毛宅水库水质提升工程措施与实施效果

廖 伟，熊昭昭，谢亨旺，吴余金，时 红，苏 甜

(1.江西省灌溉试验中心站/江西省农业高效节水与面源污染防治重点实验室，江西 南昌 330201；2.南昌大学 资源环境与化工学院/鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西 南昌 330031；3.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310063)

在我国，农村地区大部分都采用手压或者潜水泵直接提取地下水作为饮用水，一般是每户一口水井，水源水未经处理便直接饮用，饮用水安全方面存在许多问题[1-4]，而集中供水能增加饮用水前处理，提升饮用水安全性。随着新农村建设的推进和村镇居民生活水平的逐步提高，特别是村镇居民健康环保意识不断增强，在村镇集中供水日益增大的需求上，国家提出了农村饮水安全工程建设。农村饮水安全工程的实施极大地提高了农村地区集中供水的比例，提升了农村地区日常饮用水的安全性[5-6]。随着经济发展和农村饮水安全工程的持续投入，虽然大部分农村地区农村饮用安全工程运行良好，但仍有部分工程存在饮用水水质指标部分超标等问题[3,7-9]，保护水源安全是保障农村集中供水安全的前提条件和首要问题。

江西矿产资源丰富，也是农业大省，受自然条件及经济发展等原因，加上农药、化肥的大面积使用和工业、生活污水的不达标排放等人类活动的影响，导致农村饮水安全问题比较突出，在我国具有地区代表性[10-12]。同时，部分已建农村供水工程标准低，缺乏水处理及保护措施，饮用水水量和水质存在安全隐患，致使全省仍有一些农村居民饮用水水质较差。因此系统性地分析江西省农村饮水安全工程现状，剖析水源水污染来源，分析针对性可采取的防护措施十分必要。

本文结合江西省上饶市玉山县毛宅水库水质提升工程设计与实施效果，探讨了由养殖废水过量排放后引起氮磷超标的水库性水源地采取的措施和实施效果，为相关污染类型水源地综合治理提供参考。

1 江西省农村饮水安全工程现状

1.1 江西省农村饮水安全工程水源调查

江西省农村饮用水主要分为集中式供水与分散式供水2种方式，据未公开发表统计资料显示，江西省已经建设农村饮水工程53826处。其中，集中式供水工程22026处，受益人口2281.57万人，占总受益人口的98.7%；分散式供水工程31800处，受益人口29.77万人，占总受益人口的1.3%。其中，全省22026处集中式供水工程中有15658处采用地表水作为水源，受益人口1935.36万人，

通过国家饮用水卫生监测系统，由于江西省农村饮用水安全工程的实施，2017年全省11个设区市75个县(市、区)报告饮用集中式供水和分散式供水人口3959.61万人，饮用集中式供水的人口比例占53.83%，饮用分散式供水的人口比例占46.17%。在饮用集中式供水的人口中，饮用地表水的人口比例占76.94%，饮用地下水的人口比例占23.06%。从统计数据上得出江西省农村饮用水安全工程主要以地表水作为水源地。

1.2 江西省农村饮用水水源防护问题分析

通过资料收集及现场调查分析表明：江西省农村饮用水水源中，农村生活污染是各类水源最主要的污染源，其次是农业面源污染，工业废水占比较少。污染物来源分类描述见表1。

从表1分析得出，农村生活污染和农业面源污染对水源水质影响较轻微，有害污染物排放量不大，在采取一定环境管理及治理措施后，水源水质较容易恢复，而如果有大量的畜禽养殖废水排入水体，累积一段时间，特别是污染物沉入水底污染底泥后，则较难恢复，不得不采取工程措施。在靠近矿山或地势比较低洼的地方，容易造成地方性水质超标，需要根据污染源的特点采取针对性措施。

表1 江西省农村饮用水水源污染物来源

2 农村饮用水水源防护技术简介

2.1 制定适宜的农村饮用水水源水质保护分区管理制度

整体而言，应该结合农村饮用水源水水质污染现状，充分利用农村饮用水水源保护分区管理技术，实行污染物总量控制为核心，兼顾水资源管理和利用，综合考虑土地、环境、经济等要素，制定适宜的农村饮用水水源水质保护策略和相关管理制度[13]。

2.2 推广农业面源污染综合防治技术

对于受面源污染的水源区域[14]，应该以污染源头控制为主，过程削减为辅，开展水稻田间水肥高效利用综合调控技术[15]，减少化肥的施用量及农业排水；科学构建排水生态沟及塘堰湿地[16-17]，充分发挥排水生态沟及塘堰湿地对农业排水水体中各类污染物的削减作用；完善农村污水收集系统，开展农村污水处理工程应用示范，如应用人工湿地生态修复技术处理农村污水[18-19]，不仅能保障出水效果，而且可以提升景观效果。

2.3 开展治理或处理技术

实行分区管理制度以及推广农业面源污染防治技术主要是为了减少污染物排入水源地。对于水质达不到国家标准的水源地，则需要采取相关措施[20-21]。例如：地下水源含高浓度铁锰，可以开展超滤膜净化技术[22]；水体富营养化的水库性水源地，可以开展清淤、生态修复[23-24]等技术或者采用联合修复技术。

3 工程实例

3.1 工程简介

毛宅水库位于江西省上饶市玉山县下镇镇毛宅村，为信江玉山水支流沧溪的上游(图1)。水库控制集雨面积10.5 km2，水库正常库容为1002.4万m3，总库容为1116.53万m3，死库容为10.0万m3。毛宅水库为玉山县下镇镇农村饮水安全集中供水工程项目的供水水源，该供水工程是江西省十二五规划中农村饮水安全项目之一。自2011年该供水工程立项以来，由于水库水源污染问题，一直不能满足国家生活饮用水水源水质标准，受到各界关注，供水工程一直未及时投入使用。2017年先后采用划分保护区、清淤、生态修复等技术改善水源的水质。

3.2 治理方案

为解决水库水源污染的问题，当地政府采取了多种联合措施。改善水源水质整体思路为：第一步为关停周边养殖场，拆除污染企业，在水库岸坡建设生态隔离带，减少污染源；第二步为放空水库，对污染严重的区域实施清淤工程，并利用适量的生石灰消毒和调节pH值；第三步在水位恢复后，在水库取水口构建定做的人工生态浮岛，加强水质净化效果。

图1 毛宅水库示意图

3.3 工程措施与实施效果

3.3.1 环境管理措施控制源头 针对毛宅水库容易因农业面源污染，尤其是水产养殖、畜禽养殖等而导致的水源水质氮、磷超标，水体富营养化，对毛宅水库进行保护分区研究。河流取水口周围100 m及上游500 m处，湖库周围500 m处设立隔离防护设施或标志。对集中式供水水源点划定严格的保护区，禁止排污、堆放垃圾及滥采乱挖等活动。加强水资源保护的意义、重要性以及相关法律法规宣传力度，完善地方水资源保护的政策法规体系。根据水质保护的要求，制定相关水质保护条例。加强取水、排污的监督管理，控制新的污染发生。加强水质监测，通过控制断面及控制点的监测，了解水源地水域排污状况和水质变化趋势，有效地实施水资源保护的监督和管理，使监测为水资源统一管理和保护服务。

依据国家及江西省地方划定水源保护区的标准法规，结合毛宅水库具体污染情况及周边环境，划定毛宅水库全部水域为一级保护区水域、取水口一侧半径200 m陆地为一级保护区陆域，以及水域边缘向外2000 m范围陆地为二级保护区陆域。

在图2中，蓝色区域为毛宅水库水域，其所有水域范围划为一级保护区；图中红色扇形为一级保护区陆域范围，位于取水口一侧200 m范围内；图中不规则区域为二级保护区陆域范围，由CAD对水库水面轮廓进行2000 m偏移后所得，由于水库为不规则形状，因而偏移结果较粗略，实际划定中应以保护水质为前提，综合考虑地理、人文等条件进行划定。

3.3.2 清淤工程减少内源污染 毛宅水库周围畜牧养殖业较多，大量的养殖废水流入水库，造成水质恶化。毛宅水库周围污染土壤和清淤前后底泥监测平均值见表2，毛宅水库底泥有效磷含量较高。

图2 毛宅水库保护分区图

表2 毛宅水库清淤后底泥样品变化情况

毛宅水库清淤后，项目研究小组分别对水源多次采样分析，研究结果如表3所示。

表3 毛宅水库清淤后水质变化情况

实验数据表明，清淤后，毛宅水库水质平均总氮由1.31 mg/L降至1.21 mg/L，降低了7.6%；平均总磷有1.23 mg/L降至0.06 mg/L，降低了95.12%。毛宅水库水质在清淤后总磷含量显著减低，水体中总磷由劣Ⅴ类水质转变为优于地表Ⅲ类水。而磷是造成淡水水华、蓝藻爆发的控制性因子，清淤后极大促进了水库水质的改善。

3.3.3 建立生态浮岛强化净化效果 水库生态修复技术常用的手段为清淤和水生植物生态修复，毛宅水库水质提升技术在启动清淤工程后，也讨论了构建生态浮岛的工程措施，并于2017年10月在集中取水口上方安装了生态浮岛的工程措施。

如图3所示，生态浮岛面积为500 m2，采用HDPE可载人浮体构成，并设有人工隔水墙、纳米曝气泵具有固化微生物、曝气复氧的作用，增强水体修复效果，种植美人蕉、梭鱼草、水生鸢尾、风车草、狐尾藻等水生植物组合，可在当地自然越冬。

根据毛宅水库水质提升工程实施方案，水库清淤后，为进一步改善水质，在取水口上端建立生态浮岛，生态浮岛工程设计图及效果图如图3所示。相对于清淤工程，生态浮岛工程不仅具有效果持续时间长、经济成本低，还具有景观价值。生态浮岛项目实施后于2018年对毛宅水库水质进行了取样分析，水质数据见表4。

从表4可以看出，生态浮岛安装后水质中总氮得到了大幅度降低，由地表Ⅳ类水转变为地表Ⅲ类水；水质中总磷的含量有所上升，多点平均值仍保持在地表Ⅲ类水标准。

图3 毛宅水库生态浮岛设计及效果图表4 毛宅水库2018年构建生态浮岛后水质情况(清淤后)

项目ⅠⅡⅢⅣ总氮/(mg/L)0.29±0.010.16±0.020.15±0.010.15±0.02总磷/(mg/L)0.19±0.020.19±0.030.20±0.020.20±0.01氨氮/(mg/L)0.15±0.010.12±0.010.14±0.020.12±0.01pH值6.5±0.16.7±0.26.9±0.16.9±0.1

3.4 毛宅水库生态修复对水库水质综合提升效果

毛宅水库为周围农村地区集中供水的重要水源地，其水质的好坏直接关系到周围居民的饮水安全。经过课题组及相关专家的反复探讨，毛宅水库水质提升技术应用了清淤和生态浮岛组合工程措施。

如图4所示，分别在水库清淤前、水库清淤后、水库安装生态浮岛调试运行稳定后分别对水库水质主要污染物总氮、总磷进行了监测。通过监测数据表明，项目实施后水库水质总氮、总磷去除率分别达到85%、90%，毛宅水库生态修复对水库水质提升效果明显。毛宅水库主要污染物总氮、总磷分别由项目改造实施前的地表Ⅳ类、劣Ⅴ类水质提升为地表Ⅲ类水标准，达到集中供水水源地的标准。

通过监测水质数据得出，水源水水质中总磷主要在清淤中削减，而总氮主要在安装生态浮岛后得到大量去除。可能是由于水体总磷主要由底泥释放引起，底泥与上覆水层生物活动频繁，扰动剧烈，容易释放到水体中，改造后底泥中有效磷含量降低，底泥释放能力降低，大大降低了水体中磷素的含量。清淤后，水体总氮较清淤前有所降低，但水体总氮主要在构建生态浮岛后削减，水体总氮是在构建生态浮岛运行稳定后完全达到地表Ⅲ类水水质标准。

图4 毛宅水库改造后水质变化情况

主要原因分析如下：(1)拆除了附近的养殖场，减少了氮源的流入，并通过安装生物浮岛对水质起到了一定净化作用，所以水库水质总氮含量持续降低；(2)通过清淤工程，大量降低了底泥中有效磷的含量，减少了内源性磷素的来源；拆除养殖场、构建生物浮岛对总磷有一定的净化作用。

4 小结

通过调查与工程项目实施主要得出以下结论：(1)江西省农村饮用水安全工程主要以地表水作为水源地，主要受到农村生活污染和农业面源污染；(2)对于总磷超标的水库性水源，底泥修复技术可以极大地减少内源性磷素的来源，具有较好的改善作用；(3)人工生态浮岛技术用于处理氮、磷轻度超标的水源具有很好的效果。