山地城市河岸人工濕地系統設計研究

馬 念，曾前松，徐永新，陳 棟，劉 戀，韓 璐

[1.林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401121；2.西開普大學自然科學學院地球科學系，南非 開普敦；3.重慶高新開發建設投資集團有限公司，重慶市401329]

0 引 言

西南山地槽谷流域中的城市河流對水文條件、污染負荷等環境變化極為敏感。大規模城市化改變了流域的空間格局和流域水文特征，同時也帶來水環境、水安全及水生態等方面的問題。山地城市土地較為稀缺，建設密度和開發強度大，河流水環境問題更突出。污水收集、處理系統和河流清淤疏浚等是削減污染負荷、保護城市水體水質主要的工程措施，因其投資大、建設周期長，污水收集率和處理率提高難、見效慢，往往需要采用一些輔助、應急的河流水質改善設施，且常采用一些近自然的工藝。人工濕地的去污機理和自然濕地完全一樣，但通過人工輔助強化了其物理、化學、生物和微生物過程[1-3]，因其較高的污染負荷去除能力而被廣泛用于污水處理、富營養化和微污染水的凈化[4-5]，也普遍被用于凈化不同條件下的污染河水[6-9]。這些案例的應用場景和凈化目標不同，運行參數差異較大，在山地城市流域的空間和水文、水質條件下怎么確定運行參數值得研究。雖然徐志強等對人工濕地用于汛期和非汛期交替處理初期雨水和高鹽環境微污染河水進行了研究并取得較好的效果[10]，但大多數河岸人工濕地只具有單一的河水凈化功能，設施使用的可持續性是個問題，如何設計同時兼顧城市發展不同階段的動態需求的、功能可以轉換的人工濕地系統尚待探討。在梁灘河上游配合河岸帶修復，嘗試通過建造人工濕地系統來輔助強化河流水質，并為適應未來城市發展需求，遠期設計為海綿城市系統的末端雨水濕地。設計集成了凈化功能單元和輔助單元，形成復合“人工濕地系統”；設計采用以場地條件為約束的“反向設計”方法，因地制宜選取設計參數；設計以“動態設計”為思路，設定了濕地系統近遠期的不同功能和功能轉換模式。試點工程表明人工濕地系統對污染河水凈化和抗沖擊負荷能力很強，參數也能滿足遠期海綿城市系統雨水調蓄、凈化需求，系統具有可持續性。河岸人工濕地系統對削減河流污染負荷特別是營養鹽的輸送具有顯著的作用，并同時具有城市防洪、生態及景觀過渡帶功能。

1 梁灘河流域及概況及水環境治理對策

1.1 梁灘河流域概況

重慶梁灘河是嘉陵江右岸一級支流，位于川東褶皺帶縉云山和中梁山之間槽谷中，干流長度88.7 km，流域面積510.1 km2（見圖1，a、b），具有典型的槽谷河流水系特征：一是水系結構呈“葉脈狀”，發源于兩山的支流流程短、坡降大，降雨時水流泥沙和污染物攜帶能力強，而位于槽谷中部的干流坡降緩、流速慢，泥沙及污染物易于淤積（見圖1，c）。二是卡斯特地區山地河流水文特征，旱季降雨少，流量小，主要靠地下水補給；雨季降雨量大，河水流量大；汛期易發山洪。三是河流形態蜿蜒曲折，河床下切較深，多跌水，大多數河段岸坡陡峭，河岸帶較窄。

1.2 水環境風險和對策

近十幾年來梁灘河流域迅速城市化，由于山地城市土地稀缺，建設密度和開發強度都極大，使水環境保護和生態修復面臨極大挑戰：一是城市水系格局變化、不透水下墊面增加、植被退化和水土流失改變了流域水文過程，加速河道的沉積與淤塞，導致河流生境退化和更大的洪澇風險；二是流域內不斷增加的生活、生產用水量，加大了污水收集、處理系統的壓力，流域水系統面臨更大的污染負荷的威脅；三是河岸帶被侵占，壓縮了水陸過渡緩沖空間，增加了洪澇風險，降低生物多樣性水平，使河流環境和生態系統更加敏感，抗沖擊能力減弱。

為應對風險，水環境規劃中提出了“污水收集和處理”、“清淤疏浚”、“海綿城市建設”等一系列的策略和工程措施，以控制城市點源、面源和內源污染，提升水系過流能力，緩解洪澇災害。但這些措施一般會隨著城市發展逐步實施，且管網覆蓋率、污水收集率、處理率提高需要有一個過程，特別是城市空間復雜導致老城區環境設施改造難度極大，因此需要一些輔助性、過渡性的環境改善設施協同作用。為此提出在梁灘河流域進行試點，探討利用山地河流獨特的河岸帶空間構建人工濕地系統來彌補城市污水系統收集、處理的不足，使河段水質盡快達到近期考核目標，并能同時兼顧近期河水強化凈化功能和遠期海綿城市建設的需要。

2 河岸人工濕地設計方法

2.1 試點區選擇及場地條件

試點區位于梁灘河上游中段左岸高新區和沙坪壩區交界處，位于“童善橋”考核斷面上游，利于對實施效果進行監測。場地為河流蜿蜒段上不太好用的“邊角地”,可用地面積約120 000 m2（如圖1，c），高程283.8～293.5 m，50 a一遇洪水位約為288.0 m?？辈熨Y料顯示，場地原為古河灘，后因河床變化逐漸被堆積抬高，近年又被大量棄土侵占。根據相關部門2015—2017年間36個月對梁灘河試點區段（童善橋）斷面的監測數據（見圖2、圖3），梁灘河上游整體評價為劣V類水質，大多數時間COD、BOD5指標能到到V類水要求，而NH4+-N、TP指標大多數時間是超標的。

圖2 2015～2017年梁灘河河段CODCr、BOD5監測值（單位：mg/L）

圖3 2015～2017年梁灘河河段NH4+-N、TP監測值（單位：mg/L）

2.2 總體目標及設計思路

總體目標：（1）近期作為梁灘河旁路人工濕地以增強河水的凈化與循環，使河水水質達到近期管控目標（地表V類）；（2）遠期作為“海綿城市”系統末端的調蓄、凈化雨水濕地，將凈化后雨水作為梁灘河環境流量（Environmental flow）的補充；（3）修復“城”與“河”的水陸過渡空間，兼顧“環境治理”和“生態修復”目標。

鑒于山地流域空間局促，制定了以“場地條件”為約束的“反向設計”原則：適應場地面積、尺寸、形狀等約束，確定單元配置、工藝布置及設計參數；在約束之下，作為河流旁路濕地，具有盡量大的河水凈化能力；作為雨水濕地，具有較大的雨水調蓄與凈化能力。根據城市發展的需求變化進行“動態設計”：按近期河水濕地功能確定設計參數，按遠期雨水調蓄和凈化功能進行參數復核，同時考慮近遠期系統功能的轉換。

2.3 旁路人工濕地參數設計方法

（1）工藝流程及單元參數

先按照常用工藝組合，確定其核心工藝為“沉砂塘+二級表面流濕地+三級水平潛流濕地+沉淀塘”，河水通過濕地凈化后回到梁灘河。因場地不規則，工藝單元之間用一些水體作為輔助單元來進行水流、高程轉換或水量分配，同時提供調節容積。工藝單元和輔助單元共同構成復雜的“人工濕地系統”。同時由于山地河岸場地局限，須按照場地大小和形狀先確定工藝單元及布置，然后反算各單元幾何參數，用幾何參數計算工藝參數，并根據相關規范對工藝參數進行校核。

濕地系統布置和工藝流程如圖4、圖5。占地面積85 420 m2，其中工藝單元面積為53 600 m2，各單元幾何參數見表1。山地河流水位漲落幅度很大，濕地系統主要凈化單元要求不低于50 a一遇防洪標準，因此，旱季河水經泵站提升后才能進入系統。水泵流量420 m3/h，揚程18 m，功率30 kW，采用一體化泵站，這是旁路系統唯一的能耗單元。

表1 人工濕地系統各單元幾何參數

圖4 人工濕地系統工藝流程布置圖

圖5 梁灘河人工濕地系統凈化工藝流程圖

（2）設計水量

根據相關水文記錄推算，梁灘河水質最差的枯水期日平均流量為40 000 m3/d，最小流量為10 000 m3/d。進入濕地強化凈化的水量應為河水流量的一部分以保證濕地取水口、出水口之間河道（約100 m）維持一定基本流量不至斷流；同時凈化后的水量和未經凈化的河水混合后要達到近期達地表V類水階段性控制目標，計算確定人工濕地最大設計進水水量為30 000 m3/d（枯水期日均流量的75%）。實際運行水量根據河道水量、水質變化在10 000～30 000 m3/d之間調整。

（3）進出水水質

本設計根據梁灘河歷年水質監測資料、文獻值和現場復核值為依據確定進水水質，并重點關注NH4+-N、TP指標。為此設計同時參考王曉峰等于2014年9月、12月和2015年3月、6月對梁灘河本河段表層水采樣測定結果[11]。而出水水質主要根據預定的水質目標確定，同時參照《人工濕地污水處理工程技術規范》（HJ 2005—2010）（以下簡稱“規范”）[12]校核污染物去除率（表2）。

表2 人工濕地系統出水水質一覽表

（4）設計負荷

設計水力負荷和有機負荷參考國內南方地區一些實際處理污染河湖水人工濕地案例中水力負荷取值[5-6]。本設計按最大設計流量、濕地系統總面積為基礎，按照“規范”中3.10的（3）式和3.9的（2）式分別計算，本濕地系統平均水力負荷為0.56 m3/（m2·d），比“規范”推薦值略大；平均BOD5負荷為39.29 kg/（hm2·d），在“規范”值范圍內。

（5）水力停留時間

“規范”推薦人工濕地工程水力停留時間（HRT）參數：表面流人工濕地4～8 d，水平潛流人工濕地1～3 d。實際案例由于環境差異和工藝組合不同，HRT差異很大[3-6]。本系統各單元水力停留時間（按最大設計流量，其中潛流濕地孔隙率按35%），見表3。

表3 梁灘河人工濕地系統水力停留時間

2.4 雨水人工濕地參數校核

“海綿城市”控制目標一般為總量控制、峰值控制、污染控制和雨水資源化利用控制[13]。梁灘河雨水人工濕地通過其調蓄、凈化功能實現這些目標。由于雨水濕地是未來的功能，僅在設計目標下對系統參數進行校核。一是調蓄容積，系統調蓄容積為50 185 m3，由前端調蓄（沉砂塘、表面流濕地等）、中段調蓄（配水塘、潛流濕地等）和后端調蓄（沉淀塘、出水塘等）組成。二是凈化處理流量，取決于凈化周期，這跟降雨周期、降雨特征和雨水利用的規律有一定關系，因此在最大處理能力內是可變的。三是雨水水質，對重慶市類似新開發區不同采樣點降雨水徑流監測結果表明，雨水水質變化隨機性非常大[14]。根據上述監測水質及相關文獻中雨水調蓄池污染物質濃度[15]擬定了梁灘河人工濕地系統凈化雨水進水水質參考指標，COD為80 mg/L，BOD5為20 mg/L（雨水BOD5按0.25 CODCr[16-17]），NH4+-N為3.0 mg/L，TP為0.25 mg/L。預測濕地系統可適應這個進水水質。因為兼具水質凈化和資源利用的目標，在具體場次降雨中可根據實際情況確定接納水量或棄流量并調節水質，而實際水力負荷、有機負荷、停留時間等可隨調蓄容積和凈化周期進行調節，還可采用智能化系統進行管控。

2.5 濕地填料和功能植物

人工濕地通過濕地基質的選擇和植物配置對去污機制進行強化。主要利用介質對污染水的過濾、沉淀、吸收吸附等物理作用和其中多種微生物在厭氧、缺氧、好氧復雜條件下對污染物的消化降解作用來凈化污染水[3]。關于濕地植物的作用，一般認為維管束植物的根對水中可利用態的營養物質、吸附和富集重金屬及一些有毒有害物質可直接吸收利用，還可改善基質孔隙率以增強水力傳輸，并為根區好氧微生物輸送氧氣[3-4]；植物腐殖質和根部分泌物還可以增加系統碳源利于反硝化脫氮[4]。本人工濕地系統設計表流濕地分2級、4個平行單元；水平潛流濕地分3級、4個平行單元，填料及植物配置如表4。

表4 人工濕地主要凈化單元基質和植物配置

2.6 配集水系統

本設計配、集水系統的調節目標：使水流在介質中均勻分布；根據植物、微生物生長過程及其對基質滲透系數的影響，調整水位和浸潤線，使濕地系統在多種工況下運行；為便于系統維護操作，每個單元（或每一縱列）進出水最好能夠單獨管控。

2.7 生態修復與景觀設計

河岸帶是水生生態系統與陸地生態系統進行物質循環、能量流動、信息傳遞的一個重要過渡帶，生境異質性使得生物多樣性的水平高[18]。借鑒一些成功的修復理念[19]，以人工濕地系統為核心對河岸帶生態系統結構、功能和系統自我維持能力進行修復，其中包括：移除棄土，對地形進行重塑；改善植被結構，為水生、陸生動物及兩棲類動物營造良好生境；用鄉土種植物替代場地原有的大量的空心蓮子草等外來物種，減少今后人工干預工作量以實現自我維持。

景觀設計包括：通過場地高程梳理，濕地輔助單元進行空間轉換，配合植物搭配、形態設計營造多層級、多功能的濱水空間，實現濕地系統內部單元之間及濕地系統與城市和河流之間自然過渡和銜接；生態美學設計也是“自然再生”設計的重要內容[19]，遵循生態化、景觀化、本地化原則進行植被搭配；為體現生態系統服務價值，濕地周邊、沿河及人工濕地單元內部設置步道、棧道使濕地系統開放、可進入，可開展游覽和科普宣教等活動。

3 濕地系統實施效果及討論

3.1 人工濕地設計參數匯總

人工濕地系統的設計參數匯總如表5。

表5 人工濕地系統工藝參數

3.2 旁路濕地水質凈化效果及分析

對旁路濕地運行近3 a（29個月）運行數據（見表6、圖6至圖8）進行分析可以看出：（1）濕地出水總體優于V類并趨于穩定，除TP外的其余指標可達地表水II～III類標準，對保證濕地下游童善橋監控斷面總體達V類水質起了重要作用；（2）濕地出水水質隨河水水質波動，但系統具有顯著的緩沖作用；（3）流域其他治理措施使河水水質正在逐步改善，人工濕地系統為河流提供了更大的環境容量，也為系統功能轉換準備了條件。

圖6 濕地系統進出水CODCr、高錳酸鹽指數監測值（2019年6月至2021年10月平均值）（單位：mg/L）

圖8 濕地系統進出水TP監測值（2019年6月至2021年10月平均值）（單位：mg/L）

表6 2019年6月～2021年10月人工濕地系統監測總平均值

跟參考案例和“規范”值比起來，本項目設計負荷都偏高，而總停留時間較短，但完全達到了設計預期效果，說明本設計參數選擇也是較為合適的。除了各自的環境條件和工藝組合的差異，還可能是由于：（1）復雜系統的凈化單元與輔助單元協同作用，濕地系統對進水水質、水量的緩沖、調節能力很強；（2）系統流速較低，各種介質（包括填料、植物及其它介質）表面積大，使系統可以“捕獲”污染物質后逐步加以降解[4]；（3）系統中較為復雜的水流流態、溶解氧條件、日照等環境下，輔助單元同樣發揮了很強的凈化作用；（4）極端條件下，預處理設施的輔助強化使凈化能力得到提升，提供了一定的抗沖擊能力。

圖7 濕地系統進出水NH4+-N監測值（2019年6至2021年10月平均值）（單位：mg/L）

3.3 雨水人工濕地系統與城市雨水系統適應性

除了參數要合適，排水體制對雨水人工濕地影響也很大。雨污分流制更適合采用人工水質凈化的方式將城市雨水管網中的雨水進行就近凈化消納[20]，因此利于城市雨水資源的再生與再用。梁灘河流域新區采用雨污分流制，老舊城區的雨污分流改造成為雨水利用的關鍵，包括收集、輸送管網、泵站等濕地的“外部系統”。另外，人工濕地用作雨水濕地時人工濕地系統需進行一些調整、轉換?？赡馨A處理設施和濕地各單元配水系統，以適應雨量隨機性而采用不同運行工藝參數的要求，兼顧水量調蓄與凈化效果。

3.4 人工濕地系統對流域治理的作用

（1）對流域環境治理的作用

河流是點源和面源污染物的重要受納體和匯流通道，是河流下游湖、庫乃至整個流域營養物質傳輸的重要途徑[11]。據測算，本濕地系統每年可減少約22.6 t NH4+-N和2.6 t TP向下游輸送，這不但對探索梁灘河流域環境治理有很大幫助，也為改善嘉陵江干流及長江三峽庫區的水體質量提供了一種解決方案。

（2）防災減災效果

以人工濕地濕地系統為核心的梁灘河河岸帶生態修復，能有效控制河岸的沖蝕，減少水土流失和河道的淤塞。汛期人工濕地系統部分單元可被淹沒，“平時是公園、汛期是泄洪通道”，保證了河流的行洪能力，使河岸帶成為城市與河流之間的防洪安全屏障。

（3）修復自然生態格局

作為河岸帶修復工程中的核心內容之一，人工濕地系統強化了河岸帶的水質凈化等功能。隨著植被恢復形成了結構較為復雜的水陸交錯系統，提高了場地生境異質性，為河岸帶生物多樣性維育奠定了基礎。工程完工一年后，在沒有人工干預的情況下，鯽魚、餐條魚、泥鰍等梁灘河流域本土魚種通過進水系統、洪水淹沒和濕地尾水溯流進入濕地水系并被觀測到，濕地系統和河流生態系統正在“融合”。景觀打造擴充了城市功能，為市民提供了良好休憩空間、同時成為滿足濕地科普教育功能的“網紅打卡點”。通過河岸帶的過渡實現城市與自然的和諧相生，緩解了城市化造成的“城”與“河”的矛盾，保護了槽谷地帶“山、水、林、田、湖、城”景觀格局。

4 結 語

通過人工濕地系統輔助河岸帶修復項目試點，結果表明：

（1）梁灘河人工濕地系統在改善河流水質方面效果顯著，能一定程度上彌補城市污水收集、處理設施的不足，用于山地河流水質凈化抗沖擊能力很強，可對梁灘河流域水環境治理和保護嘉陵江、三峽庫區水環境和水生態發揮重要作用，值得在流域內進行推廣。

（2）梁灘河人工濕地系統兼顧城市近遠期不同的功能需求，可確保城市環境基礎設施可持續利用。

（3）濕地系統的設計充分適應山地城市空間和流域水文特點采取“反向設計”和“動態設計”方法，兼顧河流環境治理、生態系統修復、雨水資源利用、防洪安全、生態修復和景觀等多個目標，同時取得了環保效益、生態效益及社會經濟效益，可以為類似的流域治理提供借鑒。