水上立体人工湿地设计探讨

丛龙超，万小琼

（华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉430070）

1 引言

随着我国工业化的不断发展，水体污染越来越严重，人们的饮水安全受到严重威胁。据2011年中国环境状况公报统计，我国地表水总体为轻度污染，湖泊（水库）富营养化问题仍十分突出。主要污染指标为化学需氧量、五日生化需氧量和总磷［1］。国家对水体富营养化治理的资金投入力度不断加大，滇池的“十一五”规划计划投资183.3亿元，到2009年底，已完成投资123.8亿元。但湖泊富营养化治理效果仍不尽人意，严重富营养化、生态系统被破坏的状况难以在短期内根本扭转［2］。

湿地被誉为“地球之肾”，是地球上重要的自然资源，具有净化水体的功能。近年来人工湿地系统逐渐发展，成为净化水体，防止水体污染的新方向。人工湿地系统通过模拟自然湿地系统，人为提供植物和微生物的生长环境，以起到降解去除污染物及净化水体的作用［3，4］，在公园景观水体净化方面成果尤为显著，既能净化水体，又能美化环境。但是现有的人工湿地系统占地面积较大，处理效率不够高，具有潜在的地下水污染风险。此外，我国南北气候差异较大，限制了人工湿地污水处理系统在全国范围内的推广。因此需要寻求新的设计方案来提升人工湿地的功能，扩大其应用范围。

2 水上立体人工湿地设计

人们通过设计立交桥来缓解交通用地紧张的情况，通过设计立体农场解决未来粮食危机，而在解决污染水体时，水上空间却没有得到足够的开发和利用。如果可以在水上建立人工湿地，则能充分利用水面上的空间，加强对自然生态和自然湿地的维护并减轻其压力，同时加快现有人工湿地自然化进程，降低地下水污染风险。以湖泊人工湿地设计为例，在水面上构建钢架结构，建立人工湿地平台和廊道，将水提升至最高点，再逐级向下流动。引水口同时与湖泊水体和排污口相连接，以达到稳定进水的要求。

参考地面人工湿地的设计思路［5～10］，本着资源循环利用的清洁生产理念，设计金字塔式的结构，由上至下逐层建立以垂直潜流型、水平潜流型、表面流型为主的湿地，在其上种植合适的挺水植物、浮水植物和沉水植物。植物以去污能力强且可利用的生物质能源植物为主，并辅以景观植物，提升湖泊的立体景观效应。填料的选择主要考虑通透效果和生物附着效果，填料以适合支撑的廉价砾石为主，根据不同的水质特点和地域特征因地制宜地选择不同的填料，或者组合填料。在水平流湿地中可以考虑以富营养化水体的底泥作为填料混合体的一部分，以减少底泥对富营养化的贡献。在立体式人工湿地的底层将水流集中以管道群方式流向湖泊，造成水的搅动，提高湖泊水体的复氧效率，促进水中好氧微生物的生长代谢，以起到加速降解污染物的目的。同时将水上的湿地系统与其下的水面和水下湿地系统有机的结合起来，在水面种植浮水植物，在水下种植沉水植物，可以构造高效的立体人工湿地系统（图1）。

图1 水上立体人工湿地设计概念图

该设计用ProE5.0系统在 Windows7.0系统操作下完成。首先用泵将水提升至顶端配水塔，再由配水塔将水均匀分配到第一层湿地，即垂直流湿地的4个小单元中，污水流经该层湿地部分净化后，由收集渠收集污水，将其分配到第2层的湿地，即水平潜流型湿地的4个小单元中，再次经过部分净化后同样以类似的方式流入第3层湿地，即表面流型湿地中。3次净化后的污水经收集以管道群形式排入水体。水面辅以具有漂浮性质的填料，种植湿地植物后作为第4层湿地。水下则可以选择种植沉水植物，更进一步净化水体。

在该设计中将湿地系统立体化、模块化，湿地系统分为5个层次，水上为人工湿地主体系统，由上至下分别设计为垂直潜流型、水平潜流型为主的人工湿地，水面和水下分别是水面浮水植物区和沉水植物区。水上立体式人工湿地通过模块化后，根据湖泊水体污染面积及污染程度可以建设不同数目的模块单元，对于面积大且污染严重的湖泊建立“水上人工湿地群”，使不同的单元组合起来以达到高效快速净化水体的功能。此外，在农村生活污水和面源、点源污染水体排入环境之前可通过该湿地模式进行预处理，以免引起地下水污染，减轻对环境的压力，促进生态高值农业的发展。

3 结语

水上立体式人工湿地减轻了自然湿地的压力，既保护了自然湿地，又与自然湿地互补增效，该技术不向水体投放任何化学试剂，不将污染物输入它处，不产生二次污染，实现了生态效益、经济效益、社会效益和景观效益的和谐统一。目前国内的人工湿地设计和运行理论发展较快，技术逐渐趋于成熟，但是在水上建立立体人工湿地仍然会面临资金和技术的困难，这种设计理念和思路可以缓解现阶段建设湿地用地紧张的局面，有利于促进人工湿地标准模型的发展，同时也丰富了人工湿地设计思路，有助于推动人工湿地系统的推广应用，是一项创新性的直接治理富营养化湖泊和修复水体的生态技术。

［1］ 中华人民共和国环境保护部.2011年中国环境状况公报［EB／OL］.［2012－07－01］.http：／／jcs.mep.gov.cn／hjzl／zkgb／2011zkgb／201206／t20120606＿231040.htm.

［2］ 中华人民共和国环境保护部环境规划院.滇池流域水污染防治“十二五”规划编制大纲［EB／OL］.［2012－07－01］.http：／／www.caep.org.cn.

［3］ 张 清.人工湿地的构建与应用［J］.湿地科学，2011，9（4）：374～377.

［4］ 何明雄，胡启春，罗安靖，等.人工湿地植物生物质资源能源化利用潜力评估［J］.应用与环境生物学报，2011，17（4）：527～531.

［5］ 蒋绍阶，黄新丽，向 平，等.水流注入方式和填料层高度对人工湿地流态的影响［J］.湿地科学，2012，10（2）：170～175.

［6］ 郑春雨，王光华.湿地生态系统中主要功能微生物研究进展［J］.湿地科学，2012，10（2）：243～249.

［7］ 魏 成，刘 平，秦 晶，等.不同基质和不同植物对人工湿地净化效率的影响［J］.生态学报，2008，28（8）：3691～3697.

［8］ 聂志丹，年跃刚，金相灿，等.3种类型人工湿地处理富营养化水体中试比较研究［J］.环境科学，2007，28（8）：1675～1680.

［9］ Yalcuk A，Ugurlu A.Comparison of horizontal and vertical constructed wetland systems for landfill leachate treatment［J］.Bioresource Tech，2009（100）：2521～2526.

［10］ Maehlum T，Stalnacke P.Removal efficiency of three cold－climate constructed wetlands treating domestic wastewater effects of temperature，seasons，loading rates and input concentrations［J］.Wat Sci Tech，1999，40（3）：273～281.