长春市长春堡人工湿地工程设计.pdf

第 19 卷 第 4 期湿地科学与管理 Vol.19No.4 2023 年 8 月WETLAND SCIENCE&MANAGEMENT aug.2023人工湿地技术不仅对污染物去除效果较好、能够适应面源不稳定特性，而且在生态恢复、景观打造等方面有不错的效果（张琦等,2022;杨宝玲等,2019），是目前河流面源污染治理中应用最广泛的技术。国外利用人工湿地技术净化河道水质的应用比较早，其中包括德国莱茵河水质提升、墨西哥污染河流治理等（Elliotetal.,2017;Luisetal.,2020）。国内在长江流域、海河流域、黄河流域、辽河流域等建设了多座大型人工湿地，用于治理河道污染。如长治市石子河至浊漳南源河口段污染严重，研究者根据上游来水流量和来水污染负荷量设计表面流湿地，出水水质达到了地表水类标准（周保安,2022）。黄河一级支流涑水河水质为劣类，研究者根据涑水河的水质情况及建设地点的土地利用情况，采用预处理工程（格栅渠、沉砂池）两级表面流人工湿地垂直潜流人工湿地的主体工艺路线对河道水体进行处理，出水水质稳定达到地表水环境质量标准（GB3838-2002）标准（徐小乐等,2022）。我国东北地区冬季漫长且寒冷，以吉林省为例，冬季极端气温可达-50左右，12 月至次年 1 月平均气温为-20 -7，给人工湿地的稳定运行带来极大的挑战。为了解决寒冷地区人工湿地运行效率低、冬季运行不稳定的问题，本文以新凯河支流永春河上游人工湿地为例，综合考虑气候、水量水质、地形等条件，通过模拟自然界天然湿地的净化能力，在河道旁建设近自然湿地，将永春河来水引入湿地进行净化，以实现人工湿地水质净化、微气候调节Abstract In order to solve the problems of low pollutant removal efficiency and unstable operation in winter of constructed wetlands in cold areas,the newly built constructed wetlands in the upper reaches of Yongchun River,a tributary of Xinkai River,was taken as a case study.Various factors such as climate,water quantity and quality,and site conditions were comprehensively considered to introduce the water from Yongchun River into the wetland for purification.The combined process of front-end ecological pond(no submerged plants)+oxidation pond+subsurface coupled wetland+end ecological pond(mainly submerged plants)+near natural wetland was applied to overcome the adverse effects of low winter temperatures on the operation of constructed wetlands.After operation,the annual removal of chemical oxygen demand(COD),ammonia nitrogen(NH3-N)and total phosphorus(TP)of river pollutants was expected to exceed 100.71 t,6.95 t and 3.3 t,respectively.Moreover,this design can also serve as a means for water conservation,microclimate regulation and biodiversity restoration of constructed wetlands.Key words Constructed wetland;Process design;Water purification;Biodiversity restoration长春市长春堡人工湿地工程设计周国旺徐玲娥卢烨彬康雅茹宋思远（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122）摘要 为解决寒冷地区人工湿地污染物去除效率低、冬季运行不稳定的问题，以新凯河支流永春河上游新建人工湿地为例，综合考虑气候、水量水质、场地情况等条件，采用“前端生态塘（无沉水植物）+氧化塘+潜表耦合湿地+末端生态塘（沉水植物为主）+近自然湿地”的组合工艺，将永春河来水引入湿地进行净化。该设计可解决冬季低温对人工湿地运行造成不利影响的问题，运行后预计对河道污染物化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）的年去除量分别超过 100.71 t、6.95 t、3.3 t，同时也能够发挥人工湿地水源涵养、微气候调节和生物多样恢复等作用。关键词 人工湿地；工艺设计；水质净化；生物多样性恢复中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1673-3290(2023)04-0059-05Project Design of Changchunbao Constructed Wetland in ChangchunZHOU Guo-wang XU Ling-e LU Ye-bin KANG Ya-ru SONG Si-yuan(Powerchina Huadong Engineering Corporation Limited,Hangzhou 311122,Zhejiang,China)收稿日期：2023-03-05作者简介：周国旺，男，汉族，博士，高级工程师，从事河道水环境综合治理研究。E-mail:zhou_DoI:10.3969/j.issn.1673-3290.2023.04.1260湿地科学与管理 第 19 卷和生物多样性恢复的功能，为我国寒冷地区流域面源污染治理、生物多样性恢复等提供示范与参考。1 研究地概况长春堡人工湿地位于长春市朝阳区新凯河的一级支流永春河上游，多年平均气温 4.8，冬季冻结深度 1.6 1.8 m。流域多年平均降水量 565 mm，降水量年内分布不均，69 月降水量占年降水量的78.1%。永春河发源于永春镇，全长约 30.10 km，河道来水季节性较强，在枯水期基本没有天然径流量，丰水期最大流量可达 2.60 m3/s。河流现状水质为GB38382002 地表水环境质量标准 类劣类，且河道水土流失严重，水体含砂量大。永春河上游段是八一水库的水源补给主径流，由于流域内现为农村地区，面源污染严重，导致现有河道水体污染物浓度高、水质较差，水体生态系统呈退化趋势，为下游八一水库带来严重威胁。2 工程设计2.1 设计水量、水质2.1.1 设计水量 长春堡人工湿地主要来水为上游河道，河道断面多年平均径流量见表 1，从表 1 中可看出河道断面全年径流量变化较大。考虑周边农业面源污染及农村生活污水污染排入河中，结合河道的年平均流量及丰水期流量对湿地水量进行设计，设计水量以 3 500 12 000 m3/d 计。2.1.2 设计进、出水水质 进水水质是人工湿地设计的关键边界条件，不仅决定了人工湿地所采取的核心净化工艺，也是决定工程规模的主要因素之一。长春堡人工湿地来水受季节影响大，因此，分别在旱季和雨季监测上游河道来水水质（表 2）。根据表 1 和表 2，11 月至来年 5 月为旱季，湿地上游河道断面多年平均自然流量减小，加上流域内农业面源污染和农村生活污水污染物排放，来水中污染物浓度相对更高；610 月降雨增多、河道断面流量较大，尤其是 7 月和 8 月超过 1 万 m3/d，来水中污染物被稀释，浓度也相对更低。但考虑雨季农田退水量和生活污水排放量都增加，不降雨时进入河道的污染物增多，导致来水中污染物浓度变化较大，故设计进水水质分为旱季和雨季，雨季进水水质波动范围更大。本湿地结合流域综合治理其他措施共同实施，出水以地表水环境质量标准V 类水标准设计（表 3）。2.2 工艺流程长春堡人工湿地冬季河道水温较低，而工程水质净化目标要求较高，故核心净化单元选择潜表耦合湿地；上游河道污染主要是面源污染，入河径流中容易携带大量泥沙，故设计前端生态塘进行沉淀。此外，长春堡人工湿地位于候鸟南北迁徙必经之路，生态敏感性强，在保证净化效果的同时需考虑生物多样性恢复，故在末端设计进自然湿地，为鸟类提供丰富的食物来源。最终选择前端生态塘（无沉水植物）+氧化塘+潜表耦合湿地+末端生态塘（沉水植物为主）+近自然湿地组合工艺；同时，通过设置拦河蓄水闸，将永春河河水引流至湿地，出水就近排往永春河河道内，水位可通过虹吸式潮汐流造流器进行控制。各工艺单元的适宜有效水深、表面水力负荷，确定满足处理水量要求的各单元面积。计算过程参考 HJ20052010、CJJT542017污水自然处理工程技术规程等相关设计规程规范。具体工艺流程和平面布置见图 1 和图 2。3 主题工艺设计3.1 竖向设计永春河河水通过拦水闸引入湿地，进水标高为222.10 m，出水水位为 221.40 m（图 3）。本湿地通过可调式出水堰门将水位控制在 0 0.4 m 范围内，正常运行时河道进出水水头总损失约为 0.6 m。当遇到较大洪水时，永春河河水漫过拦水坝，直接溢流表 1 长春堡人工湿地上游河道断面多年平均自然流量变化情况m3/dTable 1 Annual mean natural discharge variation of upstream river section in Changchunbao constructed wetland m3/d月份1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月10 月11 月12 月平均水量8147271 0211 4561 0492 99411 94611 9603 6332 1481 2361 2363 413表 2长春堡人工湿地上游河道水质mg/LTable 2 Water quality of the river upstream of the proposed constructed wetland mg/l监测点位月份CODCrBOD5氨氮总磷溶解氧人工湿地上9 月33.205.301.120.253.30游河道断面12 月 76.7625.6015.073.779.72表 3设计进出水水质mg/LTable 3 List of designed inlet and outlet water quality rate mg/L季节指标SSCODNH3-NTP旱季进水100 30050 603.0 4.00.50.7出水 20 40 2 0.40雨季进水100 100050 100 4.0 10.01.02.0出水 20 40 2 0.40 注：在雨季 COD、NH3-N、TP 高于旱季为考虑初期雨水的污染负荷61 第 4 期进入下游河道，不影响河道的正常行洪。3.2 工艺单元设计3.2.1 前端生态塘 前端生态塘的设置可以使河道来水悬浮物沉淀，降低来水的悬浮物负荷及含砂量，提高河水停留时间，降低潜表耦合区的污染物负荷。设计有效水深为 2.0 m（预留 1.0 m 沉泥区），总面积 5 000 m2，有效池容量 10 000 m3，水力停留时间 0.41 1.4 d，表面负荷 0.6 1.6 m3/m2d，不 种 植 沉 水 植 物（图 4）。挺 水 植 物 以芦 苇（Phragmites australis）为 主，辅 以 菖 蒲（Acorus calamusL.）、香蒲（Typha orientalisC.Presl）等，种植密度宜为 9 25 株/m2。3.2.2 氧化塘 水中溶解氧含量直接关系到水体质量的好坏，经过前端生态塘沉淀的河水流入氧化塘，通过水位的自然波动对水体进行复氧，提高潜表耦合湿地的硝化能力。氧化塘总面积为 5 700 m2，平均有效水深 1.5 m，水力停留时间 0.71 3.5 d。氧化塘内设置 1个鸟岛，面积为 200 m2，鸟岛上主要种植结籽植物，为鸟类提供丰富的食源和栖息环境。3.2.3 潜表耦合湿地 潜表耦合人工湿地通过特殊的水体错流方式及滤床构造来减少泥沙沉积造成的滤床堵塞。大流量时以表流为主，底部滤床潜流为辅，低流量时以潜流为主。本案例湿地潜表耦合区面积采用一级推流式模型 NH3-N 指标计算，为 3.6 万 m2，水力停留时间为 1.5 5.4 d，表面水力负荷为 0.097 0.33 m3/（m2d），主滤床介质为矿石和火山岩。配水渠采用渗透系数大的石笼进行均匀配水。单块工艺单体中配水石笼竖向长度 150 m，滤料宽度 40 m，水体以渗流方式通过滤料进入集水渠收集后进入末端生态塘（图 5）。3.2.4 末端生态塘 末端生态塘主要种植沉水植物、浮水植物等景观性较好的水生植物，在净化水质的同时，为河流的鱼、虾、螺、贝和鸟类提供生存环境，恢复河道生物多样性，实现湿地生物多样性恢复的生态功能。本案例湿地末端生态塘平均水深 1.5 m，池面面积 7 400 m2，停留时间 0.9 3.1 d。沉水植物面积1250 m2，主要选用苦草（Vallisnerianatans）、伊乐藻（Elodeacanadensis）等，种植密度为 3 9 株/m2（图 6）。3.2.5 近自然湿地 近自然湿地内生态岛是其核心处理区，通过人工构建的岛屿作为一个微生物载体，为微生物提供大量的生长空间，河水中的有机图 1人工湿地工艺流程图Fig.1 Process flow chart of constructed wetland图 2人工湿地工艺平面布置图Fig.2 Process layout of constructed wetland图 3人工湿地竖向高程设计Fig.3 Vertical elevation design of constructed wetland图 4前端生态塘剖面图Fig.4 Section view of the front ecological pond图 5潜表耦合湿地剖面图Fig.5 Profile of the subsurface coupled wetland周国旺等：长春市长春堡人工湿地工程设计62湿地科学与管理 第 19 卷物被湿地滤料及植物根系表面的生物膜截留，通过附着在生物膜上大量微生物的分解作用降解有机物（李春华等,2023;靖玉明,2008）。本设计对周围荒地进行改造，利用现状低洼地对该区域进行适当的地形改造，形成从水面到滩地再过渡到旱地的一个生态演变序列，构造一个鸟类栖息及植物多样性的环境（图 7）。设计近自然湿地面积约0.9 hm2，末端沉水植物塘出水进入近自然湿地停留0.7 2.4 d 后排入永春河道。3.3 湿地内部细化设计3.3.1 植物种植设计 根据项目区的特点，选择耐污和耐寒能力强、净化效果好、根系发达、经济和观赏价值高的水生植物。在岸边、浅滩种植纳污能力较强的挺水植物，在深水区域（0.8 1.5 m）适当位置种植浮水植物和沉水植物，形成水生植物错落有致、水下森林与水上挺水植物相呼应的优美水上景观。本项目挺水植物以芦苇为主，辅以菖蒲、香蒲等；沉水植物选用苦草、伊乐藻等；浮水植物选用睡莲（Nymphaea）。本工程植物种植密度可根据植物种类与工程的要求调整，挺水植物种植密度为 9 25 株/m2，种植面积 38 000 m2；浮水植物和沉水植物种植密度为 3 9 株/m2，种植面积分别为2 200 m2和 5 300 m2。3.3.2 水生动物设计 大型底栖生物可觅食底质中大量的有机质及腐败的水生植物残体等，降低底质中有机质含量及营养物质的释放。本项目在整个水域中放养的水生动物主要以青虾、环棱螺、黑鱼为主。结合本湿地工程的场地条件，投放青虾（尾）5 000 只、环棱螺 6 500 只、黑鱼（尾）2 000 只；其中青虾约20 g/尾、环棱螺约15 g/尾、黑鱼约50 g/尾。3.3.3 湿地防渗设计 人工湿地主要的防渗形式包括夯实土防渗、粘土夯实防渗、HDPE 膜防渗等。长春堡人工湿地采用素土回填（不包括湿地泡），土壤可溶性盐含量不得大于 5%，有机质烧失量不得大于 5%，特殊情况不得大于 7%。回填土采用振动压路机分层夯实，每层压实 3 4 遍，压实度不小于94%，直至施工至原地面标高。施工中严格控制填料的含水量，设计渗透系数 10-8 m/s。长春堡湿地泡采用粘土夯实进行回填，回填标准参照生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范(CJJ113-2007)。3.4 湿地运行和维护3.4.1 人工湿地水位和流量控制 人工湿地系统有一定的环境容量和生物容量，当污染负荷超过系统处理容量时，势必会造成出水水质下降、系统寿命缩短。长春堡人工湿地水位控制的几个基本要求：1）为有利于潜表耦合区的植物生长，床中浸没植物图 6末端生态塘剖面图Fig.6 Sectional view of the end ecological pond图 7近自然湿地剖面图Fig.7 Section view of a near natural wetland63 第 4 期根系深度尽可能均匀；2）前端、末端生态塘和氧化塘在每年春天系统运期间，应降低水位促进新芽的生长；3）当来水水质大于设计进水水质时，采用超越管对来水进行超越,保护、延长湿地使用寿命。3.4.2 湿地植物管理 由于东北特殊的地理气候，冬季枯萎的植物不易腐败，需在冬季前对植物进行收割，湿地收割后应及时清理人工湿地上的残留植物碎屑，防止植物残留造成出水 NH3-N 浓度升高。3.4.3 枯水季湿地“黑臭化”防治措施 枯水季节湿地黑臭化主要原因为湿地水量减少，植物冬季凋亡后未及时收割。为了防止枯水季节的湿地“黑臭化”，湿地枯水季采取以下措施：1）加强湿地运营管理，对湿地植物进行机械化收割，在枯水季节减少碳源进入；防止冬季湿地植物枯萎后，存在的火灾安全隐患及二次污染问题，提高人工湿地净化效率。2）控制生态塘水深，确保湿地在枯水期有相对充足水量，并采取机械性供氧，保证水体中溶解氧浓度。3）当水中悬浮物增多时，可采取在生态塘加絮凝剂，使悬浮物凝聚并沉淀。4 水质净化效果分析旱季上游来水少，人工湿地对来水中 COD、NH3-N、TP 的 去 除 率 预 计 分 别 为 20%35%、30%50%、20%45%。雨季上游来水充沛、农田退水多，进入河道的污染物较多，人工湿地对来 水 中 COD、NH3-N、TP 的 去 除 率 更 高，分 别 为20%60%、50%80%、60%80%。3 种污染物年去除量分别超过 100.71 t、6.95 t、3.3 t（表 4）。5 结论长春堡人工湿地工程根据项目所在地气候特点、水质和水量情况及地形分布等条件，以水质净化、微气候调节和生物多样性恢复为目标，通过采用“前端生态塘（无沉水植物）+氧化塘+潜表耦合湿地+末端生态塘（沉水植物为主）+近自然湿地”的组合工艺，同时配备一体式潮汐流造流器、潜表耦合湿地渗滤坝等，削减湿地上游来水中污染物含量。旱季上游来水少，人工湿地对来水中COD、NH3-N、TP 的去除率预计分别为 20%35%、30%50%、20%45%。雨季上游来水充沛、农田退水和生活污水排放增加，进入河道的污染物较多，人工湿地对来水中 COD、NH3-N、TP 的去除率能够达到 20%60%、50%80%、60%80%，3 种污染物年去除量分别超过 100.71 t、6.95 t、3.3 t。该工程建成后大大改善了永春河流域水质和生态系统多样性，可以为我国寒冷地区流域面源污染治理、生物多样性恢复等提供示范与参考。参考文献黄炜.2020.农村面源污染治理的对策 J.现代农业科技(19):178-180.靖玉明.2008.近自然湿地处理污染河水的工艺特性研究 D.济南：山东大学.李春华,叶春,刘福兴,等.2023.近自然湿地生态修复的概念、理论与实践 J.环境工程技术学报,13(1):394-402.李想.2019.近 10 年我国农业农村面源污染防控技术的综合评估与适应性研究 D.昆明：云南大学.宁辉龙.2021.农村面源污染综合防治研究 J.中国资源综合利用,39(10):190-192.钱权高,杨希梦,刘思雨,等.2021.农村面源污染治理研究J.乡村科技,12(24):117-119.吴瀚.2019.农村面源污染现状及治理对策 J.区域治理(47):153-155.徐小乐,夏强,杨世翎.2022.伍姓湖入湖口水生态治理人工湿地设计案例探讨 J.绿色科技,24(12):92-95.杨宝玲,胡卫霞,马爱军,等.2019.基于农业面源污染人工湿地的构建 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t/a，雨季总去除量氨氮 0.34 t/a，TP 1.4 t/aCOD 95.86 t/a，氨氮 6.61 t/a，TP 1.9 t/a全年总去除量COD 100.71 t，氨氮 6.95 t，TP 3.3 t周国旺等：长春市长春堡人工湿地工程设计