平遙縣柳根河入汾口濕地工程設(shè)計(jì)綜述

李 禮

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

柳根河屬汾河一級(jí)支流，主要匯入支流有東、西青沙河及官溝河。工程位于平遙縣柳根河入汾口處，東起汾河灌區(qū)東四支渠渡槽，西至柳根河穿汾河堤大橋，全長(zhǎng)約620 m。河道外側(cè)為耕地，河道總寬30 m，其中主槽寬7 m、深1 m，兩側(cè)灘地寬6～17 m、高1.7 m，邊坡1∶1，平均縱坡1.9‰～4‰。兩岸未修建堤防，為自然狀土坡；岸坡雜草叢生，時(shí)有塌陷，不能滿足防洪要求。河道中現(xiàn)有基流水質(zhì)不清，可對(duì)汾河干流造成污染，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題比較突出。

1 工程任務(wù)與布置

1.1 工程任務(wù)及等別

工程建設(shè)的主要任務(wù)：一是修建河道兩岸堤防，穩(wěn)定岸坡，使其達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)，徹底解決洪水隱患。二是設(shè)置景觀蓄水堰，美化濕地，形成自然、雅致、空氣清新的空間，增加人和自然和諧的氛圍，為群眾提供一個(gè)休閑娛樂(lè)、放松身心的場(chǎng)所。三是構(gòu)建完善的河流生態(tài)系統(tǒng)，保持生物多樣性，削減河道上游來(lái)水中攜帶的污染負(fù)荷，恢復(fù)河流的生態(tài)功能。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，治理區(qū)域按20 年一遇洪水進(jìn)行設(shè)防，堤防的工程級(jí)別為4 級(jí)，確定壅水壩和主槽岸墻為Ⅴ等工程，按5 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

2 人工濕地設(shè)計(jì)

2.1 方案選擇

人工濕地分為表流人工濕地和潛流人工濕地，其中污水在河床表面流動(dòng)的為表流濕地，在河床表面以下流動(dòng)的為潛流人工濕地。表流人工濕地具有投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而潛流人工濕地存在填料成本、建設(shè)費(fèi)用高，填料宜堵塞等問(wèn)題。經(jīng)綜合比較，柳根河入汾口濕地采用表流人工濕地方案。

2.2 凈化機(jī)理

人工濕地是利用土壤、植物、微生物的物理、化學(xué)和生物三重協(xié)同作用，通過(guò)沉淀、過(guò)濾、吸附、植物吸收和微生物分解作用使污水得到凈化。

污水中的懸浮物（SS）主要靠沉淀作用及植物根系和生物膜的截留作用去除。不溶解有機(jī)物通過(guò)沉淀、植物攔截、土壤過(guò)濾作用被很快去除；溶解性有機(jī)物主要通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化為自身機(jī)體、二氧化碳和水。

有機(jī)氮經(jīng)生化分解轉(zhuǎn)化為氨氮，氨氮主要通過(guò)硝化—反硝化作用及植物吸收得到去除。磷在濕地中通過(guò)土壤的吸附沉淀、微生物同化作用、植物吸收得到去除。

重金屬主要通過(guò)物理沉積、植物吸收和微生物吸附作用去除。在濕地中，油脂中揮發(fā)性組分經(jīng)蒸發(fā)而散失，其余部分被微生物分解破壞。

2.3 凈化措施

2.3.1 河床基質(zhì)

為減少投資，自現(xiàn)狀地面高程沿緩坡開(kāi)挖至河道主槽，并保留原河道主槽剩余部分。以開(kāi)挖斷面為河床基質(zhì)，形成植物生長(zhǎng)、微生物附著的載體，并提供植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。河床基質(zhì)是污染物被處理的主要場(chǎng)所，通過(guò)吸收、吸附、過(guò)濾、離子交換等物理、化學(xué)途徑去除污水中的有機(jī)物、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使得污水得到凈化，水質(zhì)得到改善。

2.3.2 植物措施

在植物生長(zhǎng)和繁殖過(guò)程中，能夠大量消耗污水中的有機(jī)物，吸附凈化重金屬等有害物質(zhì)，同時(shí)為濕地提供氧氣。本工程采用根系發(fā)達(dá)，耐污能力強(qiáng)，去污效果好，抗病害能力強(qiáng)的濕地植物，對(duì)污水進(jìn)行凈化處理。

2.3.3 水體自凈措施

在濕地下游修建一座蓄水溢流堰，一方面形成大面積水域，另一方面形成“流水不腐”的流動(dòng)河。溢流堰的跌水曝氣，使水體有充足的溶解氧，促進(jìn)微生物繁殖生長(zhǎng)，并且能夠控制水華的產(chǎn)生。

溢流堰采用漿砌石材料，堰高1 m、長(zhǎng)80 m，蓄水位739.0 m。由上游格網(wǎng)石籠護(hù)底段、實(shí)體堰段、下游護(hù)坦段、海漫段組成，總長(zhǎng)22.5 m，溢流堰縱剖面見(jiàn)圖1。

2.3.4 生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建措施

圖1 溢流堰縱剖面圖

本工程在濕地內(nèi)修建3 個(gè)生態(tài)島，水域外布置灘地的微地形和微環(huán)境，增加了河流形態(tài)的多樣性，為鳥(niǎo)類、兩棲動(dòng)物和昆蟲(chóng)提供了棲息環(huán)境，形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建多自然型的生態(tài)河道，強(qiáng)化了濕地的自凈能力。

生態(tài)島的護(hù)岸型式自上而下為邊坡1∶2 的生態(tài)袋護(hù)坡，格網(wǎng)石籠直墻及反濾土工布，護(hù)岸總長(zhǎng)度為442.5 m。生態(tài)袋護(hù)坡位于蓄水位以上，總高為0.45 m，袋內(nèi)附有草籽。格網(wǎng)石籠直墻總高度為1.5 m，基礎(chǔ)埋深0.5 m，寬1.5 m，墻身寬1 m。

2.4 其他設(shè)計(jì)

2.4.1 堤防設(shè)計(jì)

為妥善解決濕地行洪安全，順應(yīng)河流自然規(guī)律，在濕地外側(cè)沿河道方向修建防洪堤防，并與東側(cè)鄉(xiāng)村道路及西側(cè)汾河大堤銜接。左岸堤防利用南側(cè)現(xiàn)有道路修建而成，右岸堤防結(jié)合濕地邊緣形態(tài)呈曲線布置。左、右兩側(cè)堤防長(zhǎng)各為610 m、650 m。

堤防為均質(zhì)土堤，對(duì)原地面進(jìn)行0.2 m 厚清基處理，并利用濕地開(kāi)挖土料回填碾壓筑堤。堤頂寬6 m，中間為寬4 m 的瀝青混凝土行車道，兩側(cè)綠化各1 m。迎水側(cè)護(hù)坡自上而下為300 mm 厚混凝土框格、反濾土工布，混凝土框格內(nèi)需回填土，迎水坡坡比為1∶3；背水坡坡比為1∶2.5。

2.4.2 交通道路

濕地兩側(cè)堤防分別設(shè)有行車道路，與上、下游現(xiàn)有道路銜接；左右岸灘地內(nèi)各設(shè)有一道5 m 寬人行道，并與蓄水堰汀步及堤防銜接。堤防寬6 m，中間行車道寬4 m，采用瀝青混土路面，總長(zhǎng)1 260 m。蓄水堰汀步布置1.5 m×0.3 m×0.5 m（長(zhǎng)×寬×高）、間隔0.3 m的景觀條石。灘地內(nèi)人行道寬5 m，長(zhǎng)95 m，采用水工磚進(jìn)行鋪設(shè)。

3 濕地設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 水力停留時(shí)間

根據(jù)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》，污水在人工濕地內(nèi)的平均駐留時(shí)間按下式計(jì)算：

式中：HRT——水力停留時(shí)間，d；

V——池子容積，m3；

ε——濕地孔隙度，表面流濕地取1.0；

Q——污水流量，m3/d。

經(jīng)計(jì)算，柳根河入汾口濕地工程的水力停留時(shí)間為6.18 d，對(duì)水質(zhì)凈化有較好的效果。

3.2 表面水力負(fù)荷

表面水力負(fù)荷指每平方米人工濕地，單位時(shí)間內(nèi)所能接納的污水量，濕地表面水力負(fù)荷按以下公式計(jì)算：

式中：qhs——水力負(fù)荷，m3/（m2·d）；

A——濕地面積，m2；

Q——污水流量，m3/d。

經(jīng)計(jì)算，濕地的表面水力負(fù)荷為0.094 m3/（m2·d），小于0.1 m3/（m2·d），滿足規(guī)范要求，濕地面積設(shè)計(jì)合理。

3.3 污染物去除效率計(jì)算

根據(jù)《山西省地表水水環(huán)境功能區(qū)劃》，柳根河入汾口處的水質(zhì)目標(biāo)為Ⅴ類，其主要污染物為COD 及氨氮，濕地出口污染物濃度及去除效率分別按下列兩式計(jì)算：

式中：C0——進(jìn)水污染物濃度，mg/L；

Ce——出水污染物濃度，mg/L；

e——自然常數(shù)，取值2.718；

k——一級(jí)動(dòng)力衰減系數(shù)，d-1；

T——水體在表流濕地的停留時(shí)間，取6.18 d；

E——污染物去除率，%。

已知上游河道來(lái)水COD、NH3-N 的污染物濃度分別為42 mg/L、14.2 mg/L，參考已建濕地工程及相關(guān)研究資料并結(jié)合本工程水質(zhì)凈化特點(diǎn)，表流濕地一級(jí)動(dòng)力衰減系數(shù)kCOD夏天為0.15 d-1、冬天為0.10 d-1，kNH3-N夏天為0.07 d-1、冬天為0.04 d-1，計(jì)算的污染物去除效率見(jiàn)表1。

經(jīng)計(jì)算，本濕地工程的表面水力負(fù)荷為0.094 m3/（m2·d），濕地COD 及NH3-N 的去污效率分別達(dá)到45%、20%以上，滿足規(guī)范要求，濕地設(shè)計(jì)合理。綜上所述，人工濕地的水力停留時(shí)間、表面水力負(fù)荷及污染物去除效率均滿足規(guī)范要求，濕地設(shè)計(jì)參數(shù)合理，設(shè)計(jì)方法可行。

表1 濕地污染物去除效率計(jì)算表 單位：%

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)柳根河入汾口人工濕地方案中采取的河床基質(zhì)、植物種植、水體自凈及生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建等濕地凈化措施的分析，并進(jìn)行了濕地設(shè)計(jì)的計(jì)算，論證了河道人工濕地設(shè)計(jì)的合理性。方案的實(shí)施，可將入汾口濕地建設(shè)成集防洪、生態(tài)、景觀、交通為一體的綠色走廊，修復(fù)河道生態(tài)功能，提升河道自凈能力，完善鄉(xiāng)鎮(zhèn)功能、提升居住品位。