地质因素对人工湿地规划选址的影响分析

2020-07-02王军辉白彬彬周宏磊

湿地科学与管理 2020年2期

王军辉白彬彬周宏磊

（1 北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；2 北京世界园艺博览会事务协调局，北京100043）

人工湿地是一种借鉴天然湿地净化污水原理，人工建造的应用生物和水力等共同作用进行水污染处理的生态工程措施(赵小利等, 2011)，在城市建设中发挥越来越重要的作用。目前，人工湿地在规划选址方面考虑更多的是景观风貌的协调，而缺乏科学依据，尤其是对一些自然因素，特别是地质因素考虑得不够全面，往往造成人工湿地后续运营过程中环境效益不明显，甚至带来次生的环境恶化或水资源浪费问题(聂志丹等, 2006; 赵凤岐等,2012; 徐慧娴等, 2016)。这些问题如果在选址中未得到充分考虑，不仅人工湿地难以发挥其应有的生态环境效益，而且还可能增加建造和运维成本，甚至使生态环境恶化。

人工湿地作为一种城市基础设施，一般坐落于某种地质环境中，势必与周边的土壤和地下水环境产生物质与能量交换，其规划选址除了重点考虑社会需求外，还需要考虑到地质因素，否则将直接影响后期运营功效的发挥(赵小利等, 2011; 聂志丹等，2006; 赵凤岐等, 2012; 俆慧娴等, 2016)。

本文根据人工湿地建造与运营2个阶段中所遇到的工程稳定性、生态环境和成本等主要问题，分析各阶段需要考虑的主要地质因素，提出1种“因地制宜”的人工湿地科学规划选址思路，为提高城市人工湿地规划选址的科学性提供依据。

1 区域地形地貌条件

地形地貌是目前人工湿地营建过程中首先要考虑的自然因素，但主要还是考虑微地貌单元，如一些局部废弃河湖沟坑等低洼地，其目的主要是出于建造成本(主要是减少地形改造带来的成本)和景观的考虑(高婷, 2011)，而区域地形地貌对人工湿地建设和运营的潜在影响则缺乏系统的调查和研究。区域地形地貌条件对人工湿地建设主要有如下两点作用。

1.1 地形地貌对地质调查具有重要的指导作用

大量的科学研究表明，区域地形地貌在一定程度上反映了不同尺度的地质单元组合，其界线往往也是地质条件的分界线(图1)，如果前期人工湿地的规划选址考虑充分，后期的相关地质环境调查研究也会都得到相应的指导依据。而从水文地质角度来看，地形地貌从很大程度上控制了地下水系统的形成、赋存、补给、径流和排泄规律(图1)。在人工湿地规划选址过程中，地形地貌条件有助于识别建设场地位于地下水流动系统中的部位，判断区域地表水—地下水的相互作用关系(Sopbocleous,2002; Tóth, 1963, 1999)。

1.2 地形地貌对人工湿地生态环境及生物群落的影响

地形中的坡向、坡度等因素决定了生物群落生长发育过程中必须的光照、风向、风速、降水入渗量和坡面稳定性等重要因素。如：朝南、朝西的坡向有利于采光聚热，增加生物群落接受光照的时间，提升局部气温；在凸的地形中，朝东、朝北的坡面坡度较大，可以阻挡冬季寒冷的东北风，降低风速，有效地保护西南坡植被；在海拔较高的山地，迎风坡面的降水量一般大于背风坡面；在地层岩性相同的前提下，坡度较大地区的降水入渗量一般小于坡度较小地区，而坡度过小的平坦或低洼地区不利于排水；地形陡峻地区的坡面稳定性较平缓地区更差，容易发生地表侵蚀和浅层块体运动(周跃, 2000)，不利于植被的稳定生长和区域的水土保持。同时，由于人工湿地内部主要为待净化水体，从保护生态环境的角度考虑，在地形地貌选择时，也需要考虑规避受洪水、潮水影响的区域。

2 工程地质条件

工程地质条件对人工湿地规划选址的影响主要体现在建造和运营中的稳定性问题(许庆仁等,2002)。

首先，在区域宏观上，人工湿地选址要避开破坏性较强的地质灾害，如滑坡、泥石流、崩塌和活动断裂等频发区，因为这些地质灾害对人工湿地的长期稳定性存在潜在威胁，同时，由于人工湿地运营期间都会有水体，在水体长期渗漏作用下，也会进一步加剧地质灾害。

其次，在人工湿地建设场地内，由于人工湿地建造中往往要进行不同程度的地形改造，对于一些改造程度较大的人工湿地，开挖过程对地层稳定性的影响程度会因地质条件的差异而有所不同，事先需要进行调查和试验，以便采取必要的措施。北京国家奥林匹克森林公园的人工湖湿地，湖底最深达3 m，且赋存一层地下水，开挖过程中采取了降水和湖岸边坡的保护措施，才保证了主湖开挖的顺利进行。

另外，对于建立在透水层中的人工湿地，往往要采用一定的防渗结构措施。当地下水出现水位回升且湿地放空检修时，在高水头压力作用下，会造成防渗结构的变形、隆起直至破坏，在规划选址前期就要考虑到这些问题，并为后期设计阶段提出更为具体的建议。

图1 地形地貌与地质条件关系示意图（以北京地区某地质剖面为例）Fig.1 Schematic profile of relationship between topography and geological conditions(taking a geological section in Beijing as an example)

3 环境水文地质条件

环境水文地质条件对人工湿地的影响主要表现在运营期间的环境生态问题(杨帆,2014)。

3.1 土、水环境背景值

图2 北京某拟建人工湿地场地地下水BOD5的含量分布Fig.2 Distribution of BOD5 in groundwater of a constructed wetland site in Beijing

建设场地的水土环境(图2)为人工湿地提供了各种生态群落的生长环境，影响着湿地内水体的水质状况(钟佐燊, 2005)。良好的水土环境背景为生态群落提供良好的生长环境，无污染的黏土层可以就地用作人工湿地的底部防渗层，减少建设过程的防污防渗处理成本。当场区存在大范围或较严重的土壤和地下水污染时，不仅增加建设中的环境治理和防渗设施等成本，也增加了运营期间管理维护成本，在规划选址时应慎重考虑(范伟等, 2012)。

3.2 隔水(污)层

隔水(污)层一般为低渗透性的细颗粒地层，水分和污染物在其中的迁移速度一般要远小于含水层(姚旭初等, 2006)，为人工湿地周边的地下水环境提供了天然的“防渗层”和“防护屏障”(图3)，既可以减小人工湿地水资源消耗，又可以对下方地下水环境起到有效的防护作用。相反，如果人工湿地与下方含水层之间没有连续的隔水(污)层，人工湿地水体易发生渗漏，随着长时间的推移，不仅水资源消耗明显，也会严重污染地下水环境(李绪谦等, 2011; 宋顶峰等, 2011)。

以北京翠湖人工湿地为例，由于湖底5 m左右深度以内分布一层连续的低渗透性软土，最后取消了人工湿地的防渗方案，大大节省了建造成本，且该湿地自2006年建成运营10多年以来，平均每天的补水量约2 000 m3，与水面蒸发损失量相当，说明渗漏量很小，生态环境也比较稳定，未出现地下水和土壤环境污染的现象。

3.3 敏感含水层

本处指的敏感含水层，即为一旦受到污染，将对周边环境与生态造成严重后果，该类含水层一般具有分布连续，渗透性较强、厚度较大和径流条件较好的特点(图3)。当人工湿地发生渗漏，污染物进入敏感含水层时，短期内含水层具有一定的自净能力，但随着时间的推移，污染物在地下水流场作用下，将会引起较大范围的面源污染，进而引起次生的环境与生态问题(图4)(叶大华等, 2012)。

4 “因地制宜”的人工湿地科学规划思路探讨

综上所述，人工湿地的规划选址，除了基于景观和风貌协调考虑外，还应从地质因素角度出发进行综合考虑和权衡，人工湿地规划选址是一项系统工程。人工湿地进行规划选址的过程中应注意以下几点：

(1)地质因素对人工湿地规划选址有重要的影响。选址前需要开展区域性的地质调查，建设期间需要进一步现场勘查，精准识别与查明对人工湿地规划选址有重要影响的地质因素。

(2)综合地形地貌、工程地质条件和环境水文地质条件等主要地质因素进行比选分析，从稳定性、生态环境和成本等多个角度判断人工湿地选址的科学性。

图3 隔水（污）层对人工湿地水体防渗和下伏浅层地下水防污的双层作用示意图Fig.3 Schematic profile of double action of refuge on seepage control and shallow groundwater pollution control in constructed wetlands