濕地技術在徑流雨水調控中的應用

摘要：對雨水濕地的構造組成、設計原則及標準等進行了綜述，分析了常規雨水濕地在徑流雨水調控中發揮的主要作用以及存在的問題，并提出基于徑流雨水不同控制目標的濕地技術選用模式，可為濕地技術在徑流雨水調控中的工程應用提供借鑒與指導。

關鍵詞：雨水濕地；結構組成；徑流雨水；選用模式

中圖分類號：TU991 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4359-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.002

Abstract： The structural composition，design principles and standards of stormwater wetlands were summarized，and the main effects and problems of conventional stormwater wetlands in the stormwater runoff regulation were analyzed. Based on different control objectives of the stromwater runoff，several wetland technology selection models were presented， which can provide references and guidance for the engineering application of wetland technology for the stormwater runoff control.

Key words： stormwater wetland； structural composition； stormwater runoff； selection model

近年來，在分散式、生態化水質工程理念引導下，濕地已成為徑流雨水治理的主流生態處理技術。作為雨水綜合利用綠色基礎設施的一種，雨水濕地通過對地表徑流雨水進行調蓄削減徑流總量及峰值流量、延遲徑流峰值時間，以達到水量調控的目的。但目前國內缺乏雨水濕地相關設計規范、參考圖集等，致使雨水濕地在實際應用中存在盲目性和局限性，難以為其推廣應用提供借鑒。此外，常規雨水濕地是一種以水量控制為主的雨水處理設施，對徑流水質的控制僅是水量控制后的附加作用[1]，因此對徑流雨水中污染物的去除效果不佳。據報道，雨水濕地對徑流雨水中總氮、總磷的去除率僅為30%和40%。可見，僅僅依靠雨水濕地難以實現徑流污染的有效控制，有必要建立實現徑流雨水污染物控制的濕地技術選用模式。本文從雨水濕地結構組成、植物選擇、設計標準等方面進行歸納總結，并構建基于徑流雨水不同控制目標的濕地系統選用模式，以期為雨水濕地的實際工程應用提供理論基礎。

1 雨水濕地結構組成

1.1 雨水濕地構造

雨水濕地是一種人工淺沼澤系統，常用于控制雨水徑流體積、削減徑流峰值及凈化徑流水質等。其類型包括：淺型濕地（Shallow marsh system）、延時調蓄濕地（Extended detention wetland）、濕地/塘組合系統（Basin/Wetland system）和微型濕地（Pocket wetland）等。根據不同的功能和要求，雨水濕地的構造包括進水渠、前置塘、深水區、沼澤區（低沼澤區、高沼澤區）、半濕區、濕地緩沖區、出水口、緊急泄洪道和檢修通道等。以淺型濕地為例，其構造組成詳見圖1和圖2。

1.1.1 前置塘 前置塘是徑流雨水進入雨水濕地的預處理設施，主要用來去除徑流雨水中比重較大的沉積物、垃圾和雜物等。前置塘最大設計面積可占整個濕地總面積的10%，塘底設計高程應高于深水區底部高程。

1.1.2 深水區 深水區是雨水濕地最深的區域，即使在干旱季節也維持一定水深；深水區面積應占濕地總面積的10%～20%。

1.1.3 沼澤區 沼澤區是雨水濕地的重要組成部分，面積約占雨水濕地總面積的40%，水位設計高程低于前置塘水位設計高程，前置塘水滿后可溢流至沼澤區。一般沼澤區包括低沼澤區域與高沼澤區域，低沼澤區底部設計高程低于高沼澤區，設計水深大于高沼澤區。

1.1.4 半濕區 半濕區平時處于干涸狀態，只有暴雨時才被淹沒。半濕區的面積占雨水濕地總面積的30%～40%，設計高程位于濕地常水位之上。

1.1.5 濕地緩沖區 濕地緩沖區也稱非淹沒區，是指永久不會被淹沒的區域，可提供休息娛樂的場地；緩沖區設計高程高于半濕區。

1.1.6 出水口 雨水濕地出水口常采用多級出口形式以保證不同的徑流雨水體積控制標準，實現雨水的多目標控制。水質控制容積、河道保護容積和漫灘洪水保護容積可通過雨水濕地的多級出口控制，超過極端暴雨控制容積的出水則由多級出口和泄洪道共同控制。多級出水口常采用混凝土或者金屬螺紋管建造，一般由底部放空管、孔口、堰口、立管、反坡出水管、外排管等組成，如圖3所示。雨水濕地出水常采用重力排水，立管上各級圓形孔或方形孔負責收水，其高程設置與相應的徑流雨水體積控制目標一致或相近。外排管排水口處應設置毛石、襯墊、跌水潭等防止沖刷和腐蝕。多級出口不僅可控制雨水濕地的水位，同時還具有延長濕地內水力停留時間，控制外排流量的作用[2，3]。

1.2 雨水濕地的植物選擇與種植設計

根據濕地自身屬性及當地水質與土壤特性，濕地種植植物應具有耐淹、耐旱、耐鹽堿及凈化等功能，優先選取根系較發達的植物[4]，同時兼顧一定觀賞性。北方地區還需考慮低溫氣候條件下植物的生存。

按照濕地不同功能區要求，應選取合適物種，合理搭配植物群落結構。如深水區可選取部分耐淹的喬木、挺水植物、浮游類植物或沉水植物，不宜選取耐旱物種；沼澤區域可種植大量濕地植被，可選取喬木、灌木/矮樹叢、草本及挺水類植物；半濕區處于干旱與淹沒交替區域，適合種植耐淹植物；緩沖區域不易被水淹沒，不適合選取沉水/浮游類耐淹植物物種，可種植喬木或者矮樹叢。具體選取可參照表1、表2。

2 雨水濕地對徑流雨水體積的控制標準

隨著雨水管理理念由徑流峰值控制向低影響開發源頭控制的轉變，雨水濕地的設計方法和標準也經歷了由峰值流量控制向徑流體積控制的發展。最初美國、加拿大、歐洲等國家認為濕地最佳控制容積應以不透水地面13 mm的徑流量設計；而另外一些學者則認為雨水濕地的容積計算需通過雨量法（與重現期、降雨分布等因素相關）進行設計。Kadlec等[5]認為濕地面積與匯水面積比值可取1%～5%。近代基于徑流體積水文方法的快速發展，人們對雨水濕地的設計有了新的認識，現行雨水濕地的設計方法及設計標準主要以實現不同的徑流體積控制而制定，通過多級出口實現相應的控制標準，包括永久池容積（Vpp）、水質控制容積（Vwq）、河道保護容積（Vcp）、漫灘洪水保護容積（Vp10）和極端暴雨保護容積（Vp100）[6]，詳見圖3。

永久池容積和水質保護容積屬于源頭減排體積控制標準，通過有效控制中小降雨事件維持場地開發前自然水文循環，緩解城市開發后造成的生態破壞。永久池容積（Vpp）是指在旱季也應維持的水體容積，維持場地開發前后雨水年均下滲量不變的降雨量，該池可有少量的濕地植被、沉水或浮水植物及魚類。水質控制容積（Vwq）是指通過控制當地80%至95%的降雨場次所產生的徑流體積，以有效控制徑流污染。

河道保護容積、漫灘洪水保護容積和極端暴雨保護容積均屬于雨水濕地的水量控制目標。河道保護容積（Vcp）主要是為了保護自然河道、濕地等免受徑流引起侵蝕及生物棲息地破壞而制定的，不同的地域可選擇不同的標準。一般以維持開發前后2年一遇24 h降雨事件的峰值流量不變，控制開發后2年一遇24 h降雨事件峰值流量為開發前的50%或與開發前1年一遇24 h降雨事件的峰值流量相同的降雨量進行設計。漫灘洪水保護容積（Vp10）是指雨水溢出河道所需控制的容積，防止超過河道排水能力的洪水對位于泛洪區內基礎設施和財產造成損失，可按照當地10～25年一遇24 h降雨事件的外排峰值流量不變的降雨量設計。極端暴雨保護容積（Vp100）是為減少極端暴雨事件造成生命財產損失而設置的，防止開發前100年一遇泛洪區范圍擴大，通常按照當地100年一遇24 h降雨事件的外排峰值流量不變的降雨量設計。

3 濕地技術對徑流雨水的控制

3.1 人工濕地技術處理徑流雨水

有別于典型的雨水濕地，人工濕地是由人工建造及控制運行的生態系統，依靠物理、化學、生物三重協同作用實現水質凈化[7]，常用于污水處理。據美國環保機構的統計資料顯示，典型人工濕地對污水處理具有較好的凈化效果，對TSS、BOD5、總氮、總磷的去除率分別可達88%、95%、67%與76%[8]。隨著徑流污染對水體造成的影響越來越嚴重，采用人工濕地技術對徑流污染控制的應用也越來越多。但是，由于降雨的隨機性、雨水的污染特性等多重因素影響，簡單的套用污水處理人工濕地設計方法并不可行。

國內外對采用人工濕地技術處理徑流時的設計方法一直在探索中。在國外徑流雨水處理人工濕地設計主要依靠經驗計算法，常采用匯水區面積百分比法、滯留雨量法以及基于年均污染物去除效果的年均水力負荷回歸法等進行設計[5]。國內采用人工濕地處理徑流雨水時，也常借鑒國外的經驗算法。肖海文等[9]采用表面流與水平潛流相結合的復合式人工濕地處理系統對重慶市棕櫚泉徑流雨水進行處理時，通過匯水區面積百分比法與年均水力負荷法進行人工濕地面積估算，通過滯留雨量法進行人工濕地容積計算；吳文伶等[10]通過匯水面積百分比和收集匯水區6 mm雨量的方法確定濕地儲存容積、根據達西定律確定濕地表面積設計人工濕地，對北京市順義區李遂鎮地區雨水進行收集處理。由于各地降雨特征差異以及控制目標的不同，采用人工濕地對徑流污染進行控制時，應根據當地降雨特征、污染物控制條件等綜合考慮，合理選用設計方法。

3.2 基于徑流雨水不同控制目標的濕地系統構建

常規雨水濕地的設計主要以實現徑流雨水水量調控為主，對徑流水質的控制常作為附加值存在。因此在實際工程當中，當需要以水質控制為主要目標時，僅依靠雨水濕地難以實現，需在處理工藝流程中添加截污效果明顯的水處理設施。而人工濕地作為水處理工藝中常用技術，可通過植物、基質填料、微生物等實現水質的有效凈化。鑒于其在徑流雨水處理中良好的除污性能及生態環境友好性，合理設計常規雨水濕地與人工濕地聯合使用的模式，可有效控制徑流雨水污染問題。因此，需基于徑流雨水不同控制目標構建濕地系統優選模式。例如，當削減徑流峰值、徑流體積作為主要控制參數時，可選取雨水濕地/塘作為處理設施，工藝流程如圖4a所示；當改善水質作為主要控制參數時，在水量調控的基礎上需同時考慮水質凈化效果，可采用雨水濕地/塘與人工濕地串聯的方式，工藝流程如圖4b所示；當處理徑流雨水以水質回用為主要目的時，水質凈化將作為主要控制參數且應達水質回用標準，可在雨水濕地/塘與人工濕地串聯后，對徑流雨水進行深度處理，具體工藝流程如圖4c所示。

4 小結

濕地是一種主流的雨水生態系統，在徑流雨水調控中發揮重要作用。典型雨水濕地是一種以控制徑流水量為主的雨水基礎設施，通常由進水渠、前置塘、深水區、沼澤區（低沼澤區、高沼澤區）、半濕區、濕地緩沖區、出水口、緊急泄洪道和檢修通道等組成，可通過多級出口實現不同的徑流雨水體積控制標準。按照濕地不同功能區要求，選取合適的物種，可優化濕地植物群落。

在實際應用中，雨水濕地主要針對雨水徑流體積、徑流峰值進行調控，對水質控制僅為水量控制后的附加作用。因此，需基于徑流雨水不同控制目標建立濕地系統優選模式。如針對徑流雨水水質控制目標，可構建雨水濕地—人工濕地聯合運行的濕地系統。

參考文獻：

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