地質(zhì)因素對(duì)人工濕地規(guī)劃選址的影響分析

王軍輝 白彬彬 周宏磊

（1 北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038；2 北京世界園藝博覽會(huì)事務(wù)協(xié)調(diào)局，北京100043）

人工濕地是一種借鑒天然濕地凈化污水原理，人工建造的應(yīng)用生物和水力等共同作用進(jìn)行水污染處理的生態(tài)工程措施(趙小利等, 2011)，在城市建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。目前，人工濕地在規(guī)劃選址方面考慮更多的是景觀風(fēng)貌的協(xié)調(diào)，而缺乏科學(xué)依據(jù)，尤其是對(duì)一些自然因素，特別是地質(zhì)因素考慮得不夠全面，往往造成人工濕地后續(xù)運(yùn)營過程中環(huán)境效益不明顯，甚至帶來次生的環(huán)境惡化或水資源浪費(fèi)問題(聶志丹等, 2006; 趙鳳岐等,2012; 徐慧嫻等, 2016)。這些問題如果在選址中未得到充分考慮，不僅人工濕地難以發(fā)揮其應(yīng)有的生態(tài)環(huán)境效益，而且還可能增加建造和運(yùn)維成本，甚至使生態(tài)環(huán)境惡化。

人工濕地作為一種城市基礎(chǔ)設(shè)施，一般坐落于某種地質(zhì)環(huán)境中，勢(shì)必與周邊的土壤和地下水環(huán)境產(chǎn)生物質(zhì)與能量交換，其規(guī)劃選址除了重點(diǎn)考慮社會(huì)需求外，還需要考慮到地質(zhì)因素，否則將直接影響后期運(yùn)營功效的發(fā)揮(趙小利等, 2011; 聶志丹等，2006; 趙鳳岐等, 2012; 俆慧嫻等, 2016)。

本文根據(jù)人工濕地建造與運(yùn)營2個(gè)階段中所遇到的工程穩(wěn)定性、生態(tài)環(huán)境和成本等主要問題，分析各階段需要考慮的主要地質(zhì)因素，提出1種“因地制宜”的人工濕地科學(xué)規(guī)劃選址思路，為提高城市人工濕地規(guī)劃選址的科學(xué)性提供依據(jù)。

1 區(qū)域地形地貌條件

地形地貌是目前人工濕地營建過程中首先要考慮的自然因素，但主要還是考慮微地貌單元，如一些局部廢棄河湖溝坑等低洼地，其目的主要是出于建造成本(主要是減少地形改造帶來的成本)和景觀的考慮(高婷, 2011)，而區(qū)域地形地貌對(duì)人工濕地建設(shè)和運(yùn)營的潛在影響則缺乏系統(tǒng)的調(diào)查和研究。區(qū)域地形地貌條件對(duì)人工濕地建設(shè)主要有如下兩點(diǎn)作用。

1.1 地形地貌對(duì)地質(zhì)調(diào)查具有重要的指導(dǎo)作用

大量的科學(xué)研究表明，區(qū)域地形地貌在一定程度上反映了不同尺度的地質(zhì)單元組合，其界線往往也是地質(zhì)條件的分界線(圖1)，如果前期人工濕地的規(guī)劃選址考慮充分，后期的相關(guān)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究也會(huì)都得到相應(yīng)的指導(dǎo)依據(jù)。而從水文地質(zhì)角度來看，地形地貌從很大程度上控制了地下水系統(tǒng)的形成、賦存、補(bǔ)給、徑流和排泄規(guī)律(圖1)。在人工濕地規(guī)劃選址過程中，地形地貌條件有助于識(shí)別建設(shè)場地位于地下水流動(dòng)系統(tǒng)中的部位，判斷區(qū)域地表水—地下水的相互作用關(guān)系(Sopbocleous,2002; Tóth, 1963, 1999)。

1.2 地形地貌對(duì)人工濕地生態(tài)環(huán)境及生物群落的影響

地形中的坡向、坡度等因素決定了生物群落生長發(fā)育過程中必須的光照、風(fēng)向、風(fēng)速、降水入滲量和坡面穩(wěn)定性等重要因素。如：朝南、朝西的坡向有利于采光聚熱，增加生物群落接受光照的時(shí)間，提升局部氣溫；在凸的地形中，朝東、朝北的坡面坡度較大，可以阻擋冬季寒冷的東北風(fēng)，降低風(fēng)速，有效地保護(hù)西南坡植被；在海拔較高的山地，迎風(fēng)坡面的降水量一般大于背風(fēng)坡面；在地層巖性相同的前提下，坡度較大地區(qū)的降水入滲量一般小于坡度較小地區(qū)，而坡度過小的平坦或低洼地區(qū)不利于排水；地形陡峻地區(qū)的坡面穩(wěn)定性較平緩地區(qū)更差，容易發(fā)生地表侵蝕和淺層塊體運(yùn)動(dòng)(周躍, 2000)，不利于植被的穩(wěn)定生長和區(qū)域的水土保持。同時(shí)，由于人工濕地內(nèi)部主要為待凈化水體，從保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度考慮，在地形地貌選擇時(shí)，也需要考慮規(guī)避受洪水、潮水影響的區(qū)域。

2 工程地質(zhì)條件

工程地質(zhì)條件對(duì)人工濕地規(guī)劃選址的影響主要體現(xiàn)在建造和運(yùn)營中的穩(wěn)定性問題(許慶仁等,2002)。

首先，在區(qū)域宏觀上，人工濕地選址要避開破壞性較強(qiáng)的地質(zhì)災(zāi)害，如滑坡、泥石流、崩塌和活動(dòng)斷裂等頻發(fā)區(qū)，因?yàn)檫@些地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人工濕地的長期穩(wěn)定性存在潛在威脅，同時(shí)，由于人工濕地運(yùn)營期間都會(huì)有水體，在水體長期滲漏作用下，也會(huì)進(jìn)一步加劇地質(zhì)災(zāi)害。

其次，在人工濕地建設(shè)場地內(nèi)，由于人工濕地建造中往往要進(jìn)行不同程度的地形改造，對(duì)于一些改造程度較大的人工濕地，開挖過程對(duì)地層穩(wěn)定性的影響程度會(huì)因地質(zhì)條件的差異而有所不同，事先需要進(jìn)行調(diào)查和試驗(yàn)，以便采取必要的措施。北京國家奧林匹克森林公園的人工湖濕地，湖底最深達(dá)3 m，且賦存一層地下水，開挖過程中采取了降水和湖岸邊坡的保護(hù)措施，才保證了主湖開挖的順利進(jìn)行。

另外，對(duì)于建立在透水層中的人工濕地，往往要采用一定的防滲結(jié)構(gòu)措施。當(dāng)?shù)叵滤霈F(xiàn)水位回升且濕地放空檢修時(shí)，在高水頭壓力作用下，會(huì)造成防滲結(jié)構(gòu)的變形、隆起直至破壞，在規(guī)劃選址前期就要考慮到這些問題，并為后期設(shè)計(jì)階段提出更為具體的建議。

圖1 地形地貌與地質(zhì)條件關(guān)系示意圖（以北京地區(qū)某地質(zhì)剖面為例）Fig.1 Schematic profile of relationship between topography and geological conditions(taking a geological section in Beijing as an example)

3 環(huán)境水文地質(zhì)條件

環(huán)境水文地質(zhì)條件對(duì)人工濕地的影響主要表現(xiàn)在運(yùn)營期間的環(huán)境生態(tài)問題(楊帆,2014)。

3.1 土、水環(huán)境背景值

圖2 北京某擬建人工濕地場地地下水BOD5的含量分布Fig.2 Distribution of BOD5 in groundwater of a constructed wetland site in Beijing

建設(shè)場地的水土環(huán)境(圖2)為人工濕地提供了各種生態(tài)群落的生長環(huán)境，影響著濕地內(nèi)水體的水質(zhì)狀況(鐘佐燊, 2005)。良好的水土環(huán)境背景為生態(tài)群落提供良好的生長環(huán)境，無污染的黏土層可以就地用作人工濕地的底部防滲層，減少建設(shè)過程的防污防滲處理成本。當(dāng)場區(qū)存在大范圍或較嚴(yán)重的土壤和地下水污染時(shí)，不僅增加建設(shè)中的環(huán)境治理和防滲設(shè)施等成本，也增加了運(yùn)營期間管理維護(hù)成本，在規(guī)劃選址時(shí)應(yīng)慎重考慮(范偉等, 2012)。

3.2 隔水(污)層

隔水(污)層一般為低滲透性的細(xì)顆粒地層，水分和污染物在其中的遷移速度一般要遠(yuǎn)小于含水層(姚旭初等, 2006)，為人工濕地周邊的地下水環(huán)境提供了天然的“防滲層”和“防護(hù)屏障”(圖3)，既可以減小人工濕地水資源消耗，又可以對(duì)下方地下水環(huán)境起到有效的防護(hù)作用。相反，如果人工濕地與下方含水層之間沒有連續(xù)的隔水(污)層，人工濕地水體易發(fā)生滲漏，隨著長時(shí)間的推移，不僅水資源消耗明顯，也會(huì)嚴(yán)重污染地下水環(huán)境(李緒謙等, 2011; 宋頂峰等, 2011)。

以北京翠湖人工濕地為例，由于湖底5 m左右深度以內(nèi)分布一層連續(xù)的低滲透性軟土，最后取消了人工濕地的防滲方案，大大節(jié)省了建造成本，且該濕地自2006年建成運(yùn)營10多年以來，平均每天的補(bǔ)水量約2 000 m3，與水面蒸發(fā)損失量相當(dāng)，說明滲漏量很小，生態(tài)環(huán)境也比較穩(wěn)定，未出現(xiàn)地下水和土壤環(huán)境污染的現(xiàn)象。

3.3 敏感含水層

本處指的敏感含水層，即為一旦受到污染，將對(duì)周邊環(huán)境與生態(tài)造成嚴(yán)重后果，該類含水層一般具有分布連續(xù)，滲透性較強(qiáng)、厚度較大和徑流條件較好的特點(diǎn)(圖3)。當(dāng)人工濕地發(fā)生滲漏，污染物進(jìn)入敏感含水層時(shí)，短期內(nèi)含水層具有一定的自凈能力，但隨著時(shí)間的推移，污染物在地下水流場作用下，將會(huì)引起較大范圍的面源污染，進(jìn)而引起次生的環(huán)境與生態(tài)問題(圖4)(葉大華等, 2012)。

4 “因地制宜”的人工濕地科學(xué)規(guī)劃思路探討

綜上所述，人工濕地的規(guī)劃選址，除了基于景觀和風(fēng)貌協(xié)調(diào)考慮外，還應(yīng)從地質(zhì)因素角度出發(fā)進(jìn)行綜合考慮和權(quán)衡，人工濕地規(guī)劃選址是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。人工濕地進(jìn)行規(guī)劃選址的過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)地質(zhì)因素對(duì)人工濕地規(guī)劃選址有重要的影響。選址前需要開展區(qū)域性的地質(zhì)調(diào)查，建設(shè)期間需要進(jìn)一步現(xiàn)場勘查，精準(zhǔn)識(shí)別與查明對(duì)人工濕地規(guī)劃選址有重要影響的地質(zhì)因素。

(2)綜合地形地貌、工程地質(zhì)條件和環(huán)境水文地質(zhì)條件等主要地質(zhì)因素進(jìn)行比選分析，從穩(wěn)定性、生態(tài)環(huán)境和成本等多個(gè)角度判斷人工濕地選址的科學(xué)性。

圖3 隔水（污）層對(duì)人工濕地水體防滲和下伏淺層地下水防污的雙層作用示意圖Fig.3 Schematic profile of double action of refuge on seepage control and shallow groundwater pollution control in constructed wetlands

圖4 苯污染羽在含水層中的運(yùn)移情況預(yù)測示意圖Fig.4 Abridged general view of prediction of benzene pollution plume migration in aquifer

(3)在人工濕地的建設(shè)階段，往往可利用場地并不盡如人意，存在著某些不利因素，應(yīng)注意采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┻M(jìn)行規(guī)避。

上述幾部分工作不是獨(dú)立的，而是密切聯(lián)系的，共同組成了科學(xué)的人工濕地規(guī)劃選址思路(圖5)。

5 結(jié)論

(1)地質(zhì)因素的系統(tǒng)調(diào)查、勘察、測試和分析工作對(duì)人工濕地科學(xué)規(guī)劃選址十分重要，人工濕地選址是一個(gè)系統(tǒng)工程，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定意義十分重大。

(2)人工濕地規(guī)劃選址需要充分利用地形地貌條件、工程地質(zhì)條件和環(huán)境水文地質(zhì)條件的優(yōu)勢(shì)組合，且對(duì)上述因素的不利一面采取有針對(duì)性的措施，真正做到“因地制宜”，以保證人工濕地后續(xù)的健康運(yùn)營，更大程度地發(fā)揮其生態(tài)環(huán)境效益，盡可能地減少人工濕地的建造和運(yùn)營維護(hù)成本。

致謝：北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司呂京京博士參與部分文獻(xiàn)調(diào)研和插圖加工工作，史斌工程師參與部分插圖加工工作，作者在此表示感謝！

圖5 因地制宜的人工濕地規(guī)劃選址思路
Fig.5 Planning and site selection of constructed wetland based on“l(fā)ocal conditions” idea

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