王新斌，吳景華

（深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 深圳 518000）

修回日期：2023-08-16

第一作者簡介：王新斌（1972—），男，湖北云夢人，本科，高級工程師，從事水務(wù)工程建設(shè)管理工作。

0 前 言

都市飲用水水庫的水質(zhì)保障一直是各方關(guān)注的焦點。深圳石巖水庫水質(zhì)污染嚴(yán)重的問題，對此，深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心創(chuàng)新治理思路，采取生態(tài)處理與分質(zhì)回用相結(jié)合的方式，綜合治理水庫污染問題，取得較好的效果。

1 項目背景

深圳市石巖水庫位于深圳西部的茅洲河流域，這座總庫容為3154萬m3的中型水庫具有防洪、供水、調(diào)蓄等功能，是深圳供水網(wǎng)絡(luò)中重要的供水水庫之一，年供水量超過3.5億m3，受益人口380萬，2011年被列入全國重要飲用水水源地名錄，2013年深圳市鐵崗石巖水庫管理處通過國家級水利工程管理單位驗收，成為深圳首個國家級水利工程管理單位。

隨著深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)快速發(fā)展、自然環(huán)境開發(fā)過度，石巖水庫流域46 km2的集雨范圍內(nèi)建成區(qū)超過50%，成為典型的都市水庫。由于流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口出現(xiàn)急劇增加，可滲透地面的面積比例逐漸變小，由暴雨徑流產(chǎn)生的突發(fā)性、沖擊性的都市面源污染已成為水庫水體水環(huán)境污染的主要來源之一［1］。

都市面源污染是指暴雨產(chǎn)生的徑流沖刷地面污染物（城市各類垃圾、粉塵、化肥、重金屬、大氣干濕沉降物、各種在地間上的排放物、植物的殘余物等），通過城市地表徑流帶入河道水庫等水環(huán)境而產(chǎn)生的污染，它是相對于點源污染而言的一種新型環(huán)境污染類型，亦稱為城市非點源污染［2-3］。不同于一般點源污染，城市的面源污染表現(xiàn)出隨機(jī)性、差異性和滯后性等特點［4］，這是因為它的發(fā)生源、遷移途徑和污染物的濃度等差別較大；城市的面源污染物質(zhì)一部分直接沉積在地表，其他的部分則飄散在空氣中隨著降雨進(jìn)入路面或者土壤的表面［5］。沉積在地表的或通過降雨進(jìn)入路面的污染物在降雨徑流過程中將最終進(jìn)入地表水體，影響水體水質(zhì)。由于治污滯后，石巖水庫六條入庫支流帶來自產(chǎn)水徑流的同時也帶了污水，導(dǎo)致水庫水質(zhì)受到污染，嚴(yán)重影響了人民群眾的飲用水安全。據(jù)2003年11月4日《南方都市報》報道：石巖水庫的水資源質(zhì)量屬于極嚴(yán)重污染的超5級水質(zhì)，其主要超標(biāo)項目是氨氮、總氮。其水質(zhì)位列廣東省飲用水源倒數(shù)第二位。入庫污染的防控與庫區(qū)水質(zhì)的改善到了十分緊急的關(guān)頭。

石巖水庫流域內(nèi)有石巖河、麻布水等6條入庫支流，入庫污染來源主要為旱季漏排污水、雨季混流污水與面源污染。

漏排污水可以通過管網(wǎng)完善加以解決，但管網(wǎng)的完善尚需5～10年甚至更長的建設(shè)周期；在管網(wǎng)尚未徹底完善前，將不可避免存在雨季混流污水污染；且雨季混流污水與面源污染則隨降雨而來，入庫雨水帶來了水資源同時也帶來了污染，形成了水資源利用與水庫污染防控的矛盾對立。石巖水庫治污截污迫在眉睫。

2 創(chuàng)新治理思路

為實現(xiàn)水資源利用與污染防控雙目標(biāo)，提出了“截、治、清、補(bǔ)”的總體思路?！敖亍保荷搅智鍧嵱晁睾槿霂炖茫鬯嘏诺轿鬯畯S處理，微污染雨水截流到人工濕地凈化。“治”：達(dá)標(biāo)雨水經(jīng)庫灣保護(hù)林前置庫進(jìn)行水質(zhì)提升入庫；高污染雨水經(jīng)初雨調(diào)蓄池植物凈化，再回補(bǔ)下游河流景觀水?！扒濉保簬靺^(qū)沉積淤泥清理，高地回填，形成人工濕地系統(tǒng)。庫區(qū)違建清治，入侵物種清除，最大化的修復(fù)庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)?！把a(bǔ)”：雨水經(jīng)濕地前置庫生態(tài)處理（其主要功能是蓄渾放清、凈化水質(zhì)［6］），經(jīng)監(jiān)測達(dá)到Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)后，回補(bǔ)水庫。庫外建設(shè)污水廠處理混流污水，出水回補(bǔ)河道。

2.1 建立數(shù)字模型，確定規(guī)模

面源污染是隨降雨徑流而產(chǎn)生的，面源污染負(fù)荷的影響因素有：降雨的強(qiáng)度、降雨量、降雨的歷時、城市土地的利用類型（如居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、城市道路等）、大氣的污染狀況、地表的清掃狀況等［7］。其中城市的圖例利用類型決定著污染物的性質(zhì)及累積速率［8］。因此建設(shè)單位耗時一年，組織40余人，設(shè)置了28個測驗點，分別在旱季和雨季對流域內(nèi)各支流、庫區(qū)的水文、水質(zhì)（PH值、COD、BOD、氨氮、總磷、總氮等）、水生態(tài)、土壤及基流、大氣環(huán)境進(jìn)行了定期觀測、巡回測驗。并聯(lián)合北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境生物技術(shù)實驗室、環(huán)境模擬與污染控制的國家重點實驗室、數(shù)字城市及景觀生態(tài)學(xué)實驗室，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、模擬耦合，建立流域降雨與水庫水質(zhì)之間的技術(shù)關(guān)系。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：石巖水庫流域東岸污染強(qiáng)度低于西岸，但容易被沖刷，降雨徑流污染物濃度高于西岸，水質(zhì)較差，是石巖水庫主要入庫污染源［9］，庫區(qū)污染呈現(xiàn)東線高污染負(fù)荷、西線低污染負(fù)荷的分布特征。

東線：包括石巖河、王家莊溪、深坑壢、白坑窩四條支流，總流域面積35 km2，建成區(qū)14.4 km2，總?cè)丝?0萬人，生產(chǎn)總值205億元。東線有旱季污水漏排入河，雨季降雨攜大量的點源污水及面源污染入河，降雨強(qiáng)度14.6 mm/h下，初期河流水質(zhì)濃度大于旱季，降雨歷時30 min，徑流污染物濃度隨降雨徑流的增加而減少，水質(zhì)好轉(zhuǎn)（見圖1）。

圖1 石巖河、王家莊溪降雨過程水質(zhì)變化關(guān)系

西線：以面源為主，降雨初期污染物濃度在短時內(nèi)增大，降雨歷時15 min后，徑流污染物濃度隨降雨下降（見圖2）。

圖2 麻布水、運(yùn)?？铀涤赀^程水質(zhì)變化關(guān)系

通過監(jiān)測，建立庫區(qū)“降雨—徑流—水質(zhì)”的水環(huán)境數(shù)字模型，確定以氨氮和COD為控制指標(biāo)，合理確定東線截排到庫外處理的方案和規(guī)模，西線截流庫內(nèi)處理的方案和規(guī)模。

工程采用濃度控制的方式計算截排規(guī)模，當(dāng)入庫支流因降雨產(chǎn)生的雨污混合水水質(zhì)劣于控制指標(biāo)時，雨污混合污水經(jīng)截留在調(diào)蓄池內(nèi)，再通過隧洞排往庫區(qū)外，當(dāng)條件成熟時可處理達(dá)標(biāo)后回歸水庫；當(dāng)雨污混合水水質(zhì)優(yōu)于控制指標(biāo)時，雨水徑流直接進(jìn)入水庫。入河污染物包括點源、分布源和非點源污染，點源污染以污水的形式入河，分布源和非點源受降雨的沖刷隨徑流進(jìn)入河道，入庫口污染質(zhì)濃度采用在線監(jiān)測儀器進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)入庫口污染物質(zhì)濃度不劣于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時，才可直接入庫。

為了盡量將不達(dá)標(biāo)的混合污水截出庫外，對《深圳市水文資料年鑒》（2002年版）石巖水庫雨量站40多年雨量記錄中的逐日降雨量表中大于5 mm的日雨量進(jìn)行統(tǒng)計，分別計算出，每20場雨遭遇一場（P=5%）、每10場雨遭遇一場（P=10%）、每7場雨遭遇一場（P=15%）、每5場雨遭遇一場（P=20%）的雨型的徑流過程。根據(jù)分布源和面源污染物沖刷規(guī)律計算，得出不同頻率下每場降雨徑流在石巖河口形成的污染物濃度瞬時值，由此得出每場降雨所對應(yīng)需要截走的量。最終，石巖河截排規(guī)模確定為：隧洞規(guī)模20 m3/s+調(diào)蓄池庫容30萬m3。

2.2 區(qū)別污染輕重，分而治之

東線建成區(qū)污染負(fù)荷高，西線非建成區(qū)污染負(fù)荷低，采取東、西線分別處置。規(guī)劃思路見圖3。

圖3 規(guī)劃建設(shè)思路

東線：對于上游林地清潔雨水，截洪入水庫，充分利用本地水資源。對處于建成區(qū)、污染嚴(yán)重河段，旱季污水截排至下游污水處理廠，漏排部分截排到人工濕地；雨季水量小、污染重的初期雨水，在河口設(shè)截污閘，截流閘設(shè)置常開狀態(tài)，這樣，水流在河道內(nèi)由擋水閘攔截，超過控制指標(biāo)混合污水進(jìn)入截流系統(tǒng)，當(dāng)水質(zhì)優(yōu)于地表水Ⅲ類時，通過自動控制把截流閘關(guān)閉，擋水閘在水質(zhì)優(yōu)于地表水Ⅲ類或洪水時開啟，讓符合入庫要求的水進(jìn)入水庫。通過箱涵、隧洞，截排至庫外及茅洲河綜合整治工程；水量大、污染較輕部分混流污水經(jīng)庫尾截污明渠進(jìn)入調(diào)蓄庫，經(jīng)泥庫上部建設(shè)的濕地處理后，現(xiàn)狀泥庫上部建設(shè)的水平流人工濕地面積15萬m2，其水深0.5 m，其上種植有挺水植物，其對有機(jī)物、懸浮物等去除效果優(yōu)良，污水從進(jìn)口緩慢流過濕地表面，污水經(jīng)溢流流出，將水質(zhì)處理至一級A后進(jìn)入庫外茅洲河，作為景觀水補(bǔ)充（見圖4）。

圖4 東線的工藝流程

西線：運(yùn)?？铀吐椴妓⑽廴舅?，對入庫微污染水進(jìn)行水質(zhì)“識別”，采用水質(zhì)在線監(jiān)測儀器實時監(jiān)控水質(zhì)情況，當(dāng)水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時可準(zhǔn)許入庫，對未達(dá)到入庫標(biāo)準(zhǔn)的混流污水截入調(diào)蓄池，經(jīng)生態(tài)礫石床——潛流人工濕地處理，達(dá)標(biāo)回補(bǔ)水庫（見圖5）。

圖5 西線的工藝流程

為實現(xiàn)對入庫微污染水進(jìn)行水質(zhì)“識別”，項目專門研究并成功運(yùn)用了新型實用專利技術(shù)。該技術(shù)被列入“2014年度水利先進(jìn)實用技術(shù)推廣指導(dǎo)目錄”發(fā)明專利“城市河流雨污混流管網(wǎng)水流分質(zhì)排放”技術(shù)。

庫區(qū)：對底泥污染進(jìn)行清淤，利用徑背村處庫尾設(shè)置泥庫，泥庫干化后，建立人工濕地，對東線調(diào)蓄庫水進(jìn)行處理。同時，清理庫周違建和外來物種，建設(shè)庫灣保護(hù)林濕地，進(jìn)一步對達(dá)標(biāo)入庫雨水進(jìn)行生態(tài)凈化（見圖6）。

2.3 強(qiáng)調(diào)生態(tài)處理，分質(zhì)回用

污水：進(jìn)入庫外污水處理廠處理，作為河道景觀用水。高污染雨水：截入下游茅洲河綜合整治工程，送至初雨調(diào)蓄池處理排放；微污染雨水：根據(jù)相關(guān)研究，水平潛流人工濕地系統(tǒng)對微污染原水有較好處理效果［10-11］，因此本工程微污染雨水進(jìn)入潛流人工濕地處理，達(dá)到地表水Ⅲ類后回歸水庫；未達(dá)到入庫標(biāo)準(zhǔn)，作為庫外河道補(bǔ)水。達(dá)標(biāo)雨水：進(jìn)入庫灣保護(hù)林進(jìn)一步提升水庫，回歸水庫。

按照該總體思路本工程興建東、西線兩個截排系統(tǒng)，東線截排系統(tǒng)截排王家莊溪、石巖河、深坑瀝、白坑窩等支流受污染水體，最終將該受污染水體（污染水體列為茅洲河綜合治理項目任務(wù)）繞過水庫排往庫下游茅洲河綜合整治工程，輸送下游處理，主要工程項目有（從上游至下游依次為）：DN2200截污管道775 m（設(shè)計流量15 m3/s），石巖河六孔截污擋水閘（其中四孔擋水閘單孔寬12 m，兩孔控制閘單孔9 m，閘門高2.918 m，設(shè)計流量462 m3/s），截污箱涵1 757.81 m（B×H=3×3 m，設(shè)計流量20 m3/s），截污明渠940m（底寬10m，渠堤頂高37.35m，設(shè)計流量為69 m3/s），庫容30萬m3調(diào)蓄庫1座，385 m均質(zhì)土壩一條（壩高9.5 m，壩頂寬5 m），截污隧洞2 045 m（斷面尺寸D=3 m，設(shè)計流量20 m3/s），豎井3座，巡庫路2 078.91 m，管養(yǎng)房1座（總建筑面積632.62 m2）；西線截排系統(tǒng)通過新建兩座前置庫濕地，利用分質(zhì)排放、生物凈化的方式對入庫水體進(jìn)行處理，主要包括麻布水和運(yùn)牛坑水設(shè)置前置庫濕地系統(tǒng)兩座（污水處理能力分別為0.5萬m3/d和0.3萬m3/d）。

3 建設(shè)過程

2006年8 月石巖水庫截污工程項目建議書經(jīng)市發(fā)改局批準(zhǔn)，2008年被納入“深圳市十大重點工程”。工程總投資2.09億元，工期3年，屬大型城鄉(xiāng)水務(wù)工程。工程于2008年12月開工，2012年11月通水運(yùn)行，2012年12月所有單位工程完成完工驗收。2013年6月，石巖水庫被評為“國家級水利工程管理單位”。2014年4月通過深圳市水務(wù)局主持的竣工驗收。2014年11月被中國水利工程協(xié)會評為“中國水利優(yōu)質(zhì)工程大禹獎”。

4 結(jié)束語

在項目前期設(shè)計階段率先引入初（?。┯杲嘏爬砟睿褂谩俺鞘泻恿饔晡刍炝鞴芫W(wǎng)水流分質(zhì)排放”技術(shù)，對水系來水有選擇的排放和利用；首次將清污分流技術(shù)應(yīng)用到水利工程，將庫區(qū)雨水分為清潔雨水和受污染的雨水，分別直接利用和處理后回用。開創(chuàng)了水文與水質(zhì)的耦合，將傳統(tǒng)水利重視大暴雨的洪量計算，向現(xiàn)代水務(wù)關(guān)注的小雨水的水質(zhì)分析轉(zhuǎn)變。

石巖水庫截污工程的建設(shè)，增強(qiáng)了水庫的防洪和調(diào)蓄能力，極大提升了水質(zhì)安全保障率；清潔雨水直接入庫，人工濕地生態(tài)處理系統(tǒng)日處理污水量0.8萬m3，本地水資源利用率提高67%；系統(tǒng)年污水截排量1 200萬m3，消減COD 1 220 t，入庫污染負(fù)荷削減率94%，水庫水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率100%。工程竣工一年，經(jīng)歷了汛期洪水、雨季面源和旱季污水的考驗，石巖水庫水質(zhì)全面好轉(zhuǎn)，為深圳市寶安區(qū)、光明區(qū)380萬人口的飲水安全提供了有力保障；項目建設(shè)，也使周邊生態(tài)系統(tǒng)得到修復(fù)，景觀有較大的改善。如今的石巖水庫水質(zhì)清澈，岸邊鮮花飄香，構(gòu)建了一幅和諧優(yōu)美的生態(tài)畫卷，是城鄉(xiāng)水系整治和生態(tài)治理工程的典范。