55%,较低。考虑低温情况有4个月,其余月份可以提高处理水量。因此初步确定得水量为90万m3/d。
3、2、入库河流水质指标分析
根据8号桥处1990～1999历年水质数据分析,确定水质改善工程设计进水指标值,见表3。对各水质指标所采用得设计值,利用污染物负荷来计算其保证率分别为:BOD 为50%;CODMn 为55%;TP为65%;TN为75%;氨氮为80%。
表3 永定河入库水体水质改善工程设计进水指标
指标
BOD
CODMn
TP
TN
SS
氨氮
单位
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
设计值
30
15
0、5
15
750
10
4、官厅水库入库水体水质改善方案
4、1、永定河入库水体水质改善目标
充分利用官厅水库永定河入库段得河道与河滩地,规划河流入库前处理方案,有效地限制与减少污染物质进入水库。经过水质改善措施后入库水体得COD与氨氮力争达到Ⅱ类标准。
4、2、永定河入库水体水质改善方案约束条件
根据水库运行要求,以及该区域得水文气象条件,对规划方案有如下限制:
l 浸没限制:前置库最高水位不超过水库正常蓄水位479m;
l 行洪限制:规划过程工程对永定河河道行洪不造成显著影响;
l 泥沙淤积:规划工程所在永定河为多沙河流。
l 冬季运行:库区平均约100天得封冰期。
l 场地限制:工程布置范围有限,规划方案必须因地制宜。
4、3、规划方案
结合永定河入库段自然条件,利用前置库、土地处理与氧化塘技术,综合规划了4种入库水体水质改善方案。
l 方案1:前置库系统
l 方案2:前置库+河滩地湿地处理系统
l 方案3:前置库+黑土湾处理系统
4、4、方案说明
l 由于枯水期永定河水流主要在河槽中流动,必须采取引流措施才能利用滩地得水质改善工程,通过修建拦河建筑,采用水自流方案,可以有两方面得优点:既可以减省水质改善工程得成本与运行费用,也可以通过修建拦河建筑物形成库前净化池,改善水质。因此4个方案中均规划了前置库。
l 永1019以下河滩地地形平整,多为农用耕地,故可以考虑设计土地处理系统。
l 黑土湾将成为水库环境清淤得底泥堆放场,通过合理规划,可以成为污染水体得湿地处理系统
4、5、方案布置
三个方案得系统布置图如图5~图8所示。

图5 方案1布置示意图 图6 方案2布置示意图
图7 方案3布置示意图

4、6、方案比较
官厅水库永定河入库水体水质改善方案得技术经济对比列于表4中。经过比较,选择方案3:前置库+黑土湾处理系统,为推荐方案。
表4 三种方案技术经济比较
项目
第一方案
第二方案
第三方案
总投资(百万元)不包括土地费用
4、45
723
85
污染物去除率
COD
50%
68%
70%
氨氮
98%
96%
99%
出水水质
COD(mg/l)
7、5
4、8
4、5
氨氮(mg/l)
0、2
0、375
0、09
达标否
否
达标
达标
工艺特点
工艺流程最简单
行洪破坏后挡水建筑物重建
工艺流程最简单
冬季低温可运行
行洪破坏后,将全部重建,不易恢复
工艺流程最简单
冬季低温可运行
黑土湾系统不受行洪影响, 行洪破坏后挡水建筑物重建
浸没影响
由于前置库运行水位不超过官厅水库正常蓄水位479m高程,对官厅水库库区浸没影响较小
水库运行安全影响
通过修建临时性挡水建筑物,洪季及时去除,对河道行洪影响较小。
对河道行洪有影响;河道行洪对工程破坏大。
通过修建临时性挡水建筑物,洪季及时去除,对河道行洪影响较小;黑土湾系统不影响河道行洪
水量损失估算
水面蒸发
2、21%
1、00%
湿地耗水
0
3、56%
侧渗损失

综合评价
良好
一般
最好
5、结语
本文分析了改善入库水体水质得一般对策,对水库水质改善与富营养化控制具有指导意义。结合官厅水库水文、水环境与河道地形特点,在官厅水库得入库口,规划了4种河流水体污染控制方案。
参考文献
1、 Grau, A、 1977, Untersuchungen zur Ermittlung der Leistungsfahigkeit einer Hangversickerun als spezielles Verfahren einer Bodenpassage、 GewasserschutzWasser_Abwasser,24、
2、 王敦春,彭文启等译,1997,水质及其控制,中国水利水电出版社。
3、 美国国家环境保护局编著,田金质等译,1988,城市污水稳定塘设计手册,中国环境科学出版社。
4、 国家环境保护局科技标准司编,1997,城市污水稳定塘处理技术指南,中国环境科学出版社。
5、 国家环境保护局科技标准司编,1997,城市污水土地处理处理技术指南,中国环境科学出版社。
6、 张祖扬,白瑛编著,1991,城市污水人工土快滤处理技术,中国科学技术出版社。
Countermeasures and Practices of Water Quality Control for inflow Rivers
Peng Wenqi, Zhou Huaidong
The Department of Water Environment,
China Institute of Water Resources and Hydropower Research,
100038, Beijing, China
Abstract
Water quality of reservoirs affects directly the utility of water resources, and limits the normal functions of reservoirs、 A great number of reservoirs in China have been threatened with eutrophication since 1970s、 In order to keep reservoirs from polluting by highly contaminated inflow rivers, it is very important to adopt effective measurement to improve water quality of river waters before rivers inflow reservoirs、 This paper describes the various countermeasures to effectively reduce and limit pollutants being transported into reservoirs、 Taking Guanting Reservoir as an example, according to the hydrology and environment features, the projects to improve water quality are layed out、
Key words: Water Quality Improvement, Land Treatment, Oxidation Pond, Primary Reservoirs