人工湿地在城市景观水系水质净化中的应用研究——以贵州六盘水西铺河为例

杨永森（北京东方园林生态股份有限公司，100000）

人工湿地在城市景观水系水质净化中的应用研究
——以贵州六盘水西铺河为例

杨永森（北京东方园林生态股份有限公司，100000）

目前，水质恶化和水体富营养化在景观水体中普遍存在，不但破坏了水体的景观效果，而且还会出现水体恶臭现象，使之成为新的污染源。因此，开发经济、高效的人工景观水体水质净化技术成为重要的课题（申欢等，2007）。人工湿地(Constructed  Wetland )是由人工建造和控制运行的类似沼泽地的地面，将污水有控制地投配到人工湿地上，通过土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物协同作用，可以实现对污水进行处理的目的（汤显强等，2007）。人工湿地处理技术具有费用低、维护管理简单、对环境影响小、可分散化与小型化建设的特点，近年来被广泛用于去除有机污染物和氮磷等营养盐污染物，可用来处理各类被污染的水体，包括工业废水、农业废水、城市暴雨径流、生活污水、富营养化湖水等（Coveney et al，2002；张海等，2007）。

人工湿地特别适合处理景观用水区附近的污水，为水体提供清洁的水源。本研究的人工湿地合理利用自然地形，采用多级潜流人工湿地与阶梯多级表面流湿地复合的湿地水净化系统，不仅实现了水质保障，而且构建了人工水体景观。

1 研究区概况与处理要求

1.1 基本概况

研究区位于贵州省六盘水市盘县境内西铺河放马坪段(图1)。研究区属珠江流域南北盘江水系，西铺河是北盘江二级支流，拖长江右岸一级支流，全流域面积99.1 km2，河段长度19.43 km，主河床平均比降13.79‰，流域形状系数0.263。

目前西铺河河道渠化硬化，生态功能丧失，河道内湿生植物种类单一，长势较差，湿地特征不够明显，上游大量的违章建设对湿地造成了较为严重的破坏，农村生活源和农业面源污染严重，河流现状水质为劣Ⅴ类。根据盘县有关城市规划的要求，湿地下游城市东湖景观水体需从西铺河引水（相对位置关系见图1），因此亟待采取有效措施改善西铺河水质，为景观水体提供清洁优质的水源。

1.2 湿地处理目标

在上游未能有效截污控污的情况下，在西铺河进行水质净化为主的功能性人工湿地建设，实现来水的深度净化，使西铺河水质达到《城市污水再生利用景观环境用水水质》（GB/T18921-2002）的水质要求。利用区域地形高差形成梯级配水净化的效果，改善入东湖水体水质，提升整个河道的生态功能与价值。

2 人工湿地处理工艺设计

2.1 工艺选择

人工湿地是以天然湿地结构原理为基础，仿造或改进建设的一种净化水体的技术，基本原理是通过人工湿地内的植物、微生物、填料等的物理、化学和生物作用，对水体中的污染物进行净化。通常可分为3种类型：表面流人工湿地、潜流人工湿地以及垂直潜流人工湿地（聂志丹等，2007；杨敦等，2003）。

1）表面流人工湿地。污水在人工湿地的土壤等基质的表层流动，依靠植物根茎与表层土壤的拦截作用以及根茎上生成的生物膜的降解作用，使污水得以净化的人工湿地形式。

2）水平潜流人工湿地。污水从人工湿地的一端进入，在人工湿地床表面下以近水平流方式流动，最后流向出口，使污水得以净化的人工湿地形式。

3）垂直潜流人工湿地。污水从人工湿地表面垂向流过基质床的底部或从底部垂直向上流向表面，使污水得以净化的人工湿地形式。

从净化效果与水力负荷适用性角度来看，垂直流人工湿地优势较为明显；从扰动最小、景观营造度来看，表流湿地是更好的选择。结合研究区特点，在景观要求较弱的区域，采用水质净化效果更好的垂直流人工湿地；在其它湿地区，采用表流湿地及其延伸的半自然型湿地，在水质净化的同时，打造良好的湿地生态效果。

图1 研究区位及其与景观水系相对关系

2.2 湿地规模与空间布局

根据《人工湿地污水处理工程技术规范 HJ2005-2010》，可选用污染负荷、水力负荷核算人工湿地面积，并用两者计算结果互相校核（中华人民共和国环境保护部，2010）。考虑湿地设计的水力负荷、停留时间等限制因素（贾世杰，2014），本研究区湿地设计流量取西铺河枯水期最小来水流量，即0.4 m3/s（折合3.5万m3/d ），根据规范计算并复核净化湿地面积45 hm2。

根据研究区地形地貌、分流水量、宽度、坡度等条件，结合潜流及表面流人工湿地的相关设计要求，搭配种植本地乡土水生植物，使其形成多类型人工湿地和自然湿地有机搭配的多级阶梯水质净化湿地单元群，水质净化的同时，营造良好的生态效果，改善区域生态环境，增加物种多样性，完善生态系统(彼得·布林等，2014)。图2为人工湿地系统平面图。

图2 人工湿地平面布置图

西铺河入东湖湿地前端沉砂池后分流，沿河形成东西两片湿地净化区。两片净化区设计处理水量分别为2.0、1.5万m3/d 。利用前端潜流湿地与表流湿地组合工艺进行水质净化，其中表流湿地在发挥净化功能的同时，可达到良好的生态效果，作为东湖湿地的展示主体，东片区21 hm2，西片区24 hm2。两片湿地净化区设计参数如表1。

2.3 工艺流程与处理单元

本研究主体工艺单元包括沉淀池、潜流湿地、表流湿地等，辅助设施有引水渠、分流池、引水支渠和引水管等，工艺流程见图3。

主要的处理单元包括：

1) 配水单元。将上游来水通过涵管分流导入湿地配水区，通过布水堰均匀配水至湿地初沉净化区。

2）初沉净化单元。初沉净化区主要起到预处理塘的作用，进一步沉淀来水中所含大颗粒污染物，而后通过浅水、深水地形改造、浮叶沉水植物种植，营造好氧、厌氧条件对来水进行初步净化。

3）多级潜流湿地净化单元。底部采用天然钠基膨润土毯防渗，避免污水入渗，向上分别分层铺设300 mm卵石集水/布水层，100 mm砾石过渡层，800 mm碎石/陶粒层，100 mm砾石过渡层，300 mm卵石布水/集水层。分别在布水层与集水层中布设Φ110UPVC开孔管，用于布水与集水，提高布水、集水均匀性，并在下层管中设置排气管。一级潜流湿地出水通过连接井进入二级潜流湿地，两级湿地水面高程差为0.5 m，并可通过连接井出水管出口高程进行调节。同时利用净化出水配合整体的风格与要求，营造不同形式与风格的阶梯跌水效果，并创造跌水复氧条件(图 4)。

4）阶梯多级表面流湿地单元。对潜流湿地出水的进一步净化，主要通过植物措施降低氮磷，其结构采用复式断面，深水区水深1.2 m，浅水区水深0.5 m，满足表流湿地停留时间达到4～8 d 的要求。进入该区后，通过水面扩散以及植物分泌进行氧补给，水体中的溶解性和颗粒性污染物与植物根系发生接触，通过根系微生物、植物和湿地土壤的协同作用去除。挺水植物通过其根系及底泥中兼氧微生物的代谢作用，对污染物进行再次的沉淀与截留，同时还能够通过硝化和反硝化作用去除水中的氨氮污染物。

表1 研究区湿地净化单元设计参数表

3 人工湿地建设与管理要点

3.1 植物选择与维护管理

植物选择遵循以下几个原则：采用本土物种，杜绝外来物种；兼顾整体效果和湿地净化效益，可产生一定的经济价值（李洁等，2013）。本研究区挺水植物采用芦苇、荷花、千屈菜、水葱、香蒲、菖蒲等；浮叶植物主要考虑睡莲、荇菜、莼菜、芡实等；此外，水深区域则考虑大范围的种植沉水植物，如金鱼藻、狐尾藻、黑草、菹草等。湿地植物种植设计应合理布局和分布，建议采用片状混种的模式进行种植。

图3 工艺流程图

湿地植物的维护管理以不降低湿地处理能力为原则。湿地植物通常在雨季时期生长迅速，大量吸收污水中携带的营养物质，在冬季来临之前必须进行收割，将湿地中部分氮磷通过植物的收获去除。此外，秋冬季是植物地下根茎和根芽的重要生长期，植物收割能够给第2年植物的生长创造良好的环境。莲藕、芡实、金鱼藻等浮叶植物和沉水植物，可以定期收割作为饲料或沤制绿肥。对于人工湿地水质净化工程中种植的芦苇等挺水植物，宜每年在秋季收割一次。

3.2 水系布局与地形改造

适当增加区块的水面率，使可通过的水量有一定的提升，进而增加内部可处理的水量，为水质净化提供更多保障。水系布局还应尽量考虑水体连通性，尽量避免出现水体循环的死角。水系流向应结合研究区内外水体流动方向与整体流向保持一致。水体深度要结合植物设计进行整体考虑，以便提供植物正常繁育所需的水深。为避免工程量过大，微地形改造水深不宜过大，保留挺水植物可生长的深度即可，设计平均水深0.8 m，最大水深1.5 m。

图4 潜流人工湿地断面示意图

3.3 湿地维护

3.3.1 基础设施日常维护 人工湿地基础设施日常维护主要指湿地围堰、导流堰的日常维护与管理；配水区闸门、湿地水位调节闸门的定期检修，湿地布水堰、出水溢流堰的定期检查；栈道、观测台木板、木梁、栏杆及麻绳等的定期检查，确保其牢固、安全，若出现损坏或松动，应及时修补、加固。

3.3.2 湿地水位调节 在湿地运行初期，为促进人工湿地水生植物生长与保证系统达到稳定状态，需要对整个湿地系统的水位进行调节。人工湿地运行初期，每年3—6月设计为湿地水位调节期，3月上旬将水位调节闸开启，人工湿地由正常的运行水位逐渐下降，逐步达到最低控制水位，此时人工湿地挺水植物在较低的水位开始萌发、生长，同时由于湿地系统水深较浅，也便于维护人员进行大范围的检查、维护以及检修，待植物生长成熟、系统逐步稳定后，于6月下旬闭闸，湿地系统开始蓄水，直至再次达到正常运行水位。

4 预期效果估算

采用Reed 模型，对人工湿地水体污染物去除率进行预测。预测方法如下：

其中：Ce=出口处排水的污染物质量浓度（mg/l）；Ci=进口处排水的污染物质量浓度（mg/ l）；As=人工湿地各净化区域面积（m2）；y=湿地深度（m）；n=孔隙度（百分比）；Q=通过湿地的平均流速（m3/d ay）；KT=温度T时的速度常数（d ay-1）

采用上式计算本研究人工湿地处理效果见表2。

5 结语

本文研究对象为贵州省六盘水市盘县西铺河，湿地处理对象为受河流上游村庄、农田污染的水体，污染程度较为严重。合理利用自然地形，采用多级潜流人工湿地与阶梯多级表面流湿地复合的湿地水净化系统，并选取合适的湿地植物，保障人工湿地的正常代谢。设计处理能力为3.5万m3/d ，设计人工湿地45 hm2，水力停留时间为4 d 以上。经过人工湿地后可基本实现水质净化目标，使西铺河水质提升达到景观水体要求。

表2 预计湿地处理效果表

利用人工湿地净化城市景观水体，不仅有效保障污水处理水质,还可营造城市水景，而且通过充分发挥湿地生态服务功能，必将推动研究区所在地生态环境的改善，树立沿岸良好的城市形象，对促进地方经济可持续发展具有重要意义，具有广泛的社会效益。

彼得·布林，盖里·沃尔，邹珊．2014．生态型景观—人工湿地在水敏型城市中的应用：墨尔本皇家公园人工湿地与雨水收集回用系统[J]．中国园林(4)：34-38

贾世杰．2014．人工湿地及其影响因素简述[J]．资源节约与环保(11)：144-145

李洁，崔丽娟，李伟，等．2 0 1 3．兼顾景观功能的人工湿地植物配置模式探讨[J]．湿地科学与管理，9(1)：10-14

聂志丹，年跃刚，金相灿，等．2 0 0 7．三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，28(8)：1675-1680

申欢，胡洪营，潘永宝，等．2007．用于净化景观水体水质的人工湿地设计[J]．中国给水排水(2)：39-42

汤显强、黄岁樑．2007．人工湿地去污机理及国内外应用现状[J]．水处理技术，33(2)：9-13

杨敦，周琪．2003．人工湿地脱氮技术的机理及应用[J]．中国给水排水，19(1)：23-24

张海，张旭，钟毅，等．2 0 0 7．潜流人工湿地去除大庆地区湖泊水体中石油类化合物的研究[J]．环境科学，28(7)：1449-1454

中华人民共和国环境保护部．2011．人工湿地污水处理工程技术规范HJ2005-2010[S]．中国环境科学出版社

Coveney M F,Stites D L,Lowe E F,et al.2002. Nutrientremoval from eutrophic lake water by wetland filtration[J].Ecological Engineering,19(2):141-159

The Application of Constructed Wetland in Purification of Urban Water System: A Case Study of Xipu River, Liupanshui, Guizhou Province

YANG Yong-Sen (Beijing Orient Landscape and Ecology Co. Ltd., Beijing, 100000)

针对农村生活源与农业面源污染的水体，合理利用自然地形，采用多级潜流人工湿地与阶梯多级表面流湿地复合的湿地水净化系统，并选取合适的湿地植物，保障人工湿地的正常代谢。设计人工湿地处理能力为3.5万m3/ d ，人工湿地面积45 hm2。经过人工湿地处理后可基本实现水质净化目标，使其达到景观水体标准，不仅有效保障处理水质，可营造城市水景，通过充分发挥湿地生态服务功能，改善研究区所在地生态环境。

人工湿地；景观水体；水质；净化

With rational use of natural landform, a constructed wetland with cascade subsurface flow was used in combination with multi-step surface flow for purification of the water system polluted by rural household disposals and agricultural discharges, and with use of proper wetland plants to ensure normal function and metabolization of the wetland. The designed capacity of water treatment and the surface area were respectively 3.5 x 104 m3/day and 45 ha for the constructed wetland. With treatment of the constructed wetland, the objective of purification of water quality was basically achieved, reaching the quality standards for the waterscape. The approach not only guarantees the water quality but also creates urban waterscape. By elaborating the ecological services of the wetland, the ecological conditions of the area would be improved.

Constructed wetland; Waterscape; Water quality; Purification

10.3969/j.issn.1673-3290.2015.01.03

2015-01-15

杨永森(1980-),男,硕士，工程师，主要从事生态环境规划设计工作。E-mail：yangyongsen@orient scape.com