苏州生态涵养发展实验区工程设计——以消夏湾湿地生态安全缓冲区为例

梁家成 蔡志军 莫建刚 曹盘红

(苏州中晟环境修复有限公司，江苏 苏州 215104)

“生态涵养区”一词最早出现在2005年，北京市在“十一五”时期第一次打破行政区域，规划形成包括“生态涵养发展区”在内的4大城市功能区域[1]。生态涵养的概念区别于生态保护；生态保护指对自然环境和居住在其中的动、植物群体的保护、保存和恢复；生态涵养在生态保护的基础上还包含对人类利用自然环境的科学管理。概括来说，生态涵养区是落实中央生态文明发展理念，以促进富民就业为核心目标，以加强生态保护、生态修复和生态建设为基本要务，以探索发展生态友好型产业、在生态优良的地方培育“新经济”为主要职能的特殊政策区[2-4]。

太湖流域水污染治理是国家环保工作的重中之重，2019年苏州市发布《苏州生态涵养发展实验区规划》，苏州吴中区东山镇、金庭镇及周边区域被划定为实验区建设主体范围，意在保护和传承太湖文化，实现太湖流域水环境共治共保。《苏州市太湖生态岛条例》于2021年8月1日起施行，以立法形式保护太湖岛屿的生态。金庭镇隶属苏州市吴中区，是我国淡水湖泊中最大的岛屿，拥有太湖国家风景名胜区核心景区，其“湖心岛、景中村”的区位特征显著。

1 项目概况

为打造苏州生态涵养发展实验区亮点，农村面源污染治理的示范及长三角一体化水源保护、水环境提升的样板，吴中区金庭镇人民政府规划建设苏州生态涵养发展实验区的重点项目——消夏湾湿地生态安全缓冲区项目。项目规划实施面积1800hm2，占金庭镇陆域面积的21%、苏州生态涵养发展实验区总面积的6.3%、太湖总面积的0.7%。项目区域内山林约900hm2、农田约500hm2、居住约190hm2、水体面积约160hm2、道路及其他约50hm2。2021年4月，该项目已被全国水污染防治部际协调小组列为农业面源污染防治典型案例。项目分3期实施：一期南湾村落区、二期万亩粮田区、三期缥缈汊湾区。

本工程设计为一期南湾村落区，主要包括4项：在消夏江东岸14个雨水排口和分散式污水处理设施对应的低洼区域建设0.4hm2雨污水截留湿地；在北段改造垂钓鱼塘建设生态塘及强化型垂直流湿地2hm2，在南段石公路与消夏江之间建设强化型垂直流湿地0.6hm2；沿石公路建设清水回用廊道1km；在消夏江及太湖入湖口建设12.5hm2浅滩湿地，见图1。一期工程投资8293.75万元。

2 现状分析

2.1 区域面源污染分析

项目所在区域，面源污染的来源包括山林施用化肥、农药随雨水径流流失和渗漏，道路雨水径流，分散的生活污水(粪尿水、洗衣水、厨房水)和生产废水(散户畜禽养殖，菜地施肥)排放，以及水土流失等。面源污染产生的路径和特征如图2所示。

图1 工程平面布置图

图2 面源污染路径图

2.2 排水渠道及雨水排口分析

当地典型的丘陵山丘地貌，决定了雨天的面源污染从山脊线一侧先汇入山林果园中的沟渠，经过半山腰的居民区后汇入排水主渠道，主渠道在经过山脚下石公路下的涵管后进入到山脚下和消夏江边的绿地区域，在项目区域共有25个排水渠道。在消夏江东岸，有14个雨水排口，在雨天水位上涨时面源污染通过这些排口直接进入消夏江。

2.3 污水处理设施现状分析

项目区域内的污水处理设施合计6套，尾水排至消夏江，出水为一级B标准。

3 设计方案

3.1 工程规模

项目一期区域每年总面源水量为220万t，包括林地面源(131万t)、道路面源(72万t)、一体化设施尾水(17万t)。污染量负荷方面，COD20.8t·a-1，TN16.5t·a-1，TP1.74t·a-1。

3.2 项目设计思路

以控源加生态净化为重点和核心，实现多功能利用，体现山水林田湖草的系统性生态思维。

控源是指针对降雨时产生的面源污染，以及一体化设施的雨天溢流及尾水，经过对污染路径、污染负荷等进行建模分析，在入河雨水排口前的低洼区域因地制宜建设科技型雨污水截留湿地，对面源污染进行有效收集，将分散的“多点”集中到“单点”上。生态净化是指集中到“单点”后利用强化型垂直流湿地进行高效处理。

生态净化是指利用强化型垂直流湿地高效处理。利用工程化手段对湿地的降解功能进行高效强化和管理，是纯生态无添加的生态处理系统。通过对滤床结构、污染负荷率、生态滤料结构以及自动化联动控制的精准科学设计，弹性处理水质水量波动大、变化快的面源污染，实现可控可测的出水管理，出水水质稳定可靠。

多功能利用是打造宜居宜业宜游的发展示范区的重要举措，是生态湿地多功能性的体现。湿地产出的清水可用于山上果林浇灌以及高标准农田回用，同时，清水进入清水回用廊道，潺潺清水自成景观。此外，还可以作为浅滩湿地的清水供给，有助于其更好地恢复生物多样性。

3.3 技术思路

本项目分为北段和南段2大部分，根据现状情况采取不同的技术思路。

3.3.1 北段

现状雨水排口收集的各类农村面源来水(包括一体化设施雨天溢流及尾水)集中到雨污水截留湿地，然后通过导流渠道重力自流至生态缓冲塘，生态缓冲塘重力配水至强化型垂直流湿地，处理后清水自流进入清水池，在清水池安装提升泵站，将清水提升回用至清水回用廊道；清水回用廊道出水进入浅滩湿地，再进入消夏江。北段的工艺流程如图3所示。

3.3.2 南段

入湖口雨水排口以及明月湾一体化设施尾水的农村面源来水通过管道收集后，提升至强化型垂直流湿地，处理后出水自流进入清水泵站，提升至南段在建清水回用廊道进行回用，清水回用廊道出水进入浅滩湿地，再进入消夏江。

图3 北段工艺流程图

3.4 设计目标

本项目通过建设生态湿地，解决沿太湖地区的面源污染问题，削减入太湖氮磷负荷，改善太湖水环境质量。经过生态湿地处理后湿地出水水质指标如表1所示。

表1 设计出水水质

3.5 总平面布置

3.5.1 项目北段

现状垂钓鱼塘及周边可用地面积较大，集中布置面源污水强化型垂直流湿地、生态缓冲塘、清水池等内容，其中强化型垂直流湿地单元围绕生态缓冲塘布置，便于从生态缓冲塘重力进水；清水池布置在各湿地单元的中心位置，便于收集各单元出水。此外，该区域配套建设2处出入口和环通的园路，便于项目的运营管理，以及来访游客的参观和游园。

3.5.2 项目南段

项目南段用地位于消夏江入湖口的东岸，面积相对北段较小。由于南段主要处理及明月湾一体化污水处理设施的雨天溢流及尾水，处理水量相对北段较小，因此在此处沿消夏江岸边布置强化型垂直流湿地，共3个单元。

3.5.3 项目沿线

项目沿线消夏江的东岸、消夏江河道两岸布置浅滩湿地，共12.5hm2。结合项目现状，为便于施工和管理，在消夏江的东岸岸边沿线布置连接面源污水的导流渠道、输送清水的清水管道。为缓解石公路现状缺少人行通道的问题，同时提升南湾水街景观，在石公路西侧沿路绿地内布置1km长的清水回用廊道，强化型垂直流湿地产出的清水输送到清水回用廊道内，形成潺潺水溪，为周边居民和游客提供步行及游赏空间。此外，在消夏江岸边布置园路，用于连接项目的北段和南段湿地，使项目在景观上形成有机整体，整体效果详见图5。

图5 效果图

3.6 面源收集与管控专项设计方案

面源收集与管控专项设计方案包括面源污染收集路径设计、雨污水截留湿地、生态缓冲塘以及配套设施等内容。

3.6.1 面源污染收集路径设计

将分散的面源污染集中是本项目的难点，污染源控制路径的总体设计思路是“截”和“导”，先“由多到少”，再“由少到集中”，在从分散到逐步集中的过程中实现“控源”。项目北段和南段面源来水特征不同，需因地制宜分别设计。

项目北段人口多，居住面积大，面源来水占区域总水量的80%，收集难点在于从山上下来的排水渠道。北段的设计思路：对排水渠道进行局部改造，相邻渠道通过新建沟渠进行连通，就近收集进入雨污水截留湿地，即“由多到少”，是“截”的过程。雨污水截流湿地收集来水后，通过导流渠道集中重力自流至生态缓冲塘，作为强化型垂直流湿地净化处理前的缓冲准备，即“由少到集中”，是“导”的过程。

图6 面源污染收集路径设计示意图

项目南段地势较陡，居民较少，面源水量占区域总水量的20%，通过水泵提升直接将雨水排口接入强化型垂直流湿地，充分发挥强化型垂直流湿地自身的水量调蓄能力。

3.6.2 雨污水截留湿地

本项目在主要的排水渠道分布的区域建设雨污水截留湿地，利用石公路西侧的低洼地带建设，就近收集水量变化大的面源来水以及南湾一体化污水处理设施的雨天溢流和尾水。针对面源来水短时水量大的特点，在湿地前端设计用石笼建构的进水区，来水通过石笼渗入湿地。雨污水截流湿地建设完成后的示意图如图7所示。

图7 雨污水截流湿地示意图

3.6.3 生态缓冲塘

生态缓冲塘是本项目总体思路中“多点到单点”的集中体现，在项目北段，利用现状鱼塘进行改造建设生态缓冲塘，雨污水截留湿地的出水通过导流渠道送入生态缓冲塘进行水质水量的缓冲，部分排水渠道的来水直接通过改造现状沟渠连接进入生态缓冲塘。生态缓冲塘内将设计深浅不一的水下地形，其主要功能是面源来水的调蓄，把雨污水截留湿地导来的水集中到一个点，为后续强化型垂直流湿地处理准备。

3.7 垂直流湿地处理专项设计方案

垂直流湿地处理专项设计方案包括强化型垂直流湿地平面布置、单元床体设计、进出水设计等内容。强化型垂直流湿地用于高效处理面源来水，是一种改进型的垂直潜流湿地，能够适应面源来水瞬时水量大、水量波动大的特点。强化型垂直流湿地的有机物微生物降解和硝化能力强，能够高效去除污水中的CODCr和NH3-N等污染物；含磷污染物将在滤床滤料层中吸附沉淀；同时，间歇式的饱水运行状态有利于反硝化作用去除总氮。

3.7.1 强化型垂直流湿地平面布置

北段强化型垂直流湿地分布在生态缓冲塘周边，与生态缓冲塘相结合，可以呈现湿地花园的效果，示意图如图8所示。北段强化型垂直流湿地面积共2hm2，分为10个湿地生物反应床单元，每个单元面积2000m2。10个单元并联设计，便于进行间歇交替布水。

图8 流湿地分布示意图

南段强化型垂直流湿地分布在消夏江河岸边，面积共0.6hm2，设计分为3个湿地生物反应床单元，每个单元面积2000m2，3个单元并联设计。

3.7.2 湿地生物反应床单元设计

湿地生物反应床单元面积为2000m2，北段单元的滤料面标高为3.10m，滤床底标高为1.90m，挡墙标高4.50m，正常运行水位3.4m，最高调蓄水位4.1m；南段单元的滤料面标高为3.5m，滤床底标高为2.3m，挡墙标高4.9m，正常运行水位3.8m，最高调蓄水位4.5m。

单元内部结构自下而上分别为防渗膜、集水管、中晟环境专业生态填料、布水系统、湿地植物、布水水位和调蓄水位、生态护坡。

3.8 清水回用专项设计方案

清水回用专项设计方案包括清水池、莲花池、清水管道、清水回用廊道等内容。

3.8.1 清水池

北段清水池是项目清水调蓄池和集中展示区，面积为415m2，水位1.8m。清水池总体布置结合湿地景观绿化一同设计，清水池采用阶梯式直立挡墙构筑，每层设置绿化种植平台，清水池四周设置亲水步道，方便游人欣赏。

北段清水池内安装提升泵站，将清水提升至莲花池，从莲花池自流进入清水回用廊道。其中莲花池面积266m2，水位6.5m。清水池周边浅水区域种植鸢尾、芒草等植物。

南段清水通过提升泵站提升至在建清水回用廊道中，从廊道自流进入浅滩清水池，多余清水自流进入浅滩湿地。

3.8.2 清水回用廊道

清水池的清水通过莲花池自流进入清水回用廊道，借南湾村落区地势因地制宜在石公路西侧设计清水回用廊道，形成水街景观，同时可以作为灌溉水进行回用。

图9 清水池布置图

清水回用廊道从莲花池向北至生态缓冲塘沿石公路西侧设计，共1km，水位为5.5～3.0m，其地形因地制宜设置，总体趋势南高北低。清水回用廊道种植低矮及观赏性强的植物，如梭鱼草、千屈菜、铜钱草、鸢尾，配以开花类草花植物。

3.9 浅滩湿地设计方案

浅滩湿地主要建设在消夏江岸边低洼地及河道、入太湖口沿岸，浅滩湿地进行科学的植物配置和种植，提升生物多样性。水生植物是构建良性生态系统的基础，是河湖水体生态建设的重要组成部分，根据消夏江及太湖沿岸水流水动力条件，合理布设水生植物，通过不同挺水植物的合理配置，为构建良好的生态系统打下基础，为鱼类、底栖动物等提供良好的栖息环境，种植主要水生植物为耐污型植物，包括芦苇、美人蕉、鸢尾等。

浅滩湿地底标高为3.5～3.0m，东高西低，主要功能是面源污染入河前的第3道拦截，对面源污染进行补充净化。浅滩湿地主要种植美人蕉、海寿花、鸢尾、千屈菜、黄菖蒲等植物。

4 运行结果

工程于2021年11月通过竣工验收并正式投入使用。工程运行效果稳定，出水COD<20mg·L-1，NH3-N<1mg·L-1，TN<3mg·L-1，TP<0.2mg·L-1。

5 结论

消夏湾湿地生态安全缓冲区工程通过整合湿地、农田、林地、水网等自然要素，有效拦截并治理农业农村面源污染，湿地出水COD<20mg·L-1，NH3-N<1mg·L-1，TN<3mg·L-1，TP<0.2mg·L-1，消夏湾水质逐渐得到改善，削减了排入太湖的氮磷负荷，增强生态系统自净能力，提高生态环境承载力，提升生物多样性，为保护太湖水生态构建安全屏障。同时，工程的建设使消夏湾得到了充分的开发与利用，缓冲区促进了区域生态功能的恢复。也提高了当地居民的生活环境质量，实现了生态修复、水质改善与经济社会发展的统一，为湿地生态安全缓冲区工程提供了有益的实践经验。