森林地面水源取水和水质优化处理技术

何莹泉，陈钰皓，陈富强，刘锡辉

(广东省林业调查规划院，广州 510520)

目前大部分森林区域内由于没有完善的市政供水设施，难以满足森林防火、森林旅游和林业生产活动等日益对用水量的增长需求。特别是在逐渐形成的以水灭火为主要森林防火形式的一种趋势的情况下[1]，就近就地取得符合使用要求的水源对于开展森林保护、生态旅游和林业生产活动具有重要意义。

雨水、山泉和溪流等地面径流是森林中可利用的理想水源。但森林消防用水和各类服务设施用水(饮用水除外)对水质有一定的要求，对取水构筑物的设置也有安全上的考虑。地面径流在枯水期时，枯枝落叶等漂浮物和水生动植物较多；而在丰水期时，由于水量大携带了大量的泥沙及悬浮颗粒，导致水质变坏，特别是山洪暴发时，巨大的水量变化使水流具有非常大的破坏性，传统取水构筑物难以适用于森林水源取水工程。

森林地面水源取水和水质优化处理集成了设置在森林溪流河床上的防冲刷保护结构、多层滤料过滤净水处理装置、净水收集管道、净水室、阀门井以及出水管道等构筑物，是一套适于森林水源取水和水质优化的处理系统。本研究以收集和处理的水体为测定对象，通过对处理前后水体的水量和水质进行测定，从而掌握该系统收集地面水量及处理水质的情况，以期为森林地面水源取水和水质优化处理提供理论依据。

1 构成与原理

1.1 系统原理

采用低负荷的慢滤处理原理，净水机理是多方面功能的综合反应，主要是生物吸附降解、沉淀、扩散、静电吸附机械筛滤的协同作用[2]。

1.2 系统构成

由设置在森林溪流河床上的防冲刷保护结构、多层滤料过滤净水处理装置、净水收集管道、净水室、阀门井以及出水管道等构成。过滤净水处理装置包括自河床水面向河床底部方向依次设置的各层处理过滤构造：① 6 mm粗尼龙编织防冲刷网，网孔规格为40 mm，作用是在防止发生洪水时各层滤料被冲刷破坏；② 300 mm厚鹅卵石或砾石层，粒径60～80 mm，主要拦截较大漂浮和悬浮杂质；③ 400 mm厚石英砂层，粒径0.35～0.50 mm的中粗砂，渗透过滤处理水功能；④ 200 mm厚鹅卵石或砾石层，粒径20～30 mm，多级过滤处理，净水收集管敷设床；⑤ 外裹塑料滤布的DN100多孔透水给水管，孔径10 mm，孔数60/m，收集清水，防止滤料沙石进入净水池；⑥ 200 mm厚鹅卵石或砾石层，粒径20～30 mm，多级过滤处理，清水收集管敷设床。

滤料层为三层，滤池总厚度为1100 mm，粒径0.35～0.50 mm和20～80 mm。水源水质优化处理构造详见图1。

结合地势与森林环境，净水出水与原水流水方向为90度水力布置，丰水期时，利用上层防冲刷保护层和合理的滤料级配，防止大水流冲力破坏过滤层，并利用形成的大水流冲洗洁净表面和上层滤料层过滤的杂质，自然完成上层滤料冲洗步骤，无需更多的维护清理工作，可有效延长系统的使用寿命，增加系统的安全可靠性。通过上述的过滤净水处理装置可有效去除地面径流水源内落叶及悬浮物、泥沙颗粒，处理后的水质可达到森林消防用水、林业生产和各类服务设施的用水的水质和水量要求。

2 实验方法

2.1 实验地概况

实验地设在东莞大屏嶂森林公园森林防火系统研究示范基地内，在113°59′07″—114°01′11″E，和20°45′44″—22°49′25″N之间。属南亚热带季风气候，夏秋多雨，春冬干旱；年降雨量1 500～2 400 mm，雨量集中在4—8月。实验系统设置在示范基地竹径小溪流河床上；过滤区尺寸2.6 m×2.2 m×1.2 m面积5.72 m2，体积6.86 m3；净水室尺寸2.0 m×0.5 m×1.1 m，净水室容积1.1 m3。

2.2 实验方法

利用抽水降水实验测定系统的出水量，数据格式为平均值±标准误差；运用Microsoft Excel 2007软件统计整理各项数据；采用SPSS 19.0软件，使用配对样本T检验与曲线估算方法对数据进行统计分析，得出原水水位与净水水位差和出水量之间的函数关系。原水水质采用人工模拟法，以水流扰动上游溪流河床模拟暴雨最不利时原水水质，在各出水量工况下采取水样，测定原水和净水水质，比较不同水量下系统去除杂质的效果，得出出水量和处理效果之间最佳的工艺参数。

3 实验结果与分析

3.1 出水量测定实验

出水量测定实验采用降水实验测定系统的产水能力，即出水量(y)，以变频水泵组为净水池降水，以不同的流量抽吸净水池水，抽水水位下降到恒定值时，测量水位下降的刻度(x)，记录此时水泵的流量。经过实验得出原水水位和净水水位之差(x)和水泵流量(y)之间的关系图(图2)。

图2 出水量与水位关系图

从图2可以看出，出水量(y)与水位差(x)呈现幂函数曲线变化。由图可见，判定系数R2=0.850 2，说明测点次数解释出水量总变异的85.02%。在5%的显著性水平下，回归系数通过t检验，p值非常小，趋近于0。说明回归效果较好，得到出水量与水位差的函数关系[3]：

y=0.397 9x-1.739(x≥0)

实验结果显示，原水水位和净水池水位差为10～15 cm时，流量变化范围为2.24～4.23 m3/h，单位过滤面积出水量0.39～0.74m3/(h·m2)；原水水位和净水池水位差为15～20 cm时，流量变化范围为4.23～6.22 m3/h，单位过滤面积出水量0.74～1.09(m3/h·m2)。

3.2 出水水质分析

水质实验通过不同出水量工况下的多组取水水样测定完成。经实验数据比对，出水水质和出水量关系成反比，出水量增大水质处理效果减弱，依据这个规律可以确定最佳的出水量参数：原水水位和净水池水位差为10～15 cm时，为一段理想的系统运行工况，处理效果也较好。表1为此工况下的水质检验数据。

表1 取样水质检测结果检验项目原水检测结果净水检测结果去除部分去除率/%浑浊度(NTU)1740.9173.199.48色度3152683.87臭和味101100.00肉眼可见物505100.00氨氮/(mg/L) 0.360.020.3494.44亚硝酸盐氮/(mg/L)0.0130.0010.01292.31铝/(mg/L)0.040.020.0250.00锰/(mg/L)0.110.050.0654.55铁/(mg/L)6.720.116.6198.36耗氧量/(mg/L)7.190.616.5891.52总大肠杆菌/(MPN/100 mL)169.26.842.50细菌总数/(CFU/mL)>50013037074.00pH/(mg/L)66.5总硬度(以CaCO3计)/(mg/L)19.721.6-1.9-9.64

4 结论与讨论

1)实验表明，水位差是系统出水量的决定因素，水位差越大出水量也越大，以系统慢滤原理为依据，当水位差为10～20 cm时，出水量最稳定，系统运行良好。取水口构造尺寸以水位差为10～15 cm时最佳，当对水质要求不高时，水位差可以选择为15～20 cm 。当水位差增加时出水量增加，但会减弱水质处理的效果。因此，依据过滤面积=用水量/单位面积出水量的计算公式，如果水源为雨水和泥沙含量较高的水体，可按照用水量计算所得的过滤面积再考虑一定的安全系数(1.2～1.5)。

2)原水经过过滤层的过滤处理后，去除了森林地面径流99%以上的肉眼可见漂浮物质和浑浊度，氨氮、亚硝酸盐及金属离子等都有不同程度的改善，净水pH值轻微为弱碱化，水的硬度也有一定提高，处理效果理想，可以满足森林消防和游客活动中的大部分用水水质要求。

3)该技术适用森林水源类型广阔，具有应对森林水源水质、水位、水量大动态变化及防暴雨冲刷功能，可适应任何复杂境况。森林溪流山泉，泥沙含量低者为最佳，装置布置在溪流河床上就可获取到符合水质要求的用水。没有溪流的情况下，只要林地内有一定的汇水面积，在雨水流经的凹地布置该装置即可从雨水中获取符合水质要求的用水。该技术结构合理实用、简洁朴实、绿色低碳、效果显著，是构建无动力环保林业供水系统中的一项关键技术，为森林水源生态收集处理利用开辟了新思路。