多级人工湿地在风景园林中的应用研究以西德维尔友谊学校为例

李倞 徐析 陈瑶

1 多级人工湿地的基本技术流程

伴随着现代城镇化进程的不断加快，城市水资源短缺和水质恶化已经成为影响我国可持续发展的严重问题。合理开展水的有效净化和再利用是解决我国水资源危机的重要途径之一[1]，寻找有效的污水处理途径和实现水资源的可持续利用已经成为当今研究的热点。在这样的背景下，人工湿地以其优美的景观特性和有效的水质改善功能日益受到重视[2]。

目前，人工湿地技术日趋成熟，在发达国家已经得到较大量的应用，而且数量仍在不断增加，应用范围也在不断扩展，并被广泛应用到各类风景园林项目之中[3]。尤其是近些年，人工湿地由于其净水成本较低，净水技术工艺相对简单，在发展中国家也正在被积极推广，发挥了良好的生态和经济效益[4]。人工湿地未来在中国将具有广阔的应用前景。在风景园林设计中应用人工湿地技术也将成为理论研究和工程实践领域的热点。

1 多级人工湿地

1.1 人工湿地

湿地是自然界最具生产力的环境之一，主要可以分为自然湿地和人工湿地。1989年哈默（hammer）将人工湿地定义为“为了人类的利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水植物、沉水植物、动物和水体组成的复合体”[5]。

人工湿地可以发挥多种自然湿地所具有的生态系统服务功能，污水净化功能是其中的重要功能之一。与自然湿地生态系统相比，人工湿地生态系统无论在地点选择，负荷量承载，还是在可控性上，对污水的处理能力都远超自然湿地[6]。

人工湿地已经被证明具有显著的水净化效果，通过科学化的合理设计，采用不同的技术工艺模式处理多种类型的废水（雨水、生活污水、工业污水等），出水水质可达Ⅲ类水域（适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区和游泳区）的水质标准要求[7]。

目前，世界各国都在针对人工湿地开展相关技术研究，尽可能充分发挥人工湿地优势，弥补缺陷，形成更加高效、稳定和可持续的人工湿地水净化系统[8]。

1.2 多级人工湿地

多级人工湿地（Multi-Stage Wetlands）是根据污水中的污染物情况，设计一系列人工湿地净水单元（包括稳定塘、自然表面流湿地Free water surface flow、潜流人工湿地Subsurface flow等），形成一个有针对性的多阶段人工湿地净化系统，并对污水进行可控循环，实现在有限的湿地面积中，高效率的降低污水中的生化需氧量、悬浮固体、营养物质和病原体，发挥水质净化功能[9]。

多级人工湿地技术流程相对简单，处理系统组成具有多样性和灵活性的特点，可以根据具体条件差异采用有针对性的技术措施和组合方式，主要可以归纳为4个处理阶段（图1）：

（1）预处理阶段

该阶段主要采用工程化措施，去除污水固体悬浮物并降低有机负荷。通常利用滴滤池、氧化池、沉淀池、化粪池等模式，发生微生物需氧、厌氧反应，实现沼气分离和淤泥沉淀，其中30-60%的固体沉积物将在此阶段被去除。同时，对进入下一阶段的污水进行流量控制，避免对人工湿地系统造成破坏。

（2）多级人工湿地循环净化阶段

该阶段主要根据水中污染物情况，设计高性能的人工湿地净化系统，通过湿地系统的自然净化功能降低污水的生物需氧量（BOD）、氮磷含量（NH3-N、P）和固体沉积物。

该阶段使用多个人工湿地净化组团，每个湿地组团都根据工艺和工程技术要求通过计算确定其大小，并采用不同的人工湿地流经模式（自然表面流湿地和潜流湿地），通过差异化的湿地净化植物种植执行不同的处理功能。再循环速度和次数可以根据进水量和季节气候情况变化做出相应地调节，此过程可以依靠数字化的监控设备来实现管理。

（3）品质提升阶段

该阶段主要对人工湿地系统排出的初步净化水进行消毒和品质提升，从而为下一阶段的储存和再利用创造条件。通常可以通过微孔设施进行过滤，并利用紫外线照射进行杀菌，消除水中有害细菌，保证用水健康。

（4）储存和再利用阶段

该阶段主要由储水箱组成，对处理后达标的再生水进行集中储存，并逐步用于满足建筑非饮用水、景观用水、灌溉养护用水的需求。

1.3 多级人工湿地的相关研究和优劣势

多级人工湿地采用类似于梯田的多级模式，通过污水循环，实现了人工湿地在更小的范围内更长的净化流程，降低所需人工净化湿地的面积，提高了其空间适用性；通过构建多级湿地单元，每一级湿地针对不同的污染物质净化功能进行有针对性的设计，有效降低和去除水中污染物，显现出强大的水净化能力。经过多年的研究应用，目前多级人工湿地技术已经属于比较成熟的污水处理实用技术，对系统中不同净水湿地组成单元的净化机理、适用条件、理论计算、技术工艺、建设投资和运营管理也已经展开了详细研究[10-11]，并提出了一整套详细的技术解决方案。

自上世纪80年代开始，美国和欧洲等发达国家开始逐步推广多级人工湿地，并编制湿地建造手册和案例库为其建设提供明确的技术指导，目前已经取得显著成效[12-14]。我国在上世纪90年代也修建了第一座多级人工湿地水处理工程——深圳白泥坑人工湿地。根据建设运营成本核算和初期运行数据资料显示，白泥坑人工湿地的优势非常明显，发挥了良好的水净化功能[15]，单位污水处理建设投资额不足一般工艺的1/4，运行过程基本没有能耗，年运行成本和水处理成本（约0.02元/m3）都远低于污水处理厂水净化所需费用，只有单位污水净化所需的占地面积相对较高，约是污水处理厂的2-3倍[16]。但是，从白泥坑人工湿地的现状来看，多级人工湿地技术在我国的应用也暴露出一些问题，主要为：其后期运营维护有很高的要求（包括种植基质堵塞更换、湿地植物养护、运行监控等），需要高标准的专业技术维护，否则人工湿地极容易发生功能减弱甚至退化；其净化效率会受到诸多因素（进水污染度、气候条件、植物成熟度、养护水平等）的影响，存在净水功能不稳定波动的情况。在多级人工湿地的应用决策和设计中，我们需要对这些劣势进行充分考虑，从而保证其功能的高效稳定发挥。

2 多级人工湿地在风景园林中应用

2.1 多级人工湿地与风景园林的结合

由于大城市土地相对短缺、地价昂贵，风景园林公共空间将是未来在城市区域开展人工湿地建设的非常重要和优质的空间载体，充分利用各种类型的城市开放空间形成具有复合水生态净化功能的景观基础设施[17]。

人工湿地在风景园林中的应用已经具有较长的历史。早在1967年，美国的克莱门斯市（Clemens City）为了解决克林顿河（Clinton River）的水污染问题，就采用人工湿地收集、贮存和处理溢流污水，并将它与城市公园相结合进行建设，从而创造了一个简单可行、效率更高、代价更低，并能为城市居民提供休闲娱乐功能前所未有的“污水处理公园”。[18]目前，发挥水净化功能的人工湿地在风景园林中的应用已经越来越广泛，成为未来发展的主要趋势之一，但由于人工湿地净水速度较慢，所占用土地的面积相对较大，对其进行的相关技术改进研究也在不断开展。

多级人工湿地在风景园林中进行运用具有非常明显的优势。它与传统人工湿地相比占地相对较少，可以根据不同开放空间的场地情况进行灵活设计，容易实现；其本身具有良好的景观面貌，改变了以往的景观表达，能够非常方便的在公共空间中进行运用，为景观带来了新的功能和形式，并发挥更好的改善和美化环境的功能；多级人工湿地净水质量较好，可以针对不同类型的雨水污染、生活污染、工业污染等水体进行净化，净化后水资源可以在风景园林中进行循环利用；此外，人工湿地建设投资可以依托公共空间建设投资和基础设施投资，实现共赢。

2.2 多学科合作的设计模式和风景园林师的主要任务

人工湿地在风景园林中的应用本身是一个涉及到多个学科的复杂领域，风景园林师不可能也不需要独立完成全部的设计实施工作。为了保证人工湿地净化功能的最终高效发挥，并实现持续稳定运行，在实践过程中风景园林师需要与相关湿地领域的专家和专业机构开展多学科的合作研究，充分发挥各个学科的专业技术优势，并构建融洽的合作设计模式，实现高效共赢。

在设计应用过程中，风景园林设计师的主要任务可以归纳为以下几个方面：

（1）首先需要了解多级人工湿地的基本技术原理，与相关合作专家进行良好的沟通，提出风景园林设计的构想；

（2）明确场地需要管理的雨洪或污水水量和可能用于人工湿地建设的场地区域情况，将区域限制条件（面积、地形、植被等影响因素）向合作专家进行反馈讨论；

（3）测定需要净化的水质情况，并以此为依据，综合考虑场地限制条件，与相关专家合作确定基本的净化功能流程、净化技术措施、所需湿地规模和深度，并结合实际场地进行合理的空间布局组织；

（4）在相关领域专家的水力特征计算和基本结构细节设计的基础上，开展与公共空间特征相融合的形式设计，并在满足净化功能的前提下结合场地特征创造更加优美的景观效果；

（5）与专家合作根据净化需求确定人工湿地净化区域的湿地植物类型和种植设计形式；根据净化后的水质确定再生水的利用方式，并结合景观进行再设计；

2 西德维尔友谊学校中央庭院平面

3 建筑污水净化流程示意

（6）充分考虑如何将人工湿地转化为公共空间，发挥美学观光、公共休闲和科普教育等功能，增加公众可亲近性。

3 西德维尔友谊学校（Sidwell Friends Middle School）人工湿地庭院的设计方法和综合效益研究

西德维尔友谊学校庭院景观是多级人工湿地在风景园林中应用的成功案例。在2006年，学校对校园内一栋具有50多年历史的旧建筑进行翻修和扩建，计划在现有3 000m2建筑面积的基础上新增3 600m2的教学建筑，并利用约1 000 m2的建筑围合庭院设计一处人工湿地，作为一个“生态机器”（living machine），对学校建筑物产生的污水以及校园雨水进行净化和再利用。

今天，人工湿地庭院已经成为西德维尔友谊学校的校园形象标识，并持续的改变着学校的文化理念。

3.1 多学科协作设计

西德维尔友谊学校中央庭院不同于传统建筑外环境，作为一种具有“自然功能的生态机器”，其设计、实施和后期运营维护具有更强的专业技术要求，涵盖风景园林、建筑、人工湿地、生态工程、环境管理等多个专业领域。庭院设计依托了一个由多个专业设计机构组成的合作团队共同完成，主要包括风景园林设计团队——须芒草事务所（Andropogon Associates），建筑设计团队——廷伯莱克建筑事务所（KieranTimberlake Associates），人工湿地技术团队——自然系统国际（Natural Systems Int'l），湿地维护监测团队——明晰设计组织（Lucid Design Group），通过良好的分工协作为整个项目的成功设计实施和持续正常运营提供保证。

3.2 选址和场地设计

在建筑改造的过程中，通过与风景园林师的合作，建筑师有意识的构建了一个被新加建建筑和旧建筑三面围合的中央湿地庭院，实现建筑与人工湿地环境的融合。（图2）

台地是多级人工湿地最主要的设计形式，不同层级人工湿地间的高差为净化水流提供了动力，并产生了更大容积的水净化停留空间。西德维尔友谊学校庭院采用下沉式的台地布局方式，自西向东整体被划分为5层平台，前3层为污水净化湿地（垂直潜流人工湿地），第4层为雨水渗透花园（自由表面流人工湿地），最下面一层为雨水池塘（自由表面流人工湿地）。根据不同类型湿地基质的深度要求，每层台地设计高度从0.3m到1.5m，满足湿地植物的种植要求和最佳净化深度。庭院逐渐下沉3m与建筑一层外平台高程相一致，巧妙的利用了场地现状东西向高差，将建筑西侧的地下空间转变为通风、光照良好，环境优美的教学区域，实现了净水湿地空间与建筑空间的高效利用。

4 雨水净化管理流程示意

5 西德维尔友谊学校植物设计

3.3 水净化系统设计

整个水净化系统依托风景园林师与人工湿地技术团队合作设计完成，主要由位于地下的厌氧菌预处理设施，位于庭院的三级台地植物净水湿地、循环滴滤池、雨水渗透花园、雨水池塘和位于建筑内的储水箱6个部分组成，可以针对建筑污水和场地雨水采用不同的净化和再利用流程，形成了一个功能紧凑、高效的人工湿地水处理庭院景观。

（1）建筑污水净化系统设计

建筑污水首先进入地下厌氧菌预处理设施，利用厌氧细菌帮助有害物质分解，并通过过滤器降低沉淀物，随后污水被控制流速注入阶梯状分层湿地，在重力的作用下依次流过三级人工净化湿地区。每级人工湿地采用垂直潜流湿地形式，污水从直径约5mm的砾石层下流过，不会看到污水水流，从而有效的减少异味，也可以大量减少学生与污水接触而产生的潜在健康影响。砾石层种植水净化植物，污水可以与植物根系及根系微生物充分接触，从而使污染物得到固定。整个湿地具有自动控制系统，经过三级分层湿地的污水会被重新输送到地下厌氧菌预处理设施，进行再次循环净化，直至污染物含量达到预设标准，此过程大约需要3-5天左右的时间，净化后的污水将被紫外线消毒并注入建筑中水储水箱进行二次利用（厕所冲洗用水等）。（图3）

（2）雨水净化系统设计

场地收集的雨水将被直接汇入最下层的雨水池塘，因雨水本身的污染并不严重，且部分从建筑绿色屋顶收集而来，主要是水中悬浮物较多和富营养化问题，通过表面流湿地净化就可以有效改善水质，降低悬浮杂质，而且形成临建筑的优美水体景观。净化后的雨水被过滤消毒后注入雨水储藏箱进行再利用（池塘水景补水、景观养护等）。当降雨强度过大，超过池塘的容量后，雨水将溢流到上层雨水花园，采用季节性湿地方式，模拟自然的水文动态的模式，通过土壤的自然过滤渗入地下，补充地下水源。（图4）

3.4 植物选择与设计

植物选择与设计是整个人工湿地庭院发挥水净化功能和创造优美环境的关键。风景园林师以校园所在的切萨皮克湾地区（Chesapeake Bay region）乡土植物为选择范围，根据庭院不同区域的环境特征和净水要求，设计了一系列优美的功能性植物群落，并最大化的丰富乡土植物种类，营造健康多样的地域性生态环境。

台地湿地区域（垂直潜流湿地）的植物主要发挥生活污水净化功能，设计重点选择高净化能力的挺水植物和耐水湿草本植物，利用植物根系、根系微生物群对污染物进行分解、吸收和聚集，包括鸢尾（Iris tectorum）、香蒲（Typha angustata）、菖蒲（Acorus calamus）、芦苇（Phragmites australis）、纸草（Cyperus papyrus）、灯芯草（Juncus effusus）、蕨类植物（Pteridophytes）和马尾草（Liatris ligulistylis）等。湿地池塘区域（自由表面流湿地）以浮水植物种植为主，主要发挥雨水水质调节的功能，降低雨水的氮、磷含量，避免富营养化，包括睡莲（Nymphaea tetragona）、莼菜（Brasenia schreberi）、慈姑（Sagittaria sagittifolia）和梭鱼草（Pontederia cordata）等。人工湿地外围环境主要应用檫树（Sassafras tsumu）、红枫（Acer palmatum）、葵叶赛菊芋（Heliopsis helianthoides）、乳草（Euphorbia helioscopia）、龟头花（Chelone glabra）等多种乡土植物营造本地生态环境，形成低养护的自然生境。新建建筑绿色屋顶主要种植耐干旱、浅根系并适应屋顶气候条件的紫菀（Aster lavanduliifolius）、蛇鞭菊（Liatris spicata）和多种类型的本地葱属（Allium）、景天科（Crassulaceae）植物，在降雨时可以有效减少地表径流，并对雨水进行过滤。（图5）

6 地面雨水径流展示雕塑

7 人工湿地庭院作为学生的户外实验室

3.5 复合教育功能设计

学生教育和公共参与成为人工湿地设计的另外一个重要的考虑因素。在庭院内设计了一处草坪户外课堂，将其作为室内与户外相结合的环境教育场地。设计师沿庭院通往教学楼的楼梯内侧，设计了一个具有纹理的地表雨水排水通道，将屋顶汇入人工湿地的雨水排水过程清晰且艺术化的展现出来，成为一个具有教育功能的水景观（图6）。湿地维护监测团队还为多级循环人工湿地设计了一个智能监测系统，除用来控制系统的正常运行，保障净化功能质量以外，其数据可以向教师和学生共享用以教学目的，学生也可以亲自参与整个过程。[19]同时，庭院种植了超过50种的切萨皮克湾区乡土植物，在创造具有丰富多样性环境的同时，也使庭院成为学生可以形象的开展生物、生态和化学知识学习的户外实验室。（图7）

3.6 综合运行效益评估

人工湿地污水处理系统每天能够收集约11 500升建筑所产生的废水，然后会有4-6天的储水净化期，人工湿地的高质量输出水可以被建筑再利用，提供全部的卫生用水。整个系统可以进行全年运转，冬季建筑排放的污水具有一定温度可以保证人工湿地不发生冻害，但其生物过程会变得更加缓慢，净化效率降低。[20]

净化污水和留存雨水除满足建筑卫生用水需求，还用来进行景观灌溉，节约用水费用高于日常运营管理维护费用，并可以节约排污费用，并避免含氮、磷的富营养化水体排入附近水体，造成水污染问题。根据2006年以来人工湿地的运行监测数据显示，与同类型和规模的建筑相比，新建教学建筑的水消耗量可以降低约90%。[21]

4 结语

目前，在我国的北京、上海、南京等大型城市都在开展相关污水再生利用和雨水综合利用的相关研究和应用，并正在进行相关政策和法规的调研和制定工作，推动人工湿地建设已经成为重要的发展方向。尤其是在雨洪利用方面，与发达国家相比，我国城市对雨水控制和利用程度较低，水质较差[22]，开展人工湿地建设已经成为减少城市雨水径流污染的有效技术措施之一，具有重要的研究应用前景。

多级人工湿地虽然可以减少污水净化所需人工湿地的占地面积，但相比传统污水处理设施单位面积的污水处理效率仍然较低。尤其是我国目前的水价（包含污水处理费用）相对较低，未建立明确的雨水排放许可和收费制度。人工湿地单从经济角度来看优势并不显著。但是，面对我国城市内涝和水资源短缺问题日益严重的现实，迫切需要借鉴国际经验，通过制定更加严格的水资源管理（尤其是城市雨水管理）法规体系，并通过征收雨水费、减免税收、给予补贴、低息贷款等措施，增加排水成本和对水生态管理给予经济激励，为人工湿地在城市中的应用提供政策和经济支持。

人工湿地在风景园林中的应用除考虑其经济效益以外，更需要放大其社会效益和环境效益，在有效利用污水、雨水资源，降低水景营造维护费用的同时，重点开展相应的生态公众教育，发挥更加显著的社会推广效应。西德维尔友谊学校人工湿地庭院建设的初衷很大程度是为了体现其“服务大地”的办校理念，对学生进行社会、环境道德责任感的培养。

未来，人工湿地在我国风景园林中应用推广除了受到经济投入增多和相关政策引导不足等方面的影响，最重要的是要摆脱“重建设、轻维护”的观念，加大结合我国实际的运营管理技术的研究，并在不同地区结合城市重要公共空间率先建设一批研究示范工程，开展相应的管理流程研究和后期运营跟踪，为其在更大范围的推广应用发挥研究示范和经验推广的作用。

注释：

图1为作者自绘；图2-4根据http://pruned.blogspot.com/2009/06/wetland-machine-of-sidwell.html图纸资料进行研究绘制；图5根据http://www.sidwell.edu图纸资料进行研究绘制；图6-7引自http://www.rpa.org/regen/presentations/Regen-IntegratedInfrastructure-Manisha-Kaul.pdf。

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