人工湿地生态环境景观发展研究

庞 珺，王秀峰

(山东农业大学园艺科学与工程学院，山东 泰安 271018)

1 引言

在湿地的功用越来越受重视的今天，湿地也渐渐变成了时髦的词汇，被众多设计师青睐，越来越多的运用到景观设计中。近年来，通过对湿地进行科学监测和研究，发现其存在着多方面的社会、经济和生态价值，是一个完整的生态系统，具有很强的自我调节能力［1］。在世界自然资源保护联盟(IUCN)、联合国环境规划署(UNEP)和世界自然基金会(WWF)编制的世界自然保护大纲中［2］，湿地与森林、海洋被一起并列为全球三大生态系统，被誉为“地球之肾”［3］。但人们对湿地的理解仍然相当匮乏，需要更加深入地解读湿地、解读人工湿地。

2 研究现状

在大自然长期的发展变化过程中，湿地本身已经具备了自我净化、自我完善的强大能力，使自然界得以持续而有序地运行［4］。按自然界自身规律去恢复其本来面貌，强化其自身的自净能力去治理被污染水体，是人与自然和谐相处的合乎逻辑的治污思路，也是一条创新的技术路线［5］。如今，在环境科学方面和景观规划方面，国内外对人工湿地的研究与应用正逐步深入，并已收到了很好的效果。

2.1 国外研究现状

2.1.1 环境科学应用中人工湿地研究现状及进展 人工湿地处理污水工艺在世界各地受到重视并被运用，是在20世纪70年代Kickuth 提出人工湿地污水处理系统“根区法”理论后开始的。该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用的热潮，标志着人工湿地作为独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域［6］。美国、英国在20世纪中叶以后，相继展开人工湿地的调查、研究，提出了有关机理和一些设计规范和数据，标志着人工湿地处理系统作为一种独特的污水处理技术进入环境科学技术领域［7］。

到20世纪末，世界各国各领域的专家学者开始从不同的角度研究湿地，希望从结构、功能、过程、动态等方面对湿地进行深入分析了解，探索保护与利用协调发展的模式。北美、欧洲等发达国家湿地方面研究成果涉及范围较广，从湿地生态系统的保护及管理、湿地开发利用、微量元素的迁移、生境特点及效率、湿地效益分析、湿地污水处理功能分析、湿地植被的因子分析、湿地损失原因分析、湿地生物多样性等方面均有较为深入的研究［8－15］。

人工湿地应用于环境科学领域已有近百年的历史。利用自然湿地处理污水的方法多年前就已经被多个国家使用，而有意识、有目的地利用湿地系统进行污水处理则始于20世纪70年代。而人工湿地在污水处理等方面的不可替代性已经通过几十年的研究探索得到证实，最早运用人工湿地处理污水可追溯到1903年，这个被认作世界上第一处用于处理污水的人工湿地建在英国约克郡Earby，直到1992年仍在连续运行［16］。自其建成后，人们对湿地的污水净化机理展开了广泛的研究，逐渐从“黑箱理论”深入到包括污染物去除机理、影响因素、工艺结构等各方面的研究［17］。1974年在西德Othfrensen进行了第一个完整的人工湿地试验，运行结果相当理想［18］。在北美，20世纪70年代就已经开始对不同设计的人工湿地进行实验，观察到湿地具有同化能力。随后各种不同的湿地在世界各地己被用来处理大量不同的废水，并且取得很显著的效果。截止到1998年美国有600 多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水［19］。在丹麦、德国、英国各国家均至少有200 多处在运行［20］，在新西兰也有80 多处人工湿地投入使用［21］，北美2/3 的湿地是自由表面流湿地，其中一半是自然湿地［22］。地下潜流系统在欧洲应用较多，特别是在一些东欧国家［23－27］。

2.1.2 景观规划设计中人工湿地研究现状及进展 从奥姆斯特德(Olmsted)中央公园谈起，1880年由景观设计师奥姆斯特德在波士顿主持制定了以“自然湿地”为名称的湿地规划［28］。这是美国城市线性湿地公园思想和实践的起源，成功地把湿地自然过程与城市公园体系相联系，促进湿地空间的活力。设计师在规划时，对查尔斯河流域进行了景观规划和改造，恢复了自由弯曲的河流体系，并按自然规律重新构造了滩地和湿地，成为早期对人工湿地景观利用的典范［29］。随后，美国等发达国家对人工湿地的作用又有了进一步的认识，发现湿地植被和土壤可以净化污水，从而探索将水域空间的治理、地下水蓄积等与城市公园结合起来的方法［30］。例如，1998年美国圣保罗市对安姆斯湖(AMES)的改造。

从20世纪50年代末，发达国家兴起了滨水湿地景观设计的复兴，在大部分大城市内都进行了湿地景观建设和改造［31］。其中最为著名的有英国伦敦的湿地中心、德国汉堡市“轮渡终点站”、波士顿的罗尔码头滨水湿地项目、芝加哥的海军码头。亚洲的日本，湿地开发也是建设热点，著名的东京滨水开发(1989年)，大阪的滨水湿地整治(1988～2000年)等项目，都是湿地建设项目，并取得了较好的综合效益［32］。

2000年夏天，泰晤士河畔的伦敦湿地公园正式向大众开放，紧邻繁忙的希思罗(Heathrow)国际机场，距离伦敦市中心不到6 km，它为城市湿地的保护和开发提供了一个成功的利用模式，并被誉为“展示在未来的世纪里人类与自然如何和谐共处的一个理想模式”［28］、“一个让人惊异的、奇迹般的地方，使得人类和野生生物在我们美好的城市中相聚”，是现今欧洲最大的人工湿地生态系统［33］。

随着生态设计理念在景观规划领域的逐步渗透和影响，世界各国开始加强对人与自然交流共生空间规划设计的关注，着重开发景观的社会功能性，探索延伸出新的设计理念，如以湿地景观为主题的日本的YATSU 自然湿地观察中心及香橙公园，用生态设计的方法，营造优秀的城市湿地公园［34］。瑞典的T.Senderkus 指出了湿地景观的重要性，并提出了“景观透视”(landscape perspective)的概念［35］。目前在湿地公园建设与管理等方面，美国、英国、日本、澳大利亚、马来西亚等国均已积攒了较成功的经验。

总体来看，国际上对湿地景观的技术理论研究及实践应用相当积极和广泛，积累了丰富的经验，研究成果涉及各个领域。但是，尚未从广度上形成各学科联系综合性强的研究成果，也未形成全面的理论体系。

2.2 国内研究现状

2.2.1 环境科学应用中人工湿地研究现状及进展 目前，人工湿地生态系统净化废水的研究，已涉及到湿地生态系统的结构、湿地生态系统净化废水的原理、功能及其限制条件、湿地生态系统多个单元的组合、湿地生态系统的参数设计、湿地生态系统处理废水的经济效益分析、湿地生态系统中的大型水生植物以及湿地生态系统的调控等等各个方面［36］。

人工湿地净化废水的机理十分复杂，迄今还留有许多问题尚待澄清。根据其不同利用目的和方式，现阶段国内对人工湿地基础理论的研究集中侧重在工艺流程、水质污染净化、生态环境评价、植物配置等几个方面。

赵大传等在文章中研究得出厌氧折流板反应器(ABR)与人工湿地(constructed wetland)的组合工艺可作为农村生活污水的处理工艺推广使用的结论［37］。郑蕾等分析了人工湿地设计涉及的动力学和水力学，对比了传统污水处理技术和人工湿地技术的特点，列举实例分析了人工湿地的优化工艺组合［38］。陆琦等在总结国内外人工湿地传统设计方法的基础上，引入了Monod 反应动力学模型和离散型水流流动模型，提出了复合垂直流人工湿地的优化设计方法［39］。

张琼华等从设计规模、水质标准、湿地平面和堤坝设计、进水方式以及防渗结构和湿地植物等方面，介绍了用于景观水体水质净化的人工湿地系统及设计方案［40］。程凤林对建立的人工湿地数学模型在两种情况下进行了计算和讨论，从而得到不同情况下，给出初值及边值污染物的相对浓度，为提高人工湿地污水处理提供了有力的理论依据［41］。

焦璀玲等结合平阴湿地实际情况，采用MIKE 21 模型对湿地示范区进行了二维水动、水质模拟，给出了水体中污染物随时间和空间迁移变化规律，分析了湿地在改善当地水环境方面的作用［42］。田海龙等通过分析影响我国区域人工湿地建设的几个重要因素，建立了人工湿地适宜性评价的指标体系，对人工湿地建设的适宜性进行了定量化判定［43］。谢放尖等于2008年建立了健康评价指标体系，改进了原有评价标准，构建了模糊综合评价模型，对苏州太湖国家旅游度假区一期人工湿地生态系统进行了健康评价，识别了健康制约因子，并提出了相应的调控措施［44］。李春艳等以哈尔滨松北区城市湿地为研究对象，应用人工神经网络建立生态环境质量评价的BP 网络模型，选择6个因子作为松北湿地生态环境质量的评价指标，用训练好的BP 网络进行评价［45］。

陈明利等将15 种景观植物引入人工湿地，用于构建景观型人工湿地污水处理系统，对植物在各处理单元中的氮积累特征及植物氮吸收对系统脱氮贡献率进行研究［46］。朱启红等为筛选适应畜禽养殖废水处理的人工湿地新物种，丰富湿地植物库，选择滴水观音、花叶万年青、马蹄莲、绿萝、白掌共5 种观赏植物进行水培试验［47］。徐光来等阐述了植物在湿地系统中的重要作用，分析了湿地植物在人工湿地处理污水中起作用的影响因素［48］。刘洋等通过对栽种有芦苇和美人蕉的水平潜流人工湿地进行两年多的试验研究，分析人工湿地去除效果随运行时间变化的规律，探讨不同季节和温度对COD、TN和TP 去除率的影响［49］。

虽然我国利用人工湿地进行污水处理的尝试起步较晚，但近年来取得了一定成效。我国在“七五”期间开始了人工湿地的研究。首例采用人工湿地处理污水的研究工作始于1988～1990年在北京昌平建造的自由表面流人工湿地，对城市污水进行处理［50］。1990年，国家环保局在深圳白泥坑建造了第一个规模较大的人工湿地作为城市污水处理试验场，处理3100 t·d－1的城市人工湿地示范工程，占地面积12.6 hm2［51］。1992年，天津市环保所在实验室建立了人工湿地的研究系统，对人工湿地处理废水的规律进行了系统的研究［52］。

此外，对人工湿地的营建有许多成功案例，深圳“洪湖公园”中兴建了一处人工湿地，这是中国首次在城市绿地中应用人工湿地的尝试［53］。之后，中国在成都兴建了“活水公园”，它展示了人工湿地系统处理污水新工艺的以水为主体的环境科学公园［54］。沈阳市于2003年采用人工湿地生态技术治理城市污水，并在沈阳浑南新区建设了一块占地约10×104m2的人工生态湿地，为人工湿地技术在北方地区的应用提供了一个很好的借鉴［55］。

2.2.2 景观规划设计中人工湿地研究现状及进展 20世纪70年代我国才开始注重人工湿地的建造与利用，起初主要关注工艺流程、植物选取、处理效果等方面，对湿地景观设计研究相对较少。近年来，随着生活水平提高，人们对环境质量的要求也在不断增强，环保意识提高的同时要求污水处理技术的进一步完善，湿地系统作为一种集合了功能和景观于一体的生态环境景观资源，逐渐成为城市景观的必要组成要素。

湿地作为城市稀有的自然资源，是城市绿地生态系统的重要组成部分，许多学者对湿地的景观规划、保护以及开发利用等方面都进行了不同程度的研究，为更好地保护和利用湿地提供了重要的科学依据。

俞孔坚、李迪华、孟亚凡于2001年以北京中关村生命高科技园区规划为例，介绍了湿地生态系统在高科技园区规划中的应用。分析表明，建立湿地生态系统不仅可以带来显著的生态效益和经济效益，同时还能够大大节约使用水资源［56］。随后，吴维芳以深圳“海上田园”为例，从生态、文化、经济方面分析了设计和施工中需要关注的问题，并对以生态文化为主题的大型旅游区的建设提出了一些独到见解［57］。沈实现等介绍了湿地生态系统的概念及定义，指出湿地生态系统恢复的重要意义，并以浙江富阳鹿山滨江景观规划设计为例，提出了建设城市湿地公园是保护和恢复湿地生态系统的有效手段和湿地生态旅游资源开发的重要模式［58］。湿地国际中国办事处主任陈克林提出了湿地公园的特点和建设工程以及管理中应注意的问题［59］。牛晓君通过介绍人工湿地的主要植物体系，并对其进行了环境生态效益、社会经济效益、景观效益等分析，推荐了人工湿地中常用的一些植物［60］。骆林川等对南京秦淮河湿地公园潜在生态经济效益进行了分析，总结了湿地公园与城市生态安全和生态环境的关系［61］。屈海燕等通过对沈阳世界园艺博览会人工湿地景观设计的分析，阐述了在人工湿地景观中模拟生态空间建设的几点设计要求，并指出了人工模拟生态空间中还需注意的问题［62］。岳桦、孙文通过设置样方的方法调查黑龙江省植物园湿地专类园植物群落种类与构成，结合公众对湿地景观特征的美感度偏好的心理问卷调查研究，探讨人工湿地景观公众的认可程度［63］。

1998年，美国“水的保护者(Keepers of The Waters)”组织的创始人贝西·达蒙(Betsy Damon)女士及中、美、韩各国专业人士共同设计的成都活水公园是我国城市公园规划设计建设中首次把人工湿地技术作为景观要素运用在城市公园中，并成为城市人工湿地景观的成功范例，是我国城市人工湿地景观运用在城市景观中的开山之作，它是我国人工湿地景观设计兴起的重要标志和里程碑［64－65］。

最近几年，随着我国改革开放的深入和社会经济的全面发展，为满足人们日益增长的物质文化生活的需求，我国许多城市进入了人工湿地景观的营造摸索阶段，一些经济发达的地区开始建设湿地公园，较为成功的有:杭州钱塘江滨江湿地、太原市汾河河流沿岸湿地地段开发、广州肇庆湿地公园、浙江西溪湿地公园、福建乌龙江湿地公园、山东荣城湿地公园、香港米蒲湿地公园等等。与此同时，在小区居住环境规划设计中，人们也充分发挥湿地的功能和优势，将传统的生活小区建成更适合人居住的生态小区。

目前，湿地保护己不再局限于仅仅建立湿地保护区和进行湿地管理，而是从景观和生态系统角度考虑，进行跨区域全球范围的相互合作。

3 存在问题

综上所述，目前世界上越来越多的国家都认识到湿地建设与保护的重要性。各种关于湿地保护、恢复、重建、规划等方面的研究项目和研究组织相继出现，湿地研究趋向于综合化，开展生态、环境、水文和资源科学的协同研究，尤其在解决区域性的湿地理论和实践问题上，跨学科的综合研究越来越多，研究也越来越深入，并取得了一定的研究成果。但在人工湿地的生态景观研究方面仍存在许多问题。

(1)与环境科学方面对人工湿地处理污水方面的研究相比，景观规划设计方面的人工湿地研究较少，且并未形成完整的体系理论。

(2)国际上对人工湿地的研究已相当活跃，涉及到各个领域。发达国家湿地研究居国际湿地研究的领先地位，发展中国家湿地研究水平也有大幅度提高，在某些方面发达国家与发展中国家研究水平的差距正在不断缩小。但总体来说，我国的湿地研究起步较晚，人工湿地景观规划的理论研究与具体实践还十分薄弱，与发达国家之间的湿地研究水平有一定的差距，人工湿地公园的建设也处于初始阶段。

(3)对人工湿地的研究及保护策略多从生态学角度进行，只局限于保护为主的方案，对经济、政策、资金等考虑较少，可操作性差。

4 展望

人工湿地营建景观的功能符合自然发展规律，也符合人类可持续发展的要求。人工湿地营造的生态环境景观作为一种独特的水景形式，从社会、经济、生态、环境和景观几个方面来讲，都具有可行性和创新性。目前，在生态景观领域的应用研究还处于起步阶段，今后应在人工湿地营造生态环境景观的基础理论、结构功能、规划设计、营造形式、构成要素及生态环境景观的和谐统一等方面加强研究和探索，充分发挥人工湿地的综合效应。

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