净水技术|单国平：南京饮用水源地安全保障与水质改善得顶层设计

《净水技术》

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单国平1，袁  园2,3，程方奎2,3，吴义锋2,3，吕锡武2,3

（1.南京水务集团有限公司，江苏南京 210000；2.东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；3.东南大学无锡太湖水环境工程研究中心，江苏无锡 214028）

《中国环境状况公报》统计，2015年我国地表水环境污染依然严重。面向全国城市、城镇和乡镇集中式饮用水水源，环境保护部的调查及评估结果表明，目前饮用水安全保障工作面临严峻形势，一是我国水环境安全仍然面临威胁，二是饮用水水源水质安全依然不容乐观。

南京位于长江下游，长江是南京市的主要饮用水源。近年来，随着南京城市经济高速发展带来的人口迅速增长、建设规模的进一步扩大，长江南京段及其上游沿线已逐渐转变为诸多企业的排污受纳水体，水污染日益严重，给长江饮用水水源地造成了一定的影响，加强饮用水水源地保护、保障饮用水安全迫在眉睫。

1	长江南京段集中式饮用水源地保护区现状及问题

长江南京段是南京市的主要取水水源，囊括该市六大主要饮用水水源地以及11个水厂取水口。调查可知，2004年1月~2009年12月，六大水厂饮用水水源地的主要超标因子为磷，其水质类别也随时间呈逐年下降的趋势。 2011年上元门水厂、城北水厂、浦口水厂及大厂水厂出现总磷超标，总磷监测值在IV类。2010年~2014年，水源地水质现状较为稳定，但江宁水厂的夹江水源地、上元门水厂的上元门水源地和城北水厂的三台洞水源地的水质都略差，COD、氨氮、总磷历年都有增高现象。

南京长江段既是该市主要的工业用水和生活用水的水源地，亦是该市主要的纳污河段。对氨氮、高锰酸盐指数、总磷、化学需氧量等共22项指标进行监测的相关数据显示，6个饮用水水源地水功能区的水质类别以Ⅲ类~Ⅳ类为主；现有排污口排污已造成4个饮用水源地中COD和氨氮的超标（上游、下游交界断面），且以氨氮超标为主。此外，长江南京段的11个水厂取水口水质同样也受排污口排污影响。

南京市饮用水水源地主要存在三大问题。其一，取水方式的不合理。长江南京段的取水口和排水口犬牙交错，且为传统的敞开式取水方式，取水和污染同步进行，故存在着威胁水源地水质安全的污染源。此外，敞开式的取水方式意味着无相关调蓄措施，饮用水源地分布分散、难于集中保护，无法应对区域内水环境污染的突发事件，进而将会导致城市大范围内停水事件的发生。其二，移动风险源的威胁。长江是重要的运输河道，运输危化品的船只通航量大，移动风险源威胁严重，故出现水环境污染事故的可能性增加。其三，有机污染物的存在。研究发现，长江南京段水源水中检测出的持久性有机物有65种，其中以脂肪烃类有机物、芳香类有机物、酯类有机物、醇类有机物及酮类有机物为主，该5类有机物的总量约占总持久性有机物的90%以上；而原水中亦检测出甲苯、三氯苯和 邻苯二甲酸二丁酯等微量持久性有机物，则进一步说明长江南京段的水源水有机污染严重，具有持久性有机物污染特征。

根据近年来《中国环境状况公报》显示，长江干流作为饮用水水源地，尽管基本水质状况能够达标，但水质总体趋于恶化。

2

水源地建设指导思想

在水库生态调蓄过程中，其主要的指导思想为：划定水源保护区、建设生态防护大堤、维持必要的水力停留时间和强化调蓄水库自净能力。具体通过建设生态调蓄增加水源地的水力停留时间，进而实现有机污染物的大幅削减，水源地水质的有效提升，处理成本的大大降低。

首先，划定水源保护区，保证水源地环境质量。目前的环境治理程度还不能完全消除一切外源污染，为防止饮用水水源地被继续破坏，保证水源地的环境质量，需划定一定范围的水域和陆域作为水源保护区，并严格限定在拟订的水源区范围内，进行新建、扩建、改建污染水源水质的相关项目

其次，建设生态防护大堤，阻断污染源。阻断污染源是保证水源保护区内水质得到改善的必要条件，故可通过建设生态防护大堤隔绝长江干流对库区内的水源污染。

在此基础上，维持必要的水力停留时间，保证水库的出水水质。由于水源地的停留时间一般远比水厂净水构筑物长，合理的控制水力停留时间可显著改善水质各项指标，持久性有机物亦可通过长时间的水力停留和自然强化净化作用得到有效削减，进而保证水源地的生态功能良好。而建设的生态调蓄水库面积较大，库容充足，能够提供充分的水力停留时间，由此保证了出水水质。

最后强化调蓄水库自净能力，水质持续净化。构建的生态调蓄水库拟采用多种新技术，包括人工介质技术、生态浮床技术、水生植物净化技术、深水岛礁净化技术以及生态混凝土护坡技术等强化的生态净化技术，持续净化水质，保证供水水质优良。

综上，通过具体采用“划定水源保护区，保证水源地环境质量”、“建设生态防护大堤，阻断污染源”、“强化调蓄水库自净能力，使水体持续净化”、“维持必要的水力停留时间，保证水库出水水质”的方式，强化分区生态净化功能，构建南京市安全、经济的生态水源保障技术体系。

3	南京市水源地生态调蓄水库工程实施规划

3.1	生态调蓄水库工程目标及选址

首先根据南京市近期远期供水需求预测，确定生态调蓄水库的供水规模。拟定的生态调蓄水库工程有效库容需满足南京市以长江为水源地中心城区供水，目前南京市中心城区供水量为317万m³/d，近期（2020年）供水量可发展到470万m³/d，远期（2030年）供水规模可发展到576万m³/d。南京市水源地保护与水质改善生态调蓄水库工程供水规模近期、远期目标为300、600万m³/d。

其次拟通过生态调蓄水库工程实现供水到各大水厂前的提质，使得水源地供水能长期持续满足饮用水源地供水水质的目标。近期供水规模300万m³/d，出水水质目标要求达到地表Ⅱ类标准（GB 3838—2002）；远期供水规模600万m³/d，出水水质目标要求比进水水质至少提高一个等级，即由原来的Ⅲ类~Ⅳ类提高为Ⅱ类~Ⅲ类，确保长期稳定满足南京市长江饮用水源地水质要求。

最后从取水水质、供水布局、对河道的河势影响角度分析考虑，南京市水源安全保障与水质改善生态调蓄工程初步选址定于新生洲、新济洲。选址定于新生洲、新济州的结论与相关研究新生洲、新济州河段作为主城区规划备用水源地的可行性相一致。

3.2	生态调蓄水库技术支撑及应用现状

人工介质技术、生态浮床技术、水生植物净化技术、生态混凝土及生态护坡技术等强化的生态净化技术具有良好的水质净化能力。

相关研究表明，人工介质应用于改善太湖等水源地水质时，水质改善效果明显，某些内分泌干扰物如阿特拉津、硝基苯等，去除率超过50%，有效地提高了饮用水安全性。

生态浮床由植被基、植物和固定系统组成，具有四种基本的生态功能。a.提供生境，支持植物生长，为鱼类、鸟类和两栖类动物提供生境和避难所，一定程度上恢复湖泊生态系统的生物多样性。b.净化水质，浮岛植物根系微环境有利于微生物大量生长，从而有利于发挥微生物对水质的净化作用。c.消浪护岸,通过消浪作用稳定湖滨带，形成有利于水生植物恢复的相对静水环境。d.改善景观，生态浮岛上不同类型植物的生长能形成美丽的景观。

水生植物主要通过植株的吸收与富集、水生植物的沉降、吸附和过滤、水生植物根际区生化作用以及对浮游藻类的竞争抑制作用使水质得到净化。水生植物处理城镇轻度富营养化水等水体时，对氮磷的处理效果较明显。

生态混凝土护坡主要利用其自身重力、构件间的锚固以及植物的根系“加筋”作用，保证河流岸坡安全与稳定，同时作为河湖的水体和陆地之间提供了物质、能量、信息交换的纽带，为河岸带动物、微生物提供栖息繁衍的生境以及植物生长的基质，增强水体自净功能，修复脆弱的生态环境。研究表明生态混凝土护坡可使水源保护区的生态环境得到修复，保障原水水质。因而南京市水源地生态调蓄水库的导流堤、生态岛礁、生态防护大堤的坡面护坡采用生态混凝土预制球护坡是合适的。

水源地生态防护与调蓄技术在我国已有较多的成功应用经验，如上海陈行边滩水库、昆山市傀儡湖水源保护工程、盐城市生态调蓄水库工程及青草沙水库的水源地生态防护工程，为水源地保护、水质改善和供水安全保障提供了良好的示范，南京市水源地安全保障与水质改善可采用生态调蓄的思路与技术。

通过建设水源地生态调蓄水库恢复或重建水源地生态系统，利用生态水库的水力停留调蓄及生态净化能力，保证供水，净化水质，提高原水水质等级；为南京市主城区提供安全可靠的饮用水水源，提高南京市供水水质保障和抗风险能力，提高南京城市社会和城市发展综合竞争力。

3.3	生态调蓄水库工程方案设计

水力停留时间论证：水源地水力停留时间的确定综合考虑南京市供水量、城市发展规模及建设地点水文地质概况及生态调蓄水库的生态需水量等因素，考虑到南京市更远期城市发展供水需求以及生态调蓄水库功能分区结构优化要求，并保证水库在遭遇环境突发事件连续供水等不利条件下的生态需水量，生态调蓄水库库容设计按远期600万m³/d设计，根据长江南京段水质污染特点，水库的HRT大于7 d，有效库容不小于4 200万m³能够满足水库在不进水的条件连续供水7 d，并满足水库生态需水量要求。

技术论证要求：根据南京市水源地长江南京段浊度大、污染物种类多、浓度高的特点，将水源地生态调蓄水库划分为沉淀区、人工介质区、水生植物区、深水区等四个主要功能区，每个功能区具有不同的水力学特征，担负不同的水质净化功能。另外设置独立的进出水口，采用生态防护大堤阻断污染源，可以起到生态预净化和水土保持的作用。通过多种水质净化途径建立起完善的人工强化水陆生态系统，实现水质净化、生态效用、经济效益、景观效益等的和谐统一。

3.3.1

总体布置及工艺流程

南京市水源地生态调蓄水库拟建于长江南京段上游江洲——新生洲、新济州，规划建设用地约18.7 km²。水库原水引自长江干流，经生态调蓄水库水质净化后，作为南京市市区的饮用水水源。生态调蓄水质净化工艺由不同的水质净化功能单元构成，功能区从南往北依次为沉淀区、人工介质区、水生植物区和深水岛礁区，平面布置如图1~图4所示。

图1  沉淀区平面布置

图2  人工介质区平面布置

图3 水生植物区平面布置

图4 深水岛礁区平面布置

3.3.2

生态调蓄水库功能单元布置

沉淀区：沉淀区设计水深4.0 m，有效库容为1 055.3万m³，设计流量为600万m³/d计算，水力停留时间为1.76 d。沉淀区水位高程设计为8.16~8.06 m。生态防护大堤堤顶高程设计为9.16 m，堤顶宽5.0 m；导流堤的顶面高程设计为8.66 m，堤顶宽1.0 m，边坡坡度为1:2，采用生态混凝土预制单球护砌。

人工介质区：根据生态调蓄水库功能分区设计，人工介质区为生态调蓄水库的第二个功能分区，其北侧为水深植物区，南侧为沉淀区，西侧和东侧为长江。人工介质区预留建设用地593.5万m²，人工介质区设计水深为6 m，有效库容为3 531.7万m³，设计流量为600万m³/d计算，水力停留时间为5.88 d。

水生植物区：为生态调蓄水库的第三个功能分区。水生植物区预留建设用地533.6万m²，其中导流堤和水库生态防护大堤占地4.55万m²。水生植物区设计水深为2.0 m，有效库容为1058.1万m³。水生植物区水位高程设计为7.96~7.86 m，水力停留时间为1.77 d。

深水岛礁区：深水岛礁区预留建设用地471.0万m²，其中生态岛礁和水库生态防护大堤占地15.55万m²。深水岛礁区设计水深为10m，有效库容为4554.5万m³。深水岛礁区水位高程设计为7.86 m。设计流量为600万m³/d计算，水力停留时间为7.59 d。

生态调蓄水库功能单元HRT校核如表1所示。

表1 生态调蓄水库功能单元HRT校核表

3.3.3

生态调蓄水库附属设施设计

生态护坡：新生洲新济洲临江岸线常年受水流冲刷和侵蚀，岸坡的结构性能和生态性能都较差。水库建成蓄水后，生态防护大堤两侧均需承载一定的水压，且两侧水位不同，长江河水水位为2.43~8.66 m，而水库设计水位为定水位保持为8.66 m。运行较长一段时间之后，水位的差异使堤岸易发生渗流现象，并可能给堤岸带来塌陷的危险。因此，需要对现有大堤加宽加固，通过夯实土层、延长渗透路径等方法提高大堤的安全性。

生态防护大堤：水库防护大堤的建设主要是原有江洲边坡改造（深挖一侧和临江面边坡）部分。生态防护大堤的建设过程中，江洲原临江面保留，堤顶为地面线标高不改变。保留原来的岸线形态，不改变原有岸线形式，减少对河势稳定影响。按水库建设地点的地形地质情况和环库大堤的平面布置，库区堤线总长25 500 m。根据《堤防工程设计规范》（GB 50286—98），堤顶高程选取50年一遇的洪水位9.16 m，并在库区一侧设置超高1.0 m；生态防护堤宽5.0 m，并建设成为围绕水库的混凝土公路，每隔500 m设置宽7.0 m的汽车交汇点；大堤坡比1:2。

供水管线设计：出水管路自水库出水口沿着长江南北岸布设，北岸管线长大约51 km，南岸管线长约66 km，与各大水厂原取水管道相接。采用南北分片区供水，保证供水稳定。

3.3.4

生态调蓄水库的效益分析

生态调蓄水库的建设可以改善南京市供水水源地的水质，从而可以保证全市正常的生活生产用水，对于缓解全市水资源供需矛盾起到积极的作用；同时，作为城市新的饮用水水源，可以解决突发环境污染事件带来的饮水危机，保障社会的安全稳定。因此，建设生态调蓄水库可以产生巨大的生态效益、社会效益及经济效益。

生态环境效益主要体现在以下两点：一是削减入库负荷，改善出水水质；二是提高水土保持功效。

社会效益主要体现在：一是保障饮水安全，保障社会稳定；二是提高饮用水质量，提高居民生活水平；工程建设本身就是环保活动，提高居民环保意识。经济效益主要体现在：一是工程建设期及工程运营管理期可增加就业机会；二是规模较大的水库工程建设可带动相关产业发展。

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结论

调查研究发现南京市水源地现存问题有南京市水源地布局简单、结构单一；水源地取水方式为开放式，无任何生态防护措施；长江航运移动风险源严重威胁水源地安全；长江水源地原水污染日趋严重，南京市水源地面临较多的潜在问题，存在重大隐患。南京市调蓄水库的建设对于应对长江突发环境污染事件，提高市区供水水质及保证率，满足全南京市对用水安全性及水质提高的要求有着积极意义，工程建设意义重大。

研究构建了南京市城市水源地生态调蓄阶段实施的初步框架，生态调蓄工程应分阶段按照城市供水需求逐步多点建设，其他江边滩涂和沙岛均可做为生态调蓄工程的备用选址，现阶段调蓄工程管网布置考虑现有城市自来水厂分布及取水管网分布，兼顾后期可能的其他生态调蓄工程管网的并接。研究进行了生态调蓄工程选址的初步论证，分析了在长江南京段沿岸或江中沙岛建设生态调蓄工程的方案的可行性，从工程要求和水文地质条件等方面筛选出现阶段最佳选址为长江南京段新生洲、新济洲，并进行工程输水管网布置的初步规划。生态调蓄水库由沉淀区、人工介质区、水生植物区、深水岛礁区4个功能分区组成，每个功能区具有不同的水文水力学特征，担负不同的水质改善功能，协同完善水库健康的生态系统，各功能单元构成的组合系统可保证库区出水水质。