大型高原湖泊富營養化湖水生態凈化工程設計與分析
摘要： 針對云南省星云湖湖水排放對下游飲用水源地撫仙湖水質的污染日趨嚴重的問題， 采取湖水出流改道措施，改變湖水流向，隔斷上游污染，出流改道后的富營養化湖水經生態凈化后 排放備用水源地。生態凈化工程處理規模為20 X 10 m ／d，主要采用穩定塘／碎石床濕地組合工 藝，星云湖原劣V類水經生態凈化后達到Ⅲ類水質標準。該工程一年多的運行表明，出水水質基本 達到設計要求，對保護水源地水質起到巨大作用，也為我國高原湖泊富營養化湖水的治理提供了示 范和參考。
關鍵詞： 高原湖泊； 富營養化； 生態凈化； 人工濕地
1 工程概況
星云湖和撫仙湖毗鄰，位于云南省玉溪市境內， 是云南省九大高原湖泊中的兩個湖泊，屬珠江上游 南盤江水系。星云湖地勢略高，是撫仙湖的上游湖， 其湖水通過隔河連通流人撫仙湖。近年來，隨著工 農業和旅游業的發展及湖區人口的增加，星云湖的 湖水已受到了嚴重污染，富營養化程度日益加劇，星 云湖的水質僅為Ⅳ ～劣V類，且有進一步惡化的危 險。另外，由于星云湖處于撫仙湖的上游，每年有約 4 000 X 10 m 的劣質湖水通過隔河直接流人撫仙 湖，成為撫仙湖最大的污染源。
為遏止富營養化的湖水對撫仙湖目前的I類水 質造成的污染，擬將星云湖原有出流進行改道，改道 后的星云湖出流不再流向撫仙湖，而是經人工濕地 進行處理，處理出水達到Ⅲ類水質后再流入玉溪市 東風水庫。目前該生態凈化濕地是全國規模最大的 高原人工濕地，工程處理規模為20 X 10 m。／d，總投 資約6．0億元。
1．1 工程方案
本工程自星云湖西岸向九溪方向開挖引水隧 道，將星云湖水引到九溪后分人生態凈化處理場和 旁通道。湖水經生態凈化場處理后達到不低于東風 水庫水質，隨后泄人東風水庫；超過生態凈化工程處 理能力或東風水庫蓄水不需要的水量經旁通道匯入 玉溪州大河，之后繞道排人南盤江。具體見圖1。
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| 圖1 出流改道工程布置 |
出流改道工程建成后，星云湖只有在特定條件 下才向撫仙湖泄水，正常情況下隨著出流改道的實 施，星云湖的運行水位將降低，從而撫仙湖水可倒流 向星云湖，星云湖湖水得到優質撫仙湖水的稀釋和 置換，并達到改善星云湖水質的目的。
1．2 設計處理規模與進、出水水質
① 設計處理規模
首期建設規模：1．16 111 ／s(10 X 10 rn ／d)，中 遠期建設規模：2．32 m ／s(20 X 10 m ／d)。
② 設計進水水質 COD：35 mg／L；Chl—a：0．010 2 mg／L；NH 一N： 0．40 mg／L；TN：0．88 mg／L；TP：O．04 mg／L。
③ 出水水質要求
根據出水排放地——東風水庫及其下游的水質 要求，出水水質需達到《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)的Ⅲ類水質要求，具體見表1。
| 表1 出水水質指標 |
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2 工程設計
2．1 工藝流程 星云湖出流生態凈化工程選擇穩定塘／植物碎 石床濕地工藝，具體工藝流程如
圖2所示。
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| 圖2 生態凈化工程工藝流程 |
2．2 總平面布置
工程從上到下分為三個片區(見圖3)：出流口 與高速公路間為一個片區，包括應急池和一級植物 穩定塘，處理規模按中遠期20×10 m ／d設計；高 速公路與進鎮公路間為第二個片區，一區出水經輸 水涵洞到二區進行處理，設置4大處理系統，包括一 級植物碎石床濕地、二級植物碎石床濕地、二級生物 穩定塘、三級植物碎石床濕地和砂濾池；進鎮公路與 九溪河之間為第三個片區，作為中遠期處理用地，布 置與二區相近。
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| 圖3 工程平面布置 |
2．3 主要單元設計參數
首期設計流量為10 X 10 1TI ／d。
① 格柵
分粗、細格柵各1道；柵寬為50．0 m；安裝傾角 為6O°。粗格柵間隙為50 mm；細格柵間隙為20 mm；柵前水深為0．5～2．2 1TI。
② 應急處理池
應急處理池主要對兩種異常情況進行處理，一 是星云湖水華暴發，藻類數目上升到幾千萬個／L； 一是出流水為暴雨混濁水。這兩種水都不能直接進 入生態凈化處理系統，常規應急處理方法為化學方 法，費用高且影響飲用水水質。本工藝采用生物吸 濾法，可有效處理上述水質。設計為4個并聯矩形 水池，共4 200 in ，設計底坡為0．1％ ，池中種植吸附 性能較好的水生植物。
③ 一級植物穩定塘
設計水力負荷為6．64 m³ ／(㎡ ·d)，穩定塘的 面積為3．01×10 m ，分成4組并聯系統，每組系統 分5格，平均有效水深為2．0 m，進水采用穿孑L管布 水。
④ 一級植物碎石床濕地
設計水力負荷為3．19 m³ ／(㎡ ·d)，總占地面 積為3．14 X 10 m ，分成4個并聯處理系統，每個系 統根據地形設4～5格，平均有效水深為1．20 1TI，碎 石床濕地設計坡度為0．3％ ～0．5％ ，進出水采用穿 孔管布水。
⑤ 二級植物碎石床濕地
設計水力負荷為3．73 m³ ／(㎡ ·d)，總占地面 積為2．68×10 m ，分成4個并聯處理系統，每個系 統根據地形設4～5格，平均有效水深為1．20 nl。 其他同一級濕地。
⑥ 二級植物穩定塘
設計水力負荷為4．63 m³ ／(㎡ ·d)，穩定塘面 積為2．16 X 10 1TI ，分成4個并聯系統，每組系統5 格，平均有效水深為2．0 I／1，穩定塘設計底坡為 0．3％ ～0．5％ ，采用“下一上一下”進出水方式。
⑦ 三級植物碎石床濕地
設計水力負荷為3．79 m³ ／(㎡ ·d)，總占地面 積為2．64×10 m ，分成4個并聯處理系統，每個系 統根據地形設4～5格，平均有效水深為1．20 1TI。 其他同一級濕地。
⑧ 砂濾池
設計水力負荷為11．76 m³ ／(㎡ ·d)，總占地面 積為0．85×104㎡ ，分成4個并聯處理系統，每個系 統根據地形設4～5格，平均有效水深為1．20 m。 砂濾池采用上進下出方式布水，在頂部設置進水管 均勻布水。
2．4 植物的選擇
在利用植物進行水質凈化時，植物的選擇顯得 尤為重要。選擇原則如下：首先要盡量選用當地植 物品種；其次是要根據各處理池的工藝要求進行選 擇，人工碎石床濕地的大部分濕地植物為草本植物， 或采用喬木／草本混合種植方式，盡量豐富植物的結 構類型，以提高植物的凈化能力。在生物穩定塘中， 主要使用漂浮和浮葉植物，以增加塘系統的凈化效 率。 各處理池的植物選擇見表2。
| 表2 植物選擇 |
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3 工程運行與效果分析
工程于2008年3月開始正式運行，但由于濕地 植物仍未生長完全，且工程剛剛啟動運行，仍處于前 期不穩定階段，從而導致植物碎石床濕地最后出水 水質波動較大。本工程每月監測一次數據，自2008 年3月27日取得工程運行的第一批監測數據至今， 植物生長情況良好，在進水COD和氨氮分別為30、 0．40 mg／L的情況下，出水分別為l4．5、0．16 mg／L， 達到了地表水Ⅲ類水質標準(GB 3838-2002)，有 效削減了星云湖對撫仙湖的人湖負荷。
工程在注重水質凈化效果的同時，充分考慮到 工程的生態效益和經濟效益。工程實施后，隨著濕 地植物的成長，其種類由原先的l6科30種提高到 26科5O種，濕地系統的物種多樣性明顯提高。由 于利用現有地形地貌特征，在濕地內種植了蘆葦、馬 蹄蓮等本土經濟植物，使得當地農民每年的收入大 大增加，工程初步顯示了突出的經濟效益。
4 工程設計和施工經驗總結
本工程是國內正式實施的最大高原湖泊人工濕 地，在工程設計上由于地形高差、穿越建成的高速公 路和地形的不規則，所以在水的分配、各單元面積的 控制和布置都經精心優化設計。從設計來說，重點 應放在各單元面積的分配和水量的調配上，為了使 布水更均勻，首期(10 x 10 m ／d)通過配水井分為 四股，每股水再通過可調三角堰分配到9個單元系 統，從一級植物碎石床到最后出水均為串聯。為使 水較均勻地進入各處理系統，設計考慮系統水量為 25 000 m。／d ， 進入單元格采用多點進水穿孔布水。 確定布水量及穿孔管的孔徑時，除水力計算外，還考 慮到穿孔堵塞，實際穿孔孔徑一般取計算值的2～3 倍為宜。
在濕地設計中，充分考慮了工程的下滲和側滲 處理。對于下滲處理，原采用土工膜，后決定采用當 地優質粘土，對粘土進行了抗滲試驗(滲透率達 10 m／d)，結果顯示在含水率為30％ ～35％ 、壓實 達到94％時能滿足要求，最終設計采用500 mm厚 粘土作防滲層，經試水運行，效果完全達到設計要 求。對于側滲處理，重點是對外圍漿砌毛石擋土墻 進行水泥砂勾縫，伸縮縫處理均采用遇水膨脹油膏， 中間隔墻有漿砌毛石(應注意砂漿要填滿)和雙磚 墻中間填粘土，后者防滲效果較優。
本濕地工程施工中最大的工程量是濕地填料的 鋪設，施工時應注意施工組織滿足大型機械施工。 另外，植物的栽種應在滿足進水條件后，才能選擇季 節種植，以滿足植物生長的需要。
5 結論
星云湖一撫仙湖人工濕地是我國目前處理高原 湖泊富營養化湖水的最大人工濕地，處理規模為20 ×10 m ／d，主要采用植物穩定N／多級碎石床人工 濕地工藝處理星云湖出水，運行結果表明，工藝出水 達到地表水Ⅲ類水質標準，保證了撫仙湖的入湖水 質，同時實現了一定的經濟效益，為后續高原湖泊富 營養化湖水處理工程的設計和運行提供了一定的經 驗和參考。
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