厦门市马銮湾区域人工湿地构建及应用效果分析

杨映森

摘 要 湿地生态系统作为近年来广受关注的污水处理系统，在城市环境污染及治理工程方面有着越来越重要的作用。随着我国“海绵城市”工程概念体系的提出，人工生态湿地已在全国海绵城市开发建设各领域中发挥着重要作用；人工生态湿地通過人工构建湿地模块系统，对湿地污染及水流污染物进行自然降解处理，最终实现净化水质的目的。以福建省厦门市马銮湾新城集美片区水生态修复工程（二期）项目为例，详细介绍人工生态湿地、下行潜流技术、自然沉淀净化塘、水生植物选择及种植技术等在污水净化工程实践上的应用。

关键词 人工湿地；下行潜流技术；水生植物；水体净化；福建省厦门市

中图分类号：X52；X321 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.03.004

湿地作为“城市之肾”，在城市水环境的建设中有重要作用。河流湿地是未来城市居民赖以生存的必要水资源，城市河流湿地作为天然的城市休闲亲水娱乐平台，为居民提供了一个休闲和娱乐空间，具有美学教育和生活美学理论实践等多重价值。随着城市建设的日益发展，城市河流湿地原有的植被形态逐渐被人类活动破坏得支离破碎，大量废水流入其中，沿岸的植物群落及水生动物栖息地也遭受不同程度破坏，生物多样性降低，生态功能和湿地生态景观条件不断恶化[1]。

随着经济技术的高速发展，人们在极力追求营造优质社会生活环境氛围的同时，营造良好河流生态环境氛围的基本理念意识也愈发深入人心。因此，要从自然生态环境修复规划和人文生态环境保护设计等科学角度出发，全力解决自然生态环境存在的各类问题，以期达到全面重建良好稳定的人类河流生态系统氛围的目的。

本项目结合城市内河流与湿地水体的水系景观结构特点变化和建设城市湿地水体公园系统的整体功能与要求，从修复净化河流水质的长远目标出发，对马銮湾区域内瑶山溪和深青溪的河道进行景观改造和水生态治理，对已经遭到严重破坏的河流进行自然修复和景观提升改造，通过构建人工湿地，干预和引导城市河流生态系统进入良性循环，打造厦门市新型现代化的综合性城市森林湿地公园标杆。

1  概念

1.1  湿地

三大陆地生态恢复保护系统分别是森林、海洋和湿地。湿地保存着来自全世界大量极濒危的水生动植物资源，湿地也因此被称为“鸟类的乐园”；同时因其强大的生态净化功能，湿地也被称为“地球之肾”[1]。广义上的湿地一般是指天然或人工形成的沼泽地等带有静止或流动水体的成片浅水区，还包括在低潮时水深不超过6 m的水域，而将天然水体湿地和人造陆地之间的自然过渡地带区域统一定义为人工湿地。

1.2  人工湿地

人工湿地是人们通过科学模拟自然湿地，加以人为控制设计开发和建造出的一套具有环境可控性特征和自然工程化设计特点，以人工基质、植物群落和自然微生物为协同单元，通过环境物理、化学效应和环境生物作用等进行自然污水处理活动的复合自然生态系统模型[2]。人工湿地通过人工构建湿地模块系统，对湿地污染及水流污染物进行自然降解处理，最终实现净化水质的目的。其中，人工下行潜流湿地模块有着成本低、见效快、蓄洪能力强等特点，在海绵城市建设中扮演着重要角色。

2  人工湿地模块的构建

在地面人工开挖出的沟槽内填入砂、石、矿渣粉等各种填料作为排水介质，并合理种植水生植物，设置进水口和出水口，通过这种工程措施，以最低程度的水能耗，使湿地调控区域内水体温度有规律、有方向地进行空气环流和运动，完成地面对湿地水体大气的快速充氧，达到区域水体温度均衡。

重力下行潜流湿地模块由多级自然沉淀净化池和重力下行潜流湿地模块组成，利用自然高差和水体重力原理，采用表面自然流动的水流方式，水流经过植物根系并下渗至滤料层，滤料层大量微生物和植物根系共同作用，降解水中COD、氨氮、总氮、总磷等污染物，提高水体透明度，最终提升水质等级。

2.1  滤料

下行潜流湿地模块主要以各类粒径、性质不同的小颗粒状填充物作为基质，铺成各种不同粒径厚度的床体，为湿地中植物匍匐生长、微生物附着提供载体。填充物材料多由细颗粒砂、粗颗粒砂、砾石、陶粒、瓜子石、石灰石、矿渣等组成，这类材料具有较大的比表面积和孔隙度，可为微生物的附着繁衍提供良好的空间。其中，对主要含N、P元素污染物有效去除率按能力大小排序为矿渣粉煤灰土＞蛭石、黄褐土、黄土灰渣＞沸石、砂子、岩渣[3]。基质层在实施回填等处理前还应注意重新清洗基质，防止大块的建筑砖渣、土壤、木质材料碎屑等颗粒状固体杂物混入基质层内。

2.2  水生植物

水生植物能快速清除、净化水体，且不会带来水质的二次污染，对于修复与重建天然水系环境和全面恢复自然水生态环境有着重要作用。水生植物是目前我国人工湿地的核心组成，主要分为挺水植物、沉水植物、浮水植物三大类，人工湿地植物主要选用挺水植物、浮水植物组合种植。

水生植物在人工湿地中的生长过程也是对污水中各种营养物质循环利用的过程，水体流经植物幼嫩根部，经过植物根系的自然吸附分解和化学沉淀净化作用，达到净化和利用污水的双重目的。

不同品种植物根系生长差异性较大，根系发达、气生根较多的植物更易拦截水中的营养物质。不同类型植物对重金属及N、P元素的吸收、去除和利用能力也存在不同，如金边菖蒲和美人蕉对N元素的去除效果较好，水芹和旱伞草对P元素的去除效果较好[4]。

2.3  微生物

微生物种群一般是自然湿地水体内去除水生环境污染物的主要任务承担者，人工湿地环境内湿地微生物的去污害作用能力一般与其群体内的主要生物数量和野生动植物种类数之间成正比。而种植植物有助于增加微生物的数量，尤其是有根系的植物对于微生物数量的增加作用显著[5]。微生物在湿地不同区域的数量分布也有较大差异，植物根系区比无根系区微生物数量多，上层基质区比下层基质区微生物数量多[6]。

3  工程实践应用

3.1  工程概况

近年来，厦门市从切实保护河流湿地水体生态、保障河流水源环境安全、打造水上旅游文化理想休憩之地等规划建设思想高度站位出发，以生态恢复为目标，科学梳理水体、优选水生植物、着力恢复湿地植被，在净化水体的同时创造优美的生态景观，进而打造海绵型城市湿地公园。马銮湾新城集美片区水生态修复工程项目地点位于集美区马銮湾新城北片区，北邻海翔大道，南邻环湾大道，东至环湾东路，西至蒲边北路。项目一期总计划用地面积约71万m2。工程建设主要内容包括园林景观工程、河道景观的治理修复及水系修复工程、水生态景观修复工程等。

马銮湾新城集美片区水生态修复工程（二期）主要目标是马銮湾区域内瑶山溪和深青溪的河道景观和水生态治理，两条主要溪流的水质类别总体为Ⅴ类或劣Ⅴ类，如果直接排入马銮湾内湾区域海域，地表径流输入的外源性污染将对所在地海域的水质造成较大影响。本项目水生态修复工程是利用自然高差，对瑶山溪和深青溪的来水通过多级无动力下行潜流湿地模块及自然沉淀净化塘形成径流，达到净化水质的目的，构建人工功能性生态湿地，取到良好的景观效果和社会效益。

3.2  下行潜流湿地模块构建

3.2.1  集水、配水及出水方式

人工湿地单元采用穿孔管、集水管、配（集）蓄水堰坝等多种装置方法逐步实现集水和配蓄水效果，穿孔管口周围选用粒径相对较大一些的基质，其粒径均应明显大于管的穿孔孔径。

整个系统的工作方式为湿地模块单元由上游供水通道供水，经过其他多个湿地模块单元后，将雨水从由其上游排水形成的排水通道直接排至濕地模块后进入下一个湿地模块单元。河水最终依次通过数个湿地模块得到直接净化，实现对湿地水质整体进行改善净化或提升的目的。整个水流过程为重力自然流，在雨季或水量过剩时，可快速由湿地模块表面通过，保证汛期安全。

3.2.2  结构层滤料的选用

如图1所示，结构层从下到上共7层，夯实基础后依次为土壤基层、垫层、集水管过滤层、滤料层、过渡层、渗水层及种植基质层。1）土壤基层：整理和平整场地土层，并进行分层夯实，作为结构的基础层。2）垫层：土壤基层上均匀铺设10 cm中粗砂作为垫层，起到隔绝土壤的作用。3）集水管过滤层：该层为排水层，采用30 cm砾石中包含直径10 cm盲管，上下均采用土工布隔离，增强排水能力，避免堵塞盲管。4）滤料层：该层为水质净化的关键作用层，为净水微生物的生存空间，采用石灰石、矿渣、陶粒、砂石等大空隙填料，便于微生物生长附着和水流顺利通过。5）过渡层：该层为空隙更大的填料层，由直径在6～12 mm的砂砾构成。6）渗水层：由粒径在8～16 mm的砾石构成，方便水流下渗。7）种植基质层：种植基质层由混合砂构成，用于栽植水生植被。

3.2.3  水生植物应用及景观效果

在下行潜流湿地模块的基质平台上构建水生植物生态群落，种植各类水生植物可以更有效地吸收、转化水中的有机氯、磷、钾元素，水生植物还可以其发达、稳定的地下根系为其他各种中小型水生生物，如田螺、蛙、虾、鱼、鳖等，提供一个良好舒适的生活环境，有利于进一步完善水体生物多样性，提高水体自净能力。

本项目选择吸附能力强、成活率高、抗盐碱性好、生长期长、景观良好，且根系具备吸收降解氨氮、总磷、总氮等作用的挺水植物，包括芦苇、美人蕉、菰、灯芯草、东方香蒲、风车草、水葱等。不同的水生植物群体适应环境、抗盐度能力也有所不同，芦苇、东方香蒲耐盐性强，高盐度环境对其个体和种群的稳定生长无较大影响，是国际上公认的人工湿地首选植物，且具有种植简单、繁殖能力强、管理要求粗放、处理效果好等优点（见图2）。

水生植物挖取至栽植时间不得超过36 h，应选用健康、根茎完整、整个植株无残败、无检疫性病虫害的植株进行栽培，栽植时需要对根系上附着的土壤进行清理，防止带入过量泥土。

由于水生植物存在植株疯长的潜在风险，应加强后期的养护管理，通过生态管理措施适当修剪收割。例如，对芦苇、菰、灯芯草、东方香蒲等适当去除老叶、枯叶，美人蕉、风车草应适当抽枝修剪，冬季水葱植株枯萎后应对其进行收割清除，从而维持其种群的适度繁殖，并形成良好的景观效果（见图3）。

3.3  自然沉淀净化塘

在水生态功能修复区前段、中段和尾段分别设置了多个大型自然沉淀净化塘。前段沉降净化塘确保了从河流中游进入水中的大体积颗粒物全部得到自然沉降；自然沉淀净化塘与河岸可保证流水量的自由交换平衡和自我调节，更能同时促进各类不同层次的生物群落共生繁殖，以改善水域生态系统，从而进一步提高区域水体自净能力。

自然生态驳岸系统可将临水岸植物与附近水体植物连成一片，初期只需进行适当人工干预以调整自然种群结构及其演变，抑制其个别变异品种个体的迅速疯长。当构成整个自然驳岸群落的生态系统发展成熟后，无需进行人工干扰即可有效保持水体生物多样性结构稳定（见图4）。

4  结语

城市湿地公园不仅可有效满足人们日常休闲及娱乐方面的精神需求，其生态净化作用和教育科普的导向功能也尤为突出。由于现代城市的快速发展，多地城市河流湿地生态系统一度濒临崩溃，必须通过人为干预引导河流湿地生态系统实现良性循环。

人工湿地作为一种自然调节和净化处理污水的最佳系统手段，在各种水处理工艺领域里应用都较为广泛。本项目对人工湿地下行潜流湿地模块的构建、结构层滤料和水生植物的选择应用等方面进行了初步探索，取得若干可供借鉴的经验，包括水体中污染物种类繁多，应进一步加强水生植物新品种的优化筛选及培育，合理科学搭配相关植物品种；结构层滤料的选择，需要在满足功能性要求的前提下遵循“双碳”原则，达到节能减排的目的，最终实现可持续、低维护的城市河流湿地景观。

参考文献：

[1]   花道萌.河流生态修复理念下的城市河流湿地设计研究：以山东省淄博市范阳河湿地公园为例[D].北京：北京林业大学，2017.

[2]   吴树彪，董仁杰.人工湿地污水处理应用与研究进展[J].水处理技术，2008（8）：5-9.

[3]   袁东海，景丽洁，高士祥，等.几种人工湿地基质净化磷素污染性能的分析[J].环境科学，2005（1）：51-55.

[4] 方焰星，何池全，梁霞，等.水生植物对污染水体氮磷的净化效果研究[J].水生态学杂志，2010，31（6）：36-40.

[5]   梁威，吴振斌，詹发萃，等.人工湿地植物根区微生物与净化效果的季节变化[J].湖泊科学，2004（4）：312-317.

[6]   王青翔，梅凯，许亚萍，等.校园景观水体生态修复的规划与探讨[J].中国建设信息（水工业市场），2009（3）：108-110.

（责任编辑：张春雨  丁志祥）