人工濕地技術(shù)在居住小區(qū)景觀中的應(yīng)用

　　城市居住區(qū)水體缺乏與外界循環(huán)流動(dòng)，在一定天氣條件下的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象比較明顯，通常需耗費(fèi)大量的水資源保持小區(qū)景觀環(huán)境效果，運(yùn)營成本較高。人工濕地凈化技術(shù)采用生物凈化方式可實(shí)現(xiàn)分級凈化污水、改善景觀水質(zhì)，低成本、高效率降低水體富營養(yǎng)化程度，并使水質(zhì)長期保持清澈和潔凈狀態(tài)（圖1）。 

圖01 宜人的濕地居住環(huán)境
Fig.01 The pleasant residential environment

　　1 濕地、人工濕地

　　濕地是指陸地上常年或季節(jié)性積水和土壤過濕的地區(qū)，并與其生長、棲息的生物物種構(gòu)成獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，包括天然或人工、長久或暫時(shí)的沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有靜止或流動(dòng)、咸水或淡水、半咸水水體，低潮時(shí)水深不超過6m的水域。濕地不僅僅是我們傳統(tǒng)認(rèn)識上的沼澤，灘涂，還包括部分河流、湖泊、魚塘、水庫和稻田等。
　　人工濕地技術(shù)大致包括自由表面流濕地和潛流人工濕地，自由表面流濕地占地面積大、水力負(fù)荷小、氧氣含量不足，系統(tǒng)運(yùn)行受氣候影響大，而潛流人工濕地的水力負(fù)荷和污染負(fù)荷大，對降低BOD （5日生化需氧量）、COD（化學(xué)需氧量）、SS（懸浮物）效果好，且少有惡臭和孳生蚊蠅現(xiàn)象。
　　居住區(qū)人工濕地多采用潛流人工濕地，由人工建造和控制，以四大基本要素即水體、基質(zhì)、水生植物和微生物組成，通過基質(zhì)、水生植物、微生物以及三者之間的一系列物理、化學(xué)、生物的作用，完成對污染物的高效去除過程，形成獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境。

　　2  碧湖云溪人工濕地的應(yīng)用
　　
　　2.1 人工濕地構(gòu)思
　　受天氣條件的影響，國內(nèi)一些地區(qū)城市的水環(huán)境普遍存在水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，水質(zhì)下降并散發(fā)難聞氣味，通常采用補(bǔ)充水源或更換水體的方式改善水環(huán)境，據(jù)資料顯示，以城市飲用水作為景觀用水的水源，若換水量在300m³以上，景觀換水沒有了經(jīng)濟(jì)意義；若換水量在5000m³以上，采取更換水體更無現(xiàn)實(shí)意義。碧湖云溪居住小區(qū)水容量約為3600m³，是一個(gè)與外界沒有聯(lián)系的封閉水系，整體水環(huán)境生態(tài)閾值偏小，隨著居住區(qū)投入使用，水質(zhì)富營養(yǎng)化程度將明顯增加，因而考慮采用人工濕地技術(shù)提高生態(tài)閾值。
　　2.2 濕地菌床系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　碧湖云溪位于合肥市，總用地面積為28公頃，內(nèi)有四個(gè)自然水系，項(xiàng)目分三期建設(shè)，此次設(shè)計(jì)范圍為第一期建設(shè)用地，用地面積約8公頃，地形為西南高、東北低的緩坡，水系面積5000m²、水量為3600m³、平均水深0.7m，比較適合運(yùn)用人工生態(tài)濕地技術(shù)。
　　小區(qū)保留了湖區(qū)自然地形，利用水泵多次循環(huán)調(diào)水形成流動(dòng)水環(huán)境，設(shè)置位于水底的菌床系統(tǒng)（由微生物和基質(zhì)構(gòu)成）降解水中有機(jī)污染物，種植抗污能力強(qiáng)、吸附效果好的水生植物，吸附和分解N、P等難溶有機(jī)物，通過基質(zhì)—微生物—植物這個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物三重協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)對廢水的高效凈化（圖02）。 

圖02 人工濕地循環(huán)和凈化示意
Fig.02 A diagram of water circulation and purification process

　　碧湖云溪人工濕地水系由基質(zhì)，菌床、淺灘和底泥等四個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成(圖03)。
　　菌床系統(tǒng)一位于小溪的上游和中游部分，水深較淺，水流速度相對平緩，設(shè)計(jì)長度100m，鋪設(shè)20cm卵石生物填料（圖04)； 
　　菌床系統(tǒng)二位于小溪的下游部分，設(shè)計(jì)長度50m，寬度3m，卵石生物填料厚度1m，采用卵石或者塊石分三層鋪設(shè)；
　　淺石灘面積為菌床系統(tǒng)一的0.5倍，是菌床系統(tǒng)二面積的6倍，與底泥交接處自然過渡（圖05)；
　　底泥系統(tǒng)采用多年荒蕪且有一定肥力的水稻土，通過生物作用達(dá)到良好的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。 

圖03 人工濕地系統(tǒng)平面圖
Fig.03 Plan of artificial wetlands 

 
圖04 菌床系統(tǒng)及堰壩
Fig.04 The bacteria-bed system and the dam 

 
圖05 淺石灘系統(tǒng)
Fig.05 The pebble beach system

　　根據(jù)水系水質(zhì)條件和水流流速要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的人工濕地基質(zhì)參數(shù)，規(guī)定了基質(zhì)大小和基質(zhì)縫隙，以滿足菌床系統(tǒng)的過濾凈化要求（表1）。

表1潛流型人工濕地系統(tǒng)參數(shù)

Table 1 The parameters of subsurface wetland system

　　2.3 濕地園林設(shè)計(jì)
　　潛流人工濕地技術(shù)要求水體在水下基質(zhì)縫隙間緩慢流動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)潛流凈化目的，景觀園林設(shè)計(jì)過程中結(jié)合這些相關(guān)技術(shù)要求，在水溪沿線建造若干堰壩，使水體經(jīng)堰壩鋼絲網(wǎng)下潛流動(dòng)，經(jīng)水下菌床吸附和過濾作用后，完成凈化過程 (圖06-圖07)。

圖06 堰壩剖面圖
Fig.06 Profile of the dam

圖07 堰壩立面圖
Fig.07 Elevation of the dam

　　結(jié)合跌級瀑布或通過水中汀步設(shè)計(jì)，多種形式使水體連續(xù)數(shù)次完成潛流過程，并實(shí)現(xiàn)多級過濾凈化和曝氣充氧，提高水體質(zhì)量（圖08）。

圖08潛流凈化的應(yīng)用
Fig.08 The application of purification

　　在雨季時(shí)，啟用水位的調(diào)節(jié)閥門以增加存水容量，通過提高閥門存儲收集雨水，將雨水運(yùn)用于水系的主要水源。雨水為小區(qū)節(jié)約了大量的水資源和管理成本，使小區(qū)在枯水季節(jié)有足夠水量維持景觀水景效果，調(diào)節(jié)和改善的小氣候環(huán)境，增加水中魚類活動(dòng)范圍和擴(kuò)大食物來源。從景觀效果來看，提高岸線的做法，利用高低不同的水面，可形成出多樣的、有趣的岸線景觀（圖09-圖10）。

圖09 有趣的水景景觀
Fig.09 Interesting water features

圖10親水岸線
Fig.10 The hydrophilic waterfront

　　2.4 濕地水、電專業(yè)設(shè)計(jì)
　　和自然濕地相比，碧湖云溪水系是一個(gè)與外界缺少循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱、需要人為輔助管理的水循環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)水系條帶狀形式，水循環(huán)采用了串聯(lián)式形制，即在低水位區(qū)域設(shè)置入水口，水體被調(diào)往上游高水位區(qū)域后，以景觀涌泉曝氣充氧作為出水形式，在微重力狀態(tài)下向下游淺灘系統(tǒng)和泥塘系統(tǒng)區(qū)域流動(dòng)，完成在低水位調(diào)水，高水位潛流過濾過程，多次調(diào)水作用，水質(zhì)逐步由渾濁變清澈（圖11）。
　　結(jié)合景觀溪流和瀑布的水形和水聲效果，考慮以5天一次水凈化的周期,計(jì)算水流量為30m³/h，因景觀設(shè)計(jì)日夜流量的差別，循環(huán)泵工作實(shí)際流量為70m³/h，從現(xiàn)場景觀效果和濕地運(yùn)營來看，水流設(shè)計(jì)可滿足凈化要求。

圖11 水循環(huán)示意圖
Fig.11 The process of water circulation

　　2.5 濕地植物設(shè)計(jì)
　　水生植物在生長過程中能吸收污水中的無機(jī)氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，污水中氨氮可以被植物直接攝取，合成植物有機(jī)氮；污水中的有機(jī)氮通過系統(tǒng)中微生物來降解；無機(jī)磷在植物吸收及同化作用下可轉(zhuǎn)化為植物的ATP、DNA、PNA等有機(jī)成分，最終通過植物的收割而從濕地系統(tǒng)中去除。 　　　　　　　　水生植物對凈化水體有明顯作用，但相對人工濕地技術(shù)而言，由于存在水流因素影響，其設(shè)計(jì)與普通水景有所區(qū)別。碧湖云溪水系把水生植物的抗污染特性作為主要評價(jià)指標(biāo),結(jié)合植物的光合作用、蒸騰作用、吸收污染物特性等測定指標(biāo),選擇適應(yīng)水流作用的水生植物種類，以形成抗性較強(qiáng)的植物群落和水質(zhì)分級凈化的復(fù)層植物群落。 
　　底泥系統(tǒng)是整個(gè)濕地水系中最深部分，重點(diǎn)選用了水鱉科、金魚藻科、茨藻科和眼子菜科等類別植物，這些植物能適應(yīng)水體流速，對吸收水中的重金屬離子，降低水體的COD值效果明顯。底泥周圍的淺石灘附近的進(jìn)水口處，選用了黑藻（Hydrilla verticillata）、苦草（Andrographis paniculata Nees）、馬來眼子菜（Potamogeton malaianus）等能適應(yīng)較強(qiáng)流速水環(huán)境等植物；而貍藻（U.vulgaris）、茨藻（N. marina L. /Spiny Najad）、小茨藻(N.minor)、菹草(Potamogeton crispus)等沉水植物則更加適合于靜水或者緩流環(huán)境（圖12）。 
　　除了水流因素外，水溫和光照面積是影響菌床凈化效果的條件之一，碧湖云溪菌床平均水深為20cm，夏季和冬季氣溫差別比較大，為避免水溫影響凈化效果，通過采取控制濕地植物垂直投影遮蔭面積達(dá)到調(diào)節(jié)水體溫度的方式，保證菌床菌種生長。
　　結(jié)合垂柳（ S.babylonica）、毛白楊（  Populus tomentosa）、水杉（Metasequoia glyptostroboides）、落羽松（Glyptostrobus pensilis）等岸邊喜水植物，和美人蕉（Canna indica）、鳶尾（Iris tectorum）等水陸兩棲的濕地植物，以及挺水、浮水、沉水植物形成從陸地到水中的復(fù)層植物群落（圖13）。相對于水生植物而言，陸生植物對濕地水體水質(zhì)變化的敏感程度較低，設(shè)計(jì)時(shí)則以抗性強(qiáng)的鄉(xiāng)土樹種為主,結(jié)合抗污性強(qiáng)的新優(yōu)植物，達(dá)到適度粗放管理的要求，提高植物成活率，并有效降低綠化養(yǎng)護(hù)成本，在后期運(yùn)營過程中還加入動(dòng)物養(yǎng)殖，在水中放養(yǎng)魚、蝦等動(dòng)物。 
　　從現(xiàn)場效果來看，人工濕地水系模擬自然水環(huán)境取得預(yù)期效果，栽種的水生植物生長茂盛，季相搭配合理，挺水植物、浮水植物、沉水植物形態(tài)特點(diǎn)明顯，居民普遍對水生植物滿意度很高。

圖12 濕地植物種植示意
Fig. 12 The cultivation of wetland plants

圖13 水岸復(fù)層植物群落
Fig.13 The plant community of the waterfront

　　3  濕地水體評價(jià) 

　　人工濕地系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)凈化處理效率需2~3個(gè)生長周期，碧湖云溪人工濕地技術(shù)投入使用至今已有3年，在進(jìn)水濃度較低的條件下，人工濕地對BOD 的去除率可達(dá)85%—95%，COD去除率可達(dá)80%以上，處理后水樣本的BOD 的濃度在10mg/l左右，SS小于20mg/l，水中大部分有機(jī)物作為異樣微生物的有機(jī)養(yǎng)分，最終被轉(zhuǎn)化為微生物體及CO2、 H2O，可達(dá)到國家城市景觀水質(zhì)五類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（圖14），采用人工濕地潛流技術(shù)具體解決了下面幾個(gè)問題：
　　水清問題，運(yùn)用人工濕地技術(shù)模擬自然水景生態(tài)系統(tǒng)，提高水體抗污染荷載能力，可使水體長期保持清澈和無異味的狀態(tài)； 
　　水美問題，通過養(yǎng)種水生動(dòng)植物（如魚蝦、水草等），營造多樣有趣的水景景觀；
　　維護(hù)問題，人工濕地生態(tài)系統(tǒng)具有高效凈化、高效過濾和自我恢復(fù)能力，在一定的污染荷載下，可以保證水質(zhì)長期穩(wěn)定，日常維護(hù)成本低。

圖14 水體長期保持清澈潔凈
Fig.14 Keep up a clear-water environment

　　結(jié)語：

　　節(jié)約用水將是我國社會發(fā)展的主題，隨著國家有關(guān)城市景觀水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的出臺和景觀用水規(guī)范的實(shí)施，人工濕地技術(shù)已逐漸為人們所重視，并開始運(yùn)用到城市相關(guān)設(shè)計(jì)中，潛流型人工濕地處理城市居住區(qū)景觀水環(huán)境處理有許多優(yōu)點(diǎn)，但要推廣應(yīng)用尚存在一些不足，包括以下幾個(gè)方面： 　　　　　　　　　　　　　　
　　(1)土地問題 　
　　以往經(jīng)驗(yàn)表明，人工濕地處理1m³生活污水需要占地5~10m²。即使是水污染程度較低的景觀水凈化處理，土地實(shí)際需要量仍然很大，潛流型人工濕地技術(shù)僅適合用于占地面積較大、容積率較低的水體凈化項(xiàng)目，高效菌種的研究有待提高。
　　(2)凈化問題
　　人工濕地技術(shù)難以去除污水中的氯化物、高濃度氮氨、色度等，活性碳、微孔過濾、生物柵等新技術(shù)有待開發(fā)。
　　(3)水體問題
　　水量3000 m³-5000 m³的水系比較適合運(yùn)用人工濕地凈化技術(shù)，超此范圍內(nèi)的水體因循環(huán)時(shí)間過長及水泵調(diào)水成本過大，需結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目具體分析。
　　(4)池底結(jié)構(gòu)問題
　　人工濕地應(yīng)如何處理池底防漏及與地下水雙向流動(dòng)的問題。
　　(5)水質(zhì)評價(jià)體系問題
　　居住區(qū)人工濕地質(zhì)量存在地域性和季節(jié)性差異，相同地區(qū)的水質(zhì)和凈化效果差異比較大，需多方面綜合設(shè)計(jì)評價(jià)。