长春市长春堡人工湿地工程设计

周国旺 徐玲娥 卢烨彬 康雅茹 宋思远

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

人工湿地技术不仅对污染物去除效果较好、能够适应面源不稳定特性，而且在生态恢复、景观打造等方面有不错的效果（张琦等,2022;杨宝玲等,2019），是目前河流面源污染治理中应用最广泛的技术。国外利用人工湿地技术净化河道水质的应用比较早，其中包括德国莱茵河水质提升、墨西哥污染河流治理等（Elliot et al.,2017;Luis et al.,2020）。国内在长江流域、海河流域、黄河流域、辽河流域等建设了多座大型人工湿地，用于治理河道污染。如长治市石子河至浊漳南源河口段污染严重，研究者根据上游来水流量和来水污染负荷量设计表面流湿地，出水水质达到了地表水Ⅲ类标准（周保安,2022）。黄河一级支流涑水河水质为劣Ⅴ类，研究者根据涑水河的水质情况及建设地点的土地利用情况，采用预处理工程（格栅渠、沉砂池）+两级表面流人工湿地+垂直潜流人工湿地的主体工艺路线对河道水体进行处理，出水水质稳定达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ标准（徐小乐等,2022）。

我国东北地区冬季漫长且寒冷，以吉林省为例，冬季极端气温可达-50℃左右，12 月至次年1 月平均气温为-20～-7℃，给人工湿地的稳定运行带来极大的挑战。为了解决寒冷地区人工湿地运行效率低、冬季运行不稳定的问题，本文以新凯河支流永春河上游人工湿地为例，综合考虑气候、水量水质、地形等条件，通过模拟自然界天然湿地的净化能力，在河道旁建设近自然湿地，将永春河来水引入湿地进行净化，以实现人工湿地水质净化、微气候调节和生物多样性恢复的功能，为我国寒冷地区流域面源污染治理、生物多样性恢复等提供示范与参考。

1 研究地概况

长春堡人工湿地位于长春市朝阳区新凯河的一级支流永春河上游，多年平均气温4.8℃，冬季冻结深度1.6～1.8 m。流域多年平均降水量565 mm，降水量年内分布不均，6—9 月降水量占年降水量的78.1%。永春河发源于永春镇，全长约30.10 km，河道来水季节性较强，在枯水期基本没有天然径流量，丰水期最大流量可达2.60 m3/s。河流现状水质为GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类～劣Ⅴ类，且河道水土流失严重，水体含砂量大。永春河上游段是八一水库的水源补给主径流，由于流域内现为农村地区，面源污染严重，导致现有河道水体污染物浓度高、水质较差，水体生态系统呈退化趋势，为下游八一水库带来严重威胁。

2 工程设计

2.1 设计水量、水质

2.1.1 设计水量长春堡人工湿地主要来水为上游河道，河道断面多年平均径流量见表1，从表1 中可看出河道断面全年径流量变化较大。考虑周边农业面源污染及农村生活污水污染排入河中，结合河道的年平均流量及丰水期流量对湿地水量进行设计，设计水量以3 500～12 000 m3/d 计。

表1 长春堡人工湿地上游河道断面多年平均自然流量变化情况 m3/dTable 1 Annual mean natural discharge variation of upstream river section in Changchunbao constructed wetland m3/d

2.1.2 设计进、出水水质进水水质是人工湿地设计的关键边界条件，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。长春堡人工湿地来水受季节影响大，因此，分别在旱季和雨季监测上游河道来水水质（表2）。

表2 长春堡人工湿地上游河道水质 mg/LTable 2 Water quality of the river upstream of the proposed constructed wetland mg/l

根据表1 和表2，11 月至来年5 月为旱季，湿地上游河道断面多年平均自然流量减小，加上流域内农业面源污染和农村生活污水污染物排放，来水中污染物浓度相对更高；6—10 月降雨增多、河道断面流量较大，尤其是7 月和8 月超过1 万m3/d，来水中污染物被稀释，浓度也相对更低。但考虑雨季农田退水量和生活污水排放量都增加，不降雨时进入河道的污染物增多，导致来水中污染物浓度变化较大，故设计进水水质分为旱季和雨季，雨季进水水质波动范围更大。本湿地结合流域综合治理其他措施共同实施，出水以《地表水环境质量标准》V 类水标准设计（表3）。

表3 设计进出水水质 mg/LTable 3 List of designed inlet and outlet water quality rate mg/L

2.2 工艺流程

长春堡人工湿地冬季河道水温较低，而工程水质净化目标要求较高，故核心净化单元选择潜表耦合湿地；上游河道污染主要是面源污染，入河径流中容易携带大量泥沙，故设计前端生态塘进行沉淀。此外，长春堡人工湿地位于候鸟南北迁徙必经之路，生态敏感性强，在保证净化效果的同时需考虑生物多样性恢复，故在末端设计进自然湿地，为鸟类提供丰富的食物来源。最终选择前端生态塘（无沉水植物）+氧化塘+潜表耦合湿地+末端生态塘（沉水植物为主）+近自然湿地组合工艺；同时，通过设置拦河蓄水闸，将永春河河水引流至湿地，出水就近排往永春河河道内，水位可通过虹吸式潮汐流造流器进行控制。各工艺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。计算过程参考HJ 2005—2010、CJJT 54—2017《污水自然处理工程技术规程》等相关设计规程规范。具体工艺流程和平面布置见图1 和图2。

图1 人工湿地工艺流程图Fig.1 Process flow chart of constructed wetland

图2 人工湿地工艺平面布置图Fig.2 Process layout of constructed wetland

3 主题工艺设计

3.1 竖向设计

永春河河水通过拦水闸引入湿地，进水标高为222.10 m，出水水位为221.40 m（图3）。本湿地通过可调式出水堰门将水位控制在0～0.4 m 范围内，正常运行时河道进出水水头总损失约为0.6 m。当遇到较大洪水时，永春河河水漫过拦水坝，直接溢流进入下游河道，不影响河道的正常行洪。

图3 人工湿地竖向高程设计Fig.3 Vertical elevation design of constructed wetland

3.2 工艺单元设计

3.2.1 前端生态塘前端生态塘的设置可以使河道来水悬浮物沉淀，降低来水的悬浮物负荷及含砂量，提高河水停留时间，降低潜表耦合区的污染物负荷。设计有效水深为2.0 m（预留1.0 m 沉泥区），总面积5 000 m2，有效池容量10 000 m3，水力停留时间0.41～1.4 d，表面负荷0.6～1.6 m3/m2·d，不种植沉水植物（图4）。挺水植物以芦苇（Phragmites australis）为主，辅以菖蒲（Acorus calamusL.）、香蒲（Typha orientalisC.Presl）等，种植密度宜为9～25 株/m2。

图4 前端生态塘剖面图Fig.4 Section view of the front ecological pond

3.2.2 氧化塘水中溶解氧含量直接关系到水体质量的好坏，经过前端生态塘沉淀的河水流入氧化塘，通过水位的自然波动对水体进行复氧，提高潜表耦合湿地的硝化能力。氧化塘总面积为5 700 m2，平均有效水深1.5 m，水力停留时间0.71～3.5 d。氧化塘内设置1个鸟岛，面积为200 m2，鸟岛上主要种植结籽植物，为鸟类提供丰富的食源和栖息环境。

3.2.3 潜表耦合湿地潜表耦合人工湿地通过特殊的水体错流方式及滤床构造来减少泥沙沉积造成的滤床堵塞。大流量时以表流为主，底部滤床潜流为辅，低流量时以潜流为主。本案例湿地潜表耦合区面积采用一级推流式模型NH3-N 指标计算，为3.6 万m2，水力停留时间为1.5～5.4 d，表面水力负荷为0.097～0.33 m3/（m2·d），主滤床介质为矿石和火山岩。配水渠采用渗透系数大的石笼进行均匀配水。单块工艺单体中配水石笼竖向长度150 m，滤料宽度40 m，水体以渗流方式通过滤料进入集水渠收集后进入末端生态塘（图5）。

图5 潜表耦合湿地剖面图Fig.5 Profile of the subsurface coupled wetland

3.2.4 末端生态塘末端生态塘主要种植沉水植物、浮水植物等景观性较好的水生植物，在净化水质的同时，为河流的鱼、虾、螺、贝和鸟类提供生存环境，恢复河道生物多样性，实现湿地生物多样性恢复的生态功能。本案例湿地末端生态塘平均水深1.5 m，池面面积7 400 m2，停留时间0.9～3.1 d。沉水植物面积1 250 m2，主要选用苦草（Vallisneria natans）、伊乐藻（Elodea canadensis）等，种植密度为3～9 株/m2（图6）。

3.2.5 近自然湿地近自然湿地内生态岛是其核心处理区，通过人工构建的岛屿作为一个微生物载体，为微生物提供大量的生长空间，河水中的有机物被湿地滤料及植物根系表面的生物膜截留，通过附着在生物膜上大量微生物的分解作用降解有机物（李春华等,2023;靖玉明,2008）。本设计对周围荒地进行改造，利用现状低洼地对该区域进行适当的地形改造，形成从水面到滩地再过渡到旱地的一个生态演变序列，构造一个鸟类栖息及植物多样性的环境（图7）。设计近自然湿地面积约0.9 hm2，末端沉水植物塘出水进入近自然湿地停留0.7～2.4 d 后排入永春河道。

图7 近自然湿地剖面图Fig.7 Section view of a near natural wetland

3.3 湿地内部细化设计

3.3.1 植物种植设计根据项目区的特点，选择耐污和耐寒能力强、净化效果好、根系发达、经济和观赏价值高的水生植物。在岸边、浅滩种植纳污能力较强的挺水植物，在深水区域（0.8～1.5 m）适当位置种植浮水植物和沉水植物，形成水生植物错落有致、水下森林与水上挺水植物相呼应的优美水上景观。本项目挺水植物以芦苇为主，辅以菖蒲、香蒲等；沉水植物选用苦草、伊乐藻等；浮水植物选用睡莲（Nymphaea）。本工程植物种植密度可根据植物种类与工程的要求调整，挺水植物种植密度为9～25 株/m2，种植面积38 000 m2；浮水植物和沉水植物种植密度为3～9 株/m2，种植面积分别为2 200 m2和5 300 m2。

3.3.2 水生动物设计大型底栖生物可觅食底质中大量的有机质及腐败的水生植物残体等，降低底质中有机质含量及营养物质的释放。本项目在整个水域中放养的水生动物主要以青虾、环棱螺、黑鱼为主。结合本湿地工程的场地条件，投放青虾（尾）5 000 只、环棱螺6 500 只、黑鱼（尾）2 000 只；其中青虾约20 g/尾、环棱螺约15 g/尾、黑鱼约50 g/尾。

3.3.3 湿地防渗设计人工湿地主要的防渗形式包括夯实土防渗、粘土夯实防渗、HDPE 膜防渗等。长春堡人工湿地采用素土回填（不包括湿地泡），土壤可溶性盐含量不得大于5%，有机质烧失量不得大于5%，特殊情况不得大于7%。回填土采用振动压路机分层夯实，每层压实3～4 遍，压实度不小于94%，直至施工至原地面标高。施工中严格控制填料的含水量，设计渗透系数≤10-8m/s。长春堡湿地泡采用粘土夯实进行回填，回填标准参照《生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范(CJJ113-2007)》。

3.4 湿地运行和维护

3.4.1 人工湿地水位和流量控制人工湿地系统有一定的环境容量和生物容量，当污染负荷超过系统处理容量时，势必会造成出水水质下降、系统寿命缩短。长春堡人工湿地水位控制的几个基本要求：1）为有利于潜表耦合区的植物生长，床中浸没植物根系深度尽可能均匀；2）前端、末端生态塘和氧化塘在每年春天系统运期间，应降低水位促进新芽的生长；3）当来水水质大于设计进水水质时，采用超越管对来水进行超越,保护、延长湿地使用寿命。

3.4.2 湿地植物管理由于东北特殊的地理气候，冬季枯萎的植物不易腐败，需在冬季前对植物进行收割，湿地收割后应及时清理人工湿地上的残留植物碎屑，防止植物残留造成出水NH3-N 浓度升高。

3.4.3 枯水季湿地“黑臭化”防治措施枯水季节湿地黑臭化主要原因为湿地水量减少，植物冬季凋亡后未及时收割。为了防止枯水季节的湿地“黑臭化”，湿地枯水季采取以下措施：1）加强湿地运营管理，对湿地植物进行机械化收割，在枯水季节减少碳源进入；防止冬季湿地植物枯萎后，存在的火灾安全隐患及二次污染问题，提高人工湿地净化效率。2）控制生态塘水深，确保湿地在枯水期有相对充足水量，并采取机械性供氧，保证水体中溶解氧浓度。3）当水中悬浮物增多时，可采取在生态塘加絮凝剂，使悬浮物凝聚并沉淀。

4 水质净化效果分析

旱季上游来水少，人工湿地对来水中COD、NH3-N、TP的去除率预计分别为20%～35%、30%～50%、20%～45%。雨季上游来水充沛、农田退水多，进入河道的污染物较多，人工湿地对来水中COD、NH3-N、TP 的去除率更高，分别为20%～60%、50%～80%、60%～80%。3 种污染物年去除量分别超过100.71 t、6.95 t、3.3 t（表4）。

表4 水量相近月份污染物去除汇总表Table 4 Summary of pollutant removal for months with similar water volume

5 结论

长春堡人工湿地工程根据项目所在地气候特点、水质和水量情况及地形分布等条件，以水质净化、微气候调节和生物多样性恢复为目标，通过采用“前端生态塘（无沉水植物）+氧化塘+潜表耦合湿地+末端生态塘（沉水植物为主）+近自然湿地”的组合工艺，同时配备一体式潮汐流造流器、潜表耦合湿地渗滤坝等，削减湿地上游来水中污染物含量。旱季上游来水少，人工湿地对来水中COD、NH3-N、TP 的去除率预计分别为20%～35%、30%～50%、20%～45%。雨季上游来水充沛、农田退水和生活污水排放增加，进入河道的污染物较多，人工湿地对来水中COD、NH3-N、TP 的去除率能够达到20%～60%、50%～80%、60%～80%，3 种污染物年去除量分别超过100.71 t、6.95 t、3.3 t。该工程建成后大大改善了永春河流域水质和生态系统多样性，可以为我国寒冷地区流域面源污染治理、生物多样性恢复等提供示范与参考。