德国地表水土地渗滤与供水安全简析

德国地表水土地渗滤与供水安全简析
张健

摘要:本文简要介绍德国的供水水源分布，土地渗滤在供水中的作用与做法

一、德国供水水源概况
　　 德国自来水普遍是直接饮用，即我们常说的直饮水。德国绝大多数自来水厂的处理工艺都比较简单，臭氧活性炭等深度处理在自来水厂的应用比例相对较小，有的自来水厂甚至没有消毒工艺。德国长期实施土地过滤，这种接近自然的净化水源的做法是其整个供水系统中的一个重要组成部分。
　　 上世纪早期德国水界也有过关于直接取地表水还是河床过滤的探讨。土地渗滤作为一个安全自然的供水预处理系统在业界得到广泛认同和普及。虽然德国的一些地表水也经历了污染较严重的时期但是在供水水质上一直得到了较好的保证。
　　 德国供水水源有62％来自真正意义上的地下水。即由自然水文循环，通过地表水下渗而产生的地下水。
　　 我们来看另外38％的水源的详细组成（UBA：Versickerung und Nutzung von Regenwasser，2005）：

表1：德国地表水水源供水方式组成

　　我们看到在采用地表水作为水源供水中，直接使用河水的比例仅5％，河床及人工土地渗滤占43％。

二、地表水直接做水源供水
　　 巴登弗腾堡州的波登湖（Bodensee）供水系统是德国最大的地表水直接作为水源的供水系统，建立于上世纪五十年代。年供水量约1.7亿吨水（www.zvbwv.de）服务人口约370万人，按德国人口8250万计，这相当于表一中水源水库、湖泊一项的41%。
　　 波登湖供水量是该湖进水总量的约1/80，所以取水不会对湖泊原有的水文循环产生影响。取水处湖水深约250米，取水口设在60m深度，水温5℃，从而避免湖表面层水质及底泥的影响。湖水经过滤、臭氧氧化、沙滤、加氯消毒，输水，供斯图加特等地区用水。
　　 波登湖在上世纪七十年代也出现了明显的富营养化等污染，污染主要是农业面源（化肥、农药）的污染，铁路周边使用的除草剂，生活废水中的含磷、含氮物质。通过广泛的控制措施（包括污水处理）湖水水质得到有效改善。
　　 9．11事件后，波登湖供水的防、反恐又是人们关注的议题。其实早在七、八十年代“红色旅”（RAF，德国恐怖组织）时期就制定和实施了广泛的安全措施。也有人认为，系统从取水和处理的设计上有对供水安全性方面详尽的考虑，“即使投毒，作案者也要开着卡车投毒才能对此系统构成威胁”，而严密的监测、监控措施应该能及时检测、发现和报警。
　　 尽管如此，上个月（05年11月）报纸报导有人宣称将农药倒进湖里，造成了媒体一个不小的惊慌。
　　 波登湖供水联合体自五十年代成立以来已发展到170多个县、市。极端情况下，成员单位可启动其加盟以前的供水系统。

三、河床过滤
　　 河床过滤在莱茵河、Elbe河等周边供水采用的较普遍。其做法是不直接取河水而是在河岸边打井取水，严格讲应是河水与地下水的混合。
　　 地表水（河水、湖水）靠水的压力下渗（见图1示意）。河水与地下水的比例受季节（水位）和取水量的影响。污染物在过滤中的去除主要通过吸附，生物降解。河岸过滤已经使用了几十年，早期对污染物的去除机理并没有很多认识，更多来自对自然过程的模拟。有关于莱茵河河岸过滤的研究显示，在出现突发性水污染事件后，河岸过滤可以起到天然屏障的作用，污染物的穿透率可减至河水高峰浓度的1-2％。
　　 除了河岸土地过滤外，湖边土地过滤的一个十分典型的例子笔者在另一短文中曾作了介绍，这里不再展开（张健,2005，城市污水控制与水资源若干问题反思，www.h2o-china.com.cn）

图1河岸土地过滤示意图

　　除了直接地利用河岸的土地过滤之外，在自然河岸过滤通量不够或其他方面不具备条件时，人工的地表水反渗地下水成为重要的补充方案。

四、人工渗滤地下水
　　 用主要成份为雨水和污水处理厂出水的河水经处理后反渗地下水，西柏林的Jungfernheide水厂算是一个典型的例子。
　　 由于过量开采地下水，上世纪六十年代西柏林地下水水位下降了1.5米。为保持地下水位，西柏林开始系统实施地表水反渗地下水工程。1966年起开始用流经市区的Spree河水在给水厂周边设反渗厂来制备地下水。最初是用筛滤（60um）来去除藻类和颗粒物。与此同时河水水质不断下降，磷、藻类浓度逐年上升，特别是干旱季节，河水中含污水处理厂出水已达50%，所以到了上世纪八十年代不得不对河水作进一步的处理（混凝絮凝、沉淀、二次混凝和多介质过滤）。处理后的水经渗滤场（图2）和人工沟渠湿地制备地下水。取水点处设有水质自动检测，在污染物含量高时（如船只漏油）取水停止。

图2：Jungfernheide 人工渗场（Baerthel：Wasser fuer Berlin，1996）

　　上世纪八十年代西柏林共建了四个类似的地表水处理厂，用于补充地下水源，其中Tegel地表水处理厂出水先作为湖水（浴场、景观）然后补充地下水。
　　这些地下水补充设施所补充的地下水占地下水开采总量的约1/5。虽然总量有限，但它避免了1）地下水水位下降2）用地表水作为水源。

五、雨水回渗地下水
　　 城市区域雨水对地下水的补充的意义在上世纪七十年代后得到广泛共识与重视，但德国雨水管理的历史更久远。城市区域最早实施雨水分片蓄积的思考是为了消减暴雨径流对城市管网的冲击。七十年代后普及分散雨水蓄积、回渗地下水的做法除生态意义外，同样重要的原因是出于排水管网经济性方面的考虑，因为进入七十年代后历史上修建的城市管网进入了翻新、扩建的高峰期。
　　 虽然城市区域雨水回渗地下水对维护地下水源的贡献量尚未见到系统的统计，但相关案例的研究已充分说明其生态和经济意义。图3显示汉诺威一个新建居住区的雨水去处分布比较（Landeshauptstadt Hannover， Regenwassernutzung，2000)，通过系统的雨水管理工程，雨水在城市化后下渗量可以达到城市化前的通量。

六、相关议题
　　 通过土地的渗滤对地表水进行净化在德国过去几十年得到广泛应用。近年来业内的研究越来越热，可以体现在以下几个方面：
　　1．尽管这一做法已经很普及而且已经有几十年的使用历史，但是污染物的去除机理方面仍然有很多不明白的地方，包括不同物质在不同pH值、含氧量、微生物浓度、种类等情况下的作用机理。
　　2．“尽管一些工业国家在给水处理上非常注重高技术装备的应用，但仍然存在很多头疼的问题，而河床过滤给我们提供了更自然、稳定、安全的有效净化途径”，这一观点较能代表德国业内的共识。
　　3．有不少学者认为这一天然的处理思路更应该在经济不发达的地区得到应用，特别是当河流接纳较多未经处理的污水的地区，河岸过滤可以经济地提高供水安全性。德国及其他欧盟国家的学者目前在跟印度、巴西等国家展开合作进行研究和示范。

后记：
　　 几年前在德国接待国内一位同行朋友时我们就河岸过滤与河水直接深度处理的经济性进行了探讨，特别是在德国这样一个盛产水技术与设备的国家为什么自然过滤先于深度处理？哈尔滨水源污染事件后业内对供水安全展开了一些讨论，于是想到把上面一些的情况写下来，也许是对开阔讨论议题的一点启发。