平遥县柳根河入汾口湿地工程设计综述

李 礼

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

柳根河属汾河一级支流，主要汇入支流有东、西青沙河及官沟河。工程位于平遥县柳根河入汾口处，东起汾河灌区东四支渠渡槽，西至柳根河穿汾河堤大桥，全长约620 m。河道外侧为耕地，河道总宽30 m，其中主槽宽7 m、深1 m，两侧滩地宽6～17 m、高1.7 m，边坡1∶1，平均纵坡1.9‰～4‰。两岸未修建堤防，为自然状土坡；岸坡杂草丛生，时有塌陷，不能满足防洪要求。河道中现有基流水质不清，可对汾河干流造成污染，生态环境问题比较突出。

1 工程任务与布置

1.1 工程任务及等别

工程建设的主要任务：一是修建河道两岸堤防，稳定岸坡，使其达到防洪标准，彻底解决洪水隐患。二是设置景观蓄水堰，美化湿地，形成自然、雅致、空气清新的空间，增加人和自然和谐的氛围，为群众提供一个休闲娱乐、放松身心的场所。三是构建完善的河流生态系统，保持生物多样性，削减河道上游来水中携带的污染负荷，恢复河流的生态功能。

根据相关规范标准，治理区域按20 年一遇洪水进行设防，堤防的工程级别为4 级，确定壅水坝和主槽岸墙为Ⅴ等工程，按5 级建筑物设计。

2 人工湿地设计

2.1 方案选择

人工湿地分为表流人工湿地和潜流人工湿地，其中污水在河床表面流动的为表流湿地，在河床表面以下流动的为潜流人工湿地。表流人工湿地具有投资少，运行费用低，维护简单等优点，而潜流人工湿地存在填料成本、建设费用高，填料宜堵塞等问题。经综合比较，柳根河入汾口湿地采用表流人工湿地方案。

2.2 净化机理

人工湿地是利用土壤、植物、微生物的物理、化学和生物三重协同作用，通过沉淀、过滤、吸附、植物吸收和微生物分解作用使污水得到净化。

污水中的悬浮物（SS）主要靠沉淀作用及植物根系和生物膜的截留作用去除。不溶解有机物通过沉淀、植物拦截、土壤过滤作用被很快去除；溶解性有机物主要通过微生物转化为自身机体、二氧化碳和水。

有机氮经生化分解转化为氨氮，氨氮主要通过硝化—反硝化作用及植物吸收得到去除。磷在湿地中通过土壤的吸附沉淀、微生物同化作用、植物吸收得到去除。

重金属主要通过物理沉积、植物吸收和微生物吸附作用去除。在湿地中，油脂中挥发性组分经蒸发而散失，其余部分被微生物分解破坏。

2.3 净化措施

2.3.1 河床基质

为减少投资，自现状地面高程沿缓坡开挖至河道主槽，并保留原河道主槽剩余部分。以开挖断面为河床基质，形成植物生长、微生物附着的载体，并提供植物生长的营养物质。河床基质是污染物被处理的主要场所，通过吸收、吸附、过滤、离子交换等物理、化学途径去除污水中的有机物、氮、磷等营养物质，使得污水得到净化，水质得到改善。

2.3.2 植物措施

在植物生长和繁殖过程中，能够大量消耗污水中的有机物，吸附净化重金属等有害物质，同时为湿地提供氧气。本工程采用根系发达，耐污能力强，去污效果好，抗病害能力强的湿地植物，对污水进行净化处理。

2.3.3 水体自净措施

在湿地下游修建一座蓄水溢流堰，一方面形成大面积水域，另一方面形成“流水不腐”的流动河。溢流堰的跌水曝气，使水体有充足的溶解氧，促进微生物繁殖生长，并且能够控制水华的产生。

溢流堰采用浆砌石材料，堰高1 m、长80 m，蓄水位739.0 m。由上游格网石笼护底段、实体堰段、下游护坦段、海漫段组成，总长22.5 m，溢流堰纵剖面见图1。

2.3.4 生态系统构建措施

图1 溢流堰纵剖面图

本工程在湿地内修建3 个生态岛，水域外布置滩地的微地形和微环境，增加了河流形态的多样性，为鸟类、两栖动物和昆虫提供了栖息环境，形成稳定的生态系统，构建多自然型的生态河道，强化了湿地的自净能力。

生态岛的护岸型式自上而下为边坡1∶2 的生态袋护坡，格网石笼直墙及反滤土工布，护岸总长度为442.5 m。生态袋护坡位于蓄水位以上，总高为0.45 m，袋内附有草籽。格网石笼直墙总高度为1.5 m，基础埋深0.5 m，宽1.5 m，墙身宽1 m。

2.4 其他设计

2.4.1 堤防设计

为妥善解决湿地行洪安全，顺应河流自然规律，在湿地外侧沿河道方向修建防洪堤防，并与东侧乡村道路及西侧汾河大堤衔接。左岸堤防利用南侧现有道路修建而成，右岸堤防结合湿地边缘形态呈曲线布置。左、右两侧堤防长各为610 m、650 m。

堤防为均质土堤，对原地面进行0.2 m 厚清基处理，并利用湿地开挖土料回填碾压筑堤。堤顶宽6 m，中间为宽4 m 的沥青混凝土行车道，两侧绿化各1 m。迎水侧护坡自上而下为300 mm 厚混凝土框格、反滤土工布，混凝土框格内需回填土，迎水坡坡比为1∶3；背水坡坡比为1∶2.5。

2.4.2 交通道路

湿地两侧堤防分别设有行车道路，与上、下游现有道路衔接；左右岸滩地内各设有一道5 m 宽人行道，并与蓄水堰汀步及堤防衔接。堤防宽6 m，中间行车道宽4 m，采用沥青混土路面，总长1 260 m。蓄水堰汀步布置1.5 m×0.3 m×0.5 m（长×宽×高）、间隔0.3 m的景观条石。滩地内人行道宽5 m，长95 m，采用水工砖进行铺设。

3 湿地设计计算

3.1 水力停留时间

根据《人工湿地污水处理工程技术规范》，污水在人工湿地内的平均驻留时间按下式计算：

式中：HRT——水力停留时间，d；

V——池子容积，m3；

ε——湿地孔隙度，表面流湿地取1.0；

Q——污水流量，m3/d。

经计算，柳根河入汾口湿地工程的水力停留时间为6.18 d，对水质净化有较好的效果。

3.2 表面水力负荷

表面水力负荷指每平方米人工湿地，单位时间内所能接纳的污水量，湿地表面水力负荷按以下公式计算：

式中：qhs——水力负荷，m3/（m2·d）；

A——湿地面积，m2；

Q——污水流量，m3/d。

经计算，湿地的表面水力负荷为0.094 m3/（m2·d），小于0.1 m3/（m2·d），满足规范要求，湿地面积设计合理。

3.3 污染物去除效率计算

根据《山西省地表水水环境功能区划》，柳根河入汾口处的水质目标为Ⅴ类，其主要污染物为COD 及氨氮，湿地出口污染物浓度及去除效率分别按下列两式计算：

式中：C0——进水污染物浓度，mg/L；

Ce——出水污染物浓度，mg/L；

e——自然常数，取值2.718；

k——一级动力衰减系数，d-1；

T——水体在表流湿地的停留时间，取6.18 d；

E——污染物去除率，%。

已知上游河道来水COD、NH3-N 的污染物浓度分别为42 mg/L、14.2 mg/L，参考已建湿地工程及相关研究资料并结合本工程水质净化特点，表流湿地一级动力衰减系数kCOD夏天为0.15 d-1、冬天为0.10 d-1，kNH3-N夏天为0.07 d-1、冬天为0.04 d-1，计算的污染物去除效率见表1。

经计算，本湿地工程的表面水力负荷为0.094 m3/（m2·d），湿地COD 及NH3-N 的去污效率分别达到45%、20%以上，满足规范要求，湿地设计合理。综上所述，人工湿地的水力停留时间、表面水力负荷及污染物去除效率均满足规范要求，湿地设计参数合理，设计方法可行。

表1 湿地污染物去除效率计算表 单位：%

4 结论

通过对柳根河入汾口人工湿地方案中采取的河床基质、植物种植、水体自净及生态系统构建等湿地净化措施的分析，并进行了湿地设计的计算，论证了河道人工湿地设计的合理性。方案的实施，可将入汾口湿地建设成集防洪、生态、景观、交通为一体的绿色走廊，修复河道生态功能，提升河道自净能力，完善乡镇功能、提升居住品位。