临沂市武河湿地的设计及其水质净化效果分析_人工湿地
导读:：人工湿地是设计有特定目的的。通过合理的设计、施工、运行、管理。提高水质净化能力。武河湿地概况。武河湿地位于临沂市中心南部。
关键词：人工湿地，设计，水质净化，武河湿地，临沂市
1前言
人工湿地可以定义为由湿地植被、土壤及其相关的微生物组成的，通过合理的设计、施工、运行、管理，以净化水质等主要目的，也同时致力于改善和保护现状湿地的人工系统[1~5]。人工湿地与自然湿地在以下几个方面存有区别：一方面，人工湿地是设计有特定目的的，主要用于改善水质、减少环境污染带来的健康风险、发展湿地旅游等;另一方面，决策者对于人工湿地更关注其设计价值，往往忽视其其他生态系统服务价值;再次，人工湿地需要管理，为湿地植被和微生物提供生存环境。人工湿地以其高效的水质净化能力以及较低的建设和运行管理成本，博得了很多国家的青睐，在国际上得以快速推广[1,6,7]。
自从改革开放以来，我国的社会经济得以快速发展，城市化已经成为不可扭转的趋势。水既是生命之源，农业、林业、畜牧业的命脉，同时也是城市赖以存在和发展的基础性资源。因水而兴，因水而存人工湿地，因水而盛，因水而名，因水而发展是我国很多城市的共同特点。然而，水资源匮乏和水资源短缺正成为影响大多数城市进一步发展的关键因素之一[1,8]。伴随着社会经济的不断发展和公众生态保护意识的不断提高，湿地生态系统的重要性受到越来越多政府和人民的关注[1]。然而，由于缺乏一套较为成熟的工程设计、施工、运行、管理和价值评估的体系，使得人工湿地在国内的广泛普及受到了一定的影响[1,4,6,8]。不仅如此，建设人工湿地需占用大面积的土地，这对于很多用地日趋紧张的城市来说，是制约人工湿地发展的另一个重要因素[1,7,8]。因此，结合当地的社会经济和生态环境特点，合理设计和建立人工湿地，对于促进人工湿地在国内的进一步开发，在保护生态环境的同时实现社会经济的协调可持续发展也有重要作用。
2武河湿地概况
武河湿地位于临沂市中心南部，介于118°16′46′′E 和 118°23′21′′E 以及 34°48′15′′N 和 34°53′54′′N之间，面积2万亩。武河湿地是1958年建成的邳苍分洪道的一部分，自从1974年分洪以来就再未启用。作为临沂市的两条排污河道，陷泥河和南涑河在此处汇入武河湿地。武河湿地周边有28个行政村，4.6万人口。为进一步提升临沂城的水环境质量，改善下游水质，提高居民的生活环境，降低因环境污染引起的健康风险，增加农业有效灌溉面积，发展湿地旅游，提高公众的环保意识，临沂市政府投资1.03亿元，建设武河湿地。
3武河湿地的工程设计
临沂市水利局、临沂市水利勘测设计院、临沂市环保局作为牵头单位，聘请多位生态、环境、经济、工程、水利、水文等方面的专家，参与了武河湿地的工程设计方案的评价、改善、优化工作。
3.1工程设计原则
以保护和恢复湿地资源为前提，武河湿地通过重建湿地植被及其相关的微生物系统来模拟自然湿地，通过植被的吸收和微生物的降解，达到净化水质、改善生态环境的目的。
3.1.1 保留自然基底，最小化生态影响
自1974年最后一次分洪以来，武河湿地经历了近四十年的自然恢复，湿地现状植被和自然景观良好。人工湿地的设计和建设是在保留现状基底的原则下进行的人工湿地，尽量避免对现状植被和自然景观破坏，这将有助于改善动植物的栖息地，营造植被多样性景观，增加湿地微地形的自然曲线美，同时也减少了工程量和工程投资。
3.1.2 功能多样化原则
武河湿地设计建设的主要功能是净化城市尾水、改善当地居民健康状况、增加农业有效灌溉面积、发展湿地旅游。然而，湿地的价值还远远不止这些。人工湿地除了其设计功能外，还具有湿地共有的一些生态功能，比如大气调节、旱涝缓解、生物多样性保持、土壤形成等。这些潜在的生态功能往往不被决策者所关注，在保证湿地设计功能的同时，将湿地的这些潜在生态功能充分发挥出来，将会进一步丰富湿地功能的多样性，提高决策者和公众对湿地的认知度。
3.1.3 水流平稳原则
人工湿地的水位和平稳的水流是关系到水质净化的两个重要因素。基于武河湿地地形地貌和植被的特点，合理的设计和布置水流控制单元，包括挡水坝、布水堰、节制闸、滞留塘、管理通道等。水流控制单元能够有效避免湿地出现滞留区和水流短路，在汛期及时排走洪水，相隔一定距离使水流重新布水，确保水流最大程度的流经湿地植物及相关微生物群落，以确保湿地净化水质的功能得以最大程度的发挥。
3.1.4 增强景观美学原则
武河湿地建设的主要目的之一是促进湿地旅游、开展湿地教育。因而，在湿地的设计和施工过程中，要注重提升湿地美学价值，打造湿地生态景观。武河湿地设计有5座挡水坝、8个滞留塘、10处溢流堰、18座节制闸、20个湿地处理单元、39个生态岛，以及13.44km的湿地管理通道网。尽管这些湿地控制单元的主要设计功能是调控湿地内水流和水位，但是在设计时要求兼顾其美学价值和景观生态价值，使这些控制单元在形状、颜色、尺寸、曲线，以及与植被搭配等方面体现多样性，丰富湿地景观。
3.2 湿地组成单元的工程设计及其功能
以上述设计原则为指导，在充分调研现场地质、地形地貌、植被景观等的基础上，武河湿地设计了一系列的功能单元，每个功能单元都有其特定的设计目的，包括挡水坝、滞留塘、溢流堰、节制闸、湿地处理单元、生态岛、管理通道等(图1)。这些功能单元合理布置、相互协调配合，对调控湿地内水流水位，避免形成滞水区和水流短路，加强湿地的美学价值和景观生态价值等有重要贡献(表1)。
图1武河湿地设计图
Fig.1 Engineering design and its components of Wuhe Wetland
管理通道: 沿着湿地内主河槽的一侧，设计有13.44 km长的管理通道(图1A)。该通道主要起到控制水流的作用，并与湿地内的挡水坝和溢流堰相配合人工湿地，形成了湿地的20个处理单元，使主河道的水流合理的分配进湿地。管理通道同时也为湿地管理人员、设备进出湿地，以及旅游者游览湿地提供方便(图1A)。
生态岛:为丰富生物多样性，湿地不仅要为水生生物提供栖息地，同时也要为一些陆生生物，如鸟类、昆虫等提供栖息地。武河湿地利用平整湿地基底时多余的土，设计建设了39个不同形状和大小的生态岛，岛上大量栽植以本地种为主的植物，其主要目的是为陆生生物提供栖息地，提高湿地的生物多样性，合理利用湿地内的土壤，减少工程投资，提升湿地的美学和景观价值(图1B)。
溢流堰: 根据武河湿地的地形和水流特点，设计建设了10处溢流堰，其主要作用包括：首先是重新布水，使水充分流经湿地，其次是避免形成死水区或水流短路，再次是让水流经溢流堰时充分曝气，提高水质净化能力，第四是通过丰富溢流堰的形态多样性及其形成的跌水景观，增加湿地的美学和景观价值(图1C)。
滞留塘:为缓解进水水流的冲击力，充分沉降水里的悬浮物，并与溢流堰相配合，使水流每隔一定距离重新布水，武河湿地设计了8个滞留塘。通过在滞留塘里面栽植菖蒲、莲藕、芦苇等湿地植物，既提升了实地的水质净化能力，同时也增加湿地的美学和景观价值(图1C)。
表1武河湿地各组成单元的功能
Table.1. Functions of Wuhe Wetland components
|
功能 |
管理通道 |
生态岛 |
溢流堰 |
滞留塘 |
涵管涵闸 |
挡水坝 |
湿地植被 |
处理单元 |
|
水质净化 |
+ |
+ |
+ |
+ |
||||
|
水流调控 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
||
|
水位调节 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|||
|
重新布水 |
+ |
+ |
+ |
|||||
|
景观美学 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
湿地管理 |
+ |
|||||||
|
生物栖息地 |
+ |
+ |
+ |
|||||
|
生物多样性 |
+ |
+ |
+ |
|||||
|
减少投资 |
+ |
涵管涵闸: 基于武河湿地的微地形和地势以及水流特点，武河湿地设计建设了7处涵闸和11处涵管(图1D)，其主要功能一是确保水流能最大程度的流经湿地，二是要尽量避免死水区和水流短路的形成，三是便于调控每个湿地处理单元的水位和水流。
挡水坝：在河道比降较大的地点设计建设了5个带闸挡水坝(图1E)，一方面是为了防止因水流流速过快而降低了湿地的水质净化能力，另一方面是防止湿地内水位过高而影响湿地植被的健康生长，第三是通过挡水坝挡水可以形成大水面和大尺度湿地植被景观，在提升湿地美学价值和景观价值的同时人工湿地，也为各类湿地生物提供了隐蔽的栖息地，第四是汛期时，通过开闸放水把洪水及时排除，保障了湿地的安全。
植被: 湿地植物要以本地种为主，这样一方面可以充分保证湿地植物的适应性和成活率，另一方面可以降低采购种苗的成本，第三是在植被出现死亡时能够及时更新替换。湿地植物要求尽量丰富，这对于以下几个方面有重要的作用(图1 F和G):
l 稳定湿地基底，避免或减少死水区或水流短路的形成，使水流均匀分布到湿地的各个处理单元;
l 吸收湿地内水中的碳、氮、磷、硫、重金属等;
l 为微生物、鱼类、鸟类等生物提供栖息地和食物;
l 湿地植被在形状、大小、颜色等方面的多样性也为湿地创造了美学价值;
l 湿地植物的生长也增加了生物量的生产能力。
处理单元: 在实地调研的基础上，以武河湿地地形地貌现状为肌理，以工程措施平整湿地处理单元的地面，使湿地处理单元在形状上体现多样性，为湿地植物的生长、湿地水质净化提供平台。
4 武河湿地水质净化效果分析
武河湿地设计污水平均日处理能力30万吨，水在湿地内的停留时间为7天。在武河湿地两个入水口和出水口分别设立了一个监测站(M1，M2和M3)，监测来自陷泥河和南涑河的进水水质情况，及湿地出水水质情况(图1)。选取CODcr、NH3-N、BOD、SS和TP作为水质分析因素。通过表2可以看出，武河湿地对CODcr、NH3-N、BOD、SS和TP有着较高的去除率，分别为84.8%、98.7%、81.6%、88.9%和95.1%，均高于设计的去除率(表2)网。实践表明，武河湿地不仅达到了各项设计要求，而且在吸收氮、磷、钾等方面还有着突出的表现。
表2. 武河湿地水质净化效果
Table.2. Effects of wastewater treatment on Wuhe Wetland
|
分析因素 |
CODcr |
NH3-N |
BOD |
SS |
TP |
|
设计进水 (mg/l) |
≈60 |
≈20 |
≈20 |
≈25 |
≈20 |
|
陷泥河进水 (M1) (mg/l) |
63.2a |
23.1 |
19 |
23.2 |
11.2 |
|
南涑河进水(M2) (mg/l) |
35.7 |
9.4 |
17 |
24.9 |
5.7 |
|
设计出水(mg/l) |
<10 |
<2 |
<5 |
<5 |
<2 |
|
出水(M3) (mg/l) |
7.5 |
0.21 |
3.31 |
2.67 |
0.41 |
|
设计去除率(%) |
83.3 |
90 |
75 |
80 |
90 |
|
实际去除率(%) |
84.8 |
98.7 |
81.6 |
88.9 |
95.1 |
注: a 表中检测数值来源于自武河湿地建成以来的135次检测结果的平均值。
5结论与讨论
通过分析武河湿地的设计及运行情况，可以看出水流调控是影响湿地水质净化效果的关键因素。武河湿地设计建设有101个水流调控设施，基于武河湿地地形、地势、水文、植被等特点的基础上，对这些水流调控设施进行合理的设计和布置，确保水流能够充分流经湿地，避免死水区和水流短路的形成，控制湿地内的水流和水位，从而达到最好的水质净化效果。同时，政府抽调专业技术人员和管理人员，成立专门的湿地管理机构，并配置相应的管理设备，使水流调控设施能够得到及时的维护，为湿地的科学管理和良久运行提供了保证。通过分析武河湿地水质净化效果可以看出人工湿地，武河湿地经过一段时间的运行，基本实现了设计要求，可以高效去除水中的CODcr、NH3-N、BOD、SS、TP等，在进水水质为V类或劣V类的情况下，出水水质基本达到了III类水质。
建设人工湿地需要占用大量的土地，这对于目前土地日趋紧缺的中国城市来说，是限制人工湿地推广的一个主要因素。以武河湿地为例，占地共800公顷，是建设同等处理能力的污水处理厂所需土地面积的40倍。然而，利用长期不用的河流故道建设人工湿地，对于很多滨水城市来说，不仅不会占用城市用地，而且还提高了土地的利用率，武河湿地便是一例。临沂市武河湿地的案例研究表明，科学设计和建设人工湿地对于净化城市尾水，改善沿线居民健康状况，发展湿地生态旅游，提升城市自然生态环境质量，实现社会经济和生态环境的协调可持续发展有着重要的理论和实践意义。同时也为人工湿地在国内更多城市的推广普及起到了重要的推动作用。
参考文献
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