長(zhǎng)春市長(zhǎng)春堡人工濕地工程設(shè)計(jì)

周?chē)?guó)旺 徐玲娥 盧燁彬 康雅茹 宋思遠(yuǎn)

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

人工濕地技術(shù)不僅對(duì)污染物去除效果較好、能夠適應(yīng)面源不穩(wěn)定特性，而且在生態(tài)恢復(fù)、景觀(guān)打造等方面有不錯(cuò)的效果（張琦等,2022;楊寶玲等,2019），是目前河流面源污染治理中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。國(guó)外利用人工濕地技術(shù)凈化河道水質(zhì)的應(yīng)用比較早，其中包括德國(guó)萊茵河水質(zhì)提升、墨西哥污染河流治理等（Elliot et al.,2017;Luis et al.,2020）。國(guó)內(nèi)在長(zhǎng)江流域、海河流域、黃河流域、遼河流域等建設(shè)了多座大型人工濕地，用于治理河道污染。如長(zhǎng)治市石子河至濁漳南源河口段污染嚴(yán)重，研究者根據(jù)上游來(lái)水流量和來(lái)水污染負(fù)荷量設(shè)計(jì)表面流濕地，出水水質(zhì)達(dá)到了地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（周保安,2022）。黃河一級(jí)支流涑水河水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)，研究者根據(jù)涑水河的水質(zhì)情況及建設(shè)地點(diǎn)的土地利用情況，采用預(yù)處理工程（格柵渠、沉砂池）+兩級(jí)表面流人工濕地+垂直潛流人工濕地的主體工藝路線(xiàn)對(duì)河道水體進(jìn)行處理，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)（徐小樂(lè)等,2022）。

我國(guó)東北地區(qū)冬季漫長(zhǎng)且寒冷，以吉林省為例，冬季極端氣溫可達(dá)-50℃左右，12 月至次年1 月平均氣溫為-20～-7℃，給人工濕地的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。為了解決寒冷地區(qū)人工濕地運(yùn)行效率低、冬季運(yùn)行不穩(wěn)定的問(wèn)題，本文以新凱河支流永春河上游人工濕地為例，綜合考慮氣候、水量水質(zhì)、地形等條件，通過(guò)模擬自然界天然濕地的凈化能力，在河道旁建設(shè)近自然濕地，將永春河來(lái)水引入濕地進(jìn)行凈化，以實(shí)現(xiàn)人工濕地水質(zhì)凈化、微氣候調(diào)節(jié)和生物多樣性恢復(fù)的功能，為我國(guó)寒冷地區(qū)流域面源污染治理、生物多樣性恢復(fù)等提供示范與參考。

1 研究地概況

長(zhǎng)春堡人工濕地位于長(zhǎng)春市朝陽(yáng)區(qū)新凱河的一級(jí)支流永春河上游，多年平均氣溫4.8℃，冬季凍結(jié)深度1.6～1.8 m。流域多年平均降水量565 mm，降水量年內(nèi)分布不均，6—9 月降水量占年降水量的78.1%。永春河發(fā)源于永春鎮(zhèn)，全長(zhǎng)約30.10 km，河道來(lái)水季節(jié)性較強(qiáng)，在枯水期基本沒(méi)有天然徑流量，豐水期最大流量可達(dá)2.60 m3/s。河流現(xiàn)狀水質(zhì)為GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類(lèi)～劣Ⅴ類(lèi)，且河道水土流失嚴(yán)重，水體含砂量大。永春河上游段是八一水庫(kù)的水源補(bǔ)給主徑流，由于流域內(nèi)現(xiàn)為農(nóng)村地區(qū)，面源污染嚴(yán)重，導(dǎo)致現(xiàn)有河道水體污染物濃度高、水質(zhì)較差，水體生態(tài)系統(tǒng)呈退化趨勢(shì)，為下游八一水庫(kù)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)

2.1.1 設(shè)計(jì)水量長(zhǎng)春堡人工濕地主要來(lái)水為上游河道，河道斷面多年平均徑流量見(jiàn)表1，從表1 中可看出河道斷面全年徑流量變化較大。考慮周邊農(nóng)業(yè)面源污染及農(nóng)村生活污水污染排入河中，結(jié)合河道的年平均流量及豐水期流量對(duì)濕地水量進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水量以3 500～12 000 m3/d 計(jì)。

表1 長(zhǎng)春堡人工濕地上游河道斷面多年平均自然流量變化情況 m3/dTable 1 Annual mean natural discharge variation of upstream river section in Changchunbao constructed wetland m3/d

2.1.2 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)水水質(zhì)是人工濕地設(shè)計(jì)的關(guān)鍵邊界條件，不僅決定了人工濕地所采取的核心凈化工藝，也是決定工程規(guī)模的主要因素之一。長(zhǎng)春堡人工濕地來(lái)水受季節(jié)影響大，因此，分別在旱季和雨季監(jiān)測(cè)上游河道來(lái)水水質(zhì)（表2）。

表2 長(zhǎng)春堡人工濕地上游河道水質(zhì) mg/LTable 2 Water quality of the river upstream of the proposed constructed wetland mg/l

根據(jù)表1 和表2，11 月至來(lái)年5 月為旱季，濕地上游河道斷面多年平均自然流量減小，加上流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)村生活污水污染物排放，來(lái)水中污染物濃度相對(duì)更高；6—10 月降雨增多、河道斷面流量較大，尤其是7 月和8 月超過(guò)1 萬(wàn)m3/d，來(lái)水中污染物被稀釋?zhuān)瑵舛纫蚕鄬?duì)更低。但考慮雨季農(nóng)田退水量和生活污水排放量都增加，不降雨時(shí)進(jìn)入河道的污染物增多，導(dǎo)致來(lái)水中污染物濃度變化較大，故設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)分為旱季和雨季，雨季進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)范圍更大。本濕地結(jié)合流域綜合治理其他措施共同實(shí)施，出水以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》V 類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)（表3）。

表3 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì) mg/LTable 3 List of designed inlet and outlet water quality rate mg/L

2.2 工藝流程

長(zhǎng)春堡人工濕地冬季河道水溫較低，而工程水質(zhì)凈化目標(biāo)要求較高，故核心凈化單元選擇潛表耦合濕地；上游河道污染主要是面源污染，入河徑流中容易攜帶大量泥沙，故設(shè)計(jì)前端生態(tài)塘進(jìn)行沉淀。此外，長(zhǎng)春堡人工濕地位于候鳥(niǎo)南北遷徙必經(jīng)之路，生態(tài)敏感性強(qiáng)，在保證凈化效果的同時(shí)需考慮生物多樣性恢復(fù)，故在末端設(shè)計(jì)進(jìn)自然濕地，為鳥(niǎo)類(lèi)提供豐富的食物來(lái)源。最終選擇前端生態(tài)塘（無(wú)沉水植物）+氧化塘+潛表耦合濕地+末端生態(tài)塘（沉水植物為主）+近自然濕地組合工藝；同時(shí)，通過(guò)設(shè)置攔河蓄水閘，將永春河河水引流至濕地，出水就近排往永春河河道內(nèi)，水位可通過(guò)虹吸式潮汐流造流器進(jìn)行控制。各工藝單元的適宜有效水深、表面水力負(fù)荷，確定滿(mǎn)足處理水量要求的各單元面積。計(jì)算過(guò)程參考HJ 2005—2010、CJJT 54—2017《污水自然處理工程技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范。具體工藝流程和平面布置見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 人工濕地工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of constructed wetland

圖2 人工濕地工藝平面布置圖Fig.2 Process layout of constructed wetland

3 主題工藝設(shè)計(jì)

3.1 豎向設(shè)計(jì)

永春河河水通過(guò)攔水閘引入濕地，進(jìn)水標(biāo)高為222.10 m，出水水位為221.40 m（圖3）。本濕地通過(guò)可調(diào)式出水堰門(mén)將水位控制在0～0.4 m 范圍內(nèi)，正常運(yùn)行時(shí)河道進(jìn)出水水頭總損失約為0.6 m。當(dāng)遇到較大洪水時(shí)，永春河河水漫過(guò)攔水壩，直接溢流進(jìn)入下游河道，不影響河道的正常行洪。

圖3 人工濕地豎向高程設(shè)計(jì)Fig.3 Vertical elevation design of constructed wetland

3.2 工藝單元設(shè)計(jì)

3.2.1 前端生態(tài)塘前端生態(tài)塘的設(shè)置可以使河道來(lái)水懸浮物沉淀，降低來(lái)水的懸浮物負(fù)荷及含砂量，提高河水停留時(shí)間，降低潛表耦合區(qū)的污染物負(fù)荷。設(shè)計(jì)有效水深為2.0 m（預(yù)留1.0 m 沉泥區(qū)），總面積5 000 m2，有效池容量10 000 m3，水力停留時(shí)間0.41～1.4 d，表面負(fù)荷0.6～1.6 m3/m2·d，不種植沉水植物（圖4）。挺水植物以蘆葦（Phragmites australis）為主，輔以菖蒲（Acorus calamusL.）、香蒲（Typha orientalisC.Presl）等，種植密度宜為9～25 株/m2。

圖4 前端生態(tài)塘剖面圖Fig.4 Section view of the front ecological pond

3.2.2 氧化塘水中溶解氧含量直接關(guān)系到水體質(zhì)量的好壞，經(jīng)過(guò)前端生態(tài)塘沉淀的河水流入氧化塘，通過(guò)水位的自然波動(dòng)對(duì)水體進(jìn)行復(fù)氧，提高潛表耦合濕地的硝化能力。氧化塘總面積為5 700 m2，平均有效水深1.5 m，水力停留時(shí)間0.71～3.5 d。氧化塘內(nèi)設(shè)置1個(gè)鳥(niǎo)島，面積為200 m2，鳥(niǎo)島上主要種植結(jié)籽植物，為鳥(niǎo)類(lèi)提供豐富的食源和棲息環(huán)境。

3.2.3 潛表耦合濕地潛表耦合人工濕地通過(guò)特殊的水體錯(cuò)流方式及濾床構(gòu)造來(lái)減少泥沙沉積造成的濾床堵塞。大流量時(shí)以表流為主，底部濾床潛流為輔，低流量時(shí)以潛流為主。本案例濕地潛表耦合區(qū)面積采用一級(jí)推流式模型NH3-N 指標(biāo)計(jì)算，為3.6 萬(wàn)m2，水力停留時(shí)間為1.5～5.4 d，表面水力負(fù)荷為0.097～0.33 m3/（m2·d），主濾床介質(zhì)為礦石和火山巖。配水渠采用滲透系數(shù)大的石籠進(jìn)行均勻配水。單塊工藝單體中配水石籠豎向長(zhǎng)度150 m，濾料寬度40 m，水體以滲流方式通過(guò)濾料進(jìn)入集水渠收集后進(jìn)入末端生態(tài)塘（圖5）。

圖5 潛表耦合濕地剖面圖Fig.5 Profile of the subsurface coupled wetland

3.2.4 末端生態(tài)塘末端生態(tài)塘主要種植沉水植物、浮水植物等景觀(guān)性較好的水生植物，在凈化水質(zhì)的同時(shí)，為河流的魚(yú)、蝦、螺、貝和鳥(niǎo)類(lèi)提供生存環(huán)境，恢復(fù)河道生物多樣性，實(shí)現(xiàn)濕地生物多樣性恢復(fù)的生態(tài)功能。本案例濕地末端生態(tài)塘平均水深1.5 m，池面面積7 400 m2，停留時(shí)間0.9～3.1 d。沉水植物面積1 250 m2，主要選用苦草（Vallisneria natans）、伊樂(lè)藻（Elodea canadensis）等，種植密度為3～9 株/m2（圖6）。

3.2.5 近自然濕地近自然濕地內(nèi)生態(tài)島是其核心處理區(qū)，通過(guò)人工構(gòu)建的島嶼作為一個(gè)微生物載體，為微生物提供大量的生長(zhǎng)空間，河水中的有機(jī)物被濕地濾料及植物根系表面的生物膜截留，通過(guò)附著在生物膜上大量微生物的分解作用降解有機(jī)物（李春華等,2023;靖玉明,2008）。本設(shè)計(jì)對(duì)周?chē)牡剡M(jìn)行改造，利用現(xiàn)狀低洼地對(duì)該區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡匦胃脑欤纬蓮乃娴綖┑卦龠^(guò)渡到旱地的一個(gè)生態(tài)演變序列，構(gòu)造一個(gè)鳥(niǎo)類(lèi)棲息及植物多樣性的環(huán)境（圖7）。設(shè)計(jì)近自然濕地面積約0.9 hm2，末端沉水植物塘出水進(jìn)入近自然濕地停留0.7～2.4 d 后排入永春河道。

圖7 近自然濕地剖面圖Fig.7 Section view of a near natural wetland

3.3 濕地內(nèi)部細(xì)化設(shè)計(jì)

3.3.1 植物種植設(shè)計(jì)根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的特點(diǎn)，選擇耐污和耐寒能力強(qiáng)、凈化效果好、根系發(fā)達(dá)、經(jīng)濟(jì)和觀(guān)賞價(jià)值高的水生植物。在岸邊、淺灘種植納污能力較強(qiáng)的挺水植物，在深水區(qū)域（0.8～1.5 m）適當(dāng)位置種植浮水植物和沉水植物，形成水生植物錯(cuò)落有致、水下森林與水上挺水植物相呼應(yīng)的優(yōu)美水上景觀(guān)。本項(xiàng)目挺水植物以蘆葦為主，輔以菖蒲、香蒲等；沉水植物選用苦草、伊樂(lè)藻等；浮水植物選用睡蓮（Nymphaea）。本工程植物種植密度可根據(jù)植物種類(lèi)與工程的要求調(diào)整，挺水植物種植密度為9～25 株/m2，種植面積38 000 m2；浮水植物和沉水植物種植密度為3～9 株/m2，種植面積分別為2 200 m2和5 300 m2。

3.3.2 水生動(dòng)物設(shè)計(jì)大型底棲生物可覓食底質(zhì)中大量的有機(jī)質(zhì)及腐敗的水生植物殘?bào)w等，降低底質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放。本項(xiàng)目在整個(gè)水域中放養(yǎng)的水生動(dòng)物主要以青蝦、環(huán)棱螺、黑魚(yú)為主。結(jié)合本濕地工程的場(chǎng)地條件，投放青蝦（尾）5 000 只、環(huán)棱螺6 500 只、黑魚(yú)（尾）2 000 只；其中青蝦約20 g/尾、環(huán)棱螺約15 g/尾、黑魚(yú)約50 g/尾。

3.3.3 濕地防滲設(shè)計(jì)人工濕地主要的防滲形式包括夯實(shí)土防滲、粘土夯實(shí)防滲、HDPE 膜防滲等。長(zhǎng)春堡人工濕地采用素土回填（不包括濕地泡），土壤可溶性鹽含量不得大于5%，有機(jī)質(zhì)燒失量不得大于5%，特殊情況不得大于7%。回填土采用振動(dòng)壓路機(jī)分層夯實(shí)，每層壓實(shí)3～4 遍，壓實(shí)度不小于94%，直至施工至原地面標(biāo)高。施工中嚴(yán)格控制填料的含水量，設(shè)計(jì)滲透系數(shù)≤10-8m/s。長(zhǎng)春堡濕地泡采用粘土夯實(shí)進(jìn)行回填，回填標(biāo)準(zhǔn)參照《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(CJJ113-2007)》。

3.4 濕地運(yùn)行和維護(hù)

3.4.1 人工濕地水位和流量控制人工濕地系統(tǒng)有一定的環(huán)境容量和生物容量，當(dāng)污染負(fù)荷超過(guò)系統(tǒng)處理容量時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成出水水質(zhì)下降、系統(tǒng)壽命縮短。長(zhǎng)春堡人工濕地水位控制的幾個(gè)基本要求：1）為有利于潛表耦合區(qū)的植物生長(zhǎng)，床中浸沒(méi)植物根系深度盡可能均勻；2）前端、末端生態(tài)塘和氧化塘在每年春天系統(tǒng)運(yùn)期間，應(yīng)降低水位促進(jìn)新芽的生長(zhǎng)；3）當(dāng)來(lái)水水質(zhì)大于設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)時(shí)，采用超越管對(duì)來(lái)水進(jìn)行超越,保護(hù)、延長(zhǎng)濕地使用壽命。

3.4.2 濕地植物管理由于東北特殊的地理氣候，冬季枯萎的植物不易腐敗，需在冬季前對(duì)植物進(jìn)行收割，濕地收割后應(yīng)及時(shí)清理人工濕地上的殘留植物碎屑，防止植物殘留造成出水NH3-N 濃度升高。

3.4.3 枯水季濕地“黑臭化”防治措施枯水季節(jié)濕地黑臭化主要原因?yàn)闈竦厮繙p少，植物冬季凋亡后未及時(shí)收割。為了防止枯水季節(jié)的濕地“黑臭化”，濕地枯水季采取以下措施：1）加強(qiáng)濕地運(yùn)營(yíng)管理，對(duì)濕地植物進(jìn)行機(jī)械化收割，在枯水季節(jié)減少碳源進(jìn)入；防止冬季濕地植物枯萎后，存在的火災(zāi)安全隱患及二次污染問(wèn)題，提高人工濕地凈化效率。2）控制生態(tài)塘水深，確保濕地在枯水期有相對(duì)充足水量，并采取機(jī)械性供氧，保證水體中溶解氧濃度。3）當(dāng)水中懸浮物增多時(shí)，可采取在生態(tài)塘加絮凝劑，使懸浮物凝聚并沉淀。

4 水質(zhì)凈化效果分析

旱季上游來(lái)水少，人工濕地對(duì)來(lái)水中COD、NH3-N、TP的去除率預(yù)計(jì)分別為20%～35%、30%～50%、20%～45%。雨季上游來(lái)水充沛、農(nóng)田退水多，進(jìn)入河道的污染物較多，人工濕地對(duì)來(lái)水中COD、NH3-N、TP 的去除率更高，分別為20%～60%、50%～80%、60%～80%。3 種污染物年去除量分別超過(guò)100.71 t、6.95 t、3.3 t（表4）。

表4 水量相近月份污染物去除匯總表Table 4 Summary of pollutant removal for months with similar water volume

5 結(jié)論

長(zhǎng)春堡人工濕地工程根據(jù)項(xiàng)目所在地氣候特點(diǎn)、水質(zhì)和水量情況及地形分布等條件，以水質(zhì)凈化、微氣候調(diào)節(jié)和生物多樣性恢復(fù)為目標(biāo)，通過(guò)采用“前端生態(tài)塘（無(wú)沉水植物）+氧化塘+潛表耦合濕地+末端生態(tài)塘（沉水植物為主）+近自然濕地”的組合工藝，同時(shí)配備一體式潮汐流造流器、潛表耦合濕地滲濾壩等，削減濕地上游來(lái)水中污染物含量。旱季上游來(lái)水少，人工濕地對(duì)來(lái)水中COD、NH3-N、TP 的去除率預(yù)計(jì)分別為20%～35%、30%～50%、20%～45%。雨季上游來(lái)水充沛、農(nóng)田退水和生活污水排放增加，進(jìn)入河道的污染物較多，人工濕地對(duì)來(lái)水中COD、NH3-N、TP 的去除率能夠達(dá)到20%～60%、50%～80%、60%～80%，3 種污染物年去除量分別超過(guò)100.71 t、6.95 t、3.3 t。該工程建成后大大改善了永春河流域水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)多樣性，可以為我國(guó)寒冷地區(qū)流域面源污染治理、生物多樣性恢復(fù)等提供示范與參考。