管網(wǎng)雨水補給河道用水的人工濕地水質(zhì)凈化流程研究

吳丹子 李鑫 張文杰 鄭文剛

隨著人口飛速增長，中國為滿足日益增長的用水需求而超量開采地下蓄水層，導(dǎo)致地下水位下降，出現(xiàn)湖泊消失、水井干涸、江河斷流等一系列問題，眾多地區(qū)正在逐步喪失最后的、唯一能起安全緩沖墊作用的水儲備[1]。一些北方城市，旱季城市河道干涸、景觀枯竭，需要定期人工補給水源以保持良好的景觀效果，此舉消耗大量的生活用水，同時要應(yīng)對夏季瞬時暴雨帶來的雨水管網(wǎng)以及河道泄洪壓力。部分研究者將目光轉(zhuǎn)向雨水的收集、凈化和二次利用，雨水相對于生活污水和工業(yè)廢水，水質(zhì)受污染程度更低，成分更簡單。人工濕地水質(zhì)凈化系統(tǒng)針對城市雨水管網(wǎng)的收集、凈化和利用，是一種疏解雨水管網(wǎng)壓力、低造價凈化水質(zhì)、補充城市河道水源、改善城鎮(zhèn)水生態(tài)、恢復(fù)城市生物多樣性[2]的多目標解決途徑。

表1 中國北方主要城市降雨相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.1 Rainfall data of major cities in northern China

1 城市雨水潛力分析

1.1 中國北方城市雨水潛力

中國北方大部分城市位于干旱半干旱區(qū)，雨季集中在5—9月，降雨多伴隨強對流天氣，瞬時雨量較大，該季節(jié)蘊含豐富的可利用雨水資源。非雨季降雨量少，收集利用難度較大，通常不計入城市可利用雨水資源量。

為合理計算雨水資源量，采用中國氣象局氣象服務(wù)信息中心1971—2000年所選北方城市的年均降雨量，同時引入車伍等計算出的季節(jié)折減系數(shù)①對所選城市的可利用雨水資源量進行定量分析，利用公式（1）對年均可利用雨水資源量進行估算[3]，并得到表1中列舉和計算的北方主要城市降雨相關(guān)數(shù)據(jù)。

式中：W為年均可利用雨水資源量（m），H為年均降雨量（mm），A為匯水面積（m2），α為季節(jié)折減系數(shù)，φ為綜合徑流系數(shù)。

由表中數(shù)據(jù)可知，中國北方城市雨季降水量可以達到全年的60%～90%，估算出的年均可利用雨水資源量巨大，對于缺水的北方城鎮(zhèn)來說，對城市雨水資源進行開發(fā)利用可以在很大程度上緩解當(dāng)前水資源緊缺的形勢。

1.2 中國北方城市雨水水質(zhì)分析

目前，中國正經(jīng)歷工業(yè)化和城市化推進的高峰時期，隨之帶來環(huán)境質(zhì)量惡化和環(huán)境污染等問題。天然雨水中污染物主要成分包括化學(xué)需氧量（COD）、總可溶性固形物（TSS）、金屬鉛（Pb）、金屬鋅（Zn）等，而總氮（TP）、總磷（TN）污染物濃度較低。以發(fā)達國家法國街道雨水徑流主要污染物濃度中值和美國城市徑流主要污染物加權(quán)平均濃度中值數(shù)據(jù)為例，同中國北京相比[4-6]，中國城市徑流污染程度更高，水質(zhì)面源污染較為嚴重（表2）。

城市雨水主要流入道路、屋頂和綠地3種匯流面。路面徑流污染主要由大氣污染和城市路面固體雜物污染引起，包括金屬離子、有機物、無機物和固態(tài)顆粒物等。降雨初期路面徑流水質(zhì)濁度較大，固態(tài)顆粒物和COD含量較高；降雨后期各類污染物濃度逐漸降低，水質(zhì)提升，可以集中凈化利用[7]。屋頂雨水污染物主要來自大氣和屋頂，雨水將固體顆粒物、可溶性氣體帶入，降落到屋頂后，又溶入屋頂鋪砌材料中的金屬離子和屋頂表面殘存的鳥類糞便等微生物，隨降雨歷時的延長，污染物逐漸降低，水質(zhì)趨于穩(wěn)定。綠地相對于其他下墊面污染物較少，可直接吸收下滲。因此可利用的城市雨水來自管網(wǎng)，管網(wǎng)雨水主要來自路面徑流和屋頂雨水。

2 人工濕地處理城鎮(zhèn)雨水的適用條件

一些發(fā)達國家早已建立完善的城市雨水收集利用理論與系統(tǒng)，如低影響開發(fā)理論（LID）[8]、可持續(xù)排水系統(tǒng)（SUDS）[9]、水敏感性城市設(shè)計（WSUD）[10]等，雨水資源利用已發(fā)展到較高水平。中國根據(jù)自身情況提出建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，力求降低城市化進程對水環(huán)境的不利影響。當(dāng)前，國內(nèi)外雨水收集利用技術(shù)主要包括透水鋪裝、雨水花園、綠色屋頂、下凹式綠地四大類型， 但以上技術(shù)受地形等限制條件較多，建設(shè)維護成本高，雨水調(diào)蓄容量較小，不適用于老舊住宅區(qū)或大范圍區(qū)域內(nèi)水資源收集利用。目前，大部分雨水徑流還是由傳統(tǒng)單一工程化的雨水滲管或滲渠引入附近河道，且來源多樣的雨水均存在不同程度的污染。

自2014年《城鎮(zhèn)排水與污水處理條例》施行后，全國各地都在大力推進建設(shè)雨污分流系統(tǒng)以加強對初期雨水的排放調(diào)控和污染防治。雨污分流制度是一個城市管網(wǎng)設(shè)施是否完善的標準,也是城市污水處理和二次利用的重要保障。在雨污分流系統(tǒng)中，排水系統(tǒng)中的雨水量大、污染低、易收集，同時，采取了雨污分流的城市管網(wǎng)便于結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦?，將市政雨水管網(wǎng)與當(dāng)?shù)匦钏畼?gòu)筑物或濕地等進行連接，便于雨水資源調(diào)蓄。因此，筆者設(shè)計將雨污分流后的管網(wǎng)雨水經(jīng)過簡單預(yù)處理排入人工濕地凈化，達標后補給河道用水。

表2 發(fā)達國家與中國城市徑流主要污染物濃度對比Tab.2 Comparison of concentration of major pollutants in urban runoff between developed countries and China

表3 主要類型人工濕地相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient of main types of constructed wetlands

人工濕地凈化系統(tǒng)利用植物、微生物和基質(zhì)間的理化效應(yīng)和生物學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)對污水的凈化處理[11]，其基建和運行成本低，出水水質(zhì)穩(wěn)定，環(huán)境影響小，同時可以進行開放空間建設(shè)，是雨水處理系統(tǒng)中最佳的選擇[12]。人工濕地凈化系統(tǒng)由預(yù)處理單元和人工濕地單元組成，配合沉淀池、氧化塘和消毒池等設(shè)施，根據(jù)需求在各單元連接處設(shè)置水質(zhì)傳感器，還可實現(xiàn)凈化全程監(jiān)控。研究表明，植物在人工濕地單元中起著至關(guān)重要的作用，不僅可以直接吸收污染物，還通過根系供氧為微生物生存提供條件，維持介質(zhì)水力傳輸能力。同時，所選植物的耐污與凈化能力、對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的適應(yīng)能力、根系的發(fā)達程度、觀賞性和經(jīng)濟價值均須考慮，才能保證人工濕地設(shè)計兼具功能性和景觀性[13]。

3 管網(wǎng)雨水進行人工水質(zhì)凈化流程

3.1 適用范圍

通過對已公開發(fā)表設(shè)計的人工濕地工程進行統(tǒng)計，分析中國人工濕地設(shè)計現(xiàn)狀，對多級循環(huán)監(jiān)測人工濕地設(shè)計具有借鑒意義，得出各種人工濕地類型相關(guān)系數(shù)（表3）[14]。

通過分析，本文設(shè)計適用于雨污分流系統(tǒng)中管網(wǎng)雨水的凈化處理，將城市雨水管網(wǎng)中的雨水進行就近消納，減輕城市雨水管網(wǎng)壓力，凈化水質(zhì)。根據(jù)美國環(huán)保部門的相關(guān)資料，可以利用表面負荷率（ammonium loading rate，簡稱ALR）來確定并校核人工濕地面積[15]：

式中：AS為濕地面積（m2），Q為平均流量（m3/d），C0為進水污染物濃度（g/m3），ALR為五日化學(xué)需氧量（Biochemical Oxygen Demand 5，簡稱BOD5）表面負荷率（g·m-2·d-1），其值一般為 8～12之間。

筆者采用單位流量的用地面積AS/Q 表征占地指標，確定人工濕地占地面積需要參考其結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)組成，分析中國已建成的部分工程實例的占地指標，得出濕地占地指標區(qū)間大多在2～30 m2/（m3·d），造成占地指標差異較大的主要原因是很多工程設(shè)置了污水預(yù)處理，使?jié)竦氐倪M水污染物濃度下降，降低了人工濕地占地指標。列舉部分人工濕地工程實例的占地指標為本文設(shè)計提供參考[16]（表4）。

3.2 全流程模式

人工凈水全流程技術(shù)是將城市管網(wǎng)中的雨水經(jīng)人工濕地的階梯式凈化后，將水質(zhì)污染量降低到景觀用水的允許范圍，進行河道景觀用水的補給。流程主要包括預(yù)處理單元、人工濕地單元和消毒存儲單元。監(jiān)測系統(tǒng)在各級分別進行水質(zhì)監(jiān)測，并設(shè)置不同的水質(zhì)標準。根據(jù)濕地凈化最大容量將雨水排入預(yù)處理單元，超出承載范圍的雨水將回排到雨水管網(wǎng)中。在預(yù)處理單元，雨水進入系統(tǒng)先利用格柵及沉淀池進行預(yù)處理，過濾掉樹葉、雜物、泥沙等大顆粒物，達到初級凈化的效果，經(jīng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測如水質(zhì)不達標，則進行回流二次處理，待水質(zhì)達標后可進入集水池，緩沖后進入人工濕地凈化環(huán)節(jié)。人工凈化濕地凈化效能：曝氧濕地＞潛流濕地＞自由表面流濕＞濕地塘，占地面積則反之。達到預(yù)處理出水標準但水質(zhì)較差的先進入潛流濕地，經(jīng)潛流濕地水質(zhì)監(jiān)測達標后進入表流濕地，表流濕地凈化達標的雨水可進入消毒單元，進行消毒，可用作灌溉、存儲與補給河道用水（圖1）。

在全流程過程中，不同階段執(zhí)行不同的處理功能。每個階段都根據(jù)工藝技術(shù)和工程計算其區(qū)域大小。使用多個人工濕地凈化組團，每個濕地組團通過計算確定其占地大小。各階段停留的時間和處理流程可以根據(jù)進水量和水質(zhì)做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，此過程可以依靠數(shù)字化的監(jiān)控設(shè)備來實現(xiàn)實時反應(yīng)。

3.3 運行方式

與小型的雨水花園與凈水濕地相比，筆者研究的人工凈水全流程技術(shù)將生態(tài)功能與游覽景觀功能相結(jié)合，可控制各級出水水質(zhì)，運營成本低、管理成本低、凈水量大，在運行過程中通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能管控系統(tǒng)進行水質(zhì)實時監(jiān)測，達到最佳的凈化效果。隨著降雨量的季節(jié)性變化，人工凈水濕地系統(tǒng)在雨季承擔(dān)著凈化水質(zhì)、存儲水體、補給河道用水的作用；在非降雨時，人工凈水濕地系統(tǒng)作用減弱，北方植物景觀效果較差，可將濕地中所種植物覆蓋于濕地之上，起保溫效果的同時，美化冬季濕地效果。

3.3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

9月5日，第十一屆中國農(nóng)藥高層論壇在河南新鄉(xiāng)召開。會議圍繞農(nóng)藥新政、綠色植保、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、鄉(xiāng)村振興等政策進行深入解讀和交流。大會通過探討農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)管理動態(tài)、綠色植保發(fā)展戰(zhàn)略，為農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量變革、綠色變革、動力變革提供根本路徑。本次會議由中國農(nóng)藥發(fā)展與應(yīng)用協(xié)會主辦。原農(nóng)業(yè)部副部長劉堅，中國農(nóng)藥發(fā)展與應(yīng)用協(xié)會會長劉永泉，河南省農(nóng)業(yè)廳黨組成員、副廳長鄒慶鵬出席了本次會議。

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由人工濕地不同位置的水質(zhì)傳感器、水質(zhì)監(jiān)測平臺服務(wù)器、水質(zhì)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、手機水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)APP和水質(zhì)監(jiān)測信息服務(wù)網(wǎng)站構(gòu)成[17]（圖2），利用物聯(lián)網(wǎng)將各階段的出水口處布置的水質(zhì)監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，通過水質(zhì)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)對其進行監(jiān)控和管理，當(dāng)雨水凈化后的水質(zhì)超過設(shè)定的標準后，水質(zhì)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的水質(zhì)預(yù)警服務(wù)功能將進行報警，并通過短信發(fā)送到水質(zhì)監(jiān)測手機上。工作人員接收監(jiān)測點水質(zhì)的結(jié)果，可阻止未達標的雨水排入下一階段。

1 全流程模式Full flow pattern

2 水質(zhì)監(jiān)測信息系統(tǒng)Water quality monitoring information system

表4 部分工程實例人工濕地占地指標情況Tab.4 Land occupation indicators of constructed wetland in some projects

水質(zhì)傳感器通過濕地中布置的太陽能電池供電，通過無線移動網(wǎng)絡(luò)（GPRS/3G/4G）將采集的水溫、pH值、溶解氧、氨氮、電導(dǎo)率、濁度傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器中的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中供水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)處理（圖3）。水質(zhì)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)提供對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行管理，通過統(tǒng)計分析和預(yù)警模型對數(shù)據(jù)進行分析處理，通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)對數(shù)據(jù)進行展示，通過數(shù)據(jù)共享服務(wù)接口為水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)站、手機水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)APP提供水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)[18]。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行存儲，數(shù)據(jù)庫主要由水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)允許范圍等關(guān)系組成。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對多項數(shù)值進行測量，與不同階段的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)允許范圍進行比較。不同濕地處理階段的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)允許范圍關(guān)系模式如下：

1）水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（城鎮(zhèn)編號，日期時間，被傳感器編號，水溫，pH值，溶解氧，氨氮，電導(dǎo)率，濁度）；

2）水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)允許范圍（城鎮(zhèn)編號，傳感器編號，水溫上限，水溫下限，pH值上限，pH值下限，溶解氧上限，溶解氧下限，氨氮上限，氨氮下限，電導(dǎo)率上限，電導(dǎo)率下限，濁度上限，濁度下限）。

3.3.2 多級監(jiān)測篩選

相比傳統(tǒng)濕地凈水環(huán)節(jié)，多級監(jiān)測篩選提高了水質(zhì)的凈化速率與凈化質(zhì)量，將符合標準的雨水分等級排放。平日，雨水管網(wǎng)的雨水直接進入雨水預(yù)處理單元；雨量過大時，通過溢流系統(tǒng)將超出承載容量的雨水排入雨水管道中。雨水預(yù)處理單元末端設(shè)有水質(zhì)傳感器，當(dāng)水質(zhì)不達標時，雨水重返預(yù)處理單元源頭，進行二次凈化；當(dāng)達到標準時，依水質(zhì)狀況選擇進入濕地環(huán)節(jié)。其中水質(zhì)較優(yōu)的可直接進入表流濕地；水質(zhì)較差的進入潛流濕地，經(jīng)凈化后須達到V類水質(zhì)再流向表流濕地。表流濕地的水經(jīng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)達到Ⅳ類后，進入地下存儲區(qū)、用于灌溉或直接排到河道中。這種多級監(jiān)測篩選程序保證了雨水水質(zhì)的凈化效果與凈化效率，使雨水在達到標準時，能夠快速進入下一階段的凈化，縮短凈化周期。

國外現(xiàn)有建成濕地中多采取多級監(jiān)測凈化的方法。建于美國佛羅里達州的瓦科達哈奇濕地（Wakodahatchee Wetlands）在1999年已嘗試使用多級篩選，濕地凈化系統(tǒng)中的8個單元經(jīng)分流裝置分配水量，每個池塘中的水位可以單獨控制，水從區(qū)域水凈化裝置流出后通過分流裝置進入6個水處理單元，凈化過后的水部分排入運河中進行河流補給，部分排灌到深水井中補充地下水（圖4）。泰國皮皮島人工凈化濕地將污水處理站排放的水按順序進入人工濕地分垂直潛流濕地、水平潛流濕地、表流濕地、曝氧塘進行二次凈化，每級設(shè)有多個凈水池塘，并設(shè)有大面積的雨水存儲塘，保證凈化的水體能夠有足夠的空間進行存儲（圖5）。墨爾本皇家公園人工濕地與雨水收集回用系統(tǒng)中，根據(jù)水量多少，采取選擇性凈水路線，在承載能力范圍內(nèi)的公園廢水經(jīng)分流池后進入處理濕地，經(jīng)處理后，水排入儲水區(qū)，凈化過后的水部分用于園內(nèi)的植物灌溉；部分用于地下儲水；部分補給城市景觀用水，排入穆尼湖灣中。在污水量過大時，多出部分從分流池進入大量繞流路徑中，最終排入穆尼湖灣[19]34-36（圖6）。

表5 人工濕地案例凈化水質(zhì)Tab.5 Constructed wetland purification of water quality

3 水質(zhì)傳感器Water quality sensors

4 瓦科達哈奇濕地運轉(zhuǎn)模型Wakodahatchee Wetlands operation model

5 皮皮島的人工凈化濕地流程Pico Island’s artificial purification wetland process

人工凈水濕地系統(tǒng)在滿足凈水需求的同時，可兼具景觀、科普與公眾參與的作用。人工凈水全流程中，可在人工濕地單元與存儲單元進行景觀化設(shè)計，潛流濕地中架設(shè)游覽步道，進行科普教育與濕地植物的觀賞；表流濕地與自然濕地最為接近，景觀美化作用更直接，不僅可設(shè)計景觀步道與休憩場地，還可設(shè)計觀鳥設(shè)施與場地，提供野生動物棲息空間，進行科普教育。地上的雨水存儲單元可進行水上活動的布設(shè)，人們可在凈化后的雨水存儲單元中進行戲水活動，增強參與性。濕地中設(shè)計游覽步道貫穿全流程始終，可更加生動形象地了解到濕地凈水的全流程，進行植物認知和親水活動。瓦科達哈奇濕地的深水區(qū)除具有水質(zhì)凈化的作用，還在其中建有棲息島，為魚類與鳥類提供棲息地，并建有環(huán)路貫穿各區(qū)域，沿途有標志牌介紹植被和野生動物， 進行科普教育宣傳，濕地在承載水質(zhì)凈化的同時還為100多種鳥類，為哺乳、爬行和兩棲類動物創(chuàng)造了棲息地，豐富了物種的多樣性（圖7）。墨爾本皇家公園中布置游步道與科普標識系統(tǒng)，寓教于樂，人們在濕地中游覽觀賞的同時也可了解生態(tài)知識。

3.4 凈化效果

在傳統(tǒng)人工凈水濕地的基礎(chǔ)上進行實現(xiàn)凈水流程多級監(jiān)測，可以保證污染水體的達標存儲或排放。為了對本研究的凈水濕地效能進行預(yù)測，選擇中國北方部分表流—潛流復(fù)合型人工凈水濕地案例和代表性的墨爾本皇家公園人工濕地進行對比參考[19]35,37,[20-22]（表5）。

通過對各濕地案例對主要污染物去除率的綜合分析，說明表流—潛流復(fù)合型人工濕地凈化效果較為顯著，可以預(yù)測本文設(shè)計的濕地凈化系統(tǒng)凈化雨水的效能可以滿足甚至優(yōu)于設(shè)計標準，成為集水質(zhì)凈化、雨水資源利用、生物保護、科普教育、休閑游憩于一體的濕地特色生態(tài)展園，對北方城鎮(zhèn)管網(wǎng)雨水凈化具有很好的參考價值。

6 墨爾本皇家公園人工濕地與雨水收集回用系統(tǒng)Artificial wetlands and rainwater collection and recycling system in Melbourne Royal Park

7 凈水濕地區(qū)平面圖Plan view of wastewater purification wetland

4 總結(jié)

當(dāng)前，快速城鎮(zhèn)建設(shè)還將造成不透水區(qū)域比例不斷提高，北方城市建設(shè)雖有海綿城市理念指導(dǎo)，但短期夏季雨水管網(wǎng)的巨大壓力并不能得到有效緩解。管網(wǎng)中豐富的雨水資源通過人工水質(zhì)凈化系統(tǒng)，得到合理、低價的儲蓄，等同于實現(xiàn)城市內(nèi)部中等范圍的水資源調(diào)控，提升干涸河道的生態(tài)效益及景觀效益。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，以往不明確的凈水過程，可以在層層水質(zhì)監(jiān)測下變得精準可控，節(jié)約了城市水質(zhì)凈化用地面積。人工濕地水質(zhì)凈化流程的研究是多功能疊加下的多目標途徑，用于解決城市問題。

本研究尚處于探索階段，是基于目前現(xiàn)有技術(shù)的綜合與優(yōu)化。如推廣全流程人工濕地技術(shù)還須明確成本問題，包括建設(shè)成本和養(yǎng)護成本。該流程下的人工濕地建設(shè)成本不高，且節(jié)省用地，但養(yǎng)護成本尚不明確，相較于傳統(tǒng)人工濕地會有一定的成本增加。綜合來看，其發(fā)揮的效益是多元的，社會效益、生態(tài)效益折算的價值將遠高于成本投入。希望未來的實踐探索能夠逐漸降低成本，為緩解北方城鎮(zhèn)河道缺水現(xiàn)狀、解決城市雨洪問題提供新思路。

注釋(Note)：

① 指雨季降雨比較集中且雨量較多月份的降雨量之和與全年的降雨總量的比值，即不考慮非雨季難利用的少量降雨。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～ 5、7～8由作者繪制；圖6改繪自參考文獻[19]；表1～2由作者自繪；表3根據(jù)參考文獻[14]繪制；表4根據(jù)參考文獻[16]繪制；表5根據(jù)參考文獻[19]、[24]繪制。