基于水質(zhì)凈化的生態(tài)功能型濕地應(yīng)用研究
——以廈門馬鑾灣水生態(tài)修復(fù)工程為例

趙文斌 徐瑞 ZHAO Wenbin XU Rui

生態(tài)文明建設(shè)是國家重要發(fā)展戰(zhàn)略，景觀設(shè)計行業(yè)作為主要踐行者之一，參與生態(tài)建設(shè)實踐的方方面面。生態(tài)建設(shè)中山水林田湖草是生命共同體，水作為基本要素之一，地位尤為重要。但隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地表水污染嚴(yán)重，建設(shè)具有水生態(tài)改善和修復(fù)功能的項目成為新的發(fā)展方向。目前我國水生態(tài)相關(guān)研究已頗具成果，形成成熟的理論和技術(shù)體系。以馬鑾灣水生態(tài)修復(fù)工程為例，介紹生態(tài)功能型濕地的定義、分類及工作機(jī)制，剖析工藝選型與現(xiàn)場實施過程，以期為相關(guān)實踐項目提供參考。

水生態(tài)；生態(tài)修復(fù)；水質(zhì)；人工濕地

0 引言

黨的十九大報告指出，建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計?！熬G水青山就是金山銀山，保護(hù)環(huán)境就是保護(hù)生產(chǎn)力”“山水林田湖草是一個生命共同體”“人與自然是生命共同體”等論述為生態(tài)文明建設(shè)提供了方向指引。

在山水林田湖草生命共同體中，水是基本要素之一，但當(dāng)前水資源面臨的形勢十分嚴(yán)峻，學(xué)界圍繞水資源、水安全、水生態(tài)、水環(huán)境和水文化展開大量研究與實踐。風(fēng)景園林是重要的環(huán)境建設(shè)學(xué)科，在實踐過程中離不開“水”，景觀設(shè)計作為地表水系組織和利用的重要參與方，在水生態(tài)建設(shè)中具有關(guān)鍵性作用?；诂F(xiàn)有規(guī)范要求，人體非接觸性景觀水體水質(zhì)需達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，人體接觸性景觀水體水質(zhì)需達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。而在項目實踐過程中，經(jīng)常面臨無水可用或水質(zhì)條件較差的困境。因此，風(fēng)景園林學(xué)結(jié)合生態(tài)學(xué)、水力學(xué)和水利工程學(xué)的多學(xué)科交叉研究與實踐對解決水污染問題具有重要意義，在以水質(zhì)凈化為主導(dǎo)的生態(tài)工程中采取生態(tài)景觀的處理方式將成為新趨勢。通過多年的多學(xué)科交叉研究，生態(tài)功能型濕地作為一種通過物理或生化方法處理水污染的技術(shù)應(yīng)運而生，廣泛應(yīng)用于工程實踐中。

1 生態(tài)功能型濕地的定義、分類與工作機(jī)制

1.1 定義

生態(tài)功能型濕地屬于人工濕地的范疇，是由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面，通過將污水有組織地引入人工建造的濕地中，使污水在沿一定方向流動的過程中利用人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物協(xié)同作用得到凈化處理。與天然濕地不同，生態(tài)功能型濕地是以凈化水質(zhì)為主要目標(biāo)人工建造的濕地，強(qiáng)化作用機(jī)制而非類自然形態(tài)。

1.2 分類

生態(tài)功能型濕地根據(jù)構(gòu)造和工作原理的差異可分為表流人工濕地和潛流人工濕地。表流人工濕地在模擬自然形態(tài)的前提下兼顧一定的水質(zhì)凈化功能，主要依靠水體自身的物理沉降及植物根系的降解提升水質(zhì)，整體效率較低，且無法定量計算，僅在水質(zhì)非定量改善時使用；潛流人工濕地是以水質(zhì)凈化為目標(biāo)的人工濕地系統(tǒng)，根據(jù)來水水質(zhì)和污染物類型可制定對應(yīng)的工藝流程與填料配方，根據(jù)水流流態(tài)可分為水平潛流濕地和垂直潛流濕地。

1.3 工作機(jī)制

1.3.1 水平潛流濕地

水平潛流濕地的工作機(jī)制為：水流水平通過填料種植區(qū)，在填料種植區(qū)內(nèi)，水流較緩，物理雜質(zhì)得到有效沉降，同時填料和植物根系吸附水體中的物理雜質(zhì)并降解水體中的氨氮、總磷、COD等溶解性污染物。但因接觸面較小、每個單元水質(zhì)改善能力有限、無法定量計算，多用于水動力較充足、水質(zhì)和穩(wěn)定性要求不嚴(yán)格、具有較大高差的地理環(huán)境，可解決雨水沖刷導(dǎo)致的面源污染、輕微水體污染、靜態(tài)水體水質(zhì)保持等問題。

水平潛流濕地成本低廉，可利用現(xiàn)場高差條件線性布局，使整體呈臺階式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個臺階的水平工作面為一個濕地單元，內(nèi)側(cè)填充填料并種植水生植物，利用高差產(chǎn)生的水動力使水流沿水平方向流動，經(jīng)過每個單元逐級跌落，形成多級串聯(lián)的水平潛流濕地組合，凈化效果疊加，達(dá)到水質(zhì)凈化目的（見圖1，2）。

1 水平潛流濕地工作機(jī)制

2 水平潛流濕地實景（圖片來源：http://www.landscape.cn/landscape/9231.html）

1.3.2 垂直潛流濕地

垂直潛流濕地是具有嚴(yán)格工藝要求的人工濕地系統(tǒng)，需根據(jù)來水污染類型與嚴(yán)重程度制定工藝流程與填料配方，通常占地面積大，具有較強(qiáng)的水質(zhì)凈化能力，在來水水質(zhì)穩(wěn)定的情況下，可定量計算污染去除能力，達(dá)到水質(zhì)定標(biāo)排放目標(biāo)。其工作機(jī)制為：根據(jù)水體中SS、COD、氨氮、總氮、總磷、微生物、重金屬和有機(jī)污染物等不同污染物類型進(jìn)行針對性去除工藝設(shè)計，按照水流方向分為通過水泵增壓、水流自下而上流動的上行潛流濕地和通過重力下滲、從濾床底部排出的下行潛流濕地兩種類型。

對于水體中氨氮及總氮含量較多而總磷含量較少的生活類污水來說，由于氨氮和總氮需在富氧環(huán)境下由填料床中附著的微生物硝化和反硝化分解，因此常采用上行潛流濕地濾床工藝，由水泵將溶氧較好的污水通過濾床底部增壓導(dǎo)入，濾床在有氧環(huán)境下自下而上地進(jìn)行生化反應(yīng)，最終產(chǎn)生氮氣并隨水流從濾床頂部排出，水流進(jìn)入下一個布水渠和濾床單元，濾床的填料粒徑與吸附表面積自下而上越來越小，以適應(yīng)硝化細(xì)菌與反硝化細(xì)菌的附著和生長，同時有利于水流穿透。上行潛流濕地具有較好的氮類污染去除能力，污染去除率高，但是造價和運維成本較高，要求水體中雜質(zhì)含量低，否則濾床易堵塞且清淤難度大。

對于氨氮、總氮、總磷含量均較多或總磷含量相對更多的洗滌類污水來說，可采用下行潛流濕地濾床工藝。富氧污水通過重力作用自上而下通過濾床，濾床填料和菌種分別為好氧、兼氧厭氧和嚴(yán)格厭氧配方。上層氧氣充足，適合COD、氨氮類消除；中層氧氣減少，適合總氮類消除；底層無氧，適合總磷類消除，最后經(jīng)由底層濾床盲管導(dǎo)出。下行潛流濕地可同時兼顧多種污染物的去除，無需水泵動力增壓，造價和運維成本相對較低，但單個單元去除率較低，需要多級串聯(lián)達(dá)到凈化效果。

無論水平潛流濕地還是垂直潛流濕地，工作機(jī)制均包括吸附、沉淀、滯留、氧化還原、微生物分解、轉(zhuǎn)化、植物吸收及各類動物作用。生態(tài)功能型濕地在應(yīng)用時需根據(jù)實際需求和目標(biāo)進(jìn)行選型與設(shè)計，也可根據(jù)實際情況進(jìn)行多類型結(jié)合，通過復(fù)合工藝達(dá)到凈化目標(biāo)。

2 馬鑾灣水生態(tài)修復(fù)工程概況

2.1 項目背景

廈門杏林馬鑾灣位于廈門港西海域西北隅，與廈門島隔海相望，具有典型的海灣地形特征，地理位置得天獨厚，具有建設(shè)濱海城區(qū)和發(fā)展濱海旅游的優(yōu)越條件。但馬鑾灣近年排污嚴(yán)重，灣內(nèi)水質(zhì)惡化，改善馬鑾灣及其周圍水環(huán)境、修復(fù)海域生態(tài)環(huán)境和功能、提高海域環(huán)境質(zhì)量的需求極其迫切。

2.2 問題與需求

馬鑾灣水生態(tài)修復(fù)工程是馬鑾灣片區(qū)水生態(tài)環(huán)境綜合整治的重要環(huán)節(jié)，主要解決深青溪和瑤山溪兩條河流在此入海的水質(zhì)問題。目前，深青溪和瑤山溪因上游生活污水、工業(yè)污水無序排放及降雨不規(guī)律導(dǎo)致季節(jié)性水生態(tài)基流不足，水質(zhì)惡化嚴(yán)重，無法達(dá)到入海水質(zhì)要求，對馬鑾灣片區(qū)內(nèi)灣海域水質(zhì)造成嚴(yán)重污染，水環(huán)境問題突出。

該項目解決方案為：在兩河入?？谔幗⒁粋€大型水生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)，通過調(diào)配水量、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)水位、改善環(huán)境等多種措施并用及多專業(yè)協(xié)同，處理復(fù)雜的水生態(tài)問題，以滿足河水入海要求，改善內(nèi)灣環(huán)境，改變區(qū)域生態(tài)。經(jīng)多專業(yè)的方案比選論證，最終采納實施生態(tài)功能型濕地水質(zhì)凈化方案。

3 以水生態(tài)為核心的方案設(shè)計

3.1 現(xiàn)場調(diào)研與策略思考

根據(jù)現(xiàn)場踏勘與水利巡查，深青溪和瑤山溪目前水量均相對較少，只有雨季水量充沛，其他季節(jié)為雨季尾水、生活生產(chǎn)排污和污水廠中水形成的混合污水。由于廈門全年氣溫較高，水生態(tài)惡化嚴(yán)重，特別是3—5月（雨季來臨前），瑤山溪河水屬黑臭水體，深青溪河水也屬嚴(yán)重污染水體，現(xiàn)狀水質(zhì)檢測情況如表1所示。

表1 現(xiàn)狀水質(zhì)檢測情況

前期方案階段，設(shè)計團(tuán)隊針對如此嚴(yán)重的水質(zhì)問題一度打算采用工業(yè)污水處理辦法，即建立污水處理廠或采用工業(yè)級污水處理設(shè)備搭配自然式濕地的模式，以污水處理廠或工業(yè)級污水處理設(shè)備作為水質(zhì)凈化的主要手段，濕地用于輔助水環(huán)境改善。但該方案存在諸多弊端，如河水水量大、規(guī)律性差導(dǎo)致的造價及運維費用高昂，不能改善河道沿岸水生態(tài)環(huán)境。在多方討論下，方案通過多個水庫聯(lián)動、接通上游多個污水處理廠尾水對深青溪和瑤山溪上游進(jìn)行聯(lián)合補(bǔ)水，保障河道生態(tài)基流，稀釋污水濃度，改善兩河水環(huán)境。通過對兩河進(jìn)行水文研究和生態(tài)基流模型推算，最終確定補(bǔ)水方案和補(bǔ)水量，控制兩河水質(zhì)達(dá)到地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定河水流量。在此基礎(chǔ)上，生態(tài)功能型濕地可發(fā)揮建設(shè)與運維成本低廉、凈化效果顯著的優(yōu)勢，為兩河水生態(tài)處理提供關(guān)鍵保障。馬鑾灣水生態(tài)修復(fù)工程占地面積約81hm2，現(xiàn)狀為大量養(yǎng)殖魚塘，場地平整，高差變化較小，適合布置生態(tài)功能型濕地模塊（見圖3）。

3 馬鑾灣水生態(tài)修復(fù)工程平面

3.2 生態(tài)功能型濕地工藝選型與工作機(jī)制

通過補(bǔ)水方案，深青溪水質(zhì)得到較大改善，控制在地表Ⅳ類水平，而瑤山溪控制在地表Ⅴ類水平，枯水期為劣Ⅴ類水體。據(jù)此，重點處理水系為瑤山溪，深青溪作為整個濕地系統(tǒng)的生態(tài)水源補(bǔ)充，整體納入水質(zhì)凈化系統(tǒng)。生態(tài)功能型濕地以瑤山溪全部水量為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計凈化能力，將地表Ⅴ類水或劣Ⅴ類水凈化為Ⅳ類水，枯水期通過深青溪生態(tài)補(bǔ)水保證生態(tài)功能型濕地模塊的生態(tài)基流用水。

瑤山溪側(cè)通過液壓翻板閘主動可控引水裝置進(jìn)行濕地引水，保留直接入海行洪河道，在極端情況下，保證瑤山溪洪水快速入海，防止?jié)竦貎?nèi)澇或因沖刷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損毀。進(jìn)入濕地系統(tǒng)的河水首先經(jīng)過前置的物理沉降池，沉降、過濾河水中的雜質(zhì)和泥砂，保證進(jìn)入生態(tài)功能型濕地單元的水質(zhì)穩(wěn)定性。根據(jù)瑤山溪上游排污情況調(diào)研與水質(zhì)檢測，河水中以生活類污水和洗滌類污水為主，SS、COD、氨氮、總氮、總磷含量基本相同，綜合考慮水體污染情況及后期運維成本，設(shè)計采用下行垂直潛流濕地工藝。因河水水量較大，選擇設(shè)計面積較大的單體濕地模塊單元，便于快速下滲，同時采用兩路并聯(lián)水流通道設(shè)計，分散水流，減緩流速，保證水流在濕地模塊中的滯留時間，更好地降解水中污染物，并通過多級濕地串聯(lián)保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。在每個濕地模塊布水渠中均設(shè)置推流泵，為水流增氧并保持水動力，保證整個工藝的溶氧量滿足凈化需求。通過濕地模塊的尾水最終進(jìn)入一個大型景觀湖面，進(jìn)行進(jìn)一步生化降解反應(yīng)。深青溪大部分時段污染較輕，通過單個濕地模塊后進(jìn)入景觀湖面，當(dāng)濕地模塊需要生態(tài)補(bǔ)水及深青溪水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時，可通過水利控制系統(tǒng)進(jìn)入濕地模塊源頭，參與整個濕地凈化過程。水系統(tǒng)路徑與豎向水動力情況如圖4，5所示。

4 水系統(tǒng)路徑分析

5 豎向水動力分析（單位：m）

根據(jù)瑤山溪生態(tài)功能型濕地待建區(qū)現(xiàn)狀、來水水量、來水水質(zhì)、設(shè)計要求等條件，通過對濕地承載力和來水水量、水質(zhì)的匹配計算，得到其處理污染物能力、平均出水指標(biāo)及總水域平均出水指標(biāo)（見表2）。

表2 處理污染物能力、平均出水指標(biāo)及總水域平均出水指標(biāo)

最終該項目選用下行垂直潛流濕地工藝，凈化濕地面積約41818m2，可滿足設(shè)計水質(zhì)凈化目標(biāo)。

3.3 配套公園建設(shè)

在整個水生態(tài)系統(tǒng)布局和基于水生態(tài)修復(fù)的濕地公園系統(tǒng)布局滿足工藝要求的同時，種植水生植物，通過濕地棧道游覽體系、公園綠化及配套服務(wù)設(shè)施，形成一處“碧澤溪畔觀鷺鳥，悅游園中享自然”的優(yōu)美大型濕地公園，在改善區(qū)域水生態(tài)的同時優(yōu)化區(qū)域生態(tài)環(huán)境，創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)綠色空間，提升區(qū)域品質(zhì)，放大區(qū)域競爭優(yōu)勢（見圖6～11）。

6 功能分區(qū)

7 水生態(tài)修復(fù)效果

8 濕地荷塘（圖片來源：劉啟龍）

9 濕地生境（圖片來源：劉啟龍）

10 濕地公園鳥瞰（圖片來源：劉啟龍）

11 凈水濕地（圖片來源：劉啟龍）

4 結(jié)語

水資源、水安全、水質(zhì)、水環(huán)境是水生態(tài)要素的主要矛盾和矛盾的主要方面，是園林景觀的基本組成要素。未來園林景觀不僅涉及園林藝術(shù)的設(shè)計表達(dá)，而且會在生態(tài)技術(shù)的加持下，沿著生態(tài)化和多學(xué)科交叉路線前進(jìn)。類似馬鑾灣水生態(tài)修復(fù)工程具有一定目標(biāo)需求的綜合型生態(tài)景觀項目會越來越多，該類項目不僅要面對景觀問題，還要解決一個或數(shù)個生態(tài)問題，無論山水林田湖草相關(guān)的大尺度生態(tài)問題，還是城市中小尺度的具體生態(tài)問題，均需緊密結(jié)合技術(shù)來解決。將問題解決與景觀藝術(shù)結(jié)合是未來園林景觀發(fā)展的新路徑。