江西某湖補(bǔ)水濕地工程設(shè)計案例解析

毛雪慧，林 靜，王永秀，彭子如

（深圳市碧園環(huán)保技術(shù)有限公司，廣東 深圳518000）

1 項目背景

芳蘭湖位于科技城東南部區(qū)域，與鄱陽湖一壩之隔，是鄱陽湖科技城的綠心，規(guī)劃設(shè)計面積3.2 km2，其中水域面積2 km2，濕地及其他占地1.2 km2。芳蘭湖將建成集雨洪管理、自然生態(tài)、休閑娛樂、科普教育等于一體的具有“海綿城市”示范作用的服務(wù)型城市濕地公園[1]。根據(jù)項目周邊水功能區(qū)劃，芳蘭湖水質(zhì)目標(biāo)按地表水Ⅲ類進(jìn)行設(shè)定。

芳蘭湖是在原有魚塘上新開挖的景觀湖，兼具雨洪調(diào)蓄功能。雨季時，雨水?dāng)y帶大量面源污染物流入湖內(nèi)。若對此部分面源污染不控制，將加速芳蘭湖水體的富營養(yǎng)化進(jìn)程。芳蘭湖湖區(qū)來水分為6個片區(qū)，分別為白陽壟/魯板、芳蘭村片區(qū)、芳蘭湖北部（含小湖部分區(qū)域）、湖區(qū)南部的東光壟、泉水壟和螺絲擋壟（3個片區(qū)通過下穿截留河的涵管與湖區(qū)連通）。來水上游為農(nóng)田，面源污染嚴(yán)重，來水水質(zhì)不能滿足芳蘭湖Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)要求。虞家河為芳蘭湖相對較理想的補(bǔ)水水源，但虞家河水質(zhì)目前為劣Ⅴ類，若不深度處理而直接補(bǔ)入芳蘭湖，將成為芳蘭湖的一大污染源。因此要保證芳蘭湖水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)要求，必須處理好補(bǔ)水水質(zhì)、入湖外源污染源及內(nèi)源污染源等問題。

2 工程方案總體設(shè)計

結(jié)合芳蘭湖濕地公園的生態(tài)定位，從補(bǔ)水、凈水、排水、截水、生態(tài)構(gòu)建等方面考慮，進(jìn)行芳蘭湖專項水環(huán)境設(shè)計，如圖1所示。

圖1 芳蘭湖濕地公園水環(huán)境治理總平面布置圖

2.1 補(bǔ)水問題

芳蘭湖補(bǔ)水方式分為旱季補(bǔ)水和雨季補(bǔ)水。雨季，截流芳蘭湖白陽壟魯板片區(qū)基流污水和初期雨水，經(jīng)生態(tài)池過濾，流入垂直流濕地凈化，最終流入芳蘭湖補(bǔ)水。旱季，若芳蘭湖白陽壟魯板片區(qū)的基流量很少，水量不能滿足芳蘭湖補(bǔ)水量要求，則通過提升泵取虞家河水，河水通過虞家河垂直流濕地處理，出水達(dá)標(biāo)后排入芳蘭湖補(bǔ)水。

2.2 外源污染控制問題

收集芳蘭湖周邊片區(qū)（包括芳蘭村片區(qū)、芳蘭村北部片區(qū)、東光壟片區(qū)、泉水壟片區(qū)、螺絲檔壟片區(qū)、白陽壟魯板片區(qū)）初期雨水和基流污水，經(jīng)前置塘過濾，流入漫流濕地凈化，最終流入芳蘭湖補(bǔ)水。

2.3 內(nèi)源污染控制問題

內(nèi)源污染可以通過清除芳蘭湖湖底淤泥、構(gòu)建芳蘭湖水生態(tài)系統(tǒng)來解決。以高等水生植物群落構(gòu)建為主，結(jié)合魚類調(diào)控、底棲動物放養(yǎng)，兼顧湖泊景觀，削減內(nèi)容負(fù)荷、降低懸浮質(zhì)、構(gòu)建以水生高等植物為主要生產(chǎn)者的芳蘭湖水生態(tài)系統(tǒng)，展現(xiàn)芳蘭湖清水態(tài)。

綜上所述，利用塘床系統(tǒng)對截流的芳蘭湖周邊片區(qū)面源污染的基流及初期雨水進(jìn)行處理，利用垂直流濕地對虞家河水的補(bǔ)水進(jìn)行處理，同時，結(jié)合湖泊生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)，使芳蘭湖水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)要求。

3 工程措施及分區(qū)設(shè)計

3.1 補(bǔ)水工藝確定

芳蘭湖東部補(bǔ)水有兩個來源：（1）截流白陽壟魯板片區(qū)基流及初期雨水；（2）若白陽壟魯板片區(qū)的基流量很少，水量不能滿足芳蘭湖補(bǔ)水量要求，則通過設(shè)閘雍水方式取虞家河水。

3.1.1 補(bǔ)水規(guī)模的計算

芳蘭湖旱季補(bǔ)水水源是虞家河。虞家河垂直流濕地的主要功能是為芳蘭湖水系提供水量穩(wěn)定、水質(zhì)優(yōu)良的補(bǔ)水，為芳蘭湖良好的水質(zhì)及健康的生態(tài)系統(tǒng)提供保障，因此，虞家河垂直流濕地處理規(guī)模根據(jù)以下幾點綜合確定：

3.1.1.1 芳蘭湖水體蒸發(fā)、滲漏量

芳蘭湖建成后，水域面積2 km2，蒸發(fā)是水量平衡中的重要組成因素，是多種水文氣象因素共同影響的“產(chǎn)物”，受水汽壓力差、風(fēng)速、相對濕度等因素的影響[2]。除了水體的蒸發(fā)水量，實際上河道及湖泊滲漏的水量也很多，根據(jù)近年南方地區(qū)一些小區(qū)和較獨立的景觀湖泊實地測量的蒸發(fā)及滲漏下降水位為5～15mm/d。同時查閱芳蘭湖地區(qū)相關(guān)資料，考慮芳蘭湖水系面積、地下水位及湖底土質(zhì)等因素，本方案中芳蘭湖水體蒸發(fā)、滲透總量按8 mm/d進(jìn)行計算，則芳蘭湖水體蒸發(fā)漏失量1.6萬m3/d。

3.1.1.2 規(guī)劃區(qū)綠化澆灌及道路沖洗

澆灌及道路沖洗可就近從水系中取水，既節(jié)約自來水用水量，還可節(jié)省綠地澆灌、道路沖洗市政供水管網(wǎng)系統(tǒng)的敷設(shè)。芳蘭湖地區(qū)內(nèi)規(guī)劃道路及綠地面積約1 488 041m2，根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50015—2003）[3]，小區(qū)綠化澆灑用水定額可按澆灑面積1～3 L/（m2·d）計算，干旱地區(qū)可酌情增加；小區(qū)道路、廣場的澆灑用水定額可按澆灑面積2～3 L/（m2·d）計算。由于本方案綠化面積和道路面積為規(guī)劃面積，具體工程實施后綠化面積、廣場面積等可能會適當(dāng)增加，本方案中綠化澆灌及道路、廣場沖洗用水定額均取3 L/（m2·d），因此芳蘭湖地區(qū)內(nèi)道路沖洗及綠化總用水量0.45萬m3/d。

總之，芳蘭湖水體蒸發(fā)、滲漏、道路沖洗、綠地澆灌用水量2.05萬m3/d，即芳蘭湖總需補(bǔ)水量2.05萬m3/d，所以補(bǔ)水濕地處理規(guī)模按2萬m3/d設(shè)計。

3.1.2 垂直流濕地工藝設(shè)計

虞家河垂直流濕地由提升配水系統(tǒng)、高效垂直流濕地和自然濕地系統(tǒng)組成。綜合計算，芳蘭湖水體蒸發(fā)、滲漏、道路沖洗、綠地澆灌的用水量為2.05萬m3/d，即芳蘭湖總需補(bǔ)水量2.0萬m3/d，而白陽壟魯板片區(qū)僅能提供0.5萬m3/d，所以需從虞家河抽取1.5萬m3/d的河水補(bǔ)充到芳蘭湖中。如圖2所示，白陽壟魯板片區(qū)初期雨水及虞家河抽取補(bǔ)水均通過垂直流濕地進(jìn)入芳蘭湖。

圖2 芳蘭湖垂直流濕地工藝流程

3.1.2.1 補(bǔ)水提升及配水系統(tǒng)

由于水位標(biāo)高，虞家河水需提升后進(jìn)入垂直流濕地。為使垂直流濕地配水順暢并達(dá)到工藝要求，在補(bǔ)水提升系統(tǒng)后段設(shè)置生態(tài)池，生態(tài)池位于垂直流濕地中間向整個濕地植物池配水。生態(tài)池內(nèi)設(shè)片狀微生物床填料及生物浮島，借助片狀微生物床的吸附能力和對浮游生物提供棲息場所和天然食物的優(yōu)勢，構(gòu)建生態(tài)體系，利用池中片狀微生物床上的厭氧菌和反硝化菌將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氮氣，從而達(dá)到凈化水體的效果[4]。沉砂池：水深2m，表面積312.5m3，停留30min。

3.1.2.2 垂直流人工濕地系統(tǒng)

垂直流濕地系統(tǒng)是本工程的核心部分，是一個獨特的土壤（基質(zhì)）-植物-微生物生態(tài)系統(tǒng)[5]。當(dāng)污水通過系統(tǒng)時，污染物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)被系統(tǒng)吸收、轉(zhuǎn)化或分解，從而使水質(zhì)得到凈化。垂直流濕地植物池占地面積約為4萬m2，垂直流濕地植物池設(shè)計布水負(fù)荷0.50m3/m2。植物池內(nèi)種植適合當(dāng)?shù)貧夂虻乃鷿裆参?，如蘆葦、風(fēng)車草、蘆荻、再力花、香根草、紙莎草、美人蕉等。

3.2 面源污染控制方案的確定

芳蘭湖兼具雨洪調(diào)蓄功能，現(xiàn)狀和未來均為周邊6個片區(qū)水系來水的滯洪區(qū)，來水?dāng)y帶了上游漏排的生活污水及初期雨水，來水的水質(zhì)不能滿足芳蘭湖Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)要求。因此，采用塘床濕地工藝處理芳蘭湖周邊片區(qū)的初期雨水和基流。

3.2.1 面源污染控制規(guī)模

3.2.1.1 芳蘭村北部片區(qū)

棗樹垅、侯白垅（怡芳苑）為由北向南貫穿的河道，是芳蘭湖北部片區(qū)天然排水通道。湖塘床凈化濕地解決北部片區(qū)面源污染問題——初期雨水，從而保障湖水質(zhì)。湖北部片區(qū)上游主要為農(nóng)田、農(nóng)村，本方案采用初期降雨厚度方法對湖北部片區(qū)的初期雨水量進(jìn)行核算。

式中：Ψ——徑流系數(shù)；H——降雨量，m；F——匯水面積，m2。

參數(shù)為：Ψ=0.3；H=0.7×10-2m≈10 mm；F=5.7 km2=5.7×106m2。

初期雨水量：Q=0.3×10×10-2×5.7×106÷104=1.71萬m3。

因此，芳蘭村北部片區(qū)二級塘床濕地處理規(guī)模1.7萬m3/d。

3.2.1.2 其他片區(qū)補(bǔ)水規(guī)模

芳蘭湖雨水凈化濕地解決芳蘭湖初期雨水污染問題，湖雨水凈化濕地處理規(guī)模的主要依據(jù)為初期雨水的水量。目前，國內(nèi)對初期雨水量還沒有統(tǒng)一的核算方法，比較通用的計算方法主要包括初期降雨厚度法和初期降雨歷時法兩類。初期降雨厚度法將清潔雨水與初期雨水一起收集，初期雨水量巨大，初期收集保證率低，只有34.8%～76.1%。而初期降雨歷時法具備清污分流的能力，收集雨水少，保證率較高（可到達(dá)76.1%～98.7%），但對收集系統(tǒng)管理要求較高。芳蘭湖周邊區(qū)域?qū)嵭杏晡鄯至鳈C(jī)制，本方案用初期降雨歷時方法對芳蘭湖雨水排放口初期雨水量核算。

經(jīng)查閱資料，九江市的暴雨強(qiáng)度公式：

式中：q——設(shè)計暴雨強(qiáng)度，L/s·ha；P——設(shè)計重現(xiàn)期，a；t——設(shè)計降雨歷時，min。

考慮用0.25 a重現(xiàn)期，因為重現(xiàn)期越長，降雨量越大。降雨較大的部分，稀釋的初期雨水污染物含量較低，可以忽略不去考慮，同時，降雨歷時用30 min計算降雨強(qiáng)度，得暴雨強(qiáng)度107.695 L/（s·ha）。

初期雨水排放量：

Q——初期雨水排放量，m3；F——匯水面積，m2；Ψ徑流系數(shù)，取0.85；T——初期雨水收集時間，min。依據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》[6]，初期雨水收集時間5～15 min，本方案用15 min計算。

參考《九江市鄱陽湖生態(tài)科技城雨水工程規(guī)劃圖》[7]對芳蘭湖雨水排放口的集雨面積進(jìn)行劃分和初期降雨歷時計算，按降雨15 min，對幾場初期雨水收集量進(jìn)行估算，結(jié)果如表1所示。因此，芳蘭湖雨水凈化系統(tǒng)按單次處理水量5.7萬m3設(shè)計。

表1 芳蘭湖雨水排放口初雨計算結(jié)果

3.2.2 塘床濕地工藝設(shè)計

據(jù)前述規(guī)模及水質(zhì)分析，芳蘭湖雨水凈化濕地用“前置塘+漫流濕地”工藝；有雨水時用塘床濕地凈化系統(tǒng)處理雨水；無雨水時，可凈化湖水，具體工藝流程見圖3。

圖3 芳蘭湖雨水凈化塘床濕地工藝流程

前置塘為生態(tài)凈化系統(tǒng)的前處理單元，一般為天然水塘或人工構(gòu)建水塘，沉淀、截留雨水徑流中的中粒徑到粗粒徑顆粒物或懸浮物，并調(diào)節(jié)和控制雨水徑流，以減輕后續(xù)處理單元在較大暴雨強(qiáng)度下的沖擊負(fù)荷[8]。前置塘出水通過礫石壩進(jìn)入漫流濕地。漫流濕地去除雨水徑流中的膠狀顆粒物和溶解性有機(jī)物，本方案漫流濕地以礫石為填料，填料厚度在30～50 cm，通過礫石壩進(jìn)行布水。漫流濕地上種植的水生植物包括：蘆葦、風(fēng)車草、蘆荻、再力花、香根草、紙莎草、美人蕉等。

表2可知，芳蘭湖雨水凈化濕地總面積12.5萬m2，總水容量5.2萬m3。

表2 芳蘭湖雨水凈化濕地設(shè)計參數(shù)

3.3 芳蘭湖水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

以高等水生植物群落構(gòu)建為主，結(jié)合魚類調(diào)控、底棲動物放養(yǎng)，兼顧湖泊景觀，削減內(nèi)容負(fù)荷、降低懸浮質(zhì)，構(gòu)建以水生高等植物為主要生產(chǎn)者的芳蘭湖水生態(tài)系統(tǒng)，展現(xiàn)芳蘭湖的清水態(tài)，具體種類見表3。

4 結(jié)論

本方案設(shè)計初小雨水截流處理量5.7萬m3，初小雨漫流濕地12.5萬m2；垂直流濕地處理規(guī)模2.0萬t/d，垂直流濕地占地約4萬m2；生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建植物(沉水、挺水、浮葉)種植面積約4 000m2。利用塘床系統(tǒng)對截流的芳蘭湖周邊片區(qū)面源污染的基流及初期雨水進(jìn)行處理，利用垂直流人工濕地技術(shù)對虞家河水的補(bǔ)水進(jìn)行處理，同時，結(jié)合湖泊生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)，工程實施后，可有效削減排入芳蘭湖的面源污染負(fù)荷，改善芳蘭湖水質(zhì)，美化周邊環(huán)境，達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)要求。

表3 芳蘭湖水生態(tài)群落