关于铁岗-石岩水库水质保障工程涉水工程安全评估研究

关于铁岗 -石岩水库水质保障工程涉水工程安全评估研究

王琳，康兰方，耿弈，荆哲

(中交二公局第四工程有限公司，河南洛阳 471000)

摘要：铁岗-石岩水库水质保障工程对消减污染源进入铁岗水库、石岩水库饮用水源保护有重要的战略意义。本文主要针对建设项目施工及运行时水工程受力及变形分析、建设项目在施工期及运行期对水工程稳定性、供水安全、规划、日常维护检修抢修及第三方合法水事权益的影响等，对铁岗-石岩水库水质保障工程涉水工程进行了安全评估，对项目的建设具有重要的指导意义。

关键词：铁岗-石岩水库；水质；保障工程；设计方案；影响评估

在依靠清污分流沟及清水入库隧洞实现清污分流的基础上，石岩水库充分利用石岩河河口库尾，铁岗水库充分利用九围河河口及应人石河河口库尾生态库，并结合库尾连通隧洞、截流渠等，实现对达不到入库水质标准的雨水进行调蓄净化，下游借助于现状排放通道或新设排水通道错峰排放。同时，在生态库设置浅水净化区，使生态库在满足调蓄截流标准的雨水外，还可对初（小）雨水进行提质，并结合调度为下游河道补水，在实现入库水质达标的同时落实分质利用的目标。另外，对于铁岗水库上游分散的建成区，则采取弃流以及调蓄转输的方式截流一定标准的初期降雨，结合片区雨污分流、面源管控及海绵建设措施使得建成区溢流至水库的水质达到Ⅲ类水标准。

1 铁岗-石岩水库水质保障工程工程目标及任务

1.1 工程目标

根据《饮用水水源保护区划分技术规范》、《广东省饮用水水源保护区划分技术指引》，以及广东省环保厅和深圳市人居委意见，进入饮用水源水库水体需达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水水质标准，提出本工程目标为：在片区既有水质保障工程成效的基础上，经过更高标准的水库水质保障工程措施，使入库水体水质达标，即满足GB3838-2002 Ⅲ类水水质标准（总氮除外）。

1.2 工程任务

水源区包含建成区和生态区两部分：建成区雨水是污染源控制的重点区域，应与饮用水水库隔离；而生态区雨水则是无污染的清洁水源，应作为饮用水源直接入库。如此情形，与水源区范围调整的相关原则相类似，所以参考水源区范围调整依据之一的汇水条件发生变化原则，通过工程措施使水库汇水条件发生变化，避免建成区雨水入库，是唯一适用于本项目的水库水质保障方向。

因此，提出本工程任务为：通过措施，一方面基于建成区雨污分流率95%情况下，通过工程措施收集一定标准下的建成区雨水，避免不达标（达不到III类水标准）水体进入饮用水水库，转而作为下游河道生态补水；另一方面将生态区清洁雨水收集后不经建成区直接转输进入饮用水水库。

2 分区处理思路下水质保障技术路线及设计原则

2.1分区处理思路下水质保障技术路线（如图1 ）

图1：分区处理思路下水质保障技术路线图

2.2 设计原则

以保障入库水质安全为根本，以消减入库污染负荷为手段，以充分衔接现状相关工程为条件，以自产水资源影响最小为原则，以不影响茅洲河、西乡河防洪与水质为要求，以生态水务、海绵建设为理念。

3 设计方案概况

3.1 石岩河口生态库（一期）

在石岩河河口入库库尾设置生态堤，形成生态库，将石岩建成区流域范围内不达标雨水与引用水水源区进行隔离，生态库库容560万方。为了提高生态库净化功能，通过溢流堰将生态库划分为两个功能区域：湿地区和生态区。小雨时，雨水进入库尾湿地区净化后再排入下游河道；生态库区建立水质监测点，当水质达到入库标准时可进入水源水库。同时，库区进行景观生态化设计。

3.2 应人石河口生态库（二期）

在应人石河口入库库尾设置生态堤，形成生态库。为了提高生态库净化功能，通过溢流堰将生态库划分为两个功能区域：湿地区和生态区，生态库库容220万方。小雨时，雨水进入库尾湿地区净化后再排入下游河道；生态库区建立水质监测点，当水质达到入库标准时可进入水源水库。并进行景观生态化设计。

3.3 应人石河-九围河口生态库连通管（涵）（二期）

应人石河口-九围河口生态库连通管（涵）（以下简称连通管涵）工程起点为应人石河口生态库，终点为九围河口生态库，线位沿南光高速和机荷高速南侧由东向西横穿铁岗水库北侧库尾，线位尽量沿着山脊线布置。连通管涵全长5.1km，由于该方案为浅层排水转输系统，故根据地质情况，考虑进出水口处的水位高程，拟确定隧洞起点底高程为21.0m，终点底高程为19.0m，隧洞平均坡度为i=0.39‰，隧洞内径5.4m。

3.4 九围河口生态库（二期）

在九围河口入库库尾设置生态堤，形成生态库。为了提高生态库净化功能，通过溢流堰将生态库划分为两个功能区域：湿地区和生态区，生态库库容450万方。小雨时，雨水进入库尾湿地区净化后再排入下游河道。生态库区建立水质监测点，当水质达到入库标准时可进入水源水库。并进行景观生态化设计。

3.5 铁岗排出隧洞（二期）

隧洞工程全长3.0km，包括隧洞进水接驳段、洞身段及箱涵段，隧洞起点底高程为14.50m，终点底高程为11.50m，隧洞平均坡度为i=1.00‰，隧洞设计最大洪峰流量为50.0m3/s，采用城门洞型断面，过水断面尺寸5×5m。水流状态主要为重力自流的满流。

3.6 水源保护区复绿工程设计（二期）

对水源保护区裸露地面进行生态复绿，结合保护区内其他工程对较大的三块区域进行微地形营造，复绿则采用水保树种为主，点缀景观树种，如红花荷、水蒲桃、水松、石栗、水翁、三叶草等。

3.7 石岩北清污分流沟及石岩北清水隧洞（三期）

石岩北清污分流沟始段及中段现状山体开发强度大，形成多处高边坡，且坡脚与现状建筑物紧邻，难以在山体坡脚处布置分流沟，为保证分流沟的布置连续，必须沿山体较高高程（高程在90~150m之间）进行布置，不便于施工，破坏生态且投资高；而末段分流沟所在道路边坡较低，且边坡与建成区之间留有间距，适合在坡脚进行分流沟的布置。因此，鉴于中上段分流沟连续布置存在一定难度，本工程考虑中上游段雨水收集通道采用隧洞或暗涵的型式，并在各个汇水分区雨水坡脚处设置分流沟，收集分区雨水后汇入到石岩北清水隧洞；而下游段则连接石岩北清水隧洞顶管段，沿石岩环城路向西延续后转北沿松白路边布置，最后与北大方正科技园段分流沟汇合后汇入石岩水库。根据量测，新建清污分流沟长度7.2km，石岩北清水隧洞总长3.8km。

3.8 北大方正科技园排出隧洞工程（三期）

北大方正科技园排出隧洞为南北走向，隧洞起点位于现状北大方正科技园景观湖西北侧，总体走向平行于松白路，隧洞出口位于大雁山公园北侧上山路起点，隧洞末端接3.0×4.0m明挖箱涵，终点接入茅洲河干流，隧洞总长0.9km。

隧洞横断面为直墙拱结构，正常段断面尺寸B×H=2.5×3.0m，出口加宽设检修台阶，检修台阶断面尺寸B×H= 3.0×3.25m。

3.9石岩南清污分流沟及石岩南清水隧洞（三期）

石岩南清污分流沟毗邻现状沈海高速，由于高速路的修建，导致高速公路南侧山体沿线基本为高边坡。根据方案比选，若分流沟沿山体布置，沟底标高较高，在100~150m高程，施工难度大。因此，本工程沿沈海高速南侧布置石岩南清水隧洞，并利用现状路边排水沟分区收集雨水后，新建雨水管将排水沟内的水引入到石岩南清水隧洞内，局部地势平缓或无排水沟位置，则新建分流沟，末端接石岩南清水隧洞。根据量测，新建清污分流沟长3.9km。拟建石岩南清水隧洞主要串联前述章节各汇水节点，通过进水竖井和深层隧洞收集、转输50年一遇标准以内的雨水，汇入铁岗水库，形成“隧洞主干、分流沟分支”的清水转输系统。隧洞总体沿机荷高速南侧布置，隧洞总长7.5km，平均纵坡为i=4.71‰。

3.10 分散片区调蓄处理（三期）

考虑分散调蓄及转输的方案，实施范围内，共3座小型分散调蓄池，2座中型调蓄池。其中，黄麻布片区有2座，1#调蓄池调蓄容积250m³，2#调蓄池调蓄容积650m³；

料坑、麻布片区有3座，4#为小型分散调蓄池，其余为中型调蓄池。其中，4#调蓄池收集0~7mm以内的降雨，调蓄容积950m³；5#调蓄池调蓄容积15000m³，主要尺寸78.2×48.0×6.60m；北侧调蓄池（6#调蓄池），0~30mm调蓄容积33000m³，主要尺寸110×95×7.95m，占地面积9900㎡。

1#、2#和4#小型调蓄池相互独立，末端对收集雨水通过智能分流井（详见大样）转输调蓄，调蓄池内设置自清洗水平格栅、喷射器以及抽水泵等配套设备，可自动化控制远程调控、监视。

1#、2#和4#小型调蓄池主要思路小区域下游总口截流0~7mm雨水调蓄，并转入至就近污水管网。1~2#调蓄池汇水区7~30mm雨水通过在下游设堰及截流箱涵，根据水质监测情况进行转输，当水质较差时可打开截流箱涵的闸门直接进入下游转输隧洞。

3、5#调蓄池0~30mm雨水调蓄并送入污水资源化处理站处理，处理后的雨水达到地表水准IV类标准，直接打入九围河。污水资源化处理站拟设定规模1万m³/d，KZ=2；旱季处理周边生活污水约1万立方米/天，雨季处理生活污水及雨水2万方。

3.11 应人石南片区转输工程（四期）

考虑到宝达石场流域范围因长期开挖作业以及附近苗木场地种植带来的面源污染问题，为确保石场流域范围内水体进入铁岗水库的水体水质达标，考虑采用应人石南片区转输工程将流域范围内未达标水体转输至应人石生态库进行净化后排放。

在该工程范围内新建调蓄宝石湖，梳理区域内汇水条件，以达到保障下游铁岗水库水质安全、降低水质风险的目的。同时，通过新建截洪沟、生态堤、转输管涵等收集转输系统，将范围内50年一遇的雨水完全存蓄后，转输到拟建的应人石河口生态库。在生态堤的一侧修建溢流渠，当洪水超过50年一遇标准时，调蓄宝石湖内洪水将溢流至生态堤下游库尾冲沟。

4 涉水工程总体情况

铁岗-石岩水库水质保障工程涉及到铁岗水库、石岩水库以及水库集雨面积范围内周边城区，工程建设涉及范围广，根据工程位置及建设内容等分11个子项工程并分四期进行建设，各子项工程涉水工程基本情况见表 1。其中一期、二期涉水工程评估已通过评审，本报告评估范围为三期、四期。

表1 铁岗-石岩水库水质保障工程涉水工程汇总表

5 三期和四期工程涉水工程基本情况

5.1 三期工程概况

三期主要建设范围包括清污分流系统和面源污染控制系统。

（1）清污分流系统

内容主要为清污分流沟+清水隧洞，具体包括石岩北清污分流沟及石岩北清水隧洞、石岩南清污分流沟及石岩南清水隧洞和北大方正科技园排出隧洞三个工程。石岩北清污分流沟采用地上明沟形式，底宽1.0m或1.5m，渠高1.0～1.9m；清水转输隧洞采用顶管+地下暗涵+隧洞形式，顶管管径为DN1800～DN3000，隧洞和地下暗涵底宽2.5m，高3.0m，转输隧洞总长3.8km。石岩南清污分流沟采用地上明沟形式，底宽1.5～3.5m，渠高0.7～2.9m；清水转输隧洞采用箱涵+隧洞形式，顶管管径为DN1800～DN3000，隧洞洞径3.0m和5.5m，箱涵宽6.0m，高4.0m，转输隧洞总长7.5km。北大方正科技园排出隧洞采用箱涵+隧洞形式，隧洞采用城门洞形，洞高3.0m，洞宽2.5m，隧洞总长0.9km。

（2）面源污染控制

系统内容主要为分散调蓄+处理（转输），工程内容包括设置分散的智能分流井、截流井、调蓄池、提升泵站或截污管（涵）等，共建调蓄池5座，提升泵站1座。

5.2 四期工程概况

宝达石场全流域汇水面积为1.24km2，其中建成区汇水面积为0.49km2，生态区汇水面积为0.75km2。为了配合宝达石场区域内近远期规划要求，拟在该工程范围内新建调蓄湖，梳理区域内汇水条件，以达到保障下游铁岗水库水质安全、降低水质风险的目的。同时，通过新建截洪沟、生态堤、转输管涵等收集转输系统，将范围内50年一遇的雨水完全存蓄后，转输到拟建的应人石生态库。在生态堤的一侧修建溢流闸，当洪水小于或等于设计标准时，闸门关闭，全流域雨水在湖内存蓄，错时转输；当洪水超过50年一遇标准时，溢流闸闸门打开，将调蓄湖内洪水排放至生态堤下游库尾冲沟。

6 建设项目施工期及运行期对原水工程供水安全的影响评估

6.1北大方正科技园排出隧洞对公明-石岩水库隧洞工程的影响

北大方正科技园排出隧洞施工期产生的污染主要为施工排水及机械油污，公明-石岩水库隧洞埋置于地下，两隧洞间竖向净距为4.44m，且公明供水隧洞为有压隧洞，故施工用水、市政污水及机械油污的排放不存在内渗至隧洞的可能性，因此北大方正科技园排出隧洞施工不会对公明-石岩水库隧洞工程供水水质造成影响。北大方正科技园排出隧洞工程施工期间不需要从公明-石岩水库隧洞工程取水或要求公明-石岩水库隧洞工程减小输水量，因此本次评估认为北大方正科技园排出隧洞工程施工期间不会对公明-石岩水库隧洞工程的供水水量产生影响。因此北大方正科技园排出隧洞工程施工期间不会对公明-石岩水库隧洞工程供水安全造成影响。

6.2 石岩北清污分流沟及清水隧洞工程对北线引水工程的影响

石岩北清污分流沟及清水隧洞工程施工期产生的污染主要为施工排水及机械油污，北线引水工程埋置于地下，与石岩北清污分流沟及清水隧洞工程并行段北线出口段为钢管同时水平距离相对较远，故施工用水、市政污水及机械油污的地表排放不存在内渗至管道的可能性，因此石岩北清污分流沟及清水隧洞工程施工不会对北线引水工程供水水质造成影响。石岩北清污分流沟及清水隧洞工程施工期间不需要从北线引水工程取水或要求北线引水工程减小输水量，因此本次评估认为石岩北清污分流沟及清水隧洞工程施工期间不会对北线引水工程的供水水量产生影响。因此石岩北清污分流沟及清水隧洞工程施工期间不会对北线引水工程供水安全造成影响。

6.3石岩北清污分流沟及清水隧洞工程对石岩水库工程的影响

石岩水库蓝线范围内的石岩南清污分流沟及清水隧洞工程出口箱涵及护砌段施工期围堰顶高程为37.50m，石岩水库长期运行水位为34.50～36.00m，钢板桩顶高程满足施工期挡水要求，不要求石岩水库降低水位运行，因此对石岩水库供水水量无影响。

石岩水库蓝线范围内的石岩北清污分流沟及清水隧洞工程出口箱涵及护砌段施工期产生的污染主要为库内钢板桩施工对水库底泥造成扰动从而影响库内水质，考虑到该段钢板桩位于库内范围相对很小，同时距离铁岗水库取水口相对很远，因此钢板桩施工对水库水质影响很小。另外基坑施工排水及机械油污等若直接抽排至水库，会对铁岗水库工程供水水质造成不利影响，应采用相应油污隔离等水土保持措施。

石岩北清污分流沟及清水隧洞工程出口箱涵及护砌段施工期不会对石岩水库供水水量产生影响，在做好相应油污隔离等水土保持措施后对供水水质影响小。

因此石岩北清污分流沟及清水隧洞工程施工期对石岩水库供水水量无影响，在严格做好施工期间水土保持措施后对石岩水库供水水质的影响小。

6.4 石岩南清污分流沟及清水隧洞工程对铁岗水库工程的影响

铁岗水库蓝线范围内的石岩南清污分流沟及清水隧洞工程出口箱涵及护砌段施工期围堰顶高程为27.00m，满足施工期间挡水要求，不要求铁岗水库降低水位运行，因此对铁岗水库供水水量无影响。

铁岗水库蓝线范围内的石岩南清污分流沟及清水隧洞工程出口箱涵及护砌段施工期产生的污染主要为库内钢板桩施工对水库底泥造成扰动从而影响库内水质，考虑到该段钢板桩位于库内范围相对很小，同时距离铁岗水库取水口相对很远，因此钢板桩施工对水库水质影响很小。另外基坑施工排水及机械油污等若直接抽排至水库，会对铁岗水库工程供水水质造成不利影响，应采用相应油污隔离等水土保持措施。

石岩南清污分流沟及清水隧洞工程出口箱涵及护砌段施工期不会对铁岗水库供水水量产生影响，在做好相应油污隔离等水土保持措施后对供水水质影响小。

6.5分散片区调蓄处理工程对铁岗水库工程的影响

分散片区调蓄处理工程未位于铁岗水库水域范围内，但均位于其流域范围内，为减小施工期对水库水质的影响，严格做好施工期间的水土保持工作。

6.6四期应人石南片区转输工程对铁岗水库工程的影响

应人石南片区转输工程未位于铁岗水库水域范围内，但均位于其流域范围内，为减小施工期对水库水质的影响，严格做好施工期间的水土保持工作。

7 结论

（1）北大方正科技园排出隧洞工程在交叉位置上下游50m范围内采用静力爆破施工后施工期对公明-石岩水库隧洞工程稳定性影响小；北大方正科技园排出隧洞工程运行期对交叉隧洞稳定性、供水安全、日常维护检修抢修、水利规划无影响；应做好施工期间的水土保持工作，防止水土流失。两隧洞间岩体厚度满足《水工隧洞设计规范》（SL 279—2016）中4.1.5条相邻隧洞之间的岩体厚度应保证隧洞之间岩体运行期不发生渗透失稳和水力劈裂，并不小于1倍开挖洞径的要求。

（2）石岩北清污分流沟及清水隧洞工程对北线引水工程运行期稳定性、施工期及运行期供水安全、日常维护检修抢修无影响，石岩北清水隧洞出口段箱涵布置时已为北线引水工程至石岩湖水厂DN1800钢管接入石岩湖水厂预留管位，对该段管线规划无影响。出口段管道周边地下水埋深较浅，为减小顶管井和顶管施工抽排水对管养房的影响，顶管井施工采用专项止水措施，顶管采用泥水平衡法施工，做好施工期间的水土保持工作，防止水土流失。

（3）石岩北清污分流沟及清水隧洞工程施工期对石岩水库稳定稳定影响小，严格做好水土保持措施后对水库供水安全影响小，运行期对石岩水库稳定和供水安全无影响，石岩南清水隧洞出口设置消能及护底措施，运行期对岸坡和库底的冲刷小，施工期和运行期对石岩水库日常维护检修抢修和相关水利规划无影响。

（4）石岩南清污分流沟及清水隧洞工程施工期对铁岗水库稳定稳定影响小，严格做好水土保持措施后对水库供水安全影响小，运行期对铁岗水库稳定和供水安全无影响，石岩南清水隧洞出口设置消能及护底措施，运行期对岸坡和库底的冲刷小，施工期和运行期对铁岗水库日常维护检修抢修和相关水利规划无影响。

（5）分散片区调蓄处理工程对铁岗水库施工期和运行期稳定性、供水安全、日常维护检修抢修和相关水利规划无影响，工程中3×2m黄麻布截流箱涵在平面上与罗田-铁岗水库连通工程项建阶段线路平面距离达五百多米以上，不会对该工程规划造成影响。

（6）四期应人石南片区转输工程对铁岗水库施工期和运行期稳定性、供水安全、日常维护检修抢修和相关水利规划无影响，但应严格做好施工期间的水土保持工作，防止水土流失。