李可心，宛立，張翠雅，衣隆強(qiáng)，韓蕊,2，榮馨宇，吳英海

（1.大連海洋大學(xué)，遼寧大連116023；2.設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116023）

引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展給水體帶來的影響越來越大，城市飲用水水源的保護(hù)迫在眉睫[1]。近年來，隨著立法等有效措施的實(shí)施，點(diǎn)源污染已經(jīng)得到一定程度控制，而面源污染時(shí)空范圍大，具有不確定性，其成分和產(chǎn)生過程也復(fù)雜，由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活引起的非點(diǎn)源污染在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)將成為制約水環(huán)境改善的重要因素[2]，其控制和治理一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容之一。根據(jù)面源污染的形成特點(diǎn)和發(fā)生過程，其控制和治理包括源控制、徑流污染物傳輸控制過程和匯系統(tǒng)治理，在這三個(gè)控制層面上選擇和應(yīng)用相應(yīng)的技術(shù)是目前非點(diǎn)源污染治理的主要途徑。隨著水源保護(hù)工作的持續(xù)深入，水源污染防治技術(shù)逐漸成為水源地保護(hù)研究的重點(diǎn)問題。

目前，針對(duì)飲用水水源地生態(tài)修復(fù)工程的研究和應(yīng)用多著眼于單一的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，應(yīng)從整體上進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和生態(tài)修復(fù)[3]。本文介紹了遼寧省大連市碧流河飲用水水源地上游5條支流的概況，對(duì)水源地上游支流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)和污染源解析，選擇其中一條代表性支流對(duì)其非點(diǎn)源污染源進(jìn)行估算，并提出“四層生態(tài)控制”工程方案。本研究可為飲用水水源地保護(hù)技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

碧流河飲用水水源保護(hù)區(qū)是大連市最大的水源地，是大連人民的生命之源，位于普蘭店、蓋州交界處，距大連中心城區(qū)約170 km（圖1）。1974年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，于1975年動(dòng)工興建，1983年落閘蓄水，1986年10月竣工，通過國家驗(yàn)收交付使用。碧流河水庫位于大連市最大河流的碧流河干流上，壩址距河口55 km。碧流河水庫上游有數(shù)條徑流流入庫區(qū)，其中位于普蘭店域內(nèi)5條入庫支流的位置和流經(jīng)村落概況如圖1和表1所示。

圖1 碧流河水庫及上游支流位置圖

表1 碧流河水庫上游位于普蘭店境內(nèi)的5條支流的位置和流經(jīng)村落概況

1.2 水質(zhì)分析與評(píng)價(jià)方法

1.3 農(nóng)業(yè)面源污染排放量

先進(jìn)行實(shí)物排放量計(jì)算，分別采用公式（1）和（2）計(jì)算種植業(yè)污染物排放量[7,8]和畜禽養(yǎng)殖污染物排放量；再采用式（3）計(jì)算農(nóng)業(yè)面源污染等標(biāo)排放量[9]。

式中，Pi為種植業(yè)的污染物i的排放量（kg）；Aj為第j種土地利用類型的面積（hm2）；L為污染物i在第j種土地利用類型中的流失系數(shù)（kg/hm-2）。

式中，Mi為畜禽養(yǎng)殖污染物i排放量（t/a）；Nu為畜禽養(yǎng)殖類型u的養(yǎng)殖量（頭或羽），由各鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)地調(diào)查得到；Pu為畜禽養(yǎng)殖類型u的糞污排泄系數(shù)（kg/頭）；Giu為畜禽養(yǎng)殖類型u糞污中污染物i的含量；Tu為畜禽養(yǎng)殖類型j的糞污處理利用率（%），由抽樣調(diào)查得到。

式中，SPi為污染物i的等標(biāo)排放量（m3/a）；RQi為污染物i的實(shí)物排放量（t/a）；C0i為污染物i基于水環(huán)境功能分區(qū)的水質(zhì)控制類別標(biāo)準(zhǔn)值（mg/L）。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 支流水質(zhì)評(píng)價(jià)與污染源解析

對(duì)上述5條支流進(jìn)行采樣和水質(zhì)分析，水質(zhì)結(jié)果如表2所示。

表2 碧流河水庫上游普蘭店境內(nèi)5條支流水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果（mg/L）

2019年水環(huán)境質(zhì)量公報(bào)顯示，碧流河水庫水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)良好，水質(zhì)以優(yōu)為主，Ⅰ類至Ⅲ類水質(zhì)占比81.0%，同比上升9.6%，無Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)。相關(guān)文獻(xiàn)也表明[10,11]，近年來水庫水體的總氮、氨氮、硝酸鹽氮和硫酸鹽等水質(zhì)指標(biāo)都有提高趨勢(shì)，但仍存在總氮、溶解氧偶有超標(biāo)，雖然總體上不構(gòu)成水體富營(yíng)養(yǎng)化的條件，但存在著水體富營(yíng)養(yǎng)化的隱患。由表2可知，碧流河水庫上游5條支流均受到不同程度的污染，支流1和支流5的BOD5、氨氮、TN、TP含量嚴(yán)重超標(biāo)，均未達(dá)到地表水Ⅲ類[6]，支流2、3、4受污染程度較支流1、2輕，但仍存在TN、TP含量超標(biāo)且未達(dá)到地表水Ⅲ類要求。可見，支流污染是導(dǎo)致碧流河整體水質(zhì)有下降趨勢(shì)的重要原因。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和文獻(xiàn)報(bào)道[11]，支流水質(zhì)受到污染的原因主要有：（1）水庫區(qū)域內(nèi)有大量居民，大量農(nóng)村生活污水排入水源保護(hù)區(qū)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口集中區(qū)將大量生活垃圾直接推到河道，日常垃圾隨意丟棄；（2）流域內(nèi)以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主，大量養(yǎng)殖家禽及牲畜，大量糞便未經(jīng)處理隨意排放，造成大量富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排入水源地；（3）近年來水庫水位降低，村民開墾荒地或挖沙取土，造成水力侵蝕性的水土流失，氮、磷、鉀、農(nóng)藥以及其他有害物質(zhì)隨泥沙流入支流并匯入水庫，造成河道淤積和水質(zhì)污染；（4）碧流河水庫區(qū)域工業(yè)污染、醫(yī)療污染以及飲食行業(yè)造成的污染十分嚴(yán)重，且大多無環(huán)保措施。

2.2 代表性支流污染物負(fù)荷估算

結(jié)合表1近幾年的水環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)表可知，支流1的CODCr、BOD5和NH4+-N等指標(biāo)在5條支流中污染程度較其他幾條支流更為嚴(yán)重，故選擇支流1進(jìn)行污染源排放量估算和生態(tài)恢復(fù)建設(shè)工程具有代表性。其他支流參考同樣方法進(jìn)行。分別計(jì)算污染物實(shí)物（表3）和等標(biāo)排放量（表4）后，得到碧流河流域支流1農(nóng)業(yè)面源BOD5、CODCr、TP和TN的實(shí)物排放量分別為1033.0 t/a、1169.9 t/a、80.5 t/a和252.1t/a。

表3 支流1污染物實(shí)物排放量(t/a)

表4 支流1污染物等標(biāo)排放量（m3/a）

2.3 污染控制修復(fù)方案

根據(jù)前述分析，支流1具有代表性。本研究以支流1為例提出污染控制修復(fù)方案，其他支流參考同樣方法進(jìn)行修復(fù)。支流1設(shè)置“四層生態(tài)控制”工程方案，包括（1）截污工程及人工濕地污水處理工程、（2）流域農(nóng)業(yè)面源污染濕地治理工程、（3）支流濕地生態(tài)修復(fù)和建設(shè)工程、（4）濕地生態(tài)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與河道管理工程，工程方案布置位置及工程內(nèi)容分別見圖2和表5。

表5 支流1水污染“四層生態(tài)控制”工程方案內(nèi)容

圖2 支流1水污染“四層生態(tài)控制”工程方案的位置

（1）截污工程及人工濕地污水處理工程。對(duì)農(nóng)村污水中的黑水采用非水沖糞尿分集式衛(wèi)生廁所進(jìn)行控制，灰水采用小型人工濕地技術(shù)，以碎石、砂礫等為生物附著填料，水力負(fù)荷為10～30cm/d，利用村落空地作為小型生態(tài)處理工程場(chǎng)地，灰水凈化后可用于農(nóng)田或道路灑水。人工濕地：①填料選擇：由碧流河水質(zhì)可知，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)氮、磷的去除，且該河流地處冬季寒冷地區(qū)，選擇潛流濕地最為合適，用沸石、蛭石、工業(yè)副產(chǎn)品等作為填料，總厚度控制在0.6m左右。②植物選擇：擬選用香蒲、蘆葦?shù)雀蛋l(fā)達(dá)、繁殖力強(qiáng)、具有較強(qiáng)輸氧能力和除氮、磷能力的植物，同時(shí)也種植燈心草等耐寒植物。③預(yù)處理：為去除SS和一些容易導(dǎo)致填料堵塞的不利于后續(xù)濕地處理的物質(zhì)，選擇格柵、沉砂池作為預(yù)處理設(shè)施。④人工濕地配水系統(tǒng)采用階梯式進(jìn)水，可避免濕地床堵塞和提高SS和有機(jī)物的去除，利于后續(xù)的植物生長(zhǎng)及脫氮過程。⑤防滲處理：防止人工濕地給地下水造成污染，應(yīng)用黏土等基底料進(jìn)行夯實(shí)。

（2）流域農(nóng)業(yè)面源污染濕地治理工程；建立生態(tài)溝渠并設(shè)置植被緩沖帶區(qū)，在整條支流上分四段分別剪力生態(tài)溝渠，總長(zhǎng)約2103m，在農(nóng)田排水渠種植美人蕉等植物利用其根系攔截吸附氮磷等污染物。植被緩沖帶區(qū)利用原有岸邊林帶構(gòu)建以紅竹、板果和楓楊等為主林層的喬、灌、草復(fù)層河岸植被緩沖區(qū)。同時(shí)農(nóng)業(yè)技術(shù)部門要在種植技術(shù)上進(jìn)行專業(yè)指導(dǎo)，使小流域農(nóng)業(yè)土地得到合理的使用。發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)，降低農(nóng)藥使用量，促使農(nóng)業(yè)面源的污染程度降至最低。

（3）支流濕地生態(tài)修復(fù)和建設(shè)工程。①前置庫工程（含生態(tài)堤壩+生態(tài)浮島）：工程面積約為23050m2，其中，固定化區(qū)域長(zhǎng)1230m，復(fù)合水生植物床長(zhǎng)203m，寬171m，前后留150m的沉降隔離區(qū)域，在浮床上種植美人蕉、蘆葦、荻、多花黑麥草、稗草等植物，生態(tài)浮床或生態(tài)浮島利用植物和根區(qū)微生物共生，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)去除水體中的氮磷及懸浮顆粒。②生態(tài)護(hù)坡：采用植被型生態(tài)技術(shù)，工程長(zhǎng)約為1.5km，在護(hù)坡內(nèi)填充營(yíng)養(yǎng)土，并在護(hù)坡表面栽種黑麥草、兩耳草及高羊茅草等植物。該方式有利于維護(hù)岸坡穩(wěn)定性，為水中生物提供了棲息地和活動(dòng)的場(chǎng)所，減少養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。③復(fù)合人工濕地：選擇垂直潛流人工濕地(VSFCW)、水平潛流人工濕地(HSFCW)和自由表面流濕地(FWSCW)串聯(lián)組合而成的復(fù)合人工濕地，該系統(tǒng)對(duì)CODCr、NH4-N、NO3-N、TN、TP、TSS、F-、Ni和大腸埃希氏菌(E.coli)的去除率較高，隨季節(jié)變化也較為穩(wěn)定[12]。④底泥清淤：靠近村落的徑流，位于橋梁附近的河段往往堆積生活垃圾和農(nóng)業(yè)垃圾等，采用底泥清淤方法對(duì)不同粒徑的泥沙清淤物進(jìn)行清除，淤泥進(jìn)行綜合利用或衛(wèi)生填埋，清淤總長(zhǎng)約1.5km，清淤泥層厚度約為0.3~1.5m。

（4）濕地生態(tài)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與河道管理工程：①每個(gè)季度對(duì)濕地植被、沖刷情況進(jìn)行一次跟蹤調(diào)查；②對(duì)碧流河水庫支流1進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，分別在豐、平、枯水期設(shè)置采樣斷面5個(gè)，每年采樣8~12次進(jìn)行檢測(cè)分析。③河濱植被緩沖帶管理維護(hù)：沿岸1km設(shè)置植被緩沖帶，同時(shí)進(jìn)行科學(xué)管理。④農(nóng)村、農(nóng)業(yè)垃圾處置和處理：垃圾進(jìn)行分類處理。

3 結(jié)論

為了解決入庫河流水體污染導(dǎo)致的下游飲用水水源保護(hù)區(qū)水質(zhì)下降問題，本研究對(duì)碧流河上游支流流域進(jìn)行實(shí)地考察，評(píng)估水體污染程度及解析污染源，選擇具有代表性的支流1進(jìn)行生態(tài)工程建設(shè)，提出了“四層生態(tài)控制”工程方案，圍繞點(diǎn)面源污染，利用生態(tài)工程方法首先對(duì)污水進(jìn)行截留、凈化和農(nóng)田回灌利用，實(shí)現(xiàn)首層控制，其次利用流域農(nóng)業(yè)面源污染濕地治理工程作為第二層控制設(shè)施，再次對(duì)支流進(jìn)行濕地生態(tài)修復(fù)和建設(shè)作為第三層控制措施，最后，作為最后一道治污屏障，對(duì)濕地生態(tài)、水質(zhì)和河道進(jìn)行后續(xù)定期監(jiān)測(cè)維護(hù)。本研究將為飲用水水源地保護(hù)提供技術(shù)參考。