瓦埠湖陡澗河濕地生態系統構建設計

摘要：陡澗河生態濕地設計思路：采用應用范圍廣的“垂直流人工濕地+表面流人工濕地”的組合工藝，另外，考慮進水需進行水質水量的調節和去除懸浮物，在工藝前加上穩定塘；選擇鋼渣、活性炭作為吸附填料，選擇沙石等作為基質填料；選擇蘆葦（Phragmites australis）、花葉蘆荻（Arundo donax）、千屈菜（Lythrum salicaria）、香蒲（Typha orientalis）、再力花（Thalia dealbata）、美人蕉（Canna indica）和風車草（Cyperus alternifolius）為濕地植物。在進水口設進水總閘，將穩定塘布置在魚塘上，出水口布置在塘區下游最窄處，并將其一部分壩體建成漫水壩，另外段建成高于水面的河堤。

關鍵詞：陡澗河；濕地生態；設計

中圖分類號：Q148 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）22-5784-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.22.015

Wetland Ecosystem Construction Design of the Doujian River in the Wabu Lake

HUANG Yun-meng， WANG Jia-quan， HU Shu-heng， LI Kai

（College of Engineering Resources and the Environment，Hefei University of Technology， Hefei 230009，China）

Abstract： Ecological wetland design of the Doujian river： A wide range of applications“vertical flow constructed wetland+surface flow constructed wetland” a combination of technology，in addition， consider the water need of water quality and quantity regulation and remove suspended solids，before the process coupled with a stable pond； Steel slag，activated carbon adsorption was selected as a filler，the gravel as a base filler； Phragmites australis，Arundo donax，Lythrum salicaria，Typha orientalis，Thalia dealbata，Canna indica and Cyperus alternifolius were choosen as wetland plants. Water inlet total brake was set in intake of water gate. The stabilization pond was decorated in the fishpond. The outlet was arranged in pond area of the downstream narrowest place，and would be part of overflow dam，and the water bank would be built above the surface of the river.

Key words： Doujian river； wetland ecology； design

瓦埠湖是安徽省境內淮河流域最大的湖泊，湖面狹長，屬河流型湖泊[1]。陡澗河是瓦埠湖的一條入湖支流，位于壽縣窯口鄉北面，瓦埠湖西側，其河水主要來源于上游安豐塘。在枯水季節，區域內企事業單位的生產和生活廢水全部進入陡澗河；在雨水季節，除污水水源外，流域內的地表徑流全部匯入陡澗河。同時沿河道兩側有大面積的農田，成為重要的面源。人工濕地水質改善是污水處理最重要的類型之一[2-4]，它是采用工程學手段將污水進行處理，與水資源利用相結合。不僅起到污水凈化的作用，而且通過營造濕地環境，形成獨特的自然人工復合生態景觀。自20世紀90年代，人工濕地污水處理技術已經在世界上許多國家的生活污水和工業污水處理、污染水體治理方面得到廣泛應用[5]。

通過構建陡澗河生態濕地，對上游來水進行處理，可改善水域環境，提高總體環境質量，減輕陡澗河水質的污染，進而改善瓦埠湖流域的生態環境。構建陡澗河生態濕地是瓦埠湖陡澗河綜合治理的重要部分，可以保護瓦埠湖水環境質量。根據本濕地工程的建設意義及功能，經過現場調研及與專家討論分析提出選址方案：窯口鄉祝家圩以南，203省道以西。選址位于陡澗河上游河灣開闊處，總的來說北側寬闊，區域地勢走向南高北低，地勢平坦，土地可塑性強；根據現狀地形條件，經過蓄水后，北面地勢低，有形成自然流水面的自然條件。方案選址現為魚塘，稍加改造便可建設人工濕地。

1 緒論

1.1 表流濕地技術

表面流人工濕地水力路徑以地表推流為主，在處理過程中主要通過植物根莖的攔截、土壤的吸附過濾和污染物的自然沉降來達到去除污染物的目的。淹沒于水中的植物莖、葉，其表面上形成的生物膜與基質層對懸浮物的截留作用、在緩流狀態下懸浮物的沉降作用、表面水層中有機物的好氧分解、底層有機物的厭氧分解和基質層對污染物的吸附、吸收及化學反應等，對污水的凈化，尤其是對有機污染物和營養物的凈化起著主要作用[6]。

1.2 生態礫石床技術

生態礫石床技術是將污染水體導入由礫石材料制成的生態濾床進行處理的方法[7]，如圖1所示。礫石床的凈化機理主要通過濾料過濾水中懸浮污染物，由濾料表面形成的生物膜進一步分解有機物，在生物膜表面和內部分別形成好氧和厭氧環境，進行硝化反硝化作用脫氮，而磷的去除則主要靠土壤及礫石的吸附作用。

1.3 人工根孔生態凈化技術

在水陸交錯帶中存在著根孔系統，它是由根系、土壤、微生物、水、空氣等組成的多層次界面系統，可實現水、氣體和溶質的優先傳輸，對流經污染物的去除具有重要作用[8]，如圖2所示。通過根孔導流，污染物被土壤吸附、截留、氧化還原、微生物降解，水質得到凈化，還為多種生物提供了棲息-繁育地。

1.4 水生植物修復技術

水生植物修復技術是以水生植物為主體，引用物種間共生關系和充分利用水體空間生態位與營養生態位的原則，確定物種選擇與配置、種植水深、底質條件等內容[9]，營造出高效自然的生態系統。

2 設計思路

生態濕地系統的平面布置[10]應考慮以下幾點要求：①系統總體布置應充分利用自然環境的有利條件。按構筑物流程和使用要求，結合地形氣候地質條件，便于施工、維護和管理的因素，合理安排緊湊布置。高程設計應盡量結合自然坡度，采用重力流形式，需提升時應一次提升。②系統內的道路宜采用單車道，寬度不應小于3.5 m；主干道可建雙車道，寬度應為6～8 m。③應綜合考慮人工濕地的輪廓，不同類型人工濕地單元的搭配、水生植物的配置、景觀小品設施的營建因素，使高程達到響應的景觀效果。④系統外側應種綠化帶，系統外圍綠化林帶寬度應大于10 m。⑤堅持因地制宜、規模適宜、經濟合理的原則。⑥總平面布局上應根據建設、使用、管理、衛生等方面的要求，對建筑平面、管線、環境等進行綜合設計，充分體現科學先進、衛生安全、經濟適用的設計原則。⑦在滿足設計規范的前提條件下，盡可能減少和節約資金。

2.1 濕地工藝選擇

人工濕地系統按水流方式主要有3種形式[11]：①表面流人工濕地。占地面積大、處理效率低，接近自然濕地、生態多樣性相對豐富、景觀效果好；②水平潛流人工濕地。占地面積較大、處理效率較低，人為痕跡重、時間久后易堵塞、生態多樣性相對單一、景觀效果一般；③垂直流人工濕地。占地面積小、處理效率高，人為痕跡重、生態多樣性相對單一、景觀效果一般。

本工程選用占地面積小、處理效率高的垂直流人工濕地作為主體工藝；同時本工程屬于瓦埠湖生態環境保護資金項目，具有極強的示范展示作用，所以應當結合生態多樣性的表面流人工濕地，在保證凈化效能的基礎上提高區域的生態多樣性。綜上所述，本工程應用范圍廣的“垂直流人工濕地+表面流人工濕地”的組合工藝，另外，考慮進水需進行水質水量的調節和去除懸浮物，在工藝前加上穩定塘。

2.2 濕地填料選擇

垂直流人工濕地的填料有沙、碎石、頁巖石、卵石、石灰石、頁巖陶粒、黏土陶粒、爐渣、鋼渣、火山石、蘭花石、炭粒、活性炭、貝殼等[12]。作為基質必需要用的有沙、碎石、卵石。在本次方案中選擇鋼渣、活性炭作為吸附填料，選擇沙石等作為基質填料。本工程濕地填料的設計年限（壽命）為30年。

2.3 濕地植物選擇

為達到全面的處理和利用效果，應進行有機的搭配，如深根系植物與淺根系植物搭配，叢生型植物與散生型植物搭配，吸收N多的植物與吸收P多的植物搭配，以及常綠植物與季節性植物的季相搭配等[12]。在進行綜合處理的一些工藝或工藝段中，切忌配置單一品種，以避免出現季節性的功能下降或功能單一。作為濕地公園規劃建設的人工濕地還要考慮景觀搭配。綜合以上因素，并結合窯口地區的氣候特點及植物分布狀況所選植物為蘆葦（Phragmites australis）、花葉蘆荻（Arundo donax）、千屈菜（Lythrum salicaria）、香蒲（Typha orientalis）、再力花（Thalia dealbata）、美人蕉（Canna indica）和風車草（Cyperus alternifolius）。

3 設計方案

生態濕地工程：總面積270 349 m2，其中有效處理單元的面積為98 000 m2，共分為3部分串聯運行，分別為穩定塘面積18 000 m2，垂直流濕地面積10 000 m2，表面流濕地面積70 000 m2。

3.1 工藝流程設計

生態濕地工藝流程如圖3所示，包括穩定塘、垂直流濕地、表面流濕地和固廢處理系統。

3.1.1 穩定塘 生態塘系統是以太陽能為初始能源，通過在塘中種植水生作物，進行水產和水禽養殖，建立人工生態系統，通過天然的生化自凈作用，在自然條件下完成污水的生物處理。有機物質在生態塘處理系統中得到降解，釋放出的營養物進入了復雜的食物鏈中，產生的水生作物、水產都可以被收獲。污水通過穩定塘后，懸浮物能得到有效控制，污染物能得到一定的降解，污水可生化性將會提高，為后續濕地單元的處理創造有利條件。

近年來，中國生態塘污水處理工藝研究側重在兩個方面：篩選、培育高效水生凈化植物；組合曝氣、水生植物、水產養殖多個生物處理單元的綜合功能，營建生化一體化水生動植物復合生態體系，是污水處理與資源利用的完美結合，構建了一個完整的生態系統和良好的內部良性循環系統。

3.1.2 垂直流濕地 垂直流濕地系統是本工程的核心部分，是一個獨特的土壤（基質）-植物-微生物生態系統。當污水通過系統時，其中污染物質和營養物質被系統吸收、轉化或分解，從而使水質得到凈化。為了保證濕地系統布水均勻，將濕地系統分成4部分多個單元，系統正常情況下布水采用PLC自動控制；手動控制為安裝調式和維修時使用，可實現遠動（計算機）及現場兩種控制方式。污水經過植物池的過濾、吸附、生物降解后經過收集管排出。在植物池內種植適合東莞氣候的各種水生濕生植物，如蘆葦、風車草、蘆荻、再力花、香根草、紙莎草、美人蕉等。

3.1.3 表面流濕地 表面流濕地區域作為垂直流人工濕地污水深度凈化的輔助區域，經垂直流人工濕地深度處理過的水再流入表面流濕地進一步凈化，最終排入生態園水系。在表面流濕地區域建立完善穩定的植物群落，吸引鳥類、昆蟲等動物，加強人與自然接觸的機會，起到游憩、景觀、旅游和維護生物多樣性、調節區域小氣候的作用。該區域以表面流濕地景觀為依托，保持原有桑基魚塘的機理，在此基礎上進行一定的景觀設計，展現傳統壽縣特色水景。

3.1.4 固廢處理系統 一體化高效生物化學處理池污泥經螺桿泵泵入壓濾機進行脫水，脫水后的污泥可作綠化用肥或運送至垃圾填埋場填埋。隔柵攔污送至生活垃圾填埋場處理。收割的植物有幾種處理途徑，一是作為堆肥綜合利用；二是送生活垃圾填埋場填埋；三是曬干后送垃圾焚燒廠焚燒。在將來的運行過程中也可以種植一些可綜合利用的植物，如造紙材料、畜牧飼料、觀賞植物等。

3.2 主要構筑物設計

本次構筑物設計主要依據：《室外排水設計規范》（GB50014-2006）、《污水穩定塘設計規范》（GJJ/T54-93）、《人工濕地污水處理工程技術規范》（HJ 2005-2010）、相關設計經驗及實例。由于陡澗河缺乏水文資料，但生態濕地處于陡澗河下游，接近陡澗河入湖口，河面寬度已達500 m，而陡澗河下游與瓦埠湖直接連通，故可認為項目所在陡澗河段的水位與瓦埠湖水位是相同的。

3.2.1 穩定塘 通過穩定塘來均衡進水的水質、水量，沉降并去除進水挾帶的部分懸浮物，為下一級處理系統提供運行條件。

①設計參數。處理水量5 000 m3/d；池塘面積18 000 m2；BOD5表面負荷2.8 kg/（104 m2·d）；坡度0.2%，坡降0.3 m；有效水深1.5 m，總深度2.4 m；有效容積27 000 m3；有效停留時間5.4 d。

在穩定塘旁建設垃圾池，收集穩定塘格柵攔截的固體廢棄物與濕地運行時產生的植物殘體，定期清理垃圾池內垃圾，運至垃圾填埋場進行衛生填埋處理。

②植物配置。根據系統各部分水深情況種植植物13 000 m2。種植物種為蘆葦、花葉蘆荻、風車草、水芹菜、鳳眼蓮、睡蓮。

3.2.2 垂直流濕地 ①設計參數。處理水量5 000 m3/d；占地面積10 000 m2，共分10個單元，每個單元1 000 m2；濕地尺寸125 m×80 m，每個單元尺寸40 m×25 m；填料深度1.2 m，孔隙率35%；水力負荷0.50 m3/（m2·d）；水力停留時間20 h；表面有機負荷10 kg/（104 m2·d）。

潛流濕地上層級配填料（沙石）厚度為1.2 m，下層0.2 m選用高爐爐渣、粉煤灰陶粒為填料。潛流濕地分為10個單元，可間歇運行，潛流濕地墻體主結構為漿砌石結構，底部和側邊鋪設有HDPE防滲膜。

②植物配置。根據系統各部分水深情況種植植物10 000 m2。種植物種為蘆葦、花葉蘆荻、風車草、千屈菜、美人蕉。

3.2.3 表面流濕地 ①設計參數。處理水量5 000 m3/d；占地面積70 000 m2，共分為三級，第一級 30 000 m2，第二級20 000 m2，第三級20 000 m2；坡度0.12%，坡降1.1 m；有效水深0.4 m；水力負荷0.071 m3/（m2·d）；水力停留時間4 d；表面有機負荷1.5 kg/（104 m2·d）。

底部和側面進行防滲處理，采用黏土防滲，黏土厚度80 cm，并進行分層壓實。

②植物配置。根據系統各部分水深情況種植植物50 000 m2。種植物種為蘆葦、花葉蘆荻、風車草、千屈菜、美人蕉。

3.2.4 主要輔助建筑物 ①排水泵站。土建按照遠期1.0萬m3/d一次建成、潛污泵按照近期規模0.5萬m3/d配置。設計流量5 000 m3/d；平面尺寸8 m×4 m；集水池有效容積36 m3；

提升泵房內共設三臺潛水泵，二用一備，單臺泵技術參數為：Q=108 m3/h，H=5 m，N=5 kW。

②配電間、管理房。為保證工程實施和運行管理的順利進行，需加強工程的日常管理工作，將配電間與管理房合建，建筑面積18 m2。

③防洪溝。為防止雨水沖擊，在工程外圍建防洪溝。

④在線監測系統。為了對本工程系統進出水主要水質指標進行在線自動監測與信息傳輸，共設立在線自動監測點4個，分別位于穩定塘進出水口，垂直流濕地出水口，表面流濕地出水口。

3.3 總平面布置設計

整個生態濕地系統和景觀工程占地27 hm2，在進水口設進水總閘。其中植物穩定塘橢圓形布置占地2 hm2，為了降低工程投資，將穩定塘布置在魚塘上，出水口布置在塘區下游最窄處，并將其一部分壩體建成漫水壩，另外段建成高于水面的河堤。垂直流濕地占地2 hm2（預留1 hm2），分為10個單元，每個單元面積40 m×25 m，呈兩列對稱排列布置，采用多孔管配水且多孔管高于床面0.5 m。表面流濕地占地7 hm2，分三級布置，在整個表面流濕地處理系統中布置親水平臺等，形成獨特的濕地景觀。

4 預期效果與工程量

4.1 預期效果

預期各處理單元設計進出水水質見表1。

4.2 工程量

相關工程量見表2、表3和表4。

參考文獻：

[1] 李如忠，鄒 陽，徐晶晶，等.瓦埠湖流域莊墓鎮農田土壤氮磷分布及流失風險評估[J].環境科學，2014，35（3）：1051-1059.

[2] LEWIS L J，DAVENPORT J，KELLY T C. A study of the impact of a pipeline construction on estuarine benthic invertebrate communities：Part 2. Recolonization by benthic invertebrates after 1 year and response of estuarine birds[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science，2002，57（1-2）：201-208.

[3] 劉媛媛，張 琪，耿建生.利用理化和生物指標評價濠河水體特征研究[J].環境科學與管理，2013，38（10）：105-108.

[4] 郭友紅.采煤塌陷區水體生物多樣性調查[J].中國農學通報，2010，26（10）：319-322.

[5] 高曉琴.南通市城市生態河道構建理論及其應用[D].南京：南京林業大學，2008.

[6] 潘成榮，李 凌，葉琳琳，等.瓦埠湖沉積物中氮與磷賦存形態分析[J].水資源保護，2007，23（4）：10-14.

[7] 常 可.瓦埠湖沉積物及周邊土壤重金屬污染研究及評價[D].合肥：合肥工業大學，2014.

[8] 徐 棟，成水平，付貴萍，等.受污染城市湖泊景觀化人工濕地處理系統的設計[J].中國給水排水，2006，22（12）：40-44.

[9] 秦紅杰，張志勇，劉海琴，等.兩種漂浮植物的生長特性及其水質凈化作用[J].中國環境科學，2015，36（8）：2470-2479.

[10] 董祥芝，楊 清，李 迎.灃河流域水環境質量評價及其趨勢分析[J].西安工程大學學報，2014，28（6）：725-729.

[11] 許嘉炯，馬 軍，韓洪軍，等.人工濕地技術在給水工程中的應用[J].給水排水，2012，38（5）：44-48.

[12] 劉志龍.人工湖補水措施及湖底防滲技術[J].中國農村水利水電，2011（9）：109-110.