人工濕地設計方法與原則

于繼強 吳華德 周方文

摘 要：在綜合評估國內外人工濕地設計研究的基礎上，探討如何確定人工濕地的基質、植物、水流方式和結構類型，系統闡述選擇多種主要因素的相關理論及方法，以期豐富人工濕地設計體系的研究。

關鍵詞：人工濕地;設計;方法;原則;植物

引言

人工濕地內部組成主要包括基質、植物、水、動物和微生物。目前，針對人工濕地內部成分的研究主要傾向于背景知識和處理機理，呈現出重理論、輕設計的現象。工程設計指導人工濕地的構建，對于人工濕地具有重要作用。在人工濕地的設計中，基質、植物和水是設計的主要因素，但目前選擇基質和植物，以及確定水流方式的體系還不夠完善。因此，在綜合評估國內外人工濕地設計研究的基礎上，探討如何確定人工濕地的基質、植物和水流方式，系統闡述選擇多種主要因素的相關理論及方法，以期豐富人工濕地設計體系的研究。

1 海綿城市背景下人工濕地設計原則

1.1多學科合作原則

只有通過多學科的共同努為綜合生態學、景觀學、生物學、水文學和經濟學的知識才能實現成功的海綿城市建設。

1.2遵循法律原則

在海綿城市建設時，要明確項目所在地的用地屬性，在此基礎上關注相關法律規范。這些具有相應法律效率文件保障了海綿城市背景下人工濕地的正確實施和運行。

1.3保護優先原則

城市人工濕地能夠為野生動植物提供棲息地，在城市人工濕地設計時應減少對生境的改變和控制，在豐富城市物種多樣性的同時防止物種入侵。人工濕地的設計應關注生態廊道的連通性，加強城市人工濕地系統與周邊區域自然生態環境的關聯，確保城市人工濕地的可持續發展。

1.4因地制宜原則

城市人工濕地作為兼具匯水、凈水及景觀效果的低影響開發綠色基礎設施，其效果是最佳的，但是絕不能盲目的建設。在規劃建設的初期，需要通過科學的模擬、檢測確定海綿城市人工濕地建設的可行性。

1.5可持續發展原則

在人工濕地的設計中要最大限度的保留場地的自然屬性，降低對區域生態環境的破壞，彰顯其生態效益。也就是說在人工濕地建設中應順應現狀高程、地形、水文等基址條件，合理利用現狀資源，減少人工痕跡。

1.6循環與再生原則

隨著社會的發展，人們逐漸意識到資源、物質、能量是有限的、不容浪費的。在自然界的發展演替過程中逐漸形成了自我調節、循環再生能力來維系生態系統的可持續發展。

2 人工濕地基質選擇依據

基質是影響人工濕地中水力性能、植物生長和系統堵塞的重要因素。在實際工程中，應針對不同污水水質和基質本身特性，本著就近取材的原則選用適當的基質。

國內外對人工濕地基質粒徑的布設做了大量的研究。在歐洲，以礫石為主要填料的人工濕地中，礫石粒徑一般為8～16 mm。張迎穎等認為，進水配水區和出水集水區一般采用粒徑在60～100 mm的礫石，處理區最常選用的粒徑范圍是4～16 mm。梁繼東等認為，處理區基質的粒徑在8～16 mm范圍內處理效果最優。化學作用是基質去除污染物的重要途徑之一。鋁和磷有強烈的化學親和力，脫水的鋁泥塊可以去除污水中的磷。沸石通過吸附—離子交換作用去除氨氮。火山石微粒有龐大的細菌種群可以降解生化需氧量。針對不同的特征污染物和去除機理，選擇不同的基質。

3 人工濕地植物選擇的原則

不同植物種類在營養吸收能力、根系深度、氧氣釋放量、生物量和抗逆性等方面存在差異，并且不同季節的植物以及植物的收割次數對污水的凈化能力也是不同的。Münch C等首次提出廣闊的根系環境可以提高對氮的去除率。SteinO R和PAUL B分析推測，不同植物的凈化差異在冬季最為顯著，在其生長和休眠期莖葉對根部輸氧能力影響污水處理。Tanner C C認為，蘆葦和菰、水甜茅適合于處理低濃度廢水的人工濕地。

很多學者提出了篩選植物的原則，可以概括為以下幾點：

①植物的適應性。植物耐受污染物和高度富營養化水體的能力強，抗逆性強，以鄉土植物為主;

②植物的生長力強。在濕地環境中，植物能夠繁殖、建群、擴展和生長，生物量較大，生長周期長，根系發達;

③景觀性。選擇的植物應與周圍的景觀融合一體，具有觀賞價值;

④多樣性。盡量設計多種植物組合去污，做到物種間的合理搭配;

⑤經濟性。種植經濟價值高的植物;

⑥易于管理。選用易于管理的植物，避免造成二次污染。

4 人工濕地水流方式選擇原則

確定水流方式是設計人工濕地結構的第一步，關系到其他參數的設置，其設計原則可概括為：

①污水的類型。若特征污染物為易去除的污染物（氮、磷等）a或污染物濃度較低，可以考慮單純選擇表面流或者單一的水流方式。

②基質的類型。對于孔隙變化率較高的基質，如頁巖和礫石等，較易堵塞，不適合選擇垂直流。

③區域狀況。對于中國東部土地緊張的發達地區，水平潛流和垂直流是不錯的選擇。

④技術可行性。設計的水流方式要符合現實的技術條件。

⑤經濟可行性。表面流相對水平潛流和垂直流的建設費用較低，適合于貧困地區。

⑥生態環境健康。表面流的人工濕地易滋生蚊蠅，表面流不宜建在城市生活小區的濕地。

5 人工濕地結構類型優選方法

國內外研究方法主要是人工神經網絡法。還有一些近來引入人工濕地中的方法，如層次分析法等，分別利用BP神經網絡法優選人工濕地設計方案。

人工神經網絡是一種較適合模擬復雜生態系統的模型。但人工神經網絡也存在缺點，訓練人工神經網絡模型需要的樣本數較多，致使小試實驗或者測量已存在的大型人工濕地數據的工作量較大。近來的研究將層次分析法運用于優選人工濕地的類型，解決了由于生態系統復雜造成了工作量大的問題，層次分析法還能較好地將存在于系統中的某些定性因素定量化，解決污水處理技術方案選擇的難題。但層次分析法在人工濕地領域研究還比較新穎，很多參數設計不成熟，有待于進一步研究。

參考文獻：

[1]黃健，杜少文.人工濕地技術及其在我國北方地區的研究進展[J].中國海洋大學學報，2010，40（11）：79-84.

[2]張文藝，劉明元，羅鑫，等.蘇南水網地區表面流人工濕地示范工程[J].中國農村水利水電，2012（2）：78-83.

[3]劉冀霞.國內外人工濕地的研究進展及運行情況[J].建材與裝飾，2012 （33）：45-47.