瓦埠湖陡涧河湿地生态系统构建设计

2017-04-12黄芸梦汪家权胡淑恒李凯

湖北农业科学 2016年22期

关键词：设计

黄芸梦++汪家权++胡淑恒++李凯

摘要：陡涧河生态湿地设计思路：采用应用范围广的“垂直流人工湿地+表面流人工湿地”的组合工艺，另外，考虑进水需进行水质水量的调节和去除悬浮物，在工艺前加上稳定塘；选择钢渣、活性炭作为吸附填料，选择沙石等作为基质填料；选择芦苇（Phragmites australis）、花叶芦荻（Arundo donax）、千屈菜（Lythrum salicaria）、香蒲（Typha orientalis）、再力花（Thalia dealbata）、美人蕉（Canna indica）和风车草（Cyperus alternifolius）为湿地植物。在进水口设进水总闸，将稳定塘布置在鱼塘上，出水口布置在塘区下游最窄处，并将其一部分坝体建成漫水坝，另外段建成高于水面的河堤。

关键词：陡涧河；湿地生态；设计

中图分类号：Q148 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）22-5784-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.22.015

Wetland Ecosystem Construction Design of the Doujian River in the Wabu Lake

HUANG Yun-meng， WANG Jia-quan， HU Shu-heng， LI Kai

（College of Engineering Resources and the Environment，Hefei University of Technology， Hefei 230009，China）

Abstract： Ecological wetland design of the Doujian river： A wide range of applications“vertical flow constructed wetland+surface flow constructed wetland” a combination of technology，in addition， consider the water need of water quality and quantity regulation and remove suspended solids，before the process coupled with a stable pond； Steel slag，activated carbon adsorption was selected as a filler，the gravel as a base filler； Phragmites australis，Arundo donax，Lythrum salicaria，Typha orientalis，Thalia dealbata，Canna indica and Cyperus alternifolius were choosen as wetland plants. Water inlet total brake was set in intake of water gate. The stabilization pond was decorated in the fishpond. The outlet was arranged in pond area of the downstream narrowest place，and would be part of overflow dam，and the water bank would be built above the surface of the river.

Key words： Doujian river； wetland ecology； design

瓦埠湖是安徽省境內淮河流域最大的湖泊，湖面狭长，属河流型湖泊[1]。陡涧河是瓦埠湖的一条入湖支流，位于寿县窑口乡北面，瓦埠湖西侧，其河水主要来源于上游安丰塘。在枯水季节，区域内企事业单位的生产和生活废水全部进入陡涧河；在雨水季节，除污水水源外，流域内的地表径流全部汇入陡涧河。同时沿河道两侧有大面积的农田，成为重要的面源。人工湿地水质改善是污水处理最重要的类型之一[2-4]，它是采用工程学手段将污水进行处理，与水资源利用相结合。不仅起到污水净化的作用，而且通过营造湿地环境，形成独特的自然人工复合生态景观。自20世纪90年代，人工湿地污水处理技术已经在世界上许多国家的生活污水和工业污水处理、污染水体治理方面得到广泛应用[5]。

通过构建陡涧河生态湿地，对上游来水进行处理，可改善水域环境，提高总体环境质量，减轻陡涧河水质的污染，进而改善瓦埠湖流域的生态环境。构建陡涧河生态湿地是瓦埠湖陡涧河综合治理的重要部分，可以保护瓦埠湖水环境质量。根据本湿地工程的建设意义及功能，经过现场调研及与专家讨论分析提出选址方案：窑口乡祝家圩以南，203省道以西。选址位于陡涧河上游河湾开阔处，总的来说北侧宽阔，区域地势走向南高北低，地势平坦，土地可塑性强；根据现状地形条件，经过蓄水后，北面地势低，有形成自然流水面的自然条件。方案选址现为鱼塘，稍加改造便可建设人工湿地。

1 绪论

1.1 表流湿地技术

表面流人工湿地水力路径以地表推流为主，在处理过程中主要通过植物根茎的拦截、土壤的吸附过滤和污染物的自然沉降来达到去除污染物的目的。淹没于水中的植物茎、叶，其表面上形成的生物膜与基质层对悬浮物的截留作用、在缓流状态下悬浮物的沉降作用、表面水层中有机物的好氧分解、底层有机物的厌氧分解和基质层对污染物的吸附、吸收及化学反应等，对污水的净化，尤其是对有机污染物和营养物的净化起着主要作用[6]。

1.2 生态砾石床技术

生态砾石床技术是将污染水体导入由砾石材料制成的生态滤床进行处理的方法[7]，如图1所示。砾石床的净化机理主要通过滤料过滤水中悬浮污染物，由滤料表面形成的生物膜进一步分解有机物，在生物膜表面和内部分别形成好氧和厌氧环境，进行硝化反硝化作用脱氮，而磷的去除则主要靠土壤及砾石的吸附作用。

1.3 人工根孔生态净化技术

在水陆交错带中存在着根孔系统，它是由根系、土壤、微生物、水、空气等组成的多层次界面系统，可实现水、气体和溶质的优先传输，对流经污染物的去除具有重要作用[8]，如图2所示。通过根孔导流，污染物被土壤吸附、截留、氧化还原、微生物降解，水质得到净化，还为多种生物提供了栖息-繁育地。

1.4 水生植物修复技术

水生植物修复技术是以水生植物为主体，引用物种间共生关系和充分利用水体空间生态位与营养生态位的原则，确定物种选择与配置、种植水深、底质条件等内容[9]，营造出高效自然的生态系统。

2 设计思路

生态湿地系统的平面布置[10]应考虑以下几点要求：①系统总体布置应充分利用自然环境的有利条件。按构筑物流程和使用要求，结合地形气候地质条件，便于施工、维护和管理的因素，合理安排緊凑布置。高程设计应尽量结合自然坡度，采用重力流形式，需提升时应一次提升。②系统内的道路宜采用单车道，宽度不应小于3.5 m；主干道可建双车道，宽度应为6～8 m。③应综合考虑人工湿地的轮廓，不同类型人工湿地单元的搭配、水生植物的配置、景观小品设施的营建因素，使高程达到响应的景观效果。④系统外侧应种绿化带，系统外围绿化林带宽度应大于10 m。⑤坚持因地制宜、规模适宜、经济合理的原则。⑥总平面布局上应根据建设、使用、管理、卫生等方面的要求，对建筑平面、管线、环境等进行综合设计，充分体现科学先进、卫生安全、经济适用的设计原则。⑦在满足设计规范的前提条件下，尽可能减少和节约资金。

2.1 湿地工艺选择

人工湿地系统按水流方式主要有3种形式[11]：①表面流人工湿地。占地面积大、处理效率低，接近自然湿地、生态多样性相对丰富、景观效果好；②水平潜流人工湿地。占地面积较大、处理效率较低，人为痕迹重、时间久后易堵塞、生态多样性相对单一、景观效果一般；③垂直流人工湿地。占地面积小、处理效率高，人为痕迹重、生态多样性相对单一、景观效果一般。

本工程选用占地面积小、处理效率高的垂直流人工湿地作为主体工艺；同时本工程属于瓦埠湖生态环境保护资金项目，具有极强的示范展示作用，所以应当结合生态多样性的表面流人工湿地，在保证净化效能的基础上提高区域的生态多样性。综上所述，本工程应用范围广的“垂直流人工湿地+表面流人工湿地”的组合工艺，另外，考虑进水需进行水质水量的调节和去除悬浮物，在工艺前加上稳定塘。

2.2 湿地填料选择

垂直流人工湿地的填料有沙、碎石、页岩石、卵石、石灰石、页岩陶粒、黏土陶粒、炉渣、钢渣、火山石、兰花石、炭粒、活性炭、贝壳等[12]。作为基质必需要用的有沙、碎石、卵石。在本次方案中选择钢渣、活性炭作为吸附填料，选择沙石等作为基质填料。本工程湿地填料的设计年限（寿命）为30年。

2.3 湿地植物选择

为达到全面的处理和利用效果，应进行有机的搭配，如深根系植物与浅根系植物搭配，丛生型植物与散生型植物搭配，吸收N多的植物与吸收P多的植物搭配，以及常绿植物与季节性植物的季相搭配等[12]。在进行综合处理的一些工艺或工艺段中，切忌配置单一品种，以避免出现季节性的功能下降或功能单一。作为湿地公园规划建设的人工湿地还要考虑景观搭配。综合以上因素，并结合窑口地区的气候特点及植物分布状况所选植物为芦苇（Phragmites australis）、花叶芦荻（Arundo donax）、千屈菜（Lythrum salicaria）、香蒲（Typha orientalis）、再力花（Thalia dealbata）、美人蕉（Canna indica）和风车草（Cyperus alternifolius）。

3 设计方案

生态湿地工程：总面积270 349 m2，其中有效处理单元的面积为98 000 m2，共分为3部分串联运行，分别为稳定塘面积18 000 m2，垂直流湿地面积10 000 m2，表面流湿地面积70 000 m2。

3.1 工艺流程设计

生态湿地工艺流程如图3所示，包括稳定塘、垂直流湿地、表面流湿地和固废处理系统。

3.1.1 稳定塘生态塘系统是以太阳能为初始能源，通过在塘中种植水生作物，进行水产和水禽养殖，建立人工生态系统，通过天然的生化自净作用，在自然条件下完成污水的生物处理。有机物质在生态塘处理系统中得到降解，释放出的营养物进入了复杂的食物链中，产生的水生作物、水产都可以被收获。污水通过稳定塘后，悬浮物能得到有效控制，污染物能得到一定的降解，污水可生化性将会提高，为后续湿地单元的处理创造有利条件。

近年来，中国生态塘污水处理工艺研究侧重在两个方面：筛选、培育高效水生净化植物；组合曝气、水生植物、水产养殖多个生物处理单元的综合功能，营建生化一体化水生动植物复合生态体系，是污水处理与资源利用的完美结合，构建了一个完整的生态系统和良好的内部良性循环系统。

3.1.2 垂直流湿地垂直流湿地系统是本工程的核心部分，是一个独特的土壤（基质）-植物-微生物生态系统。当污水通过系统时，其中污染物质和营养物质被系统吸收、转化或分解，从而使水质得到净化。为了保证湿地系统布水均匀，将湿地系统分成4部分多个单元，系统正常情况下布水采用PLC自动控制；手动控制为安装调式和维修时使用，可实现远动（计算机）及现场两种控制方式。污水经过植物池的过滤、吸附、生物降解后经过收集管排出。在植物池内种植适合东莞气候的各种水生湿生植物，如芦苇、风车草、芦荻、再力花、香根草、纸莎草、美人蕉等。

3.1.3 表面流湿地表面流湿地区域作为垂直流人工湿地污水深度净化的辅助区域，经垂直流人工湿地深度处理过的水再流入表面流湿地进一步净化，最终排入生态园水系。在表面流湿地区域建立完善稳定的植物群落，吸引鸟类、昆虫等动物，加强人与自然接触的机会，起到游憩、景观、旅游和维护生物多样性、调节区域小气候的作用。该区域以表面流濕地景观为依托，保持原有桑基鱼塘的机理，在此基础上进行一定的景观设计，展现传统寿县特色水景。

3.1.4 固废处理系统一体化高效生物化学处理池污泥经螺杆泵泵入压滤机进行脱水，脱水后的污泥可作绿化用肥或运送至垃圾填埋场填埋。隔栅拦污送至生活垃圾填埋场处理。收割的植物有几种处理途径，一是作为堆肥综合利用；二是送生活垃圾填埋场填埋；三是晒干后送垃圾焚烧厂焚烧。在将来的运行过程中也可以种植一些可综合利用的植物，如造纸材料、畜牧饲料、观赏植物等。

3.2 主要构筑物设计

本次构筑物设计主要依据：《室外排水设计规范》（GB50014-2006）、《污水稳定塘设计规范》（GJJ/T54-93）、《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ 2005-2010）、相关设计经验及实例。由于陡涧河缺乏水文资料，但生态湿地处于陡涧河下游，接近陡涧河入湖口，河面宽度已达500 m，而陡涧河下游与瓦埠湖直接连通，故可认为项目所在陡涧河段的水位与瓦埠湖水位是相同的。

3.2.1 稳定塘通过稳定塘来均衡进水的水质、水量，沉降并去除进水挟带的部分悬浮物，为下一级处理系统提供运行条件。

①设计参数。处理水量5 000 m3/d；池塘面积18 000 m2；BOD5表面负荷2.8 kg/（104 m2·d）；坡度0.2%，坡降0.3 m；有效水深1.5 m，总深度2.4 m；有效容积27 000 m3；有效停留时间5.4 d。

在稳定塘旁建设垃圾池，收集稳定塘格栅拦截的固体废弃物与湿地运行时产生的植物残体，定期清理垃圾池内垃圾，运至垃圾填埋场进行卫生填埋处理。

②植物配置。根据系统各部分水深情况种植植物13 000 m2。种植物种为芦苇、花叶芦荻、风车草、水芹菜、凤眼莲、睡莲。

3.2.2 垂直流湿地 ①设计参数。处理水量5 000 m3/d；占地面积10 000 m2，共分10个单元，每个单元1 000 m2；湿地尺寸125 m×80 m，每个单元尺寸40 m×25 m；填料深度1.2 m，孔隙率35%；水力负荷0.50 m3/（m2·d）；水力停留时间20 h；表面有机负荷10 kg/（104 m2·d）。

潜流湿地上层级配填料（沙石）厚度为1.2 m，下层0.2 m选用高炉炉渣、粉煤灰陶粒为填料。潜流湿地分为10个单元，可间歇运行，潜流湿地墙体主结构为浆砌石结构，底部和侧边铺设有HDPE防渗膜。

②植物配置。根据系统各部分水深情况种植植物10 000 m2。种植物种为芦苇、花叶芦荻、风车草、千屈菜、美人蕉。

3.2.3 表面流湿地 ①设计参数。处理水量5 000 m3/d；占地面积70 000 m2，共分为三级，第一级 30 000 m2，第二级20 000 m2，第三级20 000 m2；坡度0.12%，坡降1.1 m；有效水深0.4 m；水力负荷0.071 m3/（m2·d）；水力停留时间4 d；表面有机负荷1.5 kg/（104 m2·d）。

底部和侧面进行防渗处理，采用黏土防渗，黏土厚度80 cm，并进行分层压实。

②植物配置。根据系统各部分水深情况种植植物50 000 m2。种植物种为芦苇、花叶芦荻、风车草、千屈菜、美人蕉。

3.2.4 主要辅助建筑物 ①排水泵站。土建按照远期1.0万m3/d一次建成、潜污泵按照近期规模0.5万m3/d配置。设计流量5 000 m3/d；平面尺寸8 m×4 m；集水池有效容积36 m3；

提升泵房内共设三台潜水泵，二用一备，单台泵技术参数为：Q=108 m3/h，H=5 m，N=5 kW。

②配电间、管理房。为保证工程实施和运行管理的顺利进行，需加强工程的日常管理工作，将配电间与管理房合建，建筑面积18 m2。

③防洪沟。为防止雨水冲击，在工程外围建防洪沟。

④在线监测系统。为了对本工程系统进出水主要水质指标进行在线自动监测与信息传输，共设立在线自动监测点4个，分别位于稳定塘进出水口，垂直流湿地出水口，表面流湿地出水口。

3.3 总平面布置设计

整个生态湿地系统和景观工程占地27 hm2，在进水口设进水总闸。其中植物稳定塘椭圆形布置占地2 hm2，为了降低工程投资，将稳定塘布置在鱼塘上，出水口布置在塘区下游最窄处，并将其一部分坝体建成漫水坝，另外段建成高于水面的河堤。垂直流湿地占地2 hm2（预留1 hm2），分为10个单元，每个单元面积40 m×25 m，呈两列对称排列布置，采用多孔管配水且多孔管高于床面0.5 m。表面流湿地占地7 hm2，分三级布置，在整个表面流湿地处理系统中布置亲水平台等，形成独特的湿地景观。

4 预期效果与工程量

4.1 预期效果

预期各处理单元设计进出水水质见表1。

4.2 工程量