利用生物生态技术保护水库水资源
项目工程工作总结报告
经过四十多年的改革开放及其不断的深化改革，对于中华民族的伟大复兴打下良好的经济基础，同时对于增强综合国力、提高国民生活水平和提高我国在国际上地位及在国际上话语权等，所有这些都是不用置疑的。但不可否认的是，在改革开放经济发展过程中，确实产生一些负面影响，造成水生态破坏和水环境污染是其中之一，对以水库为供水水源地的水环境来说，由于本身的自净能力有限，加之水库水体基本上处于静止状态，水源保护区内污染物聚集在处于静止状态水库中，一旦水体内部条件和外部条件具备，水华（蓝澡）爆发水环境污染不可避免，造成对人饮安全构成极大的威胁，平安水库的水环境污染案例是目前我国南方地区水库型供水水源地普遍存在的污染隐患。平安水库供水水源地利用生物生态技术保护水资源项目工程，是我省第一个在水库型水源地中的应用，设计理念上充分考虑到水库型供水水源地的供水生产特点和现实，利用生物生态技术保护水库水资源是最佳的选择，通过对平安水库利用生物生态技术保护治理水源地项目工程的全面总结，从中得到诸多的收获和启发，对于今后在利用生物生态技术保护治理水资源设计理念、施工技术和施工方法等方面将会是有益的借鉴。
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一、平安水库基本情况
平安水库位于东华市幸福镇平安村，是一座中型水库，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，多年平均来水量5394万立方米，其中，通过引水隧道从电站发电尾水与通过水权分配后引入4000万立方米。从2000年4月起，开始向城区供水（向市自来水公司供原水），成为城区生活饮用水的主要水源地之一。平安水库水源地水资源论证报告资料显示供水能力为6万吨/日，进行联合科学调度运行供水能力可达到10万吨/日，目前实际供水量12.3万吨/日，供水控制人口约60万人，是十四个重点水源地之一，2011年被水利部核准公布为全国重要饮用水水源地名录。已查明平安水库的主要污染源是入库主河流，上游集雨面积7平方公里，正常降雨量年景来水量700万立方米，集雨面积范围内居住着3000多居民，水库长期以来承受居民生活污水直接排放、农业生产面源污染、禽畜养殖粪便污染等。水库污染物、污染源与我国南方地区同类水源地基本类同。
二、平安水库水质状况
根据水文水资源局每月对平安水库坝首（自来水公司取水口）进行采样监测，并对大双河口、库尾及电站发电尾水引水洞口不定期地进行监测，2000～2003年对平安水库水质监测资料成果按丰、枯水期进行可靠性、代表性及合理性的分析，平安水库二库（入口的前置库）富营养化程度属于中度营养化，水库坝首（自来水公司取水口）水质为Ⅱ～Ⅲ类，绝大多数时间为Ⅱ类。其中一级保护区外围水质为Ⅲ～劣Ⅳ类，特别是大双河口的来水水质为劣Ⅳ类（局部时段达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。2004～2009年水库水质监测资料显示，六年间平安水库的水质污染在加速发展，导致2009年8月4日起水库二库爆发水华（蓝藻污染）事件，死亡藻类浮面内眼直观时间持续一个月。2010年1月，中科院南京地理湖泊研究所的专家经过对2009年8月～2010年1月水华爆期间水质加密监测资料结果和现场察看情况分析，得出结论是：二库水质还在继续恶化，一库接近二库水域也受不同程度的污染，坝首取水口水质目前基本合格。二库重度富营养化，水华风险评估为：再次发生水华不可避免（藻类）；一库中度富营养化，水华风险评估为：发生水华初具条件。平安水库水质状况极不乐观，可以说是处在十分危险的境地，随时都有再次发生发生水华的可能。
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三、工程措施及其效果
平安水库水资源保护治理工程设计技术思路：沼气池→人工湿地→生物浮床→水生动物（鱼类），主要通过三项工程措施和一项非工程措施，从四方面技术层次消除水体污染保护水资源，源头上采用沼气池方法，将上游库区群众日常生活污水排放、家禽家畜粪便通过沼气池发酵、分解、利用和净化后再排放；中间环节即河水入库前通过引进人工湿地处理后再排放；水库水面上布设生物浮床，种植水生植物，吸收水体中的营养物质，抑制藻类增殖；库中投放各种比例的鱼类，吸食浮游微生物，减少抑制水体营养盐迁移。
平安水库水源地保护工程于2010年2月正式开始施工，同年 9月底工程主体全部完成并陆续投入运行。主要的工程措施:设计建设沼气池250座，根据林业、能源部门的许可符合条件的只有80座，完成80座（规格容量为8立方米）；人工湿地6.3亩（占地面积）；生物浮床14.40亩（9600平方米）。
1、沼气池。沼气池的应用，人们共同认可的只是变废为宝，代替燃料，可以为农户提供优质、清洁、方便的燃料。其实，沼气池清理出来的沼肥可以进行多种综合利用，人、畜粪便在沼气池内经过微生物的分解转化，肥效和有效成分都增强了，一部分难以被作物吸收的有机物分解成了低分子的有机化合物，可以直接被作物利用，变为速效肥；另一部分未分解完的有机物和微生物菌体，施入农田后，会进一步释放肥分，成为长效肥。除此之外，沼气池的开发利用在生态环境保护方面作用更大，不单是代替燃料，节约能源，肥效和有效成分增强，对于减少污染物的排放作用也十分明显，有资料表明：沼气池的规范管理，清理出来的沼肥全面利用，试验区域内的污染物排放量可减少50%以上。大规模容积的沼气池可以集中一个生活小区或一个自然村的人畜粪便，规模小的可以应用到广大农村的千家万户。沼气池作为生态环境保护和水资源保护的重要工程措施，无论是国内、国外不为鲜见。平安水库在集雨面积范围内的库区上游虽建的沼气池数量不多，仅有80座，根据水文水局的跟踪监测数据表明，沼气池对总磷、总氮等污染物排放量的削减总量只有15%。
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2、人工湿地。人工湿地系统是一种人为的生态系统，一般的人工湿地系统是由一系列水平高差由高到低的植物池，池内填有经过精选的填料，在填料上种植特定的湿地植物，当污水在自重力的作用下依次通过植物池，水中污染物质和营养物质被植物系统吸收或分解，使水质得到净化。池内填料由三层组成，第一层采用砾石，第二层采用细砾和砂粒，第三层采用粗粒、石块，每层填料采用《应用生物生态方法保护平安水库水源试验研究报告》的级配成果。这样既适宜湿地植物的生长，又有一定的孔隙导水。污水中的有机物在填料中被吸附凝集并在土壤中微生物的作用下得到降解；同时污水中的氮、磷、钾等作为植物生长所需要的营养物质被湿地植物根系吸收利用，达到进入湿地系统的污水得到有效净化。平安水库人工湿地采用两套不同的人工湿地系统，设计技术要求：设计流量0.08立米/秒，日处理能力7000立方米；污水进入植物池后在池中滞留时间18小时；从植物池排放水质达到地表水环境质量标准（GB3838-2002）Ⅱ类水质标准。平安水库人工湿地工程采用自重力式、浅流式两种结构形式共四套系统，其中，自重力式系统一套，浅流式系统三套。
自重力式人工湿地系统：自重力式人工湿地系统采用三级水生植物池，系统优点：流程长，流速慢，污水在池中有着足够的滞留时间。缺点：在同一的污水处理能力条件下用地面积稍比浅流式系统多一些。
浅流式人工湿地系统：采用两级水生植物池，浅流式湿地系统优点是：污水直接进入砾石层，整个流程比自重力式湿地系统减少一个植物池流程环节，流程短，节约用地等优点。缺点：对水生植物品种要求高，水生植物栽培密度比自重力式湿地系统相对大一些。
根据《应用生物生态方法保护平安水库水源试验研究报告》成果，人工湿地技术对水体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%。人工湿地技术对于水资源的保护效果是相当好的。
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3、生物浮床。生物浮床技术国内外应用广泛，应用技术也比较成熟。浮床载体结构目前国内多采用工厂生产制作的泡沫制品或是塑料制品，生产有定型规格浮体及连接件，主要通过杆件连接和绑扎现场拼装。根据设计要求的面积、规格现场拼（组）装，因地制宜选择湿生、陆生植物，采用无土栽培技术制作而成，生物浮床的作用在于：一方面利用植物生长吸收水体中营养物质，与藻类生长进行空间竞争，抑制藻类增殖；另一方面，屏蔽阳光，降低水温，增加水体生物接触氧化的边缘面积，消除湖波，让水体中的微生物、水生植物、水生动物等组成新的生态平衡系统，达到净化水质的目的。对于水华（蓝藻）的治理，生物浮床可以作为应急措施快速屏蔽水华的形成，在一系列立体式治理措施中可以起到不可缺少的而且十分有效的辅助作用。
平安水库生物浮床建设上，采用新伐6-8寸毛竹，热镀铁丝捆扎为载体在水面形成人工浮岛，每块植物浮床设计规格为8M×8M，共150块，总面积为9600M2，将每一块浮床连接成条状分别固定在二库（前置库）和一库指定区域。在浮床表面覆盖一层定植网并种上夏威夷草，浮床下布设一层控鱼网膜保护浮床植物，防止鱼类等水生动物破坏浮床植物。平安水库现状生物浮床施工具有以下优点：
毛竹载体浮床：一是材料来源容易，桂西北及广东的北部地区均可选购，结构简单，施工简单、方便、安全、无污染，能够缩短施工期；二是稳定耐用，采用热镀铁丝捆扎成条状结构，在水面上稳定性能好，抗风浪强，选择广东北部地区的毛竹节密、竹肉（壁）厚，而且带生（未脱青）捆扎下水，不容易腐烂变形，广东省珠海市大镜山水库用毛竹结构的浮床从2005年投入运行至今已有六年多时间未出现结构性损坏，水浸生毛竹理论寿命七年以上。而目前国内一些地方使用工厂生产的泡沫制品或是塑料制品的浮床理论寿命五年，实际应用时间五年左右就出现结构性损坏；三是造价低，用毛竹结构的浮床，每平方米的造价200元左右（包括种植上同类的水生植物和防止鱼类或水生动物破坏的措施在内），造价比采用泡沫制品或塑料制品浮床低40～50%。四是管理维护简单、方便，不受季节气候变化影响。运行情况表明，采用毛竹作为浮床结构材料主体优点全部得到体现，是正确的选择。
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控鱼网膜：水库中有着多种多样的水生动物尤其是食草鱼类，为保护浮床上水生植物稳定生长不受水生动物的破坏，在浮床底部布设一层聚乙烯网。平安水库生物浮床投入运行以来，未出现像珠海市大镜山水库那样的浮床植物一昼夜被鱼类吃得精光的现象。实践证明，在生物浮床底部设置聚乙烯网对于防止鱼类的侵害是有效的。
浮床植物的选择：目前华南地区利用生物浮床技术进行水环境治理工作中，无土栽培的植物主要有：夏威夷草、铺地黍、狗牙根等植物，各类植物均有着自己的生长条件和气候条件，夏威夷草为禾本科雀稗属植物，原产于热带、亚热带海滨地带，在南方地区的高尔夫球场被广泛应用，现可训化成很好生长的浮床植物，种植时间最好安排在雨量充沛的月份如每年的4-6月，这样有利于提高成活率，并在当年的11-12月份对其修剪。它的生长条件和气候条件基本相似，平安水库选择夏威夷草作为浮床植物，生长良好，根系长已达20～30厘米，夏威夷最大的优点是一年四季能够保持常绿、抗虫性强，而其他品种不具备，实践证明夏威夷草是适宜在平安水库作为浮床植物进行应用的。
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4、工程措施效果
根据水文水资源局2010年1～6月份对平安水库进库水质监测数据加权平衡计算，年进库水量700万立方米中含氮量为1212㎏，含磷量为900㎏。据此推算平安水库已实施的沼气池、人工湿地、生物浮床三项水资源保护治理工程措施能起到的作用：
（1）沼气池：现有的沼气池投入运行后，根据水文水资源局的跟踪监测，污染排放物年内减小15%，即年减小进入水库的总氮为181.8㎏，总磷135㎏。建设沼气池投资并不算高，一座8立方米的沼气池现行市场材料价格约4000元左右，应用技术、施工技术都十分成熟，保证沼气池正常运行，建池要具备一定的人、畜等粪便肥料来源条件。沼气池工程措施对于平安水库水资源保护来说，由于建设条件所限，所起到的作用是有限的。
（2）人工湿地：人工湿地系统设计流量0.08立米/秒，日处理能力7000立方米，年处理能力约250万立方米，仅占污染进库水量的30%左右。根据《应用生物生态方法保护平安水库水源试验研究报告》成果推算，人工湿地相应吸纳（去除）年进库氮289.2㎏，占年进库总氮量的23.9%；吸纳（去除）年进库磷236.3㎏，占年进库总磷量的26.3%。人工湿地虽然效果好，但由于面积小，处理规模不大，不足以拦截大双河年进库污染水量700万立方米所需湿地面积。平安水库现已建成投入运行的人工湿地工程，对于减轻、缓解水库水体污染，改善水质无疑起到积极的作用。
（3）生物浮床：参照珠海大镜山水库试验数据1平方米单位面积浮床上植物每年吸氮量为15.78 g，吸磷量为4.19 g，那么由此可以计算出平安水库现有浮床11600平方米（包括2000平方米简易浮床），年吸氮量达到183048 g（183.048㎏），占年进库总氮量的15%；年吸磷量48604 g（48.604㎏），占年进库总磷量的5%。
（4）水生动物（鱼类）：尚未有监测手段统计或推算水生动物吸食水体微生物总量的方法。
平安水库水资源保护治理工程主要的三项工程措施：沼气池、人工湿地、生物浮床工程措施合计年吸纳（去除）年进库总氮量为53.9%，总磷量为46.3%。由此可见，平安水库利用生物生态技术保护水资源项目工程的效果是明显的。
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四、小结
通过实施利用生物生态技术保护平安水库水资源项目工程，很有必要对项目工程进行认真总结，为今后在水库型水源地的水资源保护前期工作方面尽可能地完美，为保障人民群众饮水安全做出更大贡献。
1、利用生物生态技术保护平安水库水资源切实可行，工程措施效果显著。生物生态技术保护水库型水资源满足我国南方地区水库边供水、边施工、无施工污染的特点。生物生态技术保护平安水库水资源应用可以避免传统的治理污染理念，即搬迁水源保护内居民所带来的不稳定因素。
2、生物生态技术工程措施深受水源保护区内群众接受和欢迎，尤其是建设沼气池一举多得，为水源保护区群众提供极大的便利，为水源保护区人民群众改善生活环境安居乐业创造条件。
3、工程材料取材容易，施工简便，工期短，造价低，运行管理维护方便。水生植物、浮床植物和水生动物（鱼类）在南方地区随处可以选择购买。
4、工程措施布置基础条件要求不高，一般的地型、地貌和水库本身的水体都能够满足工程措施布置要求。生物生态技术保护水资源在全市范围内的水库水源地均适宜应用。
5、建议加强软件设施建设。认真贯彻执行《整治水库水质安全隐患工作方案的通知》文件精神，各有关职能部门及当地各级人民政府切实履行职责，采取有效措施，使水库库区集雨面积范围内居民生活污水、人畜粪便、农业面源污染等污染物排放量减少到最低限度。
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