濕地技術(shù)在徑流雨水調(diào)控中的應(yīng)用

摘要：對雨水濕地的構(gòu)造組成、設(shè)計原則及標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了綜述，分析了常規(guī)雨水濕地在徑流雨水調(diào)控中發(fā)揮的主要作用以及存在的問題，并提出基于徑流雨水不同控制目標(biāo)的濕地技術(shù)選用模式，可為濕地技術(shù)在徑流雨水調(diào)控中的工程應(yīng)用提供借鑒與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：雨水濕地；結(jié)構(gòu)組成；徑流雨水；選用模式

中圖分類號：TU991 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4359-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.002

Abstract： The structural composition，design principles and standards of stormwater wetlands were summarized，and the main effects and problems of conventional stormwater wetlands in the stormwater runoff regulation were analyzed. Based on different control objectives of the stromwater runoff，several wetland technology selection models were presented， which can provide references and guidance for the engineering application of wetland technology for the stormwater runoff control.

Key words： stormwater wetland； structural composition； stormwater runoff； selection model

近年來，在分散式、生態(tài)化水質(zhì)工程理念引導(dǎo)下，濕地已成為徑流雨水治理的主流生態(tài)處理技術(shù)。作為雨水綜合利用綠色基礎(chǔ)設(shè)施的一種，雨水濕地通過對地表徑流雨水進(jìn)行調(diào)蓄削減徑流總量及峰值流量、延遲徑流峰值時間，以達(dá)到水量調(diào)控的目的。但目前國內(nèi)缺乏雨水濕地相關(guān)設(shè)計規(guī)范、參考圖集等，致使雨水濕地在實(shí)際應(yīng)用中存在盲目性和局限性，難以為其推廣應(yīng)用提供借鑒。此外，常規(guī)雨水濕地是一種以水量控制為主的雨水處理設(shè)施，對徑流水質(zhì)的控制僅是水量控制后的附加作用[1]，因此對徑流雨水中污染物的去除效果不佳。據(jù)報道，雨水濕地對徑流雨水中總氮、總磷的去除率僅為30%和40%?？梢?，僅僅依靠雨水濕地難以實(shí)現(xiàn)徑流污染的有效控制，有必要建立實(shí)現(xiàn)徑流雨水污染物控制的濕地技術(shù)選用模式。本文從雨水濕地結(jié)構(gòu)組成、植物選擇、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行歸納總結(jié)，并構(gòu)建基于徑流雨水不同控制目標(biāo)的濕地系統(tǒng)選用模式，以期為雨水濕地的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 雨水濕地結(jié)構(gòu)組成

1.1 雨水濕地構(gòu)造

雨水濕地是一種人工淺沼澤系統(tǒng)，常用于控制雨水徑流體積、削減徑流峰值及凈化徑流水質(zhì)等。其類型包括：淺型濕地（Shallow marsh system）、延時調(diào)蓄濕地（Extended detention wetland）、濕地/塘組合系統(tǒng)（Basin/Wetland system）和微型濕地（Pocket wetland）等。根據(jù)不同的功能和要求，雨水濕地的構(gòu)造包括進(jìn)水渠、前置塘、深水區(qū)、沼澤區(qū)（低沼澤區(qū)、高沼澤區(qū)）、半濕區(qū)、濕地緩沖區(qū)、出水口、緊急泄洪道和檢修通道等。以淺型濕地為例，其構(gòu)造組成詳見圖1和圖2。

1.1.1 前置塘 前置塘是徑流雨水進(jìn)入雨水濕地的預(yù)處理設(shè)施，主要用來去除徑流雨水中比重較大的沉積物、垃圾和雜物等。前置塘最大設(shè)計面積可占整個濕地總面積的10%，塘底設(shè)計高程應(yīng)高于深水區(qū)底部高程。

1.1.2 深水區(qū) 深水區(qū)是雨水濕地最深的區(qū)域，即使在干旱季節(jié)也維持一定水深；深水區(qū)面積應(yīng)占濕地總面積的10%～20%。

1.1.3 沼澤區(qū) 沼澤區(qū)是雨水濕地的重要組成部分，面積約占雨水濕地總面積的40%，水位設(shè)計高程低于前置塘水位設(shè)計高程，前置塘水滿后可溢流至沼澤區(qū)。一般沼澤區(qū)包括低沼澤區(qū)域與高沼澤區(qū)域，低沼澤區(qū)底部設(shè)計高程低于高沼澤區(qū)，設(shè)計水深大于高沼澤區(qū)。

1.1.4 半濕區(qū) 半濕區(qū)平時處于干涸狀態(tài)，只有暴雨時才被淹沒。半濕區(qū)的面積占雨水濕地總面積的30%～40%，設(shè)計高程位于濕地常水位之上。

1.1.5 濕地緩沖區(qū) 濕地緩沖區(qū)也稱非淹沒區(qū)，是指永久不會被淹沒的區(qū)域，可提供休息娛樂的場地；緩沖區(qū)設(shè)計高程高于半濕區(qū)。

1.1.6 出水口 雨水濕地出水口常采用多級出口形式以保證不同的徑流雨水體積控制標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)雨水的多目標(biāo)控制。水質(zhì)控制容積、河道保護(hù)容積和漫灘洪水保護(hù)容積可通過雨水濕地的多級出口控制，超過極端暴雨控制容積的出水則由多級出口和泄洪道共同控制。多級出水口常采用混凝土或者金屬螺紋管建造，一般由底部放空管、孔口、堰口、立管、反坡出水管、外排管等組成，如圖3所示。雨水濕地出水常采用重力排水，立管上各級圓形孔或方形孔負(fù)責(zé)收水，其高程設(shè)置與相應(yīng)的徑流雨水體積控制目標(biāo)一致或相近。外排管排水口處應(yīng)設(shè)置毛石、襯墊、跌水潭等防止沖刷和腐蝕。多級出口不僅可控制雨水濕地的水位，同時還具有延長濕地內(nèi)水力停留時間，控制外排流量的作用[2，3]。

1.2 雨水濕地的植物選擇與種植設(shè)計

根據(jù)濕地自身屬性及當(dāng)?shù)厮|(zhì)與土壤特性，濕地種植植物應(yīng)具有耐淹、耐旱、耐鹽堿及凈化等功能，優(yōu)先選取根系較發(fā)達(dá)的植物[4]，同時兼顧一定觀賞性。北方地區(qū)還需考慮低溫氣候條件下植物的生存。

按照濕地不同功能區(qū)要求，應(yīng)選取合適物種，合理搭配植物群落結(jié)構(gòu)。如深水區(qū)可選取部分耐淹的喬木、挺水植物、浮游類植物或沉水植物，不宜選取耐旱物種；沼澤區(qū)域可種植大量濕地植被，可選取喬木、灌木/矮樹叢、草本及挺水類植物；半濕區(qū)處于干旱與淹沒交替區(qū)域，適合種植耐淹植物；緩沖區(qū)域不易被水淹沒，不適合選取沉水/浮游類耐淹植物物種，可種植喬木或者矮樹叢。具體選取可參照表1、表2。

2 雨水濕地對徑流雨水體積的控制標(biāo)準(zhǔn)

隨著雨水管理理念由徑流峰值控制向低影響開發(fā)源頭控制的轉(zhuǎn)變，雨水濕地的設(shè)計方法和標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)歷了由峰值流量控制向徑流體積控制的發(fā)展。最初美國、加拿大、歐洲等國家認(rèn)為濕地最佳控制容積應(yīng)以不透水地面13 mm的徑流量設(shè)計；而另外一些學(xué)者則認(rèn)為雨水濕地的容積計算需通過雨量法（與重現(xiàn)期、降雨分布等因素相關(guān)）進(jìn)行設(shè)計。Kadlec等[5]認(rèn)為濕地面積與匯水面積比值可取1%～5%。近代基于徑流體積水文方法的快速發(fā)展，人們對雨水濕地的設(shè)計有了新的認(rèn)識，現(xiàn)行雨水濕地的設(shè)計方法及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要以實(shí)現(xiàn)不同的徑流體積控制而制定，通過多級出口實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，包括永久池容積（Vpp）、水質(zhì)控制容積（Vwq）、河道保護(hù)容積（Vcp）、漫灘洪水保護(hù)容積（Vp10）和極端暴雨保護(hù)容積（Vp100）[6]，詳見圖3。

永久池容積和水質(zhì)保護(hù)容積屬于源頭減排體積控制標(biāo)準(zhǔn)，通過有效控制中小降雨事件維持場地開發(fā)前自然水文循環(huán)，緩解城市開發(fā)后造成的生態(tài)破壞。永久池容積（Vpp）是指在旱季也應(yīng)維持的水體容積，維持場地開發(fā)前后雨水年均下滲量不變的降雨量，該池可有少量的濕地植被、沉水或浮水植物及魚類。水質(zhì)控制容積（Vwq）是指通過控制當(dāng)?shù)?0%至95%的降雨場次所產(chǎn)生的徑流體積，以有效控制徑流污染。

河道保護(hù)容積、漫灘洪水保護(hù)容積和極端暴雨保護(hù)容積均屬于雨水濕地的水量控制目標(biāo)。河道保護(hù)容積（Vcp）主要是為了保護(hù)自然河道、濕地等免受徑流引起侵蝕及生物棲息地破壞而制定的，不同的地域可選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)。一般以維持開發(fā)前后2年一遇24 h降雨事件的峰值流量不變，控制開發(fā)后2年一遇24 h降雨事件峰值流量為開發(fā)前的50%或與開發(fā)前1年一遇24 h降雨事件的峰值流量相同的降雨量進(jìn)行設(shè)計。漫灘洪水保護(hù)容積（Vp10）是指雨水溢出河道所需控制的容積，防止超過河道排水能力的洪水對位于泛洪區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施和財產(chǎn)造成損失，可按照當(dāng)?shù)?0～25年一遇24 h降雨事件的外排峰值流量不變的降雨量設(shè)計。極端暴雨保護(hù)容積（Vp100）是為減少極端暴雨事件造成生命財產(chǎn)損失而設(shè)置的，防止開發(fā)前100年一遇泛洪區(qū)范圍擴(kuò)大，通常按照當(dāng)?shù)?00年一遇24 h降雨事件的外排峰值流量不變的降雨量設(shè)計。

3 濕地技術(shù)對徑流雨水的控制

3.1 人工濕地技術(shù)處理徑流雨水

有別于典型的雨水濕地，人工濕地是由人工建造及控制運(yùn)行的生態(tài)系統(tǒng)，依靠物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化[7]，常用于污水處理。據(jù)美國環(huán)保機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計資料顯示，典型人工濕地對污水處理具有較好的凈化效果，對TSS、BOD5、總氮、總磷的去除率分別可達(dá)88%、95%、67%與76%[8]。隨著徑流污染對水體造成的影響越來越嚴(yán)重，采用人工濕地技術(shù)對徑流污染控制的應(yīng)用也越來越多。但是，由于降雨的隨機(jī)性、雨水的污染特性等多重因素影響，簡單的套用污水處理人工濕地設(shè)計方法并不可行。

國內(nèi)外對采用人工濕地技術(shù)處理徑流時的設(shè)計方法一直在探索中。在國外徑流雨水處理人工濕地設(shè)計主要依靠經(jīng)驗(yàn)計算法，常采用匯水區(qū)面積百分比法、滯留雨量法以及基于年均污染物去除效果的年均水力負(fù)荷回歸法等進(jìn)行設(shè)計[5]。國內(nèi)采用人工濕地處理徑流雨水時，也常借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)算法。肖海文等[9]采用表面流與水平潛流相結(jié)合的復(fù)合式人工濕地處理系統(tǒng)對重慶市棕櫚泉徑流雨水進(jìn)行處理時，通過匯水區(qū)面積百分比法與年均水力負(fù)荷法進(jìn)行人工濕地面積估算，通過滯留雨量法進(jìn)行人工濕地容積計算；吳文伶等[10]通過匯水面積百分比和收集匯水區(qū)6 mm雨量的方法確定濕地儲存容積、根據(jù)達(dá)西定律確定濕地表面積設(shè)計人工濕地，對北京市順義區(qū)李遂鎮(zhèn)地區(qū)雨水進(jìn)行收集處理。由于各地降雨特征差異以及控制目標(biāo)的不同，采用人工濕地對徑流污染進(jìn)行控制時，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤晏卣?、污染物控制條件等綜合考慮，合理選用設(shè)計方法。

3.2 基于徑流雨水不同控制目標(biāo)的濕地系統(tǒng)構(gòu)建

常規(guī)雨水濕地的設(shè)計主要以實(shí)現(xiàn)徑流雨水水量調(diào)控為主，對徑流水質(zhì)的控制常作為附加值存在。因此在實(shí)際工程當(dāng)中，當(dāng)需要以水質(zhì)控制為主要目標(biāo)時，僅依靠雨水濕地難以實(shí)現(xiàn)，需在處理工藝流程中添加截污效果明顯的水處理設(shè)施。而人工濕地作為水處理工藝中常用技術(shù)，可通過植物、基質(zhì)填料、微生物等實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的有效凈化。鑒于其在徑流雨水處理中良好的除污性能及生態(tài)環(huán)境友好性，合理設(shè)計常規(guī)雨水濕地與人工濕地聯(lián)合使用的模式，可有效控制徑流雨水污染問題。因此，需基于徑流雨水不同控制目標(biāo)構(gòu)建濕地系統(tǒng)優(yōu)選模式。例如，當(dāng)削減徑流峰值、徑流體積作為主要控制參數(shù)時，可選取雨水濕地/塘作為處理設(shè)施，工藝流程如圖4a所示；當(dāng)改善水質(zhì)作為主要控制參數(shù)時，在水量調(diào)控的基礎(chǔ)上需同時考慮水質(zhì)凈化效果，可采用雨水濕地/塘與人工濕地串聯(lián)的方式，工藝流程如圖4b所示；當(dāng)處理徑流雨水以水質(zhì)回用為主要目的時，水質(zhì)凈化將作為主要控制參數(shù)且應(yīng)達(dá)水質(zhì)回用標(biāo)準(zhǔn)，可在雨水濕地/塘與人工濕地串聯(lián)后，對徑流雨水進(jìn)行深度處理，具體工藝流程如圖4c所示。

4 小結(jié)

濕地是一種主流的雨水生態(tài)系統(tǒng)，在徑流雨水調(diào)控中發(fā)揮重要作用。典型雨水濕地是一種以控制徑流水量為主的雨水基礎(chǔ)設(shè)施，通常由進(jìn)水渠、前置塘、深水區(qū)、沼澤區(qū)（低沼澤區(qū)、高沼澤區(qū)）、半濕區(qū)、濕地緩沖區(qū)、出水口、緊急泄洪道和檢修通道等組成，可通過多級出口實(shí)現(xiàn)不同的徑流雨水體積控制標(biāo)準(zhǔn)。按照濕地不同功能區(qū)要求，選取合適的物種，可優(yōu)化濕地植物群落。

在實(shí)際應(yīng)用中，雨水濕地主要針對雨水徑流體積、徑流峰值進(jìn)行調(diào)控，對水質(zhì)控制僅為水量控制后的附加作用。因此，需基于徑流雨水不同控制目標(biāo)建立濕地系統(tǒng)優(yōu)選模式。如針對徑流雨水水質(zhì)控制目標(biāo)，可構(gòu)建雨水濕地—人工濕地聯(lián)合運(yùn)行的濕地系統(tǒng)。

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