基于水質凈化的生態功能型濕地應用研究
——以廈門馬鑾灣水生態修復工程為例

趙文斌 徐瑞 ZHAO Wenbin XU Rui

生態文明建設是國家重要發展戰略，景觀設計行業作為主要踐行者之一，參與生態建設實踐的方方面面。生態建設中山水林田湖草是生命共同體，水作為基本要素之一，地位尤為重要。但隨著經濟的快速發展，地表水污染嚴重，建設具有水生態改善和修復功能的項目成為新的發展方向。目前我國水生態相關研究已頗具成果，形成成熟的理論和技術體系。以馬鑾灣水生態修復工程為例，介紹生態功能型濕地的定義、分類及工作機制，剖析工藝選型與現場實施過程，以期為相關實踐項目提供參考。

水生態；生態修復；水質；人工濕地

0 引言

黨的十九大報告指出，建設生態文明是中華民族永續發展的千年大計。“綠水青山就是金山銀山，保護環境就是保護生產力”“山水林田湖草是一個生命共同體”“人與自然是生命共同體”等論述為生態文明建設提供了方向指引。

在山水林田湖草生命共同體中，水是基本要素之一，但當前水資源面臨的形勢十分嚴峻，學界圍繞水資源、水安全、水生態、水環境和水文化展開大量研究與實踐。風景園林是重要的環境建設學科，在實踐過程中離不開“水”，景觀設計作為地表水系組織和利用的重要參與方，在水生態建設中具有關鍵性作用。基于現有規范要求，人體非接觸性景觀水體水質需達到地表Ⅳ類水標準，人體接觸性景觀水體水質需達到地表Ⅲ類水標準。而在項目實踐過程中，經常面臨無水可用或水質條件較差的困境。因此，風景園林學結合生態學、水力學和水利工程學的多學科交叉研究與實踐對解決水污染問題具有重要意義，在以水質凈化為主導的生態工程中采取生態景觀的處理方式將成為新趨勢。通過多年的多學科交叉研究，生態功能型濕地作為一種通過物理或生化方法處理水污染的技術應運而生，廣泛應用于工程實踐中。

1 生態功能型濕地的定義、分類與工作機制

1.1 定義

生態功能型濕地屬于人工濕地的范疇，是由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面，通過將污水有組織地引入人工建造的濕地中，使污水在沿一定方向流動的過程中利用人工介質、植物、微生物的物理、化學、生物協同作用得到凈化處理。與天然濕地不同，生態功能型濕地是以凈化水質為主要目標人工建造的濕地，強化作用機制而非類自然形態。

1.2 分類

生態功能型濕地根據構造和工作原理的差異可分為表流人工濕地和潛流人工濕地。表流人工濕地在模擬自然形態的前提下兼顧一定的水質凈化功能，主要依靠水體自身的物理沉降及植物根系的降解提升水質，整體效率較低，且無法定量計算，僅在水質非定量改善時使用；潛流人工濕地是以水質凈化為目標的人工濕地系統，根據來水水質和污染物類型可制定對應的工藝流程與填料配方，根據水流流態可分為水平潛流濕地和垂直潛流濕地。

1.3 工作機制

1.3.1 水平潛流濕地

水平潛流濕地的工作機制為：水流水平通過填料種植區，在填料種植區內，水流較緩，物理雜質得到有效沉降，同時填料和植物根系吸附水體中的物理雜質并降解水體中的氨氮、總磷、COD等溶解性污染物。但因接觸面較小、每個單元水質改善能力有限、無法定量計算，多用于水動力較充足、水質和穩定性要求不嚴格、具有較大高差的地理環境，可解決雨水沖刷導致的面源污染、輕微水體污染、靜態水體水質保持等問題。

水平潛流濕地成本低廉，可利用現場高差條件線性布局，使整體呈臺階式串聯結構，每個臺階的水平工作面為一個濕地單元，內側填充填料并種植水生植物，利用高差產生的水動力使水流沿水平方向流動，經過每個單元逐級跌落，形成多級串聯的水平潛流濕地組合，凈化效果疊加，達到水質凈化目的（見圖1，2）。

1 水平潛流濕地工作機制

2 水平潛流濕地實景（圖片來源：http://www.landscape.cn/landscape/9231.html）

1.3.2 垂直潛流濕地

垂直潛流濕地是具有嚴格工藝要求的人工濕地系統，需根據來水污染類型與嚴重程度制定工藝流程與填料配方，通常占地面積大，具有較強的水質凈化能力，在來水水質穩定的情況下，可定量計算污染去除能力，達到水質定標排放目標。其工作機制為：根據水體中SS、COD、氨氮、總氮、總磷、微生物、重金屬和有機污染物等不同污染物類型進行針對性去除工藝設計，按照水流方向分為通過水泵增壓、水流自下而上流動的上行潛流濕地和通過重力下滲、從濾床底部排出的下行潛流濕地兩種類型。

對于水體中氨氮及總氮含量較多而總磷含量較少的生活類污水來說，由于氨氮和總氮需在富氧環境下由填料床中附著的微生物硝化和反硝化分解，因此常采用上行潛流濕地濾床工藝，由水泵將溶氧較好的污水通過濾床底部增壓導入，濾床在有氧環境下自下而上地進行生化反應，最終產生氮氣并隨水流從濾床頂部排出，水流進入下一個布水渠和濾床單元，濾床的填料粒徑與吸附表面積自下而上越來越小，以適應硝化細菌與反硝化細菌的附著和生長，同時有利于水流穿透。上行潛流濕地具有較好的氮類污染去除能力，污染去除率高，但是造價和運維成本較高，要求水體中雜質含量低，否則濾床易堵塞且清淤難度大。

對于氨氮、總氮、總磷含量均較多或總磷含量相對更多的洗滌類污水來說，可采用下行潛流濕地濾床工藝。富氧污水通過重力作用自上而下通過濾床，濾床填料和菌種分別為好氧、兼氧厭氧和嚴格厭氧配方。上層氧氣充足，適合COD、氨氮類消除；中層氧氣減少，適合總氮類消除；底層無氧，適合總磷類消除，最后經由底層濾床盲管導出。下行潛流濕地可同時兼顧多種污染物的去除，無需水泵動力增壓，造價和運維成本相對較低，但單個單元去除率較低，需要多級串聯達到凈化效果。

無論水平潛流濕地還是垂直潛流濕地，工作機制均包括吸附、沉淀、滯留、氧化還原、微生物分解、轉化、植物吸收及各類動物作用。生態功能型濕地在應用時需根據實際需求和目標進行選型與設計，也可根據實際情況進行多類型結合，通過復合工藝達到凈化目標。

2 馬鑾灣水生態修復工程概況

2.1 項目背景

廈門杏林馬鑾灣位于廈門港西海域西北隅，與廈門島隔海相望，具有典型的海灣地形特征，地理位置得天獨厚，具有建設濱海城區和發展濱海旅游的優越條件。但馬鑾灣近年排污嚴重，灣內水質惡化，改善馬鑾灣及其周圍水環境、修復海域生態環境和功能、提高海域環境質量的需求極其迫切。

2.2 問題與需求

馬鑾灣水生態修復工程是馬鑾灣片區水生態環境綜合整治的重要環節，主要解決深青溪和瑤山溪兩條河流在此入海的水質問題。目前，深青溪和瑤山溪因上游生活污水、工業污水無序排放及降雨不規律導致季節性水生態基流不足，水質惡化嚴重，無法達到入海水質要求，對馬鑾灣片區內灣海域水質造成嚴重污染，水環境問題突出。

該項目解決方案為：在兩河入海口處建立一個大型水生態修復系統，通過調配水量、凈化水質、調節水位、改善環境等多種措施并用及多專業協同，處理復雜的水生態問題，以滿足河水入海要求，改善內灣環境，改變區域生態。經多專業的方案比選論證，最終采納實施生態功能型濕地水質凈化方案。

3 以水生態為核心的方案設計

3.1 現場調研與策略思考

根據現場踏勘與水利巡查，深青溪和瑤山溪目前水量均相對較少，只有雨季水量充沛，其他季節為雨季尾水、生活生產排污和污水廠中水形成的混合污水。由于廈門全年氣溫較高，水生態惡化嚴重，特別是3—5月（雨季來臨前），瑤山溪河水屬黑臭水體，深青溪河水也屬嚴重污染水體，現狀水質檢測情況如表1所示。

表1 現狀水質檢測情況

前期方案階段，設計團隊針對如此嚴重的水質問題一度打算采用工業污水處理辦法，即建立污水處理廠或采用工業級污水處理設備搭配自然式濕地的模式，以污水處理廠或工業級污水處理設備作為水質凈化的主要手段，濕地用于輔助水環境改善。但該方案存在諸多弊端，如河水水量大、規律性差導致的造價及運維費用高昂，不能改善河道沿岸水生態環境。在多方討論下，方案通過多個水庫聯動、接通上游多個污水處理廠尾水對深青溪和瑤山溪上游進行聯合補水，保障河道生態基流，稀釋污水濃度，改善兩河水環境。通過對兩河進行水文研究和生態基流模型推算，最終確定補水方案和補水量，控制兩河水質達到地表Ⅴ類水標準，穩定河水流量。在此基礎上，生態功能型濕地可發揮建設與運維成本低廉、凈化效果顯著的優勢，為兩河水生態處理提供關鍵保障。馬鑾灣水生態修復工程占地面積約81hm2，現狀為大量養殖魚塘，場地平整，高差變化較小，適合布置生態功能型濕地模塊（見圖3）。

3 馬鑾灣水生態修復工程平面

3.2 生態功能型濕地工藝選型與工作機制

通過補水方案，深青溪水質得到較大改善，控制在地表Ⅳ類水平，而瑤山溪控制在地表Ⅴ類水平，枯水期為劣Ⅴ類水體。據此，重點處理水系為瑤山溪，深青溪作為整個濕地系統的生態水源補充，整體納入水質凈化系統。生態功能型濕地以瑤山溪全部水量為標準設計凈化能力，將地表Ⅴ類水或劣Ⅴ類水凈化為Ⅳ類水，枯水期通過深青溪生態補水保證生態功能型濕地模塊的生態基流用水。

瑤山溪側通過液壓翻板閘主動可控引水裝置進行濕地引水，保留直接入海行洪河道，在極端情況下，保證瑤山溪洪水快速入海，防止濕地內澇或因沖刷導致結構損毀。進入濕地系統的河水首先經過前置的物理沉降池，沉降、過濾河水中的雜質和泥砂，保證進入生態功能型濕地單元的水質穩定性。根據瑤山溪上游排污情況調研與水質檢測，河水中以生活類污水和洗滌類污水為主，SS、COD、氨氮、總氮、總磷含量基本相同，綜合考慮水體污染情況及后期運維成本，設計采用下行垂直潛流濕地工藝。因河水水量較大，選擇設計面積較大的單體濕地模塊單元，便于快速下滲，同時采用兩路并聯水流通道設計，分散水流，減緩流速，保證水流在濕地模塊中的滯留時間，更好地降解水中污染物，并通過多級濕地串聯保證出水水質達標。在每個濕地模塊布水渠中均設置推流泵，為水流增氧并保持水動力，保證整個工藝的溶氧量滿足凈化需求。通過濕地模塊的尾水最終進入一個大型景觀湖面，進行進一步生化降解反應。深青溪大部分時段污染較輕，通過單個濕地模塊后進入景觀湖面，當濕地模塊需要生態補水及深青溪水質不達標時，可通過水利控制系統進入濕地模塊源頭，參與整個濕地凈化過程。水系統路徑與豎向水動力情況如圖4，5所示。

4 水系統路徑分析

5 豎向水動力分析（單位：m）

根據瑤山溪生態功能型濕地待建區現狀、來水水量、來水水質、設計要求等條件，通過對濕地承載力和來水水量、水質的匹配計算，得到其處理污染物能力、平均出水指標及總水域平均出水指標（見表2）。

表2 處理污染物能力、平均出水指標及總水域平均出水指標

最終該項目選用下行垂直潛流濕地工藝，凈化濕地面積約41818m2，可滿足設計水質凈化目標。

3.3 配套公園建設

在整個水生態系統布局和基于水生態修復的濕地公園系統布局滿足工藝要求的同時，種植水生植物，通過濕地棧道游覽體系、公園綠化及配套服務設施，形成一處“碧澤溪畔觀鷺鳥，悅游園中享自然”的優美大型濕地公園，在改善區域水生態的同時優化區域生態環境，創造優質綠色空間，提升區域品質，放大區域競爭優勢（見圖6～11）。

6 功能分區

7 水生態修復效果

8 濕地荷塘（圖片來源：劉啟龍）

9 濕地生境（圖片來源：劉啟龍）

10 濕地公園鳥瞰（圖片來源：劉啟龍）

11 凈水濕地（圖片來源：劉啟龍）

4 結語

水資源、水安全、水質、水環境是水生態要素的主要矛盾和矛盾的主要方面，是園林景觀的基本組成要素。未來園林景觀不僅涉及園林藝術的設計表達，而且會在生態技術的加持下，沿著生態化和多學科交叉路線前進。類似馬鑾灣水生態修復工程具有一定目標需求的綜合型生態景觀項目會越來越多，該類項目不僅要面對景觀問題，還要解決一個或數個生態問題，無論山水林田湖草相關的大尺度生態問題，還是城市中小尺度的具體生態問題，均需緊密結合技術來解決。將問題解決與景觀藝術結合是未來園林景觀發展的新路徑。