保护幸福水库水源试验初探
1 引言
保护水资源的方法、措施和技术种类繁多，但是，探索投资经济、技术简单、管理方便、应用效果显著、因地制宜充分利用本地资源或材料的水资源保护方法和措施，成为了目前广大科技工作者研究和追求的目标。利用生物生态（人工湿地）保护水资源的方法和措施，无论是理论上或是实践中、国内或国外都有应用的实例，而且应用较广泛。为了掌握应用生物生态（人工湿地）方法保护水资源的技术，研究水生植物对富营养化水体的净化效果，为下一步国家投资建设幸福水库水资源地保护工程以及今后在水资源的保护提供科学参考资料、决策依据和技术支持，省水政监察总队委托东海市水政水资源管理站进行应用生物生态方法保护水源研究工作，选择以幸福水库水域为工作范围，以幸福水库主要入库河流——大双河水源为试验点，应用生物生态方法保护幸福水库水源进行小规模试验。
（网络图片，与文章无关，侵删）
2 幸福水库水质基本情况
幸福水库位于东海市幸福村，是一座中型水库，集雨面积14.7平方公里，1998年完成除险加固后总库容为1863万立方米，有效库容1549万立方米，年均来水量5394万立方米。幸福水库库区范围内居住有村民2860多人，其农村生活污水和种植农作物产生的面源污染成为了幸福水库的主要污染源。自2000年4月幸福水库开始向东海城区供水，成为东海市城区生活饮用水的主要水源地，担负着东海城区南江以北30多万人口生活原水供应的重任。东海市水政水资源管理站有偿委托东海市水环境监测中心每月对幸福水库(坝首，即水厂取水点) 进行采样监测，定期在《东海日报》向市民公告，并对大双河口、库尾及大山电站发电后尾水引水洞口不定期地进行监测。从多年来东海水环境监测中心对幸福水库水源地监测质量评价分析结果看，幸福水库水源地的富营养化程度属于中度营养化，取水口现状水质为Ⅱ～Ⅲ类，但其一级保护区外围水质为Ⅲ～劣Ⅴ类，特别是大双河口的来水水质为劣Ⅴ类，不符合饮用水水源保护区水质保护目标Ⅱ类水标准的要求。水库水质主要是受到上游村生活污水和农田种植排放的含磷氮废水的影响，水中污染物总磷和总氮含量已达到中—富营养化水质指标，超过藻类生长的最低值。如果不采取相应的措施进行控制，水中氮磷浓度将进一步积累，达到富营养化的程度，藻类将大量繁殖，破坏整个水库的水生态平衡和水生态环境，有可能使水库无法作为东海城区生活水源地的严重后果。
因此，确定保护幸福水库水源地的措施主要是控制大双河入河污染物量，降低进库水的氮、磷浓度，维护水库生态平衡，从而使水源地水质达到保护目标要求。而要降低库水中氮、磷的浓度，首先要降低进库水即大双河水氮、磷的浓度。本项利用生物生态（人工湿地）保护水资源实验，通过将大双河河水引水至人工湿地实验池，研究水生植物对富营养化水体的净化效果，为幸福水库水源—大双河河水的大规模治理提供技术支持，这就是本项试验的目的和意义。
（网络图片，与文章无关，侵删）
3 生物生态（人工湿地）保护水源试验
3.1 试验起始时间、地点
起始时间：该生物生态保护水资源试验自2006年5月上旬完成试验所需的土建工程施工任务，到中旬完成填料和选择水生植物品种栽培，2006年6~12月为植物的生长护理、根状发育状态观察期，整个试验过程从2006年5月至2007年7月，历时14个月。
地点：通过实地考察地形、地貌、水文等自然条件，因地制宜，选定试验池建在幸福水库入库主河大双河口右岸水库洪水校核线以上约200米处。并在该处建一座浆砌石混水坝进行拦截引水。
3.2 试验池（床）进水方式选择
利用生物生态保护水资源的应用中，污水进入湿地的方式主要有面流式（又称漫灌式）和潜流式两种，两种方式的特点：
面流式：面流式人工湿地污水处理技术多是应用于水流量大、流速快的清洁小流域治理、区域性面源污染的水资源保护工程，选择种植的水生植物要求耐热、耐寒，四季常青，根状球型矮杆或根径粗壮型高杆植物，能抵抗相对的水流量大、流速快的生长环境。面流式人工湿地污水处理方式的布水系统直接把水输送至人工湿地床的表面上，明了、直观，运行管理中容易调控水量，保证水质净化效果。若选择适当的植物品种，人工湿地还可作为花、苗圃基地，种植有经济价值的植物。
潜流式：潜流式人工湿地污水处理技术是目前国内外多用于隹宅区、城市公共休闲区以及旅游新景观区，它所显示的特点已被国内外很多成功范例所证实。潜流式人工湿地污水处理方式的最大优点就在于：布水系统直接输送至人工湿地床的基质中，在正常运行时，潜流式湿地表面是看不到水流的，能减少臭味和害虫滋生，从而避免破坏表面的整体景观。因此，潜流式人工湿地多用于公园绿地、城市公共休闲区，规模小，施工要求高，植物品种选择要求也高。
经比较，我们认为选择面流式（又称漫灌式）为本次人工湿地引水进池方式，是符合幸福水库水源污染保护、治理的实际情况的。
3.3 试验池（床）处理系统的设计
设计实验池（床）表面积：实验池（床）面积大小、长宽比与试验效果没有直接的关系，关键在于进池布水系统及出水排放形式上。根据地形、地貌的实际情况，确定设计长为18m，宽为1.2m，深为1.1m，底坡降0%，实验池面积为21.6 m2。（设计图省略）
3.3.1. 进出水系统的布置
通过从拦河坝引水渠把大双河水引入实验池，湿地池（床）的进水系统采用面流式进水。湿地实验池的出水系统设在出水区的末端的砾石填料层的底部设置穿孔集水管，并设置控制阀门以调节床内的水位。
3.3.2.确定水力负荷
根据查阅有关资料参考，确定水力负荷按100～120L／d.m2。
3.3.3. 实验池填料的选择
湿地床由三层组成即表层土层、中层小豆石、下层砾（卵）石。表层土就地取材，采用附近山坡红壤土，铺设厚度0.3m；中层小豆石层粒径在1～5mm，铺设厚度0.3m；砾（卵）石层粒径在5～50mm，铺设厚度0.3m。
3.3.4. 选择植物品种和栽培
由于试验进水方式采用面流式，根据面流式对植物的要求以及适应当地气候条件生长要求，考虑湿地植物的耐污能力、生长能力、根系的发达程度和美观等多方面的因素，根状球型矮杆类植物选择了水芋，根径粗壮型植物选择美人蕉、香蒲和莎草（也称三角草）四种水生植物，每种植物种植的面积均占实验池面积的四份之一。这四种水生植物均为本地常见的物种。
3.4. 试验净化机理
人工湿地的净化机理：人工湿地对污水的处理综合了物理、化学和生物的三种作用。人工湿地系统成熟后，填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。污水流经生物膜时，大量的SS被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被除去。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，保证了污水中的氮、磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去。
自水生植物于2006年5月中旬种植至12月，经过长达6个月的生长、分糵和发育，12月份经有关技术人员观察和鉴定，人工湿地系统填料表面和植物根系成熟，已经具备和满足试验所需条件。
（网络图片，与文章无关，侵删）
3.4.1. 取样时间的选择确定
水质化验取水样时间的选择，主要针对幸福水库水质污染的主要来源是上游农村居民生活污水排放以及农业面源污染的季节特点来选定。并且试验池（床）前、后同时取样进行检测比较。
第一个取水样时间：2006年12月，为一年中河流入库径流小、纳污承载能力相对比较差的时段。检测成果详见表3-1。
第二个取水样时间：2007年3月，为一年中最枯水季节，河流水质应该说受农业面源污染相对比较小的时段。检测成果详见表3-2。
第三个取水样时间：2007年5月，水稻春插以及坡耕地上的农作物种植已全面结束，并大量施用肥料，属农业面源污染程度相对较重阶段，而且河流入库径流经枯水季节后复苏时段。检测成果详见表3-3；
第四个取水样时间：2007年7月，为夏收夏种阶段，丰水季节时期，河流入库径流量相对较大，纳污承载能力相对较强的时段。检测成果详见表3-4。
（每次取水样检测指数按有关规定为26项测定值，为减少文章篇幅，检测成果3—1～4表仅择录主要的7项）
表3-1 人工湿地实验2006年12月检测成果表
序号
样品名称
大双河河水
试验池出水
参数名称
测定值
水质类别
超标倍数
测定值
水质类别
超标倍数
1
高锰酸盐指数(mg/L)
3.4
Ⅱ
0.5
Ⅰ
2
氨氮(mg/L)
0.47
Ⅱ
<0.05
Ⅰ
3
总磷(mg/L)
0.14
Ⅱ
0.03
Ⅱ
4
总氮(mg/L)
1.03
0.35
5
粪大肠菌群(个/L)
92000
劣Ⅴ
8.2
400
Ⅱ
6
铁(mg/L)
0.46
不达标
0.53
<0.03
达标
7
锰(mg/L)
<0.01
达标
<0.01
达标
综合评价
劣Ⅴ
Ⅱ
表3-2 人工湿地实验2007年3月检测成果表
序号
样品名称
大双河河水
试验池出水
参数名称
测定值
水质类别
超标倍数
测定值
水质类别
超标倍数
1
高锰酸盐指数(mg/L)
5.4
Ⅲ
1.9
Ⅰ
2
氨氮(mg/L)
0.96
Ⅲ
0.09
Ⅰ
3
总磷(mg/L)
0.10
Ⅱ
0.01
Ⅰ
4
总氮(mg/L)
2.23
0.37
5
粪大肠菌群(个/升)
92000
劣Ⅴ
8.2
1300
Ⅱ
6
铁(mg/L)
0.39
不达标
0.03
0.06
达标
7
锰(mg/L)
0.07
达标
<0.01
达标
综合评价
劣Ⅴ
Ⅱ
表3-3 人工湿地实验2007年5月检测成果表
序号
样品名称
大双河河水
试验池出水
参数名称
测定值
水质类别
超标倍数
测定值
水质类别
超标倍数
1
高锰酸盐指数(mg/L)
15.6
劣Ⅴ
1.6
1.6
Ⅰ
2
氨氮(mg/L)
1.63
劣Ⅴ
0.63
0.20
Ⅱ
3
总磷(mg/L)
0.22
Ⅳ
0.12
0.04
Ⅱ
4
总氮(mg/L)
2.57
0.43
5
粪大肠菌群(个/L)
180000
劣Ⅴ
17
900
Ⅱ
6
铁(mg/L)
1.46
不达标
3.9
0.14
达标
7
锰(mg/L)
0.25
不达标
1.5
<0.01
达标
综合评价
劣Ⅴ
Ⅱ
表3-4 人工湿地实验2007年7月检测成果表
序号
样品名称
大双河河水
试验池出水
参数名称
测定值
水质类别
超标倍数
测定值
水质类别
超标倍数
1
高锰酸盐指数(mg/L)
3.4
Ⅱ
1.7
Ⅰ
2
氨氮(mg/L)
0.20
Ⅱ
<0.05
Ⅰ
3
总磷(mg/L)
0.04
Ⅱ
<0.01
Ⅰ
4
总氮(mg/L)
1.10
0.29
Ⅰ
5
粪大肠菌群(个/升)
17000
Ⅳ
0.7
600
Ⅱ
6
铁(mg/L)
0.17
达标
<0.05
达标
7
锰(mg/L)
<0.01
达标
<0.01
达标
综合评价
Ⅳ
Ⅱ
3.4.2. 试验检测结果
人工湿地试验前进水和试验后出水水质结果评价标准采用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）进行评价，因该水源作为幸福水库水源地的主要补充水源，因此，本次评价也把该标准补充项目纳入评价范围，评价项目共24项，评价结果如下：
⑴ 2006年12月水质检测结果：大双河河水水质为地表水劣Ⅴ类标准，超标污染物为粪大肠菌群、铁等，试验池出水口水质达到地表水Ⅱ标准。
⑵ 2007年3月水质检测结果：大双河河水水质为地表水劣Ⅴ类标准，超标污染物为粪大肠菌群、铁等，试验池出水口水质达到地表水Ⅱ标准。
⑶ 2007年5月水质检测结果：大双河河水水质为地表水劣Ⅴ类标准，超标污染物为高锰酸盐指数、氨氮、总磷、粪大肠菌群、铁、锰等，试验池出水口水质达到地表水Ⅱ标准。
⑷ 2007年7月水质检测结果：大双河河水水质为地表水Ⅳ类标准，超标污染物为粪大肠菌群，试验池出水口水质达到地表水Ⅱ标准。
（网络图片，与文章无关，侵删）
3.4.3. 试验检测结果评价
该项试验工作从土建工程开始施工至最后一个水样检测结果，前后历时14个月之久，其中，2006年12月至2007年7月的八个月时间为试验检测阶段。在试验检测阶段参试人员及聘请的看护人员自始至终，按程序、严要求，观察水生植物生长状态，严格调控水量，一丝不苟，确保试验成果的准确性和可信度。现对本次试验结果（详见3.3.1、3.3.2有关试验数据）作如下评价：
⑴ 选定的取水样时间（时段）符合幸福水库水源污染物排放季节、规律、入库径流等实际情况。
⑵ 经过对四次不同时间的试验池（床）进、出水样化验检测结果分析计算，利用生物生态（人工湿地）技术保护幸福水库水源效果是十分有效的，对水体中的高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮和粪大肠菌群的净化吸收效果特别明显。高锰酸盐指数的平均去除率为72.4%；氨氮的平均去除率为90.1%；总磷的平均去除率为84.5%；总氮的平均去除率为76.6%；粪大肠菌群的平均去除率为98.6%。据此推断，生物生态（人工湿地）保护水源技术对去除挥发酚等有机物污染物和某些金属亦具有良好的效果。
⑶ 良好的试验结果，充分说明人工湿地试验池（床）的设计方案是可行的。试验选用的面流式（又称漫灌式）进水方式是正确的。
⑷ 选择的水生植物品种，根状球型类植物选择了水芋，根径粗壮型植物选择美人蕉、香蒲和莎草，共两大类四种植物，除了香蒲生长缓慢（观察分析原因主要是试验水质污染程度不能满足其生长所需的肥料）之外，总体上达到耐热、耐寒、四季常青的要求，适宜本地区气候条件生长。
⑸通过在幸福水库进行小规模的人工湿地试验成果证明，投资兴建幸福水库水资源保护工程有着充分的技术依据。
（网络图片，与文章无关，侵删）
4 结束语
起源于上世纪50年代的人工湿地技术，经过几十年的发展，目前已经成为一个较为成熟的污水处理技术和水资源保护技术，在欧美发达国家和我国一些地方已有较大规模的应用。人工湿地技术是一项不断被深化、应用的污水处理和水资源保护技术。人工湿地技术处理污水比常规生活污水处理系统具有明显的优点：
设计、施工简单，投资少，建设、运营成本低廉。第二，对污染物处理的多样性。不同的基质能对不同的污染物质进行净化吸收处理，多种基质的组合能对多种污染物进行处理。不同的植物对污染物质的处理具有一定的针对性，多种植物的组合能去除多种污染物。南方水生植物品种十分丰富，可根据气候条件就地取材。
第三，处理污水的高效性。对氮的去除率可达 70％以上，对磷的去除率可达80％以上，对农药类、细菌总数等去除率在90％以上。
第四，具有独特的绿化环境功能。人工湿地同自然湿地一样，由于种植有大量的水生植物，所以对环境起到了绿化的功能，成规模、设计布局精巧和合理的人工湿地不但可增加绿地面积，还能为人们提供—个优美的新型的生态景观。
以科学的发展观，坚持以人为本，发展绿色经济，建设绿色环境，构筑绿色生态，培育绿色文明，构建人水和谐、人民群众生活富裕安康的社会是全社会的共同义务。作为水行政主管部门，结合行业的实际情况，尤其是越来越多城镇供水赖以水库为供水水源地的今天，把握机遇大力发展供水事业，为实现供水“优质、优价”的目标，在全省范围内以水库作为供水水源地单位，有计划地、分期分批地投资建设利用生物生态（人工湿地）技术保护水资源的工程项目是很有必要的。
（网络图片，与文章无关，侵删）
(本文仅为写作提供参考，纯属虚构，如有雷同，请勿对号入座）
