莱阳市蚬河人工湿地设计及运行分析

摘要：五龙河是胶东第一大河流，流经栖霞市、莱阳市后注入黄海，蚬河是其重要支流。作为北方季节性河流，蚬河在非雨季的主要水源为莱阳市第一污水处理厂尾水。但是，该尾水属于劣Ⅴ类微污染水，仍然对五龙河流域乃至海湾水质安全构成威胁。蚬河人工湿地水质净化及生态修复工程采用“多级表流湿地+生态塘岛”组合工艺，对蚬河微污染水进行生态净化，实现水质从劣Ⅴ类提升至优于Ⅴ类的净化目标。该项目通过挺水植物带、基底修复、人工水草、生物滞留塘和沉水植物塘等生态修复措施恢复蚬河退化的生态系统。该项目利用城市河道构建水质净化型人工湿地，并对河道生态进行修复，为用地紧张的水环境治理项目提供借鉴。

关键词：人工湿地；设计；运行；微污染水；表流湿地；生态塘岛；蚬河

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）08-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.076

Analysis on the Design and Operation of Xianhe River Artificial Wetland in Laiyang City

LI Wenda1， ZHOU Jinlan2， ZHAO Xian2， SHI Lu2， YANG Jialin2

（1. Laiyang Branch of Yantai Ecological Environment Bureau， Yantai 265200， China;

2. Beijing Further Tide Eco-construction Co.， Ltd.， Beijing 100012， China）

Abstract： Wulong River is the largest river in Jiaodong， flowing through Qixia city and Laiyang city before emptying into the Yellow Sea， with Xianhe River being an important tributary. As a seasonal river in the north， the main source of water for Xianhe River during non rainy seasons is the tail water from the first sewage treatment plant in Laiyang city. However， the tailwater belongs to Class Ⅴ slightly polluted water， which still poses a threat to the water quality and safety of the Wulong River Basin and even the bay. The water quality purification and ecological restoration project of the Xianhe artificial wetland adopts the combination process of “multi-stage surface flow wetland + ecological pond island” to ecologically purify the slightly polluted water of the Xianhe River， achieving the purification goal of improving the water quality from poor Class Ⅴ to better than Class Ⅴ. This project aims to restore the degraded ecosystem of Xianhe River through ecological restoration measures such as emergent plant belts， substrate restoration， artificial aquatic plants， biological retention ponds， and submerged plant ponds. This project utilizes urban river channels to construct water purification artificial wetlands and restore the river ecology， providing reference for water environment management projects with tight land use.

Keywords： artificial wetland; design; operation; slightly polluted water; surface flow wetland; ecological pond island; Xianhe River

五龙河是胶东第一大河流，其干流流经栖霞市、莱阳市后注入黄海丁字湾，蚬河是五龙河的重要支流之一。作为北方季节性河流，蚬河在非雨季的主要水源为莱阳市第一污水处理厂尾水，出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。对照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），该尾水仍属于劣Ⅴ类微污染水，对五龙河流域乃至海湾水质安全构成威胁。同时，在污染胁迫的作用下，流域的植被及水生生物等生态系统也发生演替和退化[1]。为保护五龙河流域及海湾水生态环境的健康安全，2017年，莱阳市启动五龙河流域水环境治理项目。蚬河人工湿地水质净化及生态修复工程是五龙河流域整体治理的重要组成部分，该项目已于2018年建设完成。

人工湿地是一个综合的生态系统[2]，它利用生态系统中物种共生、物质循环再生的原理，结合结构与功能协调原则，在促进污水中污染物质良性循环的前提下充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益，已广泛应用[3]。人工湿地在污水生态净化方面应用已久，但在用地紧张的场合难以实施。该项目利用城市河道构建水质净化型人工湿地，并对河道生态系统进行修复，为用地紧张、水体生态退化的项目提供借鉴。

1 设计进出水水质

在非雨季，蚬河来水为莱阳市第一污水处理厂尾水，水量为6万m3/d。湿地设计进水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准，即化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，CODCr）为50 mg/L，氨氮（NH3-N）浓度为5 mg/L，总磷（Total Phosphorus，TP）浓度为0.5 mg/L；出水水质优于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的地表水Ⅴ类标准，即CODCr浓度为40 mg/L，NH3-N浓度为2 mg/L，TP浓度为0.4 mg/L。

2 工艺选择

污水处理厂周边及蚬河下游沿线两侧没有合适的用地，同时由于历史上直排及混流污水等污染胁迫的影响，河道的植被、水生生物等生态系统发生明显的退化。因此，该项目利用河道空间构建以“多级表流湿地+生态塘岛”组合工艺为核心的水质净化和生态修复系统，主要内容包括挺水植物带、基底修复、人工水草、生物滞留塘和沉水植物塘等。具体工艺流程如图1所示。

2.1 表流湿地

该项目利用河道现有的橡胶坝构建多级表流湿地，表流湿地内组合搭配挺水植物带、基底修复和人工水草等水质净化措施。表流湿地总面积为392 387 m2，平均深度为1.0 m，水力停留时间为6.54 d，表面水力负荷为0.15 m3/（m2·d），表面有机负荷为2.7 g/（m2·d）。

在水位变幅区等稳定的滩地区域设置挺水植物带，发挥挺水植物对岸坡防护、营养盐吸收、微生物附着的作用，同时营造丰富的水生生境。对底质污染及退化严重的区域实施基底修复，具体措施为清淤0.5～1.0 m后按照比例铺设粗砂和种植土，接种枯草芽孢杆菌、光合细菌和硝化菌等菌种，提高基底的生化活性。为提高河道参与水质净化的微生物总量，在深水区域设置人工水草区，人工水草面积共计38 754 m2，水深为1.5 m；单片人工水草规格为1.0 m（长）×1.0 m（高），厚度为4.75 mm，人工水草底部对折，由直径8 mm的尼龙绳串联分别固定在每个混凝土块（强度等级C20）的预埋钢筋上，然后拉紧尼龙绳将混凝土块固定在河底，混凝土块规格为200 mm×200 mm×200 mm，间距为1.0 m；单排人工水草顺水流方向布置，排距为1.0 m。

2.2 生态塘岛

利用河道的深潭、浅滩地形进行适当的人工修整，构建生态塘岛系统，根据水深条件和植物搭配形成好氧塘、兼性塘、植物塘和生物滞留塘，利用微生物和水生植物的共同作用实现水质净化，并营造近自然河流生境。生态塘岛总面积为100 670 m2。生物滞留塘总面积为52 766 m2，有效水深为1.5 m，水力停留时间为0.69 d；沉水植物塘总面积为47 904 m2，有效水深为1.5 m，水力停留时间为0.81 d。

3 湿地植物的选择

植物的选择对湿地运行效果有至关重要的作用[4]。根据湿地植物的耐污性、耐寒性和耐淹性，结合经济用途和景观效果等功能，选择水质净化效果较好的挺水植物，如芦苇、香蒲、水葱、水芹和菖蒲等[5]。可选择千屈菜、泽泻、苦草、黑藻和狐尾藻等水生植物，构建挺水植物和沉水植物双层次群落结构，提高北方地区冬季湿地运行效果[6]。湿地植物的合理配置有利于动物和微生物的繁衍，避免恶性竞争，减少病虫害，满足生态修复需求，提高生态系统稳定性并使其保持高效运转[7]。结合莱阳市的乡土水生植物，考虑河道行洪排涝安全等因素，该项目最终选择黄菖蒲、再力花、荷花、花菖蒲、香蒲、千屈菜和水葱作为挺水植物先锋物种，选择黑藻和狐尾藻作为沉水植物先锋物种。

4 目标可达性预测

为保证湿地实现水质净化目标，根据《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173—2010），采用河流一维模型对湿地所要实现的水质净化指标进行测算。经湿度处理，污染物浓度得到削减，采用式（1）计算削减后的污染物浓度。经计算，净化后，CODCr、NH3-N和TP的最高浓度分别为39.18 mg/L、3.92 mg/L、0.39 mg/L，对比工程设计出水水质可知，工程目标可达。

（1）

式中：Cx为流经x距离后的污染物浓度，mg/L；C0为初始断面的污染物浓度，mg/L；x为水体沿河段流动的纵向距离，取3 160 m；K为污染物综合衰减系数，取0.08 d-1；μ为设计流量下河道断面的平均流速，取0.012 m/s。

5 运行效果分析

莱阳市蚬河人工湿地建成后，运行效果比较稳定，出水的主要控制指标基本优于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的地表水Ⅴ类标准，满足设计出水水质要求。2021年，进出水CODCr浓度及去除率变化如图2所示，进出水NH3-N浓度及去除率变化如图3所示，进出水TP浓度及去除率变化如图4所示。

经运行数据分析，蚬河湿地进水水质有一定的波动性，与其他月份相比，汛期（6—9月）进水指标有较明显的提升，主要原因是城市初期雨水随地表径流汇入，导致进水数值升高；汛期末（9—10月）进水水质明显降低，因为汛期雨水起到稀释作用，城市地面冲刷干净后，初期雨水污染负荷减小，出水水质也明显降低。

结合污染物去除率曲线，蚬河湿地CODCr的去除率能够稳定在20%以上，7月的去除率最高（44.62%），12月去除率最低（20.01%）；NH3-N的去除率保持在30%～50%，8月去除率最高（48.88%），1月最低（31.33%）；TP的去除率稳定在20%～40%，大多数月份维持在20%～30%，只有8月去除率最高，达到41.54%。蚬河湿地冬半年（10月至次年3月）的污染物去除率明显低于夏半年（4—9月），原因是冬季气温低，植物枯萎或进入休眠状态，微生物活性受到抑制，生态填料温度低，影响湿地运行效果[8]，而夏季温度高，水生植物生长旺盛，生态填料吸附性能稳定，湿地具有较好的水质净化效果[9]。

6 结论

莱阳市蚬河人工湿地的稳定运行可以有效提升蚬河的水质，丰富五龙河流域的物种多样性，改善五龙河流域的生态环境，打造稳定健康的生态系统，为五龙河下游和河口湿地的有效保护提供保障。因此，对于用地紧张的地区，在满足行洪安全要求的前提下，可利用城市河道空间构建多级表流湿地和生态塘岛组成的水质净化及生态修复系统。

参考文献

1 李 卓.河道整治中的生态环境问题及策略分析[J].智能城市，2021（1）：105-106.

2 陈 榕.人工湿地技术在水域生态修复中的应用[J].山西建筑，2023（23）：126-128.

3 肖海文，刘馨瞳，翟 俊，等.人工湿地类型的选择及案例分析[J].中国给水排水，2021（22）：11-17.

4 郝明旭，霍莉莉，吴珊珊.人工湿地植物水体净化效能研究进展[J].环境工程，2017（8）：5-10.

5 杜 超，吴 昊.人工湿地的植物选择和净化效果评价[J].湿地科学与管理，2023（4）：20-24.

6 田新源，李 燕，郭 萧.5种水生植物冬季水质净化效果的研究[J].安徽农业科学，2010（35）：20325-20326.

7 代亮亮，王志宏，龙汉武，等.人工湿地植物在物候期变化下的优化配置研究[J].贵州科学，2018（1）：16-19.

8 黄翔峰，谢良林，陆丽君，等.人工湿地在冬季低温地区的应用研究进展[J].环境污染与防治，2008（11）：84-89.

9 李志杰，孙井梅，刘宝山.人工湿地脱氮除磷机理及其研究进展[J].工业水处理，2012（4）：1-5.