水上立體人工濕地設計探討

叢龍超，萬小瓊

（華中農業大學 資源與環境學院，湖北 武漢430070）

1 引言

隨著我國工業化的不斷發展，水體污染越來越嚴重，人們的飲水安全受到嚴重威脅。據2011年中國環境狀況公報統計，我國地表水總體為輕度污染，湖泊（水庫）富營養化問題仍十分突出。主要污染指標為化學需氧量、五日生化需氧量和總磷［1］。國家對水體富營養化治理的資金投入力度不斷加大，滇池的“十一五”規劃計劃投資183.3億元，到2009年底，已完成投資123.8億元。但湖泊富營養化治理效果仍不盡人意，嚴重富營養化、生態系統被破壞的狀況難以在短期內根本扭轉［2］。

濕地被譽為“地球之腎”，是地球上重要的自然資源，具有凈化水體的功能。近年來人工濕地系統逐漸發展，成為凈化水體，防止水體污染的新方向。人工濕地系統通過模擬自然濕地系統，人為提供植物和微生物的生長環境，以起到降解去除污染物及凈化水體的作用［3，4］，在公園景觀水體凈化方面成果尤為顯著，既能凈化水體，又能美化環境。但是現有的人工濕地系統占地面積較大，處理效率不夠高，具有潛在的地下水污染風險。此外，我國南北氣候差異較大，限制了人工濕地污水處理系統在全國范圍內的推廣。因此需要尋求新的設計方案來提升人工濕地的功能，擴大其應用范圍。

2 水上立體人工濕地設計

人們通過設計立交橋來緩解交通用地緊張的情況，通過設計立體農場解決未來糧食危機，而在解決污染水體時，水上空間卻沒有得到足夠的開發和利用。如果可以在水上建立人工濕地，則能充分利用水面上的空間，加強對自然生態和自然濕地的維護并減輕其壓力，同時加快現有人工濕地自然化進程，降低地下水污染風險。以湖泊人工濕地設計為例，在水面上構建鋼架結構，建立人工濕地平臺和廊道，將水提升至最高點，再逐級向下流動。引水口同時與湖泊水體和排污口相連接，以達到穩定進水的要求。

參考地面人工濕地的設計思路［5～10］，本著資源循環利用的清潔生產理念，設計金字塔式的結構，由上至下逐層建立以垂直潛流型、水平潛流型、表面流型為主的濕地，在其上種植合適的挺水植物、浮水植物和沉水植物。植物以去污能力強且可利用的生物質能源植物為主，并輔以景觀植物，提升湖泊的立體景觀效應。填料的選擇主要考慮通透效果和生物附著效果，填料以適合支撐的廉價礫石為主，根據不同的水質特點和地域特征因地制宜地選擇不同的填料，或者組合填料。在水平流濕地中可以考慮以富營養化水體的底泥作為填料混合體的一部分，以減少底泥對富營養化的貢獻。在立體式人工濕地的底層將水流集中以管道群方式流向湖泊，造成水的攪動，提高湖泊水體的復氧效率，促進水中好氧微生物的生長代謝，以起到加速降解污染物的目的。同時將水上的濕地系統與其下的水面和水下濕地系統有機的結合起來，在水面種植浮水植物，在水下種植沉水植物，可以構造高效的立體人工濕地系統（圖1）。

圖1 水上立體人工濕地設計概念圖

該設計用ProE5.0系統在 Windows7.0系統操作下完成。首先用泵將水提升至頂端配水塔，再由配水塔將水均勻分配到第一層濕地，即垂直流濕地的4個小單元中，污水流經該層濕地部分凈化后，由收集渠收集污水，將其分配到第2層的濕地，即水平潛流型濕地的4個小單元中，再次經過部分凈化后同樣以類似的方式流入第3層濕地，即表面流型濕地中。3次凈化后的污水經收集以管道群形式排入水體。水面輔以具有漂浮性質的填料，種植濕地植物后作為第4層濕地。水下則可以選擇種植沉水植物，更進一步凈化水體。

在該設計中將濕地系統立體化、模塊化，濕地系統分為5個層次，水上為人工濕地主體系統，由上至下分別設計為垂直潛流型、水平潛流型為主的人工濕地，水面和水下分別是水面浮水植物區和沉水植物區。水上立體式人工濕地通過模塊化后，根據湖泊水體污染面積及污染程度可以建設不同數目的模塊單元，對于面積大且污染嚴重的湖泊建立“水上人工濕地群”，使不同的單元組合起來以達到高效快速凈化水體的功能。此外，在農村生活污水和面源、點源污染水體排入環境之前可通過該濕地模式進行預處理，以免引起地下水污染，減輕對環境的壓力，促進生態高值農業的發展。

3 結語

水上立體式人工濕地減輕了自然濕地的壓力，既保護了自然濕地，又與自然濕地互補增效，該技術不向水體投放任何化學試劑，不將污染物輸入它處，不產生二次污染，實現了生態效益、經濟效益、社會效益和景觀效益的和諧統一。目前國內的人工濕地設計和運行理論發展較快，技術逐漸趨于成熟，但是在水上建立立體人工濕地仍然會面臨資金和技術的困難，這種設計理念和思路可以緩解現階段建設濕地用地緊張的局面，有利于促進人工濕地標準模型的發展，同時也豐富了人工濕地設計思路，有助于推動人工濕地系統的推廣應用，是一項創新性的直接治理富營養化湖泊和修復水體的生態技術。

［1］ 中華人民共和國環境保護部.2011年中國環境狀況公報［EB／OL］.［2012－07－01］.http：／／jcs.mep.gov.cn／hjzl／zkgb／2011zkgb／201206／t20120606＿231040.htm.

［2］ 中華人民共和國環境保護部環境規劃院.滇池流域水污染防治“十二五”規劃編制大綱［EB／OL］.［2012－07－01］.http：／／www.caep.org.cn.

［3］ 張 清.人工濕地的構建與應用［J］.濕地科學，2011，9（4）：374～377.

［4］ 何明雄，胡啟春，羅安靖，等.人工濕地植物生物質資源能源化利用潛力評估［J］.應用與環境生物學報，2011，17（4）：527～531.

［5］ 蔣紹階，黃新麗，向 平，等.水流注入方式和填料層高度對人工濕地流態的影響［J］.濕地科學，2012，10（2）：170～175.

［6］ 鄭春雨，王光華.濕地生態系統中主要功能微生物研究進展［J］.濕地科學，2012，10（2）：243～249.

［7］ 魏 成，劉 平，秦 晶，等.不同基質和不同植物對人工濕地凈化效率的影響［J］.生態學報，2008，28（8）：3691～3697.

［8］ 聶志丹，年躍剛，金相燦，等.3種類型人工濕地處理富營養化水體中試比較研究［J］.環境科學，2007，28（8）：1675～1680.

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［10］ Maehlum T，Stalnacke P.Removal efficiency of three cold－climate constructed wetlands treating domestic wastewater effects of temperature，seasons，loading rates and input concentrations［J］.Wat Sci Tech，1999，40（3）：273～281.