人工湿地设计方法与原则

于继强 吴华德 周方文

摘 要：在综合评估国内外人工湿地设计研究的基础上，探讨如何确定人工湿地的基质、植物、水流方式和结构类型，系统阐述选择多种主要因素的相关理论及方法，以期丰富人工湿地设计体系的研究。

关键词：人工湿地;设计;方法;原则;植物

引言

人工湿地内部组成主要包括基质、植物、水、动物和微生物。目前，针对人工湿地内部成分的研究主要倾向于背景知识和处理机理，呈现出重理论、轻设计的现象。工程设计指导人工湿地的构建，对于人工湿地具有重要作用。在人工湿地的设计中，基质、植物和水是设计的主要因素，但目前选择基质和植物，以及确定水流方式的体系还不够完善。因此，在综合評估国内外人工湿地设计研究的基础上，探讨如何确定人工湿地的基质、植物和水流方式，系统阐述选择多种主要因素的相关理论及方法，以期丰富人工湿地设计体系的研究。

1 海绵城市背景下人工湿地设计原则

1.1多学科合作原则

只有通过多学科的共同努为综合生态学、景观学、生物学、水文学和经济学的知识才能实现成功的海绵城市建设。

1.2遵循法律原则

在海绵城市建设时，要明确项目所在地的用地属性，在此基础上关注相关法律规范。这些具有相应法律效率文件保障了海绵城市背景下人工湿地的正确实施和运行。

1.3保护优先原则

城市人工湿地能够为野生动植物提供栖息地，在城市人工湿地设计时应减少对生境的改变和控制，在丰富城市物种多样性的同时防止物种入侵。人工湿地的设计应关注生态廊道的连通性，加强城市人工湿地系统与周边区域自然生态环境的关联，确保城市人工湿地的可持续发展。

1.4因地制宜原则

城市人工湿地作为兼具汇水、净水及景观效果的低影响开发绿色基础设施，其效果是最佳的，但是绝不能盲目的建设。在规划建设的初期，需要通过科学的模拟、检测确定海绵城市人工湿地建设的可行性。

1.5可持续发展原则

在人工湿地的设计中要最大限度的保留场地的自然属性，降低对区域生态环境的破坏，彰显其生态效益。也就是说在人工湿地建设中应顺应现状高程、地形、水文等基址条件，合理利用现状资源，减少人工痕迹。

1.6循环与再生原则

随着社会的发展，人们逐渐意识到资源、物质、能量是有限的、不容浪费的。在自然界的发展演替过程中逐渐形成了自我调节、循环再生能力来维系生态系统的可持续发展。

2 人工湿地基质选择依据

基质是影响人工湿地中水力性能、植物生长和系统堵塞的重要因素。在实际工程中，应针对不同污水水质和基质本身特性，本着就近取材的原则选用适当的基质。

国内外对人工湿地基质粒径的布设做了大量的研究。在欧洲，以砾石为主要填料的人工湿地中，砾石粒径一般为8～16 mm。张迎颖等认为，进水配水区和出水集水区一般采用粒径在60～100 mm的砾石，处理区最常选用的粒径范围是4～16 mm。梁继东等认为，处理区基质的粒径在8～16 mm范围内处理效果最优。化学作用是基质去除污染物的重要途径之一。铝和磷有强烈的化学亲和力，脱水的铝泥块可以去除污水中的磷。沸石通过吸附—离子交换作用去除氨氮。火山石微粒有庞大的细菌种群可以降解生化需氧量。针对不同的特征污染物和去除机理，选择不同的基质。

3 人工湿地植物选择的原则

不同植物种类在营养吸收能力、根系深度、氧气释放量、生物量和抗逆性等方面存在差异，并且不同季节的植物以及植物的收割次数对污水的净化能力也是不同的。Münch C等首次提出广阔的根系环境可以提高对氮的去除率。SteinO R和PAUL B分析推测，不同植物的净化差异在冬季最为显著，在其生长和休眠期茎叶对根部输氧能力影响污水处理。Tanner C C认为，芦苇和菰、水甜茅适合于处理低浓度废水的人工湿地。

很多学者提出了筛选植物的原则，可以概括为以下几点：

①植物的适应性。植物耐受污染物和高度富营养化水体的能力强，抗逆性强，以乡土植物为主;

②植物的生长力强。在湿地环境中，植物能够繁殖、建群、扩展和生长，生物量较大，生长周期长，根系发达;

③景观性。选择的植物应与周围的景观融合一体，具有观赏价值;

④多样性。尽量设计多种植物组合去污，做到物种间的合理搭配;

⑤经济性。种植经济价值高的植物;

⑥易于管理。选用易于管理的植物，避免造成二次污染。

4 人工湿地水流方式选择原则

确定水流方式是设计人工湿地结构的第一步，关系到其他参数的设置，其设计原则可概括为：

①污水的类型。若特征污染物为易去除的污染物（氮、磷等）a或污染物浓度较低，可以考虑单纯选择表面流或者单一的水流方式。

②基质的类型。对于孔隙变化率较高的基质，如页岩和砾石等，较易堵塞，不适合选择垂直流。

③区域状况。对于中国东部土地紧张的发达地区，水平潜流和垂直流是不错的选择。

④技术可行性。设计的水流方式要符合现实的技术条件。

⑤经济可行性。表面流相对水平潜流和垂直流的建设费用较低，适合于贫困地区。

⑥生态环境健康。表面流的人工湿地易滋生蚊蝇，表面流不宜建在城市生活小区的湿地。

5 人工湿地结构类型优选方法

国内外研究方法主要是人工神经网络法。还有一些近来引入人工湿地中的方法，如层次分析法等，分别利用BP神经网络法优选人工湿地设计方案。

人工神经网络是一种较适合模拟复杂生态系统的模型。但人工神经网络也存在缺点，训练人工神经网络模型需要的样本数较多，致使小试实验或者测量已存在的大型人工湿地数据的工作量较大。近来的研究将层次分析法运用于优选人工湿地的类型，解决了由于生态系统复杂造成了工作量大的问题，层次分析法还能较好地将存在于系统中的某些定性因素定量化，解决污水处理技术方案选择的难题。但层次分析法在人工湿地领域研究还比较新颖，很多参数设计不成熟，有待于进一步研究。

参考文献：

[1]黄健，杜少文.人工湿地技术及其在我国北方地区的研究进展[J].中国海洋大学学报，2010，40（11）：79-84.

[2]张文艺，刘明元，罗鑫，等.苏南水网地区表面流人工湿地示范工程[J].中国农村水利水电，2012（2）：78-83.

[3]刘冀霞.国内外人工湿地的研究进展及运行情况[J].建材与装饰，2012 （33）：45-47.