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平原河网地区新建湖库型水源地生态技术研究与应用——江苏省盐城市盐龙湖工程成果
2014-10-24
目前我国各地水环境污染和水生态破坏的趋势仍未得到有效遏制，尤其是河道型水源地会受到通航、农业灌溉、养殖等的影响，溢油、化学品泄漏、农业面源污染等造成的不确定性水污染事件影响供水安全，难以满足城市化进程中用水量增长、水源地安全供水等要求，故转变思路对平原河网地区河道型取水进行安全供水研究有重要的理论及现实意义。与传统的物理化学方法相比，利用生态方法净化微污染原水具有成本低廉、低碳环保等显著优势，近年来我国很多地方都在尝试采用生态净化法处理微污染水原水，也取得了一定的经验和成果。然而一方面微污染水原水净化具有一定的复杂性，国内尚无相应的规程规范和技术标准；另一方面取水由河流改为湖库后，由于初期生态系统的不完善以及水文条件的变化，还将面临着富营养化的风险。上述问题一直没有得到很好的解决，直接导致以往很多科研成果迟迟无法实现产业化转移。
地处淮河平原的江苏省盐城市被誉为“百河之城”，但受种种因素制约让该市面临资源型缺水和水质型缺水的双重压力，为保障市区人民的饮用水安全、改善饮用水原水水质，当地政府从可持续发展的战略高度出发，决心攻克各项技术难关，建设盐龙湖工程。2009年以来，由盐城市水利局牵头，以上海勘测设计研究院与盐城市水利科学研究所为核心科研机构，依托江苏省水利科技项目 “生态湿地净化系统在盐龙湖工程中的研究与应用（2010022）”以及“盐龙湖生态净化系统调试维护及调度运行关键技术研究（2014068）”，通过大量的研究获取了大型原水生态净化工程的主要参数，验证了工艺效果，掌握了生态工程管理维护的关键技术，成为我国平原河网地区新建湖库型水源地生态技术应用的先行者。
一、科研历程
在大平原上平地开挖、建设饮用水源净化生态湖，难度大，要求高，在中外水利史上没有先例。鉴于微污染水源生态净化处理的复杂性，且国内尚无相应的规范和标准，为确保工程的高效运行，验证总体工艺及集成技术的可靠性，使生态净化效果稳定达到设计目标，2009年，江苏省有关部门要求盐城市精心组织开展人工湿地方案中试。2009 年11 月～2011年4月期间，上海勘测设计研究院按盐龙湖建设指标的7‰ 比例建成了占地2.01 hm² 的“微缩盐龙湖”，开展多项技术试验，不间断监测水质变化情况，收集水质变化数据，掌握动植物对水质提升的作用，优化植物品种，用实验成果指导盐龙湖工程的方案决策，最终获取了生态净化工程各净化单元运行和控制参数的优化方案，为盐龙湖工程设计、施工和运行管理提供技术支撑和依据。基于盐龙湖中试科研成果，上海勘测设计研究院提出了系列科学合理的工程优化设计方案，有效保障了盐龙湖工程的成功建设和运行。
盐龙湖工程作为全国首个在平地开湖的饮用水源原水生态净化工程，集水利学、工程学、生态学等多学科、多净水工艺于一体，在建成通水后其生态系统管理、水质净化效果的调试同样没有先例可循。为保障盐龙湖工程稳定运行，2012年7月开始，上海勘测设计研究院对表流湿地水位波动提升水质净化技术、原水水质突变等特殊工况下的应急调度技术、深度净化区富营养化防控的调度及管理维护技术以及其他亟待解决的工程调度及水生植物维护管理关键问题开展为期两年的科学研究，探索不同情况下工程的调度原则及管理维护要求，提出盐龙湖工程科学调度及水生植物维护管理方案。
目前，盐龙湖的调试科研工作已接近尾声。2009年至今，在盐龙湖工程的设计、施工、调试及运行管理过程中，已形成了发明专利及实用新型专利十余项、发表学术论文二十余篇、形成著作及施工工法各一部，取得了丰硕的科研成果，并获得了江苏省水利科技一等奖、上海市优秀工程咨询成果一等奖等7项省部级奖项。
二、盐龙湖工程概述
盐城市区饮用水源生态净化工程（盐龙湖工程）位于江苏省盐城市盐都区蟒蛇河南岸龙冈镇境内，总占地面积3342亩。针对蟒蛇河水质呈现有机污染及悬浮物不易沉降等特点，盐龙湖工程采用人工湿地水质净化为主的处理工艺，同时采取必要的工程措施和生物措施，使蟒蛇河原水净化后水质达到地表II～III类标准。在净化水质的同时，通过人工湿地的蓄水能力，提高城市供水的保障能力。工程共分为Ⅰ预处理区、Ⅱ生态湿地净化区、Ⅲ深度净化区三个净化区块。
预处理区总面积305亩，水面积296亩。主要通过自然沉淀、人工介质拦截及植物拦截等作用降低水体悬浮物，提高出水透明度，初步净化水质。生态湿地净化区是生态净化工程核心单元，面积1219亩，水面积1169亩，由挺水植物区及沉水植物区串联而成，是进一步去除水体营养物质、净化水质的重要场所。深度净化区是生态净化工程最后一道工艺，是工程应急水量的主要储存场所，也是生态湿地净化工程的保障单元，具有储水、水质维护与改善、降低有机物及营养盐，降低水体浊度、色度以及改善区域生态景观等特点。该区面积1640亩，总库容约500万m³，有效库容约458万m3，满足7天不间断供水的需求。
盐龙湖工程总投资7.91亿元，拆迁房屋9万余平方米，移民557户1800余人。工程于2009年4月开工建设，2012年6月建成投入使用向市区水厂供水。两年以来工程运行效果稳定，向市区供水量达20万方／天，充分发挥了生态净化效益，出水水质稳定达到地表II～III类标准，有效地改善和提高了盐城市供水水质。在近两年外河发生的数次水污染事故期间，盐龙湖工程充分发挥了应急供水功能，保障盐城市区供水安全，保证了社会的和谐稳定，具有显著的社会效益。
三、主要科技创新
1．.平原河网地区河道型水源地复合表流湿地辅以强化预处理的生态净化成套工艺。针对平原河网地区地表水源地水质有机微污染及季节性变化明显的特点，遴选并确定选用适用性强、净化能力好、运行维护简单、投资相对较小的以复合表流湿地辅以强化预处理的净化工艺，集成沉淀预处理、植物净化、人工介质及生物操纵等技术，对原水进行净化达标处理。该项目创新提出的工艺以生态技术为主，不投加化学药剂，适用性广，安全性好，全年净化稳定，污染物去除率高，运行费用低，可使原水水质至少提升1~2个类别，适合大规模使用。
2．模拟自然界水位波动运行的平面多样的空间立体式复合人工表流湿地净化技术。通过构建深沟浅滩、搭配不同生活型水生植物，形成沉水–挺水立体式植物配置和净化系统；同时模拟自然湿地水位变动，有效促进水生植物生长和水生植物、土壤、微生物的协同净化，提高单位面积植物光合作用，增强湿地基底的氧化还原能力。
3．微污染原水净化的原位强化预处理集成技术。充分利用各项单项技术的物理、生物及生化净化特点和作用，具有水体停留时间短、复氧快、不添加人工制剂、无二次污染、便于施工维护及管理等优点。该技术可充分发挥对水体细悬浮颗粒物及营养盐的拦截净化作用，有效提升水体透明度，提高水体溶解氧，并营造日夜交替变化的好氧、厌氧生境，有效增强系统的脱氮效果。
4．平原地区长换水周期原水水库水质安全保障集成技术。平原河网地区原水水库库容大，局部滞留区换水周期长，易发生富营养化。研究集成了进水预净化、生态护岸构建、库周及库底地形塑造、水生态净化系统构建、微动力混合循环复氧、生物操纵等技术，并辅以水位波动、进库口门调度等改善库区流态等措施，形成了长交换周期平原地区原水水库水质维护及净化、控制水华发生的成套集成技术，确保原水水库供水安全。
四、社会经济效益
2013年5月，盐龙湖工程建设通过了科技成果鉴定，结论为“成果总体上达到了国内领先水平，在保障饮用水安全的湿地净化工艺和工程结构设计方面处于国际先进水平”。鉴定委员会组长河海大学王超院士及其他6位资深委员对所取得的科技成果给予了高度评价，建议该成果进一步在平原河网地区饮用水源地建设中推广应用。
盐龙湖工程的建设运行为盐城市区提供了优质的水源，确保了出水水质稳定达标，避免了突发性水污染事故对供水的影响，发挥了良好的社会效益。大面积的湿地吸引和养育了数量众多的鸟类、爬行类、两栖类及鱼类等，物种多样性显著增加，景色秀美，空气清新，创造了很好的生态效益。据统计，盐龙湖近两年来累积供应优质原水1.5亿吨，削减原水CODMn、NH3-N、TN、TP的量分别为116.4吨、73.1吨、122.8吨及18.1吨，为水厂减少清淤量近10万吨，在提高原水水质的同时，也减少了水厂的药剂投加量与清淤量，降低了制水成本，体现出显著的经济效益。
三千余亩生机盎然，五百万方碧波潋滟。龙湖明珠耀盐阜，千家万户笑颜生。2012年6月28日，盐龙湖全面建成启用，从根本上改变了盐城市区的供水格局。生态净化工艺体现出了对自然规律的尊重，实现了治水事业的生态和谐，为其他城市水源地建设提供了先例、树立了典范，引来了全国各地的学者及水利工作者考察学习。盐龙湖模式的成功表明，平原地区新建湖库型水源地不是水厂预处理工艺的前移，与水厂制水工艺的升级改造并不矛盾，而是共同改善供水水质的并行环节，是今后饮用水源地建设的一大趋势。
