人工濕地在城市景觀水系水質(zhì)凈化中的應(yīng)用研究
——以貴州六盤水西鋪河為例

楊永森（北京東方園林生態(tài)股份有限公司，100000）

人工濕地在城市景觀水系水質(zhì)凈化中的應(yīng)用研究
——以貴州六盤水西鋪河為例

楊永森（北京東方園林生態(tài)股份有限公司，100000）

目前，水質(zhì)惡化和水體富營養(yǎng)化在景觀水體中普遍存在，不但破壞了水體的景觀效果，而且還會出現(xiàn)水體惡臭現(xiàn)象，使之成為新的污染源。因此，開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的人工景觀水體水質(zhì)凈化技術(shù)成為重要的課題（申歡等，2007）。人工濕地(Constructed??Wetland?)是由人工建造和控制運行的類似沼澤地的地面，將污水有控制地投配到人工濕地上，通過土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物協(xié)同作用，可以實現(xiàn)對污水進(jìn)行處理的目的（湯顯強等，2007）。人工濕地處理技術(shù)具有費用低、維護(hù)管理簡單、對環(huán)境影響小、可分散化與小型化建設(shè)的特點，近年來被廣泛用于去除有機污染物和氮磷等營養(yǎng)鹽污染物，可用來處理各類被污染的水體，包括工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水、城市暴雨徑流、生活污水、富營養(yǎng)化湖水等（Coveney?et?al，2002；張海等，2007）。

人工濕地特別適合處理景觀用水區(qū)附近的污水，為水體提供清潔的水源。本研究的人工濕地合理利用自然地形，采用多級潛流人工濕地與階梯多級表面流濕地復(fù)合的濕地水凈化系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了水質(zhì)保障，而且構(gòu)建了人工水體景觀。

1 研究區(qū)概況與處理要求

1.1 基本概況

研究區(qū)位于貴州省六盤水市盤縣境內(nèi)西鋪河放馬坪段(圖1)。研究區(qū)屬珠江流域南北盤江水系，西鋪河是北盤江二級支流，拖長江右岸一級支流，全流域面積99.1?km2，河段長度19.43?km，主河床平均比降13.79‰，流域形狀系數(shù)0.263。

目前西鋪河河道渠化硬化，生態(tài)功能喪失，河道內(nèi)濕生植物種類單一，長勢較差，濕地特征不夠明顯，上游大量的違章建設(shè)對濕地造成了較為嚴(yán)重的破壞，農(nóng)村生活源和農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，河流現(xiàn)狀水質(zhì)為劣Ⅴ類。根據(jù)盤縣有關(guān)城市規(guī)劃的要求，濕地下游城市東湖景觀水體需從西鋪河引水（相對位置關(guān)系見圖1），因此亟待采取有效措施改善西鋪河水質(zhì)，為景觀水體提供清潔優(yōu)質(zhì)的水源。

1.2 濕地處理目標(biāo)

在上游未能有效截污控污的情況下，在西鋪河進(jìn)行水質(zhì)凈化為主的功能性人工濕地建設(shè)，實現(xiàn)來水的深度凈化，使西鋪河水質(zhì)達(dá)到《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（GB/T18921-2002）的水質(zhì)要求。利用區(qū)域地形高差形成梯級配水凈化的效果，改善入東湖水體水質(zhì)，提升整個河道的生態(tài)功能與價值。

2 人工濕地處理工藝設(shè)計

2.1 工藝選擇

人工濕地是以天然濕地結(jié)構(gòu)原理為基礎(chǔ)，仿造或改進(jìn)建設(shè)的一種凈化水體的技術(shù)，基本原理是通過人工濕地內(nèi)的植物、微生物、填料等的物理、化學(xué)和生物作用，對水體中的污染物進(jìn)行凈化。通?？煞譃?種類型：表面流人工濕地、潛流人工濕地以及垂直潛流人工濕地（聶志丹等，2007；楊敦等，2003）。

1）表面流人工濕地。污水在人工濕地的土壤等基質(zhì)的表層流動，依靠植物根莖與表層土壤的攔截作用以及根莖上生成的生物膜的降解作用，使污水得以凈化的人工濕地形式。

2）水平潛流人工濕地。污水從人工濕地的一端進(jìn)入，在人工濕地床表面下以近水平流方式流動，最后流向出口，使污水得以凈化的人工濕地形式。

3）垂直潛流人工濕地。污水從人工濕地表面垂向流過基質(zhì)床的底部或從底部垂直向上流向表面，使污水得以凈化的人工濕地形式。

從凈化效果與水力負(fù)荷適用性角度來看，垂直流人工濕地優(yōu)勢較為明顯；從擾動最小、景觀營造度來看，表流濕地是更好的選擇。結(jié)合研究區(qū)特點，在景觀要求較弱的區(qū)域，采用水質(zhì)凈化效果更好的垂直流人工濕地；在其它濕地區(qū)，采用表流濕地及其延伸的半自然型濕地，在水質(zhì)凈化的同時，打造良好的濕地生態(tài)效果。

圖1 研究區(qū)位及其與景觀水系相對關(guān)系

2.2 濕地規(guī)模與空間布局

根據(jù)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范?HJ2005-2010》，可選用污染負(fù)荷、水力負(fù)荷核算人工濕地面積，并用兩者計算結(jié)果互相校核（中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部，2010）?？紤]濕地設(shè)計的水力負(fù)荷、停留時間等限制因素（賈世杰，2014），本研究區(qū)濕地設(shè)計流量取西鋪河枯水期最小來水流量，即0.4?m3/s（折合3.5萬m3/d?），根據(jù)規(guī)范計算并復(fù)核凈化濕地面積45?hm2。

根據(jù)研究區(qū)地形地貌、分流水量、寬度、坡度等條件，結(jié)合潛流及表面流人工濕地的相關(guān)設(shè)計要求，搭配種植本地鄉(xiāng)土水生植物，使其形成多類型人工濕地和自然濕地有機搭配的多級階梯水質(zhì)凈化濕地單元群，水質(zhì)凈化的同時，營造良好的生態(tài)效果，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，增加物種多樣性，完善生態(tài)系統(tǒng)(彼得·布林等，2014)。圖2為人工濕地系統(tǒng)平面圖。

圖2 人工濕地平面布置圖

西鋪河入東湖濕地前端沉砂池后分流，沿河形成東西兩片濕地凈化區(qū)。兩片凈化區(qū)設(shè)計處理水量分別為2.0、1.5萬m3/d?。利用前端潛流濕地與表流濕地組合工藝進(jìn)行水質(zhì)凈化，其中表流濕地在發(fā)揮凈化功能的同時，可達(dá)到良好的生態(tài)效果，作為東湖濕地的展示主體，東片區(qū)21?hm2，西片區(qū)24?hm2。兩片濕地凈化區(qū)設(shè)計參數(shù)如表1。

2.3 工藝流程與處理單元

本研究主體工藝單元包括沉淀池、潛流濕地、表流濕地等，輔助設(shè)施有引水渠、分流池、引水支渠和引水管等，工藝流程見圖3。

主要的處理單元包括：

1)?配水單元。將上游來水通過涵管分流導(dǎo)入濕地配水區(qū)，通過布水堰均勻配水至濕地初沉凈化區(qū)。

2）初沉凈化單元。初沉凈化區(qū)主要起到預(yù)處理塘的作用，進(jìn)一步沉淀來水中所含大顆粒污染物，而后通過淺水、深水地形改造、浮葉沉水植物種植，營造好氧、厭氧條件對來水進(jìn)行初步凈化。

3）多級潛流濕地凈化單元。底部采用天然鈉基膨潤土毯防滲，避免污水入滲，向上分別分層鋪設(shè)300?mm卵石集水/布水層，100?mm礫石過渡層，800?mm碎石/陶粒層，100?mm礫石過渡層，300?mm卵石布水/集水層。分別在布水層與集水層中布設(shè)Φ110UPVC開孔管，用于布水與集水，提高布水、集水均勻性，并在下層管中設(shè)置排氣管。一級潛流濕地出水通過連接井進(jìn)入二級潛流濕地，兩級濕地水面高程差為0.5?m，并可通過連接井出水管出口高程進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時利用凈化出水配合整體的風(fēng)格與要求，營造不同形式與風(fēng)格的階梯跌水效果，并創(chuàng)造跌水復(fù)氧條件(圖?4)。

4）階梯多級表面流濕地單元。對潛流濕地出水的進(jìn)一步凈化，主要通過植物措施降低氮磷，其結(jié)構(gòu)采用復(fù)式斷面，深水區(qū)水深1.2?m，淺水區(qū)水深0.5?m，滿足表流濕地停留時間達(dá)到4～8?d?的要求。進(jìn)入該區(qū)后，通過水面擴散以及植物分泌進(jìn)行氧補給，水體中的溶解性和顆粒性污染物與植物根系發(fā)生接觸，通過根系微生物、植物和濕地土壤的協(xié)同作用去除。挺水植物通過其根系及底泥中兼氧微生物的代謝作用，對污染物進(jìn)行再次的沉淀與截留，同時還能夠通過硝化和反硝化作用去除水中的氨氮污染物。

表1 研究區(qū)濕地凈化單元設(shè)計參數(shù)表

3 人工濕地建設(shè)與管理要點

3.1 植物選擇與維護(hù)管理

植物選擇遵循以下幾個原則：采用本土物種，杜絕外來物種；兼顧整體效果和濕地凈化效益，可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價值（李潔等，2013）。本研究區(qū)挺水植物采用蘆葦、荷花、千屈菜、水蔥、香蒲、菖蒲等；浮葉植物主要考慮睡蓮、荇菜、莼菜、芡實等；此外，水深區(qū)域則考慮大范圍的種植沉水植物，如金魚藻、狐尾藻、黑草、菹草等。濕地植物種植設(shè)計應(yīng)合理布局和分布，建議采用片狀混種的模式進(jìn)行種植。

圖3 工藝流程圖

濕地植物的維護(hù)管理以不降低濕地處理能力為原則。濕地植物通常在雨季時期生長迅速，大量吸收污水中攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)，在冬季來臨之前必須進(jìn)行收割，將濕地中部分氮磷通過植物的收獲去除。此外，秋冬季是植物地下根莖和根芽的重要生長期，植物收割能夠給第2年植物的生長創(chuàng)造良好的環(huán)境。蓮藕、芡實、金魚藻等浮葉植物和沉水植物，可以定期收割作為飼料或漚制綠肥。對于人工濕地水質(zhì)凈化工程中種植的蘆葦?shù)韧λ参?，宜每年在秋季收割一次?/p>

3.2 水系布局與地形改造

適當(dāng)增加區(qū)塊的水面率，使可通過的水量有一定的提升，進(jìn)而增加內(nèi)部可處理的水量，為水質(zhì)凈化提供更多保障。水系布局還應(yīng)盡量考慮水體連通性，盡量避免出現(xiàn)水體循環(huán)的死角。水系流向應(yīng)結(jié)合研究區(qū)內(nèi)外水體流動方向與整體流向保持一致。水體深度要結(jié)合植物設(shè)計進(jìn)行整體考慮，以便提供植物正常繁育所需的水深。為避免工程量過大，微地形改造水深不宜過大，保留挺水植物可生長的深度即可，設(shè)計平均水深0.8?m，最大水深1.5?m。

圖4 潛流人工濕地斷面示意圖

3.3 濕地維護(hù)

3.3.1 基礎(chǔ)設(shè)施日常維護(hù)?人工濕地基礎(chǔ)設(shè)施日常維護(hù)主要指濕地圍堰、導(dǎo)流堰的日常維護(hù)與管理；配水區(qū)閘門、濕地水位調(diào)節(jié)閘門的定期檢修，濕地布水堰、出水溢流堰的定期檢查；棧道、觀測臺木板、木梁、欄桿及麻繩等的定期檢查，確保其牢固、安全，若出現(xiàn)損壞或松動，應(yīng)及時修補、加固。

3.3.2 濕地水位調(diào)節(jié)?在濕地運行初期，為促進(jìn)人工濕地水生植物生長與保證系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，需要對整個濕地系統(tǒng)的水位進(jìn)行調(diào)節(jié)。人工濕地運行初期，每年3—6月設(shè)計為濕地水位調(diào)節(jié)期，3月上旬將水位調(diào)節(jié)閘開啟，人工濕地由正常的運行水位逐漸下降，逐步達(dá)到最低控制水位，此時人工濕地挺水植物在較低的水位開始萌發(fā)、生長，同時由于濕地系統(tǒng)水深較淺，也便于維護(hù)人員進(jìn)行大范圍的檢查、維護(hù)以及檢修，待植物生長成熟、系統(tǒng)逐步穩(wěn)定后，于6月下旬閉閘，濕地系統(tǒng)開始蓄水，直至再次達(dá)到正常運行水位。

4 預(yù)期效果估算

采用Reed?模型，對人工濕地水體污染物去除率進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測方法如下：

其中：Ce=出口處排水的污染物質(zhì)量濃度（mg/l）；Ci=進(jìn)口處排水的污染物質(zhì)量濃度（mg/ l）；As=人工濕地各凈化區(qū)域面積（m2）；y=濕地深度（m）；n=孔隙度（百分比）；Q=通過濕地的平均流速（m3/d?ay）；KT=溫度T時的速度常數(shù)（d?ay-1）

采用上式計算本研究人工濕地處理效果見表2。

5 結(jié)語

本文研究對象為貴州省六盤水市盤縣西鋪河，濕地處理對象為受河流上游村莊、農(nóng)田污染的水體，污染程度較為嚴(yán)重。合理利用自然地形，采用多級潛流人工濕地與階梯多級表面流濕地復(fù)合的濕地水凈化系統(tǒng)，并選取合適的濕地植物，保障人工濕地的正常代謝。設(shè)計處理能力為3.5萬m3/d?，設(shè)計人工濕地45?hm2，水力停留時間為4?d?以上。經(jīng)過人工濕地后可基本實現(xiàn)水質(zhì)凈化目標(biāo)，使西鋪河水質(zhì)提升達(dá)到景觀水體要求。

表2 預(yù)計濕地處理效果表

利用人工濕地凈化城市景觀水體，不僅有效保障污水處理水質(zhì),還可營造城市水景，而且通過充分發(fā)揮濕地生態(tài)服務(wù)功能，必將推動研究區(qū)所在地生態(tài)環(huán)境的改善，樹立沿岸良好的城市形象，對促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，具有廣泛的社會效益。

彼得·布林，蓋里·沃爾，鄒珊．2014．生態(tài)型景觀—人工濕地在水敏型城市中的應(yīng)用：墨爾本皇家公園人工濕地與雨水收集回用系統(tǒng)[J]．中國園林(4)：34-38

賈世杰．2014．人工濕地及其影響因素簡述[J]．資源節(jié)約與環(huán)保(11)：144-145

李潔，崔麗娟，李偉，等．2 0 1 3．兼顧景觀功能的人工濕地植物配置模式探討[J]．濕地科學(xué)與管理，9(1)：10-14

聶志丹，年躍剛，金相燦，等．2 0 0 7．三種類型人工濕地處理富營養(yǎng)化水體中試比較研究[J]．環(huán)境科學(xué)，28(8)：1675-1680

申歡，胡洪營，潘永寶，等．2007．用于凈化景觀水體水質(zhì)的人工濕地設(shè)計[J]．中國給水排水(2)：39-42

湯顯強、黃歲樑．2007．人工濕地去污機理及國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀[J]．水處理技術(shù)，33(2)：9-13

楊敦，周琪．2003．人工濕地脫氮技術(shù)的機理及應(yīng)用[J]．中國給水排水，19(1)：23-24

張海，張旭，鐘毅，等．2 0 0 7．潛流人工濕地去除大慶地區(qū)湖泊水體中石油類化合物的研究[J]．環(huán)境科學(xué)，28(7)：1449-1454

中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部．2011．人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范HJ2005-2010[S]．中國環(huán)境科學(xué)出版社

Coveney M F,Stites D L,Lowe E F,et al.2002. Nutrientremoval from eutrophic lake water by wetland filtration[J].Ecological Engineering,19(2):141-159

The Application of Constructed Wetland in Purification of Urban Water System: A Case Study of Xipu River, Liupanshui, Guizhou Province

YANG Yong-Sen (Beijing Orient Landscape and Ecology Co. Ltd., Beijing, 100000)

針對農(nóng)村生活源與農(nóng)業(yè)面源污染的水體，合理利用自然地形，采用多級潛流人工濕地與階梯多級表面流濕地復(fù)合的濕地水凈化系統(tǒng)，并選取合適的濕地植物，保障人工濕地的正常代謝。設(shè)計人工濕地處理能力為3.5萬m3/ d ，人工濕地面積45 hm2。經(jīng)過人工濕地處理后可基本實現(xiàn)水質(zhì)凈化目標(biāo)，使其達(dá)到景觀水體標(biāo)準(zhǔn)，不僅有效保障處理水質(zhì)，可營造城市水景，通過充分發(fā)揮濕地生態(tài)服務(wù)功能，改善研究區(qū)所在地生態(tài)環(huán)境。

人工濕地；景觀水體；水質(zhì)；凈化

With rational use of natural landform, a constructed wetland with cascade subsurface flow was used in combination with multi-step surface flow for purification of the water system polluted by rural household disposals and agricultural discharges, and with use of proper wetland plants to ensure normal function and metabolization of the wetland. The designed capacity of water treatment and the surface area were respectively 3.5 x 104 m3/day and 45 ha for the constructed wetland. With treatment of the constructed wetland, the objective of purification of water quality was basically achieved, reaching the quality standards for the waterscape. The approach not only guarantees the water quality but also creates urban waterscape. By elaborating the ecological services of the wetland, the ecological conditions of the area would be improved.

Constructed wetland; Waterscape; Water quality; Purification

10.3969/j.issn.1673-3290.2015.01.03

2015-01-15

楊永森(1980-),男,碩士，工程師，主要從事生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計工作。E-mail：yangyongsen@orient scape.com