河道旁路人工湿地设计要点分析——以华北地区某河道旁路人工湿地为例

宋凯宇，吕丰锦，张璇，魏俊*，赵炜，周强，陈浩

1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 2.北京师范大学水科学研究院 3.南京大学常熟生态研究院

随着《水污染防治行动计划》[1]的发布，我国水环境治理行业迎来爆发式发展，一批水环境治理项目迅速落地。流域水环境综合治理要求从污染物迁移转化到“源、迁、汇”等不同阶段分别采取有针对性的治理措施，但在控源截污、雨污分流、内源治理、原位修复、生态补水等措施实施后[2]，仍可能会有一部分无法彻底截流的污水入河，加上污水处理厂尾水集中排放入河等，影响河道断面水质持续稳定达标，尤其是对北方天然径流量占比小的河道影响更为严重。

根据与河道的位置关系，河道治理措施一般可分为原位措施和异位措施，其中异位措施也称为旁路措施，与河道为并联关系。河道异位治理措施主要包括污水处理厂、一体化污水处理设备和人工湿地等。由于人工湿地具有环境友好性、型式多样性、功能复合性等优点，越来越多地被应用于污染河道的治理中。我国第一例人工湿地——深圳的白泥坑人工湿地即是河道旁路人工湿地[3]，之后从云南到东北，从沿海平原到青藏高原，众多的人工湿地被用于农村生活污水、河水、城镇生活污水及污水处理厂尾水等的处理[4]。据统计，截至2015年我国已建的用于净化河流的人工湿地数量超过140个，其中河道旁路人工湿地数量仅次于用于处理农村生活污水的人工湿地[5]。

随着人工湿地在生活污水、工业废水、污水处理厂尾水、河水处理等方面的应用，住房和城乡建设部、原环境保护部陆续发布了关于人工湿地技术和建设方面的规程规范[6]，这些规程规范对人工湿地工艺设计和建设要求做出了一般性规定，但目前尚无专门针对其设计规程规范。此外，由于河道来水水量、水质、水温的季节性变化，河道旁路湿地设计边界的复杂性远高于其他类型污水。不少学者对河道旁路人工湿地开展了有针对性的研究，但研究方向主要集中在河道旁路湿地工艺综述和比较[7-8]、工程案例[9-11]、净化机理和效果分析等方面[12-13]，对其设计要点的总结不够系统。笔者以实际工程为例，对河道旁路人工湿地设计要点进行分析与整理，对现有工程设计经验进行总结，以期为后续相关工程的设计提供参考。

1 河道旁路人工湿地设计要点

1.1 设计思路

1.1.1功能定位

功能定位是河道旁路人工湿地设计的关键，功能定位不准确会增加设计方案调整的风险。河道旁路人工湿地的功能定位应根据所在河流的上位规划，工程区及周边相关发展规划(如流域水环境治理规划、城市总体规划、生态环境保护规划、生态红线规划等)确定。对不同区域人工湿地确定其不同的功能定位：城区河道旁路人工湿地需符合城市绿地系统规划、控制性详细规划等要求，重点考虑人工湿地建设与休闲、景观服务、科教等功能相结合；位于生态环境敏感区的人工湿地应以近自然处理的工艺为主，符合保护对象的功能定位，如生态缓冲、生物多样性保护等，并尽可能选择环境干扰小的表流湿地；其他区域人工湿地建设应与周边发展相结合，在发挥水质净化作用的同时，充分发挥湿地的生态服务功能，并考虑为后期旅游、休闲等功能预留空间。

1.1.2设计目标

工业废水、生活污水的处理设施都有相应的国家或行业排放标准，设计目标是污染物达标排放，而河道旁路人工湿地的设计目标是水质达标，即通过湿地削减污染负荷，净化河道水质。但由于流域治理的不同步性及土地条件的局限性，对于一个完整的流域水环境单元来讲，仅通过河道旁路人工湿地处理实现河道水质达标是不合理的，需要将湿地的建设规模与流域内其他治理措施统筹考虑，并对经济性、合理性进行充分比选和论证，在此基础上明确旁路人工湿地适宜承担的功能和定位。因此，河道旁路人工湿地的设计目标应该是多种情景的，根据流域综合治理的推进时序、分区定位综合确定。

1.1.3设计技术路线

河道旁路人工湿地设计技术路线(图1)：首先梳理设计边界、明确定位目标；然后在比选工艺流程的基础上宜由风景园林专业开展总图设计；再由相关专业开展主体工程设计和专项设计；最后根据水质达标和建设成本的分析结果确定是否需要开展优化设计。

图1 河道旁路人工湿地设计技术路线Fig.1 Technical roadmap of river bypass artificial wetland design

1.2 设计边界条件

因河道水位、水量、水质、水温等指标存在季节性变化，河道旁路人工湿地的设计必须充分考虑不同边界条件下湿地的运行工况，做到弹性适应。此外，由于人工湿地占地规模相对较大，用地条件也是工程设计的重要边界条件之一，以上可简单概括为“一地四水”(用地、水位、水量、水质、水温)。

1.2.1用地条件

用地条件包括工程用地范围内的敏感目标以及场地的地形、地貌等。人工湿地选址需尽可能避开环境敏感目标，如基本农田、生态红线区等，实在不能避开的必须与保护目标的功能相适应，或做好相关规划的调整工作，同时也应尽量避开重要基础设施，如公路、铁路、高压输电线路等。以表流湿地为主的人工湿地占地面积较大，土方工程量大，由于湿地工程一般要求土方自平衡，因此在设计前期需要充分分析工程区场地条件，尽可能利用现有地形特点(地形变化趋势，场地内现有沟渠、道路等)，避免大挖大填，减小场地内土方调运，降低工程投资和缩短建设工期。

1.2.2水位条件

河道有相应的防洪、排涝标准，因此，河道旁路湿地的设计首先要保证不影响河道原有防洪、排涝功能，即河道外的湿地不得影响河道防洪标准，河道内的湿地挡水设施(橡胶坝与闸等)、取水设施不得影响河道行洪。因此，在旁路人工湿地设计的可行性研究阶段，需同步开展防洪影响评价，并取得水利主管部门的同意，避免由于河道水位衔接出入影响设计标高，进而影响竖向高程、场地土方平衡和总图布置。

1.2.3水量条件

湿地设计处理水量直接决定工程建设规模，是河道旁路人工湿地设计的关键边界条件之一。不同于处理污水处理厂尾水的人工湿地，河道旁路人工湿地有明显的水文周期，丰、平、枯水期水量变化明显，其设计处理水量可通过2个方面来确定：1)将平水期水量作为湿地设计处理规模的主要依据；2)当土地使用条件有限时(如涉及基本农田、生态红线等)，可结合现有用地条件、水质净化目标将对应的可处理水量作为工程设计规模。

1.2.4水质条件

进水水质是河道旁路人工湿地设计的关键边界条件，其不仅决定了人工湿地所采取的核心净化工艺，也是决定工程规模的主要因素之一。河水中污染物浓度在丰、平、枯水期变化明显，为确定人工湿地合理的净化规模，需要有近期长序列的水质实测数据作为支撑，以避免设计数据不足造成规模浪费或净化能力不够现象。河水中污染物种类和浓度均会直接影响人工湿地处理工艺的选择，进而决定湿地的布局和规模：若河水中含有难降解有机物，则需增加水解酸化环节；若河水超标因子为氨氮，则处理工艺以好氧为主；若超标因子为总磷，则需考虑采用功能填料等。

1.2.5水温条件

人工湿地对污染物的净化以生物作用为主，而水温条件直接影响微生物活性，进而影响人工湿地净化效率。如果不同季节来水水质、水量相同，净化目标也相同，那么湿地设计规模就需要以冬季最不利条件下的净化效率作为设计边界条件；或者冬季处理规模适当减小，增加水力停留时间，以保证湿地出水水质。我国幅员辽阔，气候条件差异大，水温条件是北方地区河道旁路湿地需要考虑的关键因素之一，如果对冬季河道水质有明确净化要求，且在用地条件有限的情况下，就不得不考虑造价相对较高的潜流人工湿地处理工艺。

1.3 总体方案设计

1.3.1处理工艺及单元设计

河道旁路人工湿地进水为河水，往往含有大量的泥沙等悬浮物，为减缓其对湿地主体处理工艺单元的淤积、淤堵，河道旁路人工湿地需包含预处理单元。参考处理污水处理厂尾水的湿地的工艺分类[5]，河道旁路人工湿地处理工艺可分为稳定塘+表流湿地、稳定塘+潜流湿地和稳定塘+表流湿地+潜流湿地3种类型。稳定塘+表流湿地工艺适用于水质净化要求不高、场地条件充裕且生态敏感性高的地区，部分入湖河流湿地生态敏感性较高，多采用稳定塘+表流湿地工艺[11-12]；稳定塘+潜流湿地工艺适用于水质净化要求高、场地条件局限的区域；稳定塘+表流湿地+潜流湿地工艺适用于净化要求高、场地条件相对较好或生态要求高的区域。

基于处理工艺，进行人工湿地不同工艺单元的设计，设计时需说明各单元的设计功能，进出水方式，设计有效深度、面积、容积，水力停留时间等设计参数，以及动植物配置、配套设施等，并以典型横断面进行辅助说明。

1.3.2竖向高程设计

旁路人工湿地工程竖向设计需合理利用场地现状高程，避免二次提水，竖向设计的核心在于水头损失的计算。其中表流人工湿地底坡可参考HJ 2005—2010《人工湿地污水处理工程技术规范》[14]进行设计，水平潜流湿地水力损失可通过达西定律[15]进行计算，内部配水管线的水头损失主要包括沿程水头损失和局部水头损失，可通过《给水排水设计手册1》[16]进行分析计算。竖向设计完成后需形成竖向设计高程图，主要体现各工艺单元竖向特征标高以及水位标高。

1.3.3总平面布置

在确定用地范围、明确处理工艺的基础上开展人工湿地的总平面布置。首先由工艺设计专业对湿地净化工艺要求进行交底，景观设计人员根据场地解读、净化工艺要求确定设计主题，然后开展总平面布置，在此过程中景观设计人员需与水文规划、工艺设计人员进行沟通，及时调整和优化平面布置。总平面布置时主要考虑以下内容：1)利用场地条件。河道旁路人工湿地，尤其是大型旁路人工湿地建设成本中，土方开挖和回填占了相当的比例，为减少土方二次倒运，总平面布置需充分结合现状地形，因地制宜地布置场区单元，避免大挖大填。另外，尽可能保留场地原有的地形和肌理，如将场地内原有田埂等地形特征作为湿地单元分区的分隔，将场地内排涝沟作为出水渠，以减少土方开挖。2)明确防洪标准。旁路人工湿地的挡水、取水设施布置需考虑河道防洪、排涝要求，不得影响河道功能。另外，虽然人工湿地没有明确的防洪标准要求，但应尽可能避免受洪水淹没影响净化功能和有效寿命。因此，湿地布置时应考虑满足一定的防洪标准，具体可结合河道功能进行设置，有条件的情况下，可采用与河道相同的防洪标准。3)选择布置形式。根据工艺处理单元之间的关系，总平面可分为串联式和并联式(图2)。串并联方式的选择主要取决于场地条件和工艺流程。串联式常用于有足够自然高差的场地，规模较小的旁路湿地一般单独采用串联式或并联式，而规模较大的人工湿地多采用串并联混合的布置方式。4)合理动力提升。对于山溪性河道，应尽可能利用场地高差条件，使进水和出水自流[17]。对于平原河道，由于河道坡降以及水位高差较小，湿地净化单元流程较长，往往需要提水才能满足净化后出水水头要求，一般选择在进水口处用泵站提升，或在出水处用泵站抽水强排，同时为便于后期运行维护管理及节约成本，工艺设计应尽可能避免湿地内二次提升。5)考虑功能复合。河道旁路湿地在净化水质的同时具有良好的生态性和景观性，许多人工湿地在建成后同时作为休闲公园，如我国1997年建成的成都活水公园[18]，作为成都市府河旁路湿地，兼具水质净化、科普、悠闲绿地、提升城市环境等多重功能，成为城市靓丽名片。

图 2 河道旁路人工湿地总平面布置方式Fig.2 General layout of river bypass constructed wetland

1.4 主要单项工程设计

1.4.1配水系统

配水系统设计是人工湿地设计的关键环节之一，河道旁路人工湿地配水系统主要针对水流的路径和控制设施进行有针对性的设计。河水一般通过自流引水和泵站提水2种方式进入预处理单元，人工湿地单元内部的配水可采用管道配水和明渠配水2种方式。明渠配水水头损失小，但便于水头控制，常用于湿地进水端；管道配水控制较方便，但水头损失相对较大，适用于潜流湿地单元。

1.4.2防渗设计

为减缓河水中污染物对湿地所在区域地下水环境的影响，保障湿地的运行水位，人工湿地建设应根据需要，采取一定的防渗措施[8]。常见的防渗材料包括混凝土、高密度聚乙烯(HDPE)膜、土工布、黏土等，表流人工湿地多采用黏土防渗，小规模潜流湿地常采用混凝土或HDPE膜防渗，大规模的潜流湿地多采用土工布或黏土防渗。

1.4.3填料设计

填料是决定潜流湿地发挥净化能力的核心因素之一，潜流湿地填料设计应根据湿地的特征污染物、原材料的成本和可获得性等因素综合考虑湿地填料，尤其是功能填料的选取。另外级配、分层也是填料设计的主要内容，设计时应说明填料总厚度、有效厚度，不同的分层填料的粒径、材料特征等。

1.4.4动植物配置

河道旁路人工湿地植物设计主要考虑环境适应性、净化功能、景观美化因素，植物种类选择包括挺水植物、浮叶植物和沉水植物，需按单元说明各分区植物种类配置；动物设计一般选用土著物种，主要考虑对营养物质的去除等因素，同时考虑不同营养级种类的搭配，以便快速形成健康的水生态系统，动物设计需说明种类和对应的规格尺寸。

2 华北地区某河道旁路人工湿地案例设计

2.1 功能定位与设计目标

案例湿地位于我国华北地区某重要湖泊入湖支流，区域生态环境敏感，水质目标要求高，河流现状水质为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类～劣Ⅴ类。因此，确定湿地的功能定位以水质净化功能为主，兼具生态恢复作用。

根据不同的进水水质条件，对应的河道旁路人工湿地净化目标分别为：当进水水质满足Ⅳ类时，非冬季总磷去除率不低于40%，冬季总磷去除率不低于30%。当进水水质满足Ⅴ类时，出水水质需符合Ⅳ类。当进水水质劣于Ⅴ类时，非冬季总磷去除率不低于40%，其他主要超标污染物去除率不低于30%；冬季总磷去除率不低于30%，其他主要超标污染物去除率不低于20%。

2.2 设计边界条件

案例湿地所在的河道来水主要包括污水处理厂尾水、直排污水和天然径流，由于汛期(6—9月)天然径流量大，湿地无法处理全部来水，因此湿地的设计规模只考虑非汛期河道的水量，取20.0万m3d，可处理非汛期(10月—翌年5月)90%以上的来水量。天然河道水质存在周期变化，年内波动较大，流域水环境综合治理规划已陆续颁布，但整治进度存在不确定性。综合以上因素，共设置3个工况作为河道旁路人工湿地工程进水水质边界：工况1为地表水Ⅳ类水质，工况2为地表水Ⅴ类水质，工况3为现状实测水质。

2.3 工程总体设计

2.3.1工艺设计

案例湿地所在地区冬季平均冻土深度为42 cm，且冬季河道水温较低，而工程水质净化目标要求较高，因此，核心净化单元选择潜流湿地，以保证冬季净化效果。另外，案例湿地所在区域生态敏感性强，在保证净化效果的同时需考虑生态多样性恢复。最终选择兼性塘+水平潜流湿地+表流湿地+好氧塘组合处理工艺；同时，结合兼性塘、水平潜流湿地、表流湿地单元的适宜有效水深、表面水力负荷，确定满足处理水量要求的各单元面积；进一步结合地形和用地布置，确定各单元实际设计面积对应的停留时间和污染负荷。计算过程参考HJ 2005—2010、CJJT 54—2017《污水自然处理工程技术规程》[19]等相关设计规程规范。

2.3.2工程总平面布置

在总平面布置过程中，结合区域场地条件，考虑避开周边寺庙、村庄等敏感目标；为减少开挖土方量，降低工程造价，在单元布置上尽可能利用现有地形、地貌，如利用田埂作为处理单元分隔等(图3)。案例湿地水质净化共分为7个区域，采用总体并联、内部串联的布置形式。7个区域并联设置，每个区域包括1个兼性塘和1个潜流湿地单元，潜流湿地出水就近进入相应的表流湿地，表流湿地出水进入场地中间的好氧塘。

2.3.3处理工艺单元设计

兼性塘起沉淀、水解、配水作用，以兼性塘为例说明案例湿地工艺单元的设计(图4)。兼性塘水面总面积为21.5 hm2，进水口设置高于塘底0.6～1.0 m，河水通过进水管道自流进入兼性塘。兼性塘水深为3.0～4.0 m，可有效沉淀河道进水中的悬浮物，降低河水的含砂量；由于兼性塘水深超过3 m，塘底层水体呈厌氧状态，可通过水解酸化作用增加水体可生化性。在兼性塘末端底部设置生态基，提供厌氧微生物附着生长条件，进一步提高微生物处理效果。兼性塘内种植以浮叶和挺水植物为主的水生植物。

注：图中箭头为水流方向；数字1～7为7个水质净化区域。图3 案例湿地总平面布置和场地原有田埂保留情况Fig.3 Overall layout of the wetland and the preservation of the original ridge in the case

2.3.4竖向高程设计

案例湿地的河道来水通过底部连通管自流入兼性塘，再通过提升泵房进入水平潜流湿地，然后自流经表流湿地进入好氧塘(图5)。河道进水经一次提升后可实现自流出水，便于运行维护。

2.4 湿地内部细化设计

案例湿地的配水系统通过重力自流至兼性塘。水平潜流湿地宽约为100 m，设计采用多级配水、多级集水相交互的配水方式，其中配水干渠宽10 m，深1.5 m；配水支渠宽5 m，深1.5 m。表流湿地分为3～4级处理，各级湿地之间通过配水干渠配水，每级湿地采用多级配水、多级集水相交互的配水方式。配水干渠宽10 m，深2 m；配水支渠宽5 m，深2 m。每个处理单元一侧增加应急排水通道，其宽5 m，深3 m，坡度比为1∶3。

由于案例湿地所在区域生态敏感性高，且场区现状地层中含有大量的粉质黏土层，工程各单元采用原土夯实方式进行防渗，黏土厚度不小于30 cm。

考虑冻土深度等因素，水平潜流湿地区填料深度为1.5 m，自上而下依次为覆盖层(300 mm厚的5～8 mm粒径的碎石)、过渡层(300 mm厚的8～16 mm粒径的碎石)、吸磷层(600 mm厚的10～20 mm粒径的碎石和钢渣混合料)和排水层(300 mm厚的16～32 mm粒径的碎石)。

注：图中高程单位为m,尺寸单位为mm。图4 案例湿地兼性塘典型断面示意Fig.4 Typical section diagram of the case wetland facultative pond

注：图中高程单位为m。图5 案例湿地竖向高程设计Fig.5 Vertical design of the case wetland

兼性塘岸边设置5 m宽的水生植物种植区，挺水植物主要为芦苇、菖蒲、水葱、荷花，浮叶植物主要为睡莲和荇菜。水平潜流湿地挺水植物主要选择芦苇、香蒲、菖蒲、水葱、花叶芦竹等；表流湿地挺水植物主要为芦苇、香蒲、菖蒲、水葱、荷花，浮叶植物主要为睡莲、荇菜和芡实，沉水植物主要为矮生苦草、菹草、黑藻、狐尾藻、金鱼藻；好氧塘配合种植矮生耐寒苦草(四季常绿型)、狐尾藻、金鱼藻、苦草、菹草等植物。沉水植物种植密度为40～60株m2。

考虑水质净化效果，案例湿地水生动物主要选择滤食性鱼类、杂食性鱼类、肉食性鱼类、螺类、贝类、虾类和浮游动物7类，其中鱼类幼苗采用1～3、3～5 cm 2种规格，螺类采用成体，虾类采用1.5～5 cm虾苗。水生动物均采用本地物种。

3 河道旁路人工湿地水质达标及经济性分析

3.1 水质达标分析

河道旁路人工湿地水质达标分析需结合工程设计目标分不同工况进行复核，或按照最不利工况进行分析。一般来讲，同等条件下冬季人工湿地净化效率相对较低，且人工湿地进水污染物浓度越低，污染物削减率越低。因此，冬季达标和低浓度下污染物削减率是水质达标分析的重点。进行污染物削减率计算时所需的数据包括规程规范推荐值和类似项目实测数据等，计算方法可参考HJ 2005—2010和CJJT 54—2017。但由于上述规程规范仅提供了各类工艺单元净化效率的推荐范围，未对人工湿地所在地区进行区分，因此对设计者工程经验要求较高。一般来说，同地区类似项目的实测数据具有一定的说服力，但需要有湿地稳定运行状态下的长序列监测数据。

针对本案例湿地，各单元污染物去除率选择HJ 2005—2010和CJJT 54—2017推荐的下限和同区域湿地净化效果的实测值，以工况1(湿地进水达到Ⅳ类水质)冬季为例进行水质达标分析，结果如表1所示。由表1可知，当冬季进水水质达到Ⅳ类(总磷浓度为0.3 mgL)时，出水总磷浓度为0.19 mgL，总磷去除率达36.67%，满足总磷去除率不小于30%的目标。

表1 工况1冬季各湿地单元污染物总磷去除率

3.2 建设及运行成本

河道旁路人工湿地设计完成后，需对工程建设综合单价进行分析，以便复核人工湿地造价是否明显偏高或偏低，若出现造价不合理情况时需调整设计方案；同时需测算湿地的运行成本，包括人工费、湿地植物收割及处理费、设施检修维护费、运行电费、检测费、绿化维护费、管理费和其他费用等。一般来讲，我国人工湿地运行费用为同等规模污水处理厂运行费用的15～110[5]。

本案例湿地工程总投资为4.0亿元，运行费用为715.34万元a，运行成本约0.1元m3，建设成本在潜流湿地建设成本的合理区间，由于处理规模较大，运行成本较一般潜流湿地略低。

4 结论和建议

(1)河道旁路人工湿地设计中，场地限制因素对工程总平面布置影响较大，在设计前期需充分解读上位规划和开展现场调查；水位直接影响河道旁路湿地的进、出水方式，挡水、取水构筑物影响河道行洪，宜尽早开展洪水影响评价；水量和水质是河流旁路湿地设计的核心边界条件，决定着湿地处理工艺选择和处理规模，进而影响工程总平面布置。由于天然河道水质、水量存在周期性变化，河道旁路湿地设计宜收集不少于近3年的水量、水质资料。

(2)河道旁路人工湿地占地面积较大，有条件的情况下，在平面设计过程中可由风景园林专业牵头，统筹考虑科普、休闲、生态保育等功能，对工艺提出边界条件要求。由于投资、占地等原因湿地工程无条件一次性实施到位的，可考虑分期实施，设计时应考虑为远期其他功能的实现预留条件。

(3)河道旁路湿地作为流域水环境治理的组成部分，不能取代截污纳管、内源治理、生态补水等其他流域综合治理措施的作用，各类措施应在流域层面统筹实施；考虑生态敏感性和运行维护便利性，河道入湖口旁路湿地宜采用生态塘、表流湿地为主的处理工艺。