汪鹏合

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

前 言

作为世界上唯一养殖水产品总量超过捕捞总量的主要渔业国家，中国2018年的水产养殖总产量超过5 000万t，占我国水产品总产量的比重达78%以上。与此同时，大量养殖尾水的排放对周边水环境造成污染的问题也不容回避。因此，水产养殖尾水无害化处理与高效回用成为水产养殖业能否适应新时代绿色发展要求的关键。

人工湿地—稳定塘技术水力停留时间长，氧化还原环境变化丰富，可充分利用湿地植物—基质—微生物的协同净化作用，对污水中的氮、磷和有机污染物等都表现出较好的去除效果，同时作为一种自然污水处理工艺，投资小、运维管理方便，近年来在国内外得以广泛应用[1～3]。

本文介绍了连云港市香河生态园淡水养殖尾水净化湿地的设计方案，对土壤盐度影响、水生态系统配置、生态景观融合设计和项目的经济生态效益等开展了探讨，以期为我国其它地区水产养殖尾水的生态化处理工程提供参考。

1 项目概况

本项目位于江苏省连云港市徐圩新区。区域属暖温带南缘湿润性季风气候，兼有暖温带和北亚热带气候特征；年平均气温14℃，最高气温40℃，最低气温-18.1℃。多年平均降雨量900.9mm，其中70%以上集中于6～9月份。多年平均蒸发量为855.1mm，年平均最大蒸发量为961.3mm，见图1。

图1 项目区域位置图Fig.1 Location map of the project area

香河生态园水产养殖区包括养殖塘区、生态净化区和管理服务区，规划面积分别为1 700亩、800亩(其中水域面积500亩)和10亩。作为处理和净化养殖尾水的平台，生态净化区在项目建设中居于核心地位，其建设、运营的成败，关系着项目建设的全局。

养殖塘设计为压力管进水，出水通过集水渠排入生态净化区，净化后出水经南侧排水渠向西自流排至东辛农场界河，或向东泵提至烧香支河。两河远期水环境规划目标水质为地表水Ⅲ类。

2 任务和目标

本生态净化系统所服务的养殖塘总蓄水量为230万m3，集中排水时间约100d，因此，设计本系统处理规模为2.5万m3/d。系统进水水质指标参照当地淡水水产养殖尾水水质；系统出水水质综合参照《淡水池塘养殖水排放要求》(SC/T9101-2007)二级标准、《中华人民共和国渔业水质标准》(GB11607-89)和《绿色食品产地环境质量》(NY/T391-2009)确定。具体设计进出水水质指标如表1。

表1 生态净化系统进出水水质指标Tab.1 Inlet and owtlet water quality index of the eco-purification system

3 生态净化湿地方案设计

3.1 工艺及参数设计

3.1.1 主体工艺比选

本项目初步拟定三个方案进行比选。

方案一(高效沉淀池+潜流人工湿地+塘湿地)：潜流人工湿地易发生基质堵塞，需在前端设置较大面积的预处理单元。因此，本方案工程建造费用和运维复杂程度均较高。

方案二(自然沉淀+表面流人工湿地+塘湿地)：相较潜流湿地而言，表面流湿地的水力负荷和污染负荷均较低。因此，本方案工程占地面积较大。

方案三(自然沉淀+复合表面流人工湿地+塘湿地)：复合表流人工湿地是传统表面流人工湿地的改进型，包括挺水植物、沉水植物和吸附性填料等重要组分，可综合利用填料、植物和地形塑造等提高污染物降解效率。相较普通的表面流湿地而言，复合表面流湿地的水力负荷和污染负荷更高，因此，本方案工程占地面积适中。

由表2分析可知，三种方案各有特色。从本工程功能定位、保障系统净化性能、降低建设与管理成本的角度出发，本设计推荐方案三。工艺流程所示如下：养殖塘→集水渠→预处理区→复合人工湿地净化区→大水面塘湿地净化区→达标排放/生态回用。

表2 三种湿塘工艺比较分析表Tab.2 Comparative analysis of the three wet pond processes

3.1.2 主要参数设计

人工湿地面积设计应按照最不利工况考虑，本工程主要控制指标为高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、总氮(TN)和总磷(TP)，故可按水温小于12℃季节时系统的污染物表面负荷和水力负荷进行计算，取计算结果中的最大值，同时校核水力停留时间(HRT)。

3.1.2.1用污染物表面负荷计算湿地面积

公式为：

(1)

式中：A—湿地面积，m2;

Q—污水流量，m3/d;

C0—进水污染物浓度，mg/L;

Ce—出水污染物浓度，mg/L;

Np—污染物表面负荷，以CODMn、BOD5、TN、TP计，g/(m2·d)。

将CODMn、BOD5、TN、TP等污染物浓度和污染表面负荷带入公式进行计算，得人工湿地系统总面积约需31.25万m2,见表3。

表3 生态净化系统面积计算Tab.3 Area calculation of the eco-purification system

3.1.2.2 用水力负荷计算湿地面积

公式为：

(2)

式中：A—湿地面积，m2;

Q—污水流量，m3/d;

Nq—水力负荷，m3/(m2·d)。

Q=25000 m3/d，Nq取0.1 m3/(m2·d)，代入公式得所需湿地系统总面积为25万m2。

3.1.2.3 校核水力停留时间

公式为：

(3)

式中：T—水力停留时间，d;

V—人工湿地有效容积，m3;

n—人工湿地孔隙率(考虑植物和填料)，%;

Q—污水流量，m3/d。

综合考虑土地利用条件等项目实际情况，湿地系统总面积取31.7万m2(约475亩)，系统平均水深1.1m，系统有效容积35万m3。代入公式，得水力停留时间约为14d，表面水力负荷为0.08 m3/(m2·d)，符合规范允许值。

3.2 工程总体布局

3.2.1 工程平面布置

分析工程区域现状地势，香河路以西区域地面高程1.8～2.0m，靠近香河路的东侧区域地面高程1.0～1.2m，东北区域地面高程1.3～1.6m，东南区域高程0.3～0.5m左右；整体大致为北侧与西侧高、东南区域低的特点，见图2。

图2 工程区域地势图Fig.2 Terrain map of project area

初步拟定以下3个方案(见图3)：

图3 工程平面布置方案Fig.3 Project layout plan

方案一：东西分流，依照地形，高进低出；

方案二：东西合流，改造地形，高进低出；

方案三：东西合流，依照地形，高进低出。

对上述3个方案特点进行比较：

方案一：系统复杂，泵站较多，运维不便；

方案二：系统施工土方量大，造价较高；

方案三：系统简洁，土方量小，布局合理。

本工程布局设计主要需考虑以下3个方面——工作面积足够大、水流路程足够长、整体布局科学合理。因此，在满足水质生态净化需求前提下，充分利用现状地形，结合水工结构要求、水体流态和景观等多方面的需求，本工程平面布置推荐方案三。

按照工艺流程，本工程主体分为预处理区、复合表面流湿地净化区和大水面塘湿地净化区，共3个功能单元(图4)。

图4 工程功能分区图Fig.4 Function partition map of the project

3.2.2 工程竖向设计

各功能单元主要设计参数如表4。

表4 各功能单元主要设计参数Tab.4 Main design parameters of each functional unit

续表4

3.3 核心单元设计

3.3.1 预处理区

该区由1个泵站前池和1个稳定塘组成，总面积约3.2万m2(48亩)；其中，泵站前池面积约1.8万m2，设计水深1.0～2.8m；稳定塘面积约1.4万m2，常水位下水深1.2m，设计水力停留时间0.5d，表面水力负荷1.8 m3/(m2·d)。

3.3.2 复合表面流湿地净化区

该区包括2个复合表面流人工湿地(面积各约3.5万m2)和1个芦苇塘湿地(面积约2.6万m2)；总面积约9.6万m2(144亩)；平均水深0.6m，有效容积58 850m3；设计水力停留时间2.4d，表面水力负荷0.26m3/(m2·d)。

其中，1#表面流人工湿地设计水深0.4～1.0m，选择粒径3～5cm左右的砾石进行底质改良，铺设厚度15cm，用量2 400m3。芦苇塘通过4#涵与1#表面流湿地相连，设计水深0.7～0.9m；主体区域保留原生芦苇群落，辅助种植多种挺水植物。2#表面流人工湿地通过5#涵与芦苇塘相连，设计水深0.5～1.1m。

3.3.3 大水面塘湿地净化区

该区总面积约18.8万m2(282亩)，常水位下平均水深1.3m，有效容积约246 000m3；设计水力停留时间9.8d，表面水力负荷0.13m3/(m2·d)。

本区域大致分为浅水区和深水区2块。浅水区面积约5.2万m2，设计水深1.1～1.3m；主要种植沉水植物，种植面积约8 000m2。深水区面积约13.6万m2，设计水深1.6～1.8m；塘中心区域不种植物，保持为开阔水面，可以作为水上游艇等娱乐活动的区域；四周滨水带设置平均宽度约20m、面积约2万m2左右的浅水岸带，平均水深1.2m，主要种植沉水植物和观赏型浮叶植物，各类植物种植面积8 000m2，以起到消减风浪、稳定堤岸、营造景观、净化水质等作用。

3.4 水生态系统设计

3.4.1 水生植物配置

本系统的挺水、沉水和浮叶植物种植区域面积分别控制为4.5万m2、3.0万m2和1.5万m2。具体种植区域参见图5。

图5 水生植物种植区域图Fig.5 Aquatic plants planting area map

挺水植物主要选择芦苇(Phragmitescommunis(Cav.) Trin. ex Steud.)、黄菖蒲(Irispseudacorus)、东方香蒲(TyphaorientalisPresl)等；沉水植物选择苦草(Vallisnerianatans(Lour.) Hara)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)等；浮叶植物选择主要种植荷花(Nelumbonucifera)、睡莲(Myriophyllumverticillatum)。

3.4.2 水生动物配置

本工程投放的水生动物主要为底栖动物和肉食性鱼类，以本土品种三角帆蚌(Hyriopsiscumingii)、铜锈环棱螺(Bellamyaaeruginosa)、鲶鱼(Silurusasotus)、乌鳢(Channaargus)为主。

投放点：大水面塘湿地；投放标准：螺、贝类5g/m2，鱼类2.5g/m3(50g/尾)；投放量：螺、贝类各940kg，鱼类共计700kg。

3.4.3 水生态系统维护

生态净化系统是一个有机的生命系统，其净化性能与自身结构的完整性及运行条件的适宜性等密切相关。建议科学布局水产养殖的品种，合理安排养殖塘排放尾水的时间和水体更新频次，尽量避免冬季集中大量排水；如有条件，可在春、夏季等生态净化系统性能相对较好的时期，加强养殖塘水体的更新，将污染负荷分解到一个更长的处理周期内，保障系统处理性能稳定。

3.5 系统防渗设计

本项目采用黏土防渗，原有土壤含砂量较低、黏土含量较高、渗透性较差，根据《人工湿地污水处理技术导则》(RISN-TG006-2009)，可敷设1层黏土防渗层，厚度30cm。

3.6 运行模式设计

本系统主要包括3种运行模式。

净化排放模式：尾水经过生态净化处理达标后排放，最大处理水量2.5万m3/d。

生产净化系统循环模式：尾水经过生态净化处理达标后，由循环水泵站提升，接入养殖塘给水管网，回流到养殖塘中，最大回流水量2.5万m3/d。

生态净化系统自循环模式：系统前端自然沉淀塘的水体，顺序经过复合表面流湿地净化区、大水面塘湿地净化区后，在生态净化系统东侧，可由8#涵闸进入东区集水渠，进而回流到泵站前池中，建议回流水量3 000～5 000m3/d。

此外，系统尾部设有灌溉取水设施，可供蔬菜、苗圃灌溉等用水；芦苇塘湿地西南角设置有雨水溢流口，与南排水渠相衔接。

4 尾水湿地设计工作探讨

4.1 土壤盐度影响

本工程施工区域临近海岸、成陆时间较短，所以，本设计高度重视土壤盐度对生态系统构建可能存在的影响。一方面，避免在挖深较大、土壤盐度较高区域种植水生植物，尽量利用接近现状地表、盐度相对更适宜的土壤(地表40cm以浅土壤)作为水生植物的种植土；同时，在保证生物多样性的基础上，优先选用各类对盐度有一定的耐受性的水生动植物物种[4-5]。

4.2 水生态系统配置

遵照土著种优先的原则，选择耐污性能和耐盐性能较强、管理维护简单的物种；选取不同生活型的植物以保证生物多样性，依据不同物候期特征，实现植物群落整体的季节稳定性；同时，注重植物的景观效果[6～9]。一般挺水植物种植在河道沿岸浅水处(水深约0.2m)，芦苇、香蒲等水深控制在0.8～1.0m，沉水植物种植深度控制在0.6～1.0m，浮叶植物种植深度不宜超过1.5m[10]。

在水生动物的配置上，一是考虑摄食习性，选择蚌类和螺类等可有效去除植物表面的附生生物覆盖层、促进水生植物生长的物种；二是考虑生态安全，选择土著物种。

4.3 生态景观设计融合

本项目承担着园区水质保障和景观支撑的功能。生态净化湿地是一种独特的景观湿地类型，是以净化为主要目的，可兼顾休闲游览的一种湿地形式。

本设计围绕尾水生态净化核心目标进行景观布局。在设计原则上，尽量利用基地现有的地形，保证较少的开挖量；在布局功能上，紧扣生态净化需求，将湿地分为3个功能区域；在设计形式上，以“九曲连云”为设计概念，充分利用现状地形，塑造出曲折有序的流径，同时又有“浮岛”隐现的效果。

4.4 项目效益分析

本项目的实施可有效削减养殖尾水中污染物进入周边河道的总量，对于保障区域水环境安全意义重大。其次，本项目通过对部分尾水净化后的重复利用，可以节约养殖用水和一定程度的养殖塘曝气设备运行费用。此外，本项目的实施在为新区市民提供绿色优质水产品的同时，也为市民提供了一个生态休闲娱乐的后花园。最后，本项目通过人工湿地—塘净化技术的应用，以及标准化、规模化、生态化循环养殖新模式的示范，将大力支撑徐圩新区特色的养殖业现代化典型的创建，是对于沿海生态型养殖业发展新道路的积极探索。

5 结 语

本项目的建设符合国家相关政策要求、切合省市各级政府相关文件精神。本项目的实施可以有效削减区域污染物入河总量，并保障区域水生态环境质量和水源地安全，初步估算每年可削减SS 1232 t、CODMn273.8 t、BOD5273.8 t、NH3-N 4.471 t、TN 36.5 t、TP 9.13 t。此外，本项目的实施体现出对区域居民的消费升级需求和探索生态循环经济新模式需求的积极响应，对我国其它地区水产养殖尾水的生态化处理具有重大的参考价值。