新薛河入湖口人工湿地水质净化工程设计

新薛河入湖口人工湿地水质净化工程设计

南四湖流域由于多年来一直采用高消费和高污染的粗放型经济增长方式，流域内结构生态污染严重，海水水质恶化。点源、面源污染和湖区的人为过度开发,使南四湖的自然生态环境受到了严重破坏,湖滨湿地面积大大减少,湖泊的生态功能退化。作为南水北调东线工程的重要调蓄湖泊和输水通道,南四湖的治污任务严峻而紧迫。人工湿地技术具有去除氮磷效果好、基建及运行费用低、管理方便等特点,已被应用于流域规模的污染河水治理。鉴于南四湖流域治污任务的紧迫性,设计了新薛河入湖口人工湿地示范工程,以有效削减入湖污染负荷,改善入湖河水水质,同时恢复湖滨带湿地系统的生态功能。1项目总结1.1入湖河流水质现状南四湖的湖面面积为1266km2,流域面积为31700km2。国家对南水北调东线工程的水质要求是:2010年输水干线全线持续稳定达到地表水Ⅲ类水质标准,形成清水廊道。南四湖的入湖河流共53条,由于环湖防洪大堤的建设,流域内所有的污染负荷均经过这些入湖河流进入南四湖。近年来,随着点源和面源污染控制工作的有效实施,入湖河流水质得到很大改善,根据2006年的监测结果,入湖河水COD和氨氮分别降低到30~50mg/L和2~4mg/L,但这与国家地表水Ⅲ类水质的标准还有较大距离。因此,充分利用湖滨退化湿地建设河流入湖口人工湿地工程,对入湖河水做进一步处理,是实现南四湖调水水质保障目标的必然要求。1.2单元内河流污染严重新薛河全长为84km,流域面积为928km2,为国家《南水北调东线治污规划》薛城小沙河控制单元内的主要河流,是南四湖下级湖污染最为严重的三条河流之一。新薛河属于季节性河流,汛期洪水流量集中,枯水期生态流量不足,基本以污、废水为主,致使河流污染较重。新薛河人工湿地工程位于新薛河入南四湖口处大堤西侧的泄洪区内,主要由台田、台田间水塘和部分河滩湿地组成,面积约1.33km2。1.3设计进出水水质根据新薛河流域的水污染特点,选定COD和氨氮两个主因子进行工程设计。处理河水量为15500m3/d,设计进水COD为40mg/L、氨氮为2mg/L,出水水质达到《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类水质要求,即COD≤20mg/L、氨氮≤1mg/L。2项目设计2.1人工湿地系统根据新薛河入湖口的地形地貌特征,确定示范工程的工艺方案为:生态滞留塘+多级表面流人工湿地系统。新薛河河水通过橡胶坝拦截蓄水,经计量系统进入引水渠,通过布水渠依次进入生态滞留塘和表面流人工湿地。因该区域呈狭长地貌,为提高湿地水力效率,将人工湿地分为5级,串联运行,湿地出水经尾端集水渠收集后流入南四湖。工艺流程如图1所示。2.2主要设备的设计2.2.1地下水开坝预处理在104国道新薛河桥以南1300m处建设橡胶坝,长为170m,坝顶高程为33.55m。通过橡胶坝抬高河水水位,形成河道蓄水塘,河水在此进行预处理,通过物理沉淀作用去除部分悬浮物质,并通过河道内水生植物的光合作用对河水进行预充氧,削减一部分污染物。经橡胶坝提升水位的河水通过引水渠进入生态滞留塘,引水渠采用梯形人工明土渠形式,长度约为250m,坡度为0.02%。2.2.2采用塘内水位平台植物种植浮水植物在橡胶坝下游300m处,利用河堤内侧地势低洼的滩地和水塘建设生态滞留塘,面积约为333350m2,长为1400m,宽为120~360m,塘内水位高程为32.75m。按照塘内水位的高低进行植物配置,水深较浅处种植莲藕、菱角等本土浮叶植物,水深较深处配置菹草、金鱼藻和眼子菜等沉水植物。生态滞留塘通过物理沉淀作用去除河水中的悬浮物,通过藻类、微生物、水生植物等的生物作用去除氮、磷和部分有机物,生态滞留塘的设计出水COD≤35mg/L、氨氮≤1.7mg/L。2.2.3湿地的人工待遇湿地设计模型采用表面流人工湿地对河水进行处理,湿地长为3700m,平均宽为270m,总面积约为1.0km2,为了充分利用现有的狭长地形,以现有台田之间的生产路和引河为分界线,将人工湿地分为5级,串联运行。以水力负荷为限制性设计参数进行计算,并根据污染负荷进行出水水质核算。考虑到冬季的安全运行问题,设计有效水深为50cm,湿地有效面积占总面积的50%,水力负荷取1.6cm/d,湿地的相关设计参数如表1所示。n500混凝土管为保证河水均匀流经各湿地单元,在各湿地单元围堰处设置DN500混凝土管,连接布水渠和下一级湿地。各湿地单元的水位高程随水流方向以5cm高度递减,第五级湿地的水位高程为32.50m(南四湖兴利水位为32.30m)。种植人工湿地植物根据因地制宜、经济效益、生物多样性和景观协调的原则选择湿地植物,依托现有地形,在地势较高的台田处种植芦竹、芦苇等经济价值较高的挺水植物;在地势略低的台田间水面处种植芦苇、香蒲等挺水植物;在塘内水深较浅处栽种莲藕、菱角、芡实等本土浮叶植物,水深较深处配置菹草、金鱼藻和苦草等沉水植物,并在塘内放养鱼、泥鳅、青蛙等动物。由此,通过挺水植物带、浮叶植物带和沉水植物带的优化配置,构建了一个具有生物多样性、水质净化能力和景观效果的人工湿地生态系统。2.2.4集水系统的配置和收集水生态滞留塘内排水效果在生态滞留塘前端设置总布水渠与引水渠连接,采用混凝土渠堰溢流布水,使受污染河水均匀分布到生态滞留塘中,总布水渠长为127m,高为1.60m,宽为1.0m。dn500混凝土管布水在各级湿地前设布水渠,采用实用断面堰渠集水,在湿地间围堰道路下埋设DN500混凝土管布水使河水均匀分布到下一级湿地中。布水渠采用土压实结构,上盖混凝土板以防止水土冲刷,渠道平均长约为270m,底宽为0.6m,边坡系数为1∶3.0。湿地内水位控制在湿地末端设置总出水渠,采用实用断面堰渠集水、多点混凝土管出水,由闸门控制湿地内水位。南四湖调水前集水渠采用土压实结构,调水后总出水渠采用钢筋混凝土结构,渠长为230m,宽为1.0m,高为0.98m;设出水控制闸门1个,宽为1.4m,高为1.1m。3生态净化效果2005年开始在示范区内种植芦竹、芦苇等本土经济植物,目前植物生长情况良好;河道橡胶坝引水工程于2007年8月建成运行。示范工程在进水COD和氨氮分别为39.2mg/L和2.0mg/L的情况下,出水COD和氨氮浓度分别为18.5mg/L和0.9mg/L,达到了地表水Ⅲ类水质标准(GB3838—2002),对于保证南水北调东线工程调水水质保障目标的顺利实现具有重要的意义。示范工程在注重水质净化效果的同时,充分考虑到生态效益和经济效益。工程实施后的第二年,湿地植物种类由原先的16科25种提高到24科47种,Shannon-Wiener指数达到1.619,远高于工程实施前的0.060,湿地系统的物种多样性明显提高。利用现有地形地貌特征,在湿地内种植了芦竹、芦苇、菱、莲藕和香蒲等本土经济植物,使得当地农民每年的收入由工程建成前种植大豆和小麦时的12750元/hm2增