何瑩泉，陳鈺皓，陳富強(qiáng)，劉錫輝

(廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣州 510520)

目前大部分森林區(qū)域內(nèi)由于沒(méi)有完善的市政供水設(shè)施，難以滿足森林防火、森林旅游和林業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等日益對(duì)用水量的增長(zhǎng)需求。特別是在逐漸形成的以水滅火為主要森林防火形式的一種趨勢(shì)的情況下[1]，就近就地取得符合使用要求的水源對(duì)于開(kāi)展森林保護(hù)、生態(tài)旅游和林業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)具有重要意義。

雨水、山泉和溪流等地面徑流是森林中可利用的理想水源。但森林消防用水和各類服務(wù)設(shè)施用水(飲用水除外)對(duì)水質(zhì)有一定的要求，對(duì)取水構(gòu)筑物的設(shè)置也有安全上的考慮。地面徑流在枯水期時(shí)，枯枝落葉等漂浮物和水生動(dòng)植物較多；而在豐水期時(shí)，由于水量大攜帶了大量的泥沙及懸浮顆粒，導(dǎo)致水質(zhì)變壞，特別是山洪暴發(fā)時(shí)，巨大的水量變化使水流具有非常大的破壞性，傳統(tǒng)取水構(gòu)筑物難以適用于森林水源取水工程。

森林地面水源取水和水質(zhì)優(yōu)化處理集成了設(shè)置在森林溪流河床上的防沖刷保護(hù)結(jié)構(gòu)、多層濾料過(guò)濾凈水處理裝置、凈水收集管道、凈水室、閥門井以及出水管道等構(gòu)筑物，是一套適于森林水源取水和水質(zhì)優(yōu)化的處理系統(tǒng)。本研究以收集和處理的水體為測(cè)定對(duì)象，通過(guò)對(duì)處理前后水體的水量和水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，從而掌握該系統(tǒng)收集地面水量及處理水質(zhì)的情況，以期為森林地面水源取水和水質(zhì)優(yōu)化處理提供理論依據(jù)。

1 構(gòu)成與原理

1.1 系統(tǒng)原理

采用低負(fù)荷的慢濾處理原理，凈水機(jī)理是多方面功能的綜合反應(yīng)，主要是生物吸附降解、沉淀、擴(kuò)散、靜電吸附機(jī)械篩濾的協(xié)同作用[2]。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

由設(shè)置在森林溪流河床上的防沖刷保護(hù)結(jié)構(gòu)、多層濾料過(guò)濾凈水處理裝置、凈水收集管道、凈水室、閥門井以及出水管道等構(gòu)成。過(guò)濾凈水處理裝置包括自河床水面向河床底部方向依次設(shè)置的各層處理過(guò)濾構(gòu)造：① 6 mm粗尼龍編織防沖刷網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為40 mm，作用是在防止發(fā)生洪水時(shí)各層濾料被沖刷破壞；② 300 mm厚鵝卵石或礫石層，粒徑60～80 mm，主要攔截較大漂浮和懸浮雜質(zhì)；③ 400 mm厚石英砂層，粒徑0.35～0.50 mm的中粗砂，滲透過(guò)濾處理水功能；④ 200 mm厚鵝卵石或礫石層，粒徑20～30 mm，多級(jí)過(guò)濾處理，凈水收集管敷設(shè)床；⑤ 外裹塑料濾布的DN100多孔透水給水管，孔徑10 mm，孔數(shù)60/m，收集清水，防止濾料沙石進(jìn)入凈水池；⑥ 200 mm厚鵝卵石或礫石層，粒徑20～30 mm，多級(jí)過(guò)濾處理，清水收集管敷設(shè)床。

濾料層為三層，濾池總厚度為1100 mm，粒徑0.35～0.50 mm和20～80 mm。水源水質(zhì)優(yōu)化處理構(gòu)造詳見(jiàn)圖1。

結(jié)合地勢(shì)與森林環(huán)境，凈水出水與原水流水方向?yàn)?0度水力布置，豐水期時(shí)，利用上層防沖刷保護(hù)層和合理的濾料級(jí)配，防止大水流沖力破壞過(guò)濾層，并利用形成的大水流沖洗潔凈表面和上層濾料層過(guò)濾的雜質(zhì)，自然完成上層濾料沖洗步驟，無(wú)需更多的維護(hù)清理工作，可有效延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，增加系統(tǒng)的安全可靠性。通過(guò)上述的過(guò)濾凈水處理裝置可有效去除地面徑流水源內(nèi)落葉及懸浮物、泥沙顆粒，處理后的水質(zhì)可達(dá)到森林消防用水、林業(yè)生產(chǎn)和各類服務(wù)設(shè)施的用水的水質(zhì)和水量要求。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)地概況

實(shí)驗(yàn)地設(shè)在東莞大屏嶂森林公園森林防火系統(tǒng)研究示范基地內(nèi)，在113°59′07″—114°01′11″E，和20°45′44″—22°49′25″N之間。屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，夏秋多雨，春冬干旱；年降雨量1 500～2 400 mm，雨量集中在4—8月。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置在示范基地竹徑小溪流河床上；過(guò)濾區(qū)尺寸2.6 m×2.2 m×1.2 m面積5.72 m2，體積6.86 m3；凈水室尺寸2.0 m×0.5 m×1.1 m，凈水室容積1.1 m3。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用抽水降水實(shí)驗(yàn)測(cè)定系統(tǒng)的出水量，數(shù)據(jù)格式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；運(yùn)用Microsoft Excel 2007軟件統(tǒng)計(jì)整理各項(xiàng)數(shù)據(jù)；采用SPSS 19.0軟件，使用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)與曲線估算方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出原水水位與凈水水位差和出水量之間的函數(shù)關(guān)系。原水水質(zhì)采用人工模擬法，以水流擾動(dòng)上游溪流河床模擬暴雨最不利時(shí)原水水質(zhì)，在各出水量工況下采取水樣，測(cè)定原水和凈水水質(zhì)，比較不同水量下系統(tǒng)去除雜質(zhì)的效果，得出出水量和處理效果之間最佳的工藝參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 出水量測(cè)定實(shí)驗(yàn)

出水量測(cè)定實(shí)驗(yàn)采用降水實(shí)驗(yàn)測(cè)定系統(tǒng)的產(chǎn)水能力，即出水量(y)，以變頻水泵組為凈水池降水，以不同的流量抽吸凈水池水，抽水水位下降到恒定值時(shí)，測(cè)量水位下降的刻度(x)，記錄此時(shí)水泵的流量。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出原水水位和凈水水位之差(x)和水泵流量(y)之間的關(guān)系圖(圖2)。

圖2 出水量與水位關(guān)系圖

從圖2可以看出，出水量(y)與水位差(x)呈現(xiàn)冪函數(shù)曲線變化。由圖可見(jiàn)，判定系數(shù)R2=0.850 2，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)次數(shù)解釋出水量總變異的85.02%。在5%的顯著性水平下，回歸系數(shù)通過(guò)t檢驗(yàn)，p值非常小，趨近于0。說(shuō)明回歸效果較好，得到出水量與水位差的函數(shù)關(guān)系[3]：

y=0.397 9x-1.739(x≥0)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，原水水位和凈水池水位差為10～15 cm時(shí)，流量變化范圍為2.24～4.23 m3/h，單位過(guò)濾面積出水量0.39～0.74m3/(h·m2)；原水水位和凈水池水位差為15～20 cm時(shí)，流量變化范圍為4.23～6.22 m3/h，單位過(guò)濾面積出水量0.74～1.09(m3/h·m2)。

3.2 出水水質(zhì)分析

水質(zhì)實(shí)驗(yàn)通過(guò)不同出水量工況下的多組取水水樣測(cè)定完成。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，出水水質(zhì)和出水量關(guān)系成反比，出水量增大水質(zhì)處理效果減弱，依據(jù)這個(gè)規(guī)律可以確定最佳的出水量參數(shù)：原水水位和凈水池水位差為10～15 cm時(shí)，為一段理想的系統(tǒng)運(yùn)行工況，處理效果也較好。表1為此工況下的水質(zhì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 取樣水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果檢驗(yàn)項(xiàng)目原水檢測(cè)結(jié)果凈水檢測(cè)結(jié)果去除部分去除率/%渾濁度(NTU)1740.9173.199.48色度3152683.87臭和味101100.00肉眼可見(jiàn)物505100.00氨氮/(mg/L) 0.360.020.3494.44亞硝酸鹽氮/(mg/L)0.0130.0010.01292.31鋁/(mg/L)0.040.020.0250.00錳/(mg/L)0.110.050.0654.55鐵/(mg/L)6.720.116.6198.36耗氧量/(mg/L)7.190.616.5891.52總大腸桿菌/(MPN/100 mL)169.26.842.50細(xì)菌總數(shù)/(CFU/mL)>50013037074.00pH/(mg/L)66.5總硬度(以CaCO3計(jì))/(mg/L)19.721.6-1.9-9.64

4 結(jié)論與討論

1)實(shí)驗(yàn)表明，水位差是系統(tǒng)出水量的決定因素，水位差越大出水量也越大，以系統(tǒng)慢濾原理為依據(jù)，當(dāng)水位差為10～20 cm時(shí)，出水量最穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行良好。取水口構(gòu)造尺寸以水位差為10～15 cm時(shí)最佳，當(dāng)對(duì)水質(zhì)要求不高時(shí)，水位差可以選擇為15～20 cm 。當(dāng)水位差增加時(shí)出水量增加，但會(huì)減弱水質(zhì)處理的效果。因此，依據(jù)過(guò)濾面積=用水量/單位面積出水量的計(jì)算公式，如果水源為雨水和泥沙含量較高的水體，可按照用水量計(jì)算所得的過(guò)濾面積再考慮一定的安全系數(shù)(1.2～1.5)。

2)原水經(jīng)過(guò)過(guò)濾層的過(guò)濾處理后，去除了森林地面徑流99%以上的肉眼可見(jiàn)漂浮物質(zhì)和渾濁度，氨氮、亞硝酸鹽及金屬離子等都有不同程度的改善，凈水pH值輕微為弱堿化，水的硬度也有一定提高，處理效果理想，可以滿足森林消防和游客活動(dòng)中的大部分用水水質(zhì)要求。

3)該技術(shù)適用森林水源類型廣闊，具有應(yīng)對(duì)森林水源水質(zhì)、水位、水量大動(dòng)態(tài)變化及防暴雨沖刷功能，可適應(yīng)任何復(fù)雜境況。森林溪流山泉，泥沙含量低者為最佳，裝置布置在溪流河床上就可獲取到符合水質(zhì)要求的用水。沒(méi)有溪流的情況下，只要林地內(nèi)有一定的匯水面積，在雨水流經(jīng)的凹地布置該裝置即可從雨水中獲取符合水質(zhì)要求的用水。該技術(shù)結(jié)構(gòu)合理實(shí)用、簡(jiǎn)潔樸實(shí)、綠色低碳、效果顯著，是構(gòu)建無(wú)動(dòng)力環(huán)保林業(yè)供水系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為森林水源生態(tài)收集處理利用開(kāi)辟了新思路。