净水技术|叶源新：小型生态供水水库构建探讨与初期运行效果分析——金泽水库案例
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作者简介
叶源新
上海城投水务(集团)有限公司，主要从事城市水务基础设施建设和管理。
1
金泽水库概况
1.1
金泽水库概况
金泽水库位于上海市青浦区金泽镇西部、太浦河北岸，水库占地2.7 km2，其中水域面积1.9 km2，总库容约910万m3，最高蓄水位为3.30 m，常水位2.40~2.50 m，近期集中供应原水量351万m3/d。金泽水库2016年12月通水，主要向上海市青浦、松江、金山、奉贤和闵行五区约670万人口集中供应原水，可满足2至3天的水量需求，提高应对突发水污染事故的能力。
金泽水库是上海市继陈行水库、青草沙水库、东风西沙水库之外的第四个水源水库，其主要功能是实现了黄浦江上游水源地的集中归并，提高突发水污染事故的应对能力，并通过水源地上移、水库调蓄以及生态强化净化工艺提高出库水质，进一步提升黄浦江上游地区供水水质、提升上海市供水安全能级。
1.2
金泽水库来水特征
金泽水库取水来自太湖东南部河网片区的太浦河，根据近年来太浦河东太湖至青浦练塘沿线常规水质监测分析，太浦河水质状况总体为Ⅲ类，沿程水质总体呈现上游至下游先逐步变差，入上海界金泽断面后水质有所好转的规律。对金泽水库取水口太浦河金泽断面监测显示（表1），取水口断面大部分时段水质状况较好，指标基本能满足Ⅲ类水质标准要求，但是溶解氧、总氮、铁、锰和石油类存在不同程度超标，且具有一定的季节变化规律。因此，为保障金泽水库的供水安全，减少入库水水质不稳定带来的供水影响，在确保工程集中供水量的基础上，构建科学先进、切实可行、健康安全的水生态净化系统，是极其必要的。
表1 太浦河金泽断面取水水质监测数据（2015年~2017年）
2
金泽生态水库构建思路与工程措施
2.1
金泽水库水质生态净化系统构建关键问题
金泽水库利用闸门从河道自流引水形式，整个流程完全依靠自然水力坡降向输水泵站供水，难以提供高水损水处理设施应用的基本条件。
相对于大多数水库及天然湖泊，金泽水库换水周期短，最高蓄水位时换水周期不足3天，在外河水位较低时更短。库内水体停留时间极短，不利于生态净化措施提升水质效果的发挥。同时，库内水位随外河水位涨落而变化，水位变幅宽太浦河日均潮差达到0.2~0.3 m，全年水位变化范围可达0.8~1.1 m。
根据金泽水库上述特点，在水库生态系统设计和建设中，需要考虑停留时间、水位等因素对水生态净化系统的影响，结合运行特点、库区构型等因素，设计适合于金泽水库的水质生态净化系统，同时，兼顾水库作为常规运行的集中饮用水源地在维护管理工作中船只通行等实际需求。
2.2
金泽水库水质生态净化系统措施
根据金泽水库出库原水稳定达到Ⅲ类的水质目标，结合太浦河引水中溶解氧、总氮、石油类、重金属等超标指标净化削减和藻类水华爆发预控的目的，针对金泽水库生态净化系统构建特点，综合考虑不同水质生态净化技术优势，顺应金泽水库用地范围形状特征，提出了遵循“划分区块、合理衔接、重点不同，兼顾其他，发挥统力”的原则，把水库及南侧的输水渠道分为强化预处理区、生态净化区及生态蓄水库三个主体功能区块，并在库周有针对性的进行水生态系统的建设。金泽水库生态净化系统构建布局如图1所示。
图1 金泽水库生态净化系统构建布局图
2.2.1 强化预处理区
强化预处理区利用引水河进行布置，将引水河设计为先扩宽后均匀的细长形态，采用物理净化、生物接触氧化为主要理念的净化技术，利用自然沉淀、强化充氧、接触净化等技术提升水质，突出水质初步净化功能，是生态净化系统的重要前置核心单元。在进水区扩宽河道，通过整流提高水体沉淀性能，经自然沉淀去除大颗粒悬浮物，有效降低水体中总磷等污染物含量，同时简化清淤及降低对后续措施影响。接触净化区采取富氧与挂膜相结合的措施，溶解氧较低时先进行强化充氧，促进后续人工介质区承载的微生物膜发挥物理拦截、吸附及净化作用，进一步去除水体中的悬浮物及氨氮污染物含量。根据引水污染负荷及水力负荷，按类似工程的经验值及选择设施的处理能力，设计预测通过强化预处理区后，CODMn和氨氮去除率最高分别达到5%和8%，溶氧增加17%。
生物接触氧化
强化充氧
图2 金泽水库强化预处理区净化措施
2.2.2 生态净化区
生态净化区利用李家荡库区构建，该区域水位较浅，适宜水生植物生境营造，因地制宜建设成为库区水生态系统修复的核心单元，主要利用植物净化、微生物分解等方式进一步提升水质。利用水位波动与植物生长高度及生物节律吻合的优势，在导流潜堤及岸带平台构建适宜生境，分别种植沉水植物和挺水植物，并利用导流潜堤顶部布置人工介质填料框架，针对性的去除氮磷营养盐。通过生态净化区，预期CODMn和氨氮去除率最高分别达到5%和10%。
植物净化 （植物浮床）
植物净化 （边滩植物）
围网投放滤食鱼类
图3 金泽水库生态净化区措施
2.2.3 生态蓄水库
生态蓄水库利用乌家荡库区构建，该区域水深较大、自净能力强，主要功能是水质稳定及蓄存，目的是长期维持良好水质，防止水体富营养化的发生，是本工程的重要供水保障单元。该区域主要运用水质维持技术，在李家荡和乌家荡两个库区过渡的缩窄地段布置生态导流堤，使李家荡库区来水大部分从北侧进入乌家荡库区，改善生态蓄水库北侧湖湾的水流流态，并促进蓄水库内水体环流，减少缓滞流区面积。库周进一步布置生态砾石床，形成多孔的微生物富集空间，将水中的有机物拦截吸附。取水口区域集中设置太阳能循环增氧系统，确保出水水体中溶解氧稳定达标，利于在输水管网中长距离输送的原水水质保障。在生态蓄水库，预期CODMn和氨氮去除率为3%。
3
金泽水库运行初期水质生态净化效果分析
金泽水库2016年12月底通水运行，2017年对水库取水（1#）、强化预处理区（2#）、生态净化区（3#）、生态蓄水库（4#）的营养盐、溶解氧、重金属等关键水质指标进行监测分析，初步评估水库生态净化措施在运行初期的水质净化效果，为水库运行调度、生态调控措施调整和完善等提供科学依据。
3.1
营养盐
3.1.1 总氮
金泽水库取水总氮浓度为1.11~2.82 mg/L，经过自然沉淀、强化充氧、接触净化的强化预处理区后总氮浓度为0.95~2.09 mg/L，经过李家荡生态净化区后总氮浓度为1.01~ 2.16 mg/L，库尾生态蓄水库的输水区总氮浓度为0.92~2.07 mg/L（图4）。整体来看，取水口至输水区总氮浓度平均削减11.51%，其中，取水口至强化预处理区总氮浓度平均降低4.57%，生态净化区总氮浓度平均降低1.03%，至生态蓄水库输水区总氮浓度平均降低5.75%。
3.1.2 总磷
金泽水库取水总磷浓度为0.05~0.12 mg/L，经过强化预处理区后总磷浓度为0.04~0.09 mg/L，经过生态净化区后总磷浓度为0.04~0.09 mg/L，生态蓄水库输水区总磷浓度为0.04~0.08 mg/L（图5）。整体来看，取水口至输水区总磷浓度平均削减32.41%，其中，强化预处理区总磷浓度平均降低28.70%，生态净化区总磷浓度平均降低11.49%。但是，在春夏季节的5月~8月，生态净化区总磷浓度较强化预处理区升高了25%~75%，在秋季9月和10月，生态净化区总磷浓度较强化预处理区分别降低20%和16.77%。
3.1.3 氨氮
金泽水库取水氨氮浓度为0.04~0.37 mg/L，经过强化预处理区后氨氮浓度为0.02~0.21 mg/L，经过生态净化区后氨氮浓度为未检出~0.18 mg/L，输水区氨氮浓度为0.08~0.16 mg/L（图6）。整体来看，取水口至输水区氨氮浓度平均削减53.97%，其中，强化预处理区氨氮浓度平均降低36.46%，生态净化区氨氮浓度平均降低16.70%。春季氨氮净化削减效果优于夏季。
3.2
溶解氧
金泽水库取水溶解氧浓度为3.91~8.67 mg/L，夏季低于地表水III类标准。经过水库库区调蓄，输水区溶解氧浓度为3.87~8.88 mg/L，平均增加5.02%（图7）。溶解氧增加主要发生在预处理区阶段，该阶段通过强化充氧措施，使水体溶解氧最高增加34.96%（7月）。
3.3
重金属
铁、锰在库区的浓度变化如图8所示。金泽水库取水铁浓度为未检出~1.70 mg/L，锰浓度为未检出~0.28 mg/L；经过强化预处理区后，铁浓度为未检出~1.30 mg/L，锰浓度为未检出~0.26 mg/L；经过生态净化区后，铁浓度为未检出~0.95 mg/L，锰浓度为未检出~0.24 mg/L；生态蓄水库输水区，铁浓度为未检出~1.10 mg/L，锰浓度为未检出~0.20 mg/L。
整体来看，水库对重金属有较好的削减作用，取水口至输水区铁浓度平均降低43.37%，锰平均降低38.36%。削减作用主要发生在取水口至强化预处理区段，该区段铁平均降低38.78%，锰平均降低50.48%。生态净化区对重金属的削减作用较小，甚至部分时间出现回升现象。
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结论与建议
（1）金泽水库在占地局限、水力停留短暂、水头有限等限制因素下，贯彻“整流沉淀前置处理、富氧集膜结合吸附、植物生境适宜营造、主体结构结合净化”的理念，构建了强化预处理区、生态净化区、生态蓄水库三模块的水质生态净化系统，对水库引水中的营养盐、重金属等关键水质指标发挥了一定的净化削减作用，可为用地紧张地区小型生态水库的建设提供思考借鉴及工程实例。
（2）水库目前尚处于运行初期，采用强化充氧、扩容沉淀等物理技术措施的强化预处理区的水质改善较为明显，氮、磷营养盐及污染物随泥沙沉降作用得到明显削减。但是，生态净化区的污染削减作用尚未充分显现，可能与水库运行初期水生植物、微生物生境尚未发育完全，无法发挥预期的水质净化作用有关。因此，水库在后期运行管理中，尚需加强生态净化区生境的构建、培育和稳定，以促进发挥该区域的水质净化作用。
推荐参考
叶源新．小型生态供水水库构建探讨与初期运行效果分析——金泽水库案例[J]. 净水技术, 2018, 37(5):33-38.
Ye Yuanxin. Exploration of construction for small scale ecological reservoir and effects analysis of the initial operation——Case study on Jinze Reservoir[J]. Water Purification Technology, 2018, 37(5):33-38.