管网雨水补给河道用水的人工湿地水质净化流程研究

吴丹子 李鑫 张文杰 郑文刚

随着人口飞速增长，中国为满足日益增长的用水需求而超量开采地下蓄水层，导致地下水位下降，出现湖泊消失、水井干涸、江河断流等一系列问题，众多地区正在逐步丧失最后的、唯一能起安全缓冲垫作用的水储备[1]。一些北方城市，旱季城市河道干涸、景观枯竭，需要定期人工补给水源以保持良好的景观效果，此举消耗大量的生活用水，同时要应对夏季瞬时暴雨带来的雨水管网以及河道泄洪压力。部分研究者将目光转向雨水的收集、净化和二次利用，雨水相对于生活污水和工业废水，水质受污染程度更低，成分更简单。人工湿地水质净化系统针对城市雨水管网的收集、净化和利用，是一种疏解雨水管网压力、低造价净化水质、补充城市河道水源、改善城镇水生态、恢复城市生物多样性[2]的多目标解决途径。

表1 中国北方主要城市降雨相关数据Tab.1 Rainfall data of major cities in northern China

1 城市雨水潜力分析

1.1 中国北方城市雨水潜力

中国北方大部分城市位于干旱半干旱区，雨季集中在5—9月，降雨多伴随强对流天气，瞬时雨量较大，该季节蕴含丰富的可利用雨水资源。非雨季降雨量少，收集利用难度较大，通常不计入城市可利用雨水资源量。

为合理计算雨水资源量，采用中国气象局气象服务信息中心1971—2000年所选北方城市的年均降雨量，同时引入车伍等计算出的季节折减系数①对所选城市的可利用雨水资源量进行定量分析，利用公式（1）对年均可利用雨水资源量进行估算[3]，并得到表1中列举和计算的北方主要城市降雨相关数据。

式中：W为年均可利用雨水资源量（m），H为年均降雨量（mm），A为汇水面积（m2），α为季节折减系数，φ为综合径流系数。

由表中数据可知，中国北方城市雨季降水量可以达到全年的60%～90%，估算出的年均可利用雨水资源量巨大，对于缺水的北方城镇来说，对城市雨水资源进行开发利用可以在很大程度上缓解当前水资源紧缺的形势。

1.2 中国北方城市雨水水质分析

目前，中国正经历工业化和城市化推进的高峰时期，随之带来环境质量恶化和环境污染等问题。天然雨水中污染物主要成分包括化学需氧量（COD）、总可溶性固形物（TSS）、金属铅（Pb）、金属锌（Zn）等，而总氮（TP）、总磷（TN）污染物浓度较低。以发达国家法国街道雨水径流主要污染物浓度中值和美国城市径流主要污染物加权平均浓度中值数据为例，同中国北京相比[4-6]，中国城市径流污染程度更高，水质面源污染较为严重（表2）。

城市雨水主要流入道路、屋顶和绿地3种汇流面。路面径流污染主要由大气污染和城市路面固体杂物污染引起，包括金属离子、有机物、无机物和固态颗粒物等。降雨初期路面径流水质浊度较大，固态颗粒物和COD含量较高；降雨后期各类污染物浓度逐渐降低，水质提升，可以集中净化利用[7]。屋顶雨水污染物主要来自大气和屋顶，雨水将固体颗粒物、可溶性气体带入，降落到屋顶后，又溶入屋顶铺砌材料中的金属离子和屋顶表面残存的鸟类粪便等微生物，随降雨历时的延长，污染物逐渐降低，水质趋于稳定。绿地相对于其他下垫面污染物较少，可直接吸收下渗。因此可利用的城市雨水来自管网，管网雨水主要来自路面径流和屋顶雨水。

2 人工湿地处理城镇雨水的适用条件

一些发达国家早已建立完善的城市雨水收集利用理论与系统，如低影响开发理论（LID）[8]、可持续排水系统（SUDS）[9]、水敏感性城市设计（WSUD）[10]等，雨水资源利用已发展到较高水平。中国根据自身情况提出建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”，力求降低城市化进程对水环境的不利影响。当前，国内外雨水收集利用技术主要包括透水铺装、雨水花园、绿色屋顶、下凹式绿地四大类型， 但以上技术受地形等限制条件较多，建设维护成本高，雨水调蓄容量较小，不适用于老旧住宅区或大范围区域内水资源收集利用。目前，大部分雨水径流还是由传统单一工程化的雨水渗管或渗渠引入附近河道，且来源多样的雨水均存在不同程度的污染。

自2014年《城镇排水与污水处理条例》施行后，全国各地都在大力推进建设雨污分流系统以加强对初期雨水的排放调控和污染防治。雨污分流制度是一个城市管网设施是否完善的标准,也是城市污水处理和二次利用的重要保障。在雨污分流系统中，排水系统中的雨水量大、污染低、易收集，同时，采取了雨污分流的城市管网便于结合当地地形，将市政雨水管网与当地蓄水构筑物或湿地等进行连接，便于雨水资源调蓄。因此，笔者设计将雨污分流后的管网雨水经过简单预处理排入人工湿地净化，达标后补给河道用水。

表2 发达国家与中国城市径流主要污染物浓度对比Tab.2 Comparison of concentration of major pollutants in urban runoff between developed countries and China

表3 主要类型人工湿地相关系数Tab.3 Correlation coefficient of main types of constructed wetlands

人工湿地净化系统利用植物、微生物和基质间的理化效应和生物学反应实现对污水的净化处理[11]，其基建和运行成本低，出水水质稳定，环境影响小，同时可以进行开放空间建设，是雨水处理系统中最佳的选择[12]。人工湿地净化系统由预处理单元和人工湿地单元组成，配合沉淀池、氧化塘和消毒池等设施，根据需求在各单元连接处设置水质传感器，还可实现净化全程监控。研究表明，植物在人工湿地单元中起着至关重要的作用，不仅可以直接吸收污染物，还通过根系供氧为微生物生存提供条件，维持介质水力传输能力。同时，所选植物的耐污与净化能力、对当地环境的适应能力、根系的发达程度、观赏性和经济价值均须考虑，才能保证人工湿地设计兼具功能性和景观性[13]。

3 管网雨水进行人工水质净化流程

3.1 适用范围

通过对已公开发表设计的人工湿地工程进行统计，分析中国人工湿地设计现状，对多级循环监测人工湿地设计具有借鉴意义，得出各种人工湿地类型相关系数（表3）[14]。

通过分析，本文设计适用于雨污分流系统中管网雨水的净化处理，将城市雨水管网中的雨水进行就近消纳，减轻城市雨水管网压力，净化水质。根据美国环保部门的相关资料，可以利用表面负荷率（ammonium loading rate，简称ALR）来确定并校核人工湿地面积[15]：

式中：AS为湿地面积（m2），Q为平均流量（m3/d），C0为进水污染物浓度（g/m3），ALR为五日化学需氧量（Biochemical Oxygen Demand 5，简称BOD5）表面负荷率（g·m-2·d-1），其值一般为 8～12之间。

笔者采用单位流量的用地面积AS/Q 表征占地指标，确定人工湿地占地面积需要参考其结构和生态系统组成，分析中国已建成的部分工程实例的占地指标，得出湿地占地指标区间大多在2～30 m2/（m3·d），造成占地指标差异较大的主要原因是很多工程设置了污水预处理，使湿地的进水污染物浓度下降，降低了人工湿地占地指标。列举部分人工湿地工程实例的占地指标为本文设计提供参考[16]（表4）。

3.2 全流程模式

人工净水全流程技术是将城市管网中的雨水经人工湿地的阶梯式净化后，将水质污染量降低到景观用水的允许范围，进行河道景观用水的补给。流程主要包括预处理单元、人工湿地单元和消毒存储单元。监测系统在各级分别进行水质监测，并设置不同的水质标准。根据湿地净化最大容量将雨水排入预处理单元，超出承载范围的雨水将回排到雨水管网中。在预处理单元，雨水进入系统先利用格栅及沉淀池进行预处理，过滤掉树叶、杂物、泥沙等大颗粒物，达到初级净化的效果，经水质监测系统监测如水质不达标，则进行回流二次处理，待水质达标后可进入集水池，缓冲后进入人工湿地净化环节。人工净化湿地净化效能：曝氧湿地＞潜流湿地＞自由表面流湿＞湿地塘，占地面积则反之。达到预处理出水标准但水质较差的先进入潜流湿地，经潜流湿地水质监测达标后进入表流湿地，表流湿地净化达标的雨水可进入消毒单元，进行消毒，可用作灌溉、存储与补给河道用水（图1）。

在全流程过程中，不同阶段执行不同的处理功能。每个阶段都根据工艺技术和工程计算其区域大小。使用多个人工湿地净化组团，每个湿地组团通过计算确定其占地大小。各阶段停留的时间和处理流程可以根据进水量和水质做出相应调节，此过程可以依靠数字化的监控设备来实现实时反应。

3.3 运行方式

与小型的雨水花园与净水湿地相比，笔者研究的人工净水全流程技术将生态功能与游览景观功能相结合，可控制各级出水水质，运营成本低、管理成本低、净水量大，在运行过程中通过物联网技术智能管控系统进行水质实时监测，达到最佳的净化效果。随着降雨量的季节性变化，人工净水湿地系统在雨季承担着净化水质、存储水体、补给河道用水的作用；在非降雨时，人工净水湿地系统作用减弱，北方植物景观效果较差，可将湿地中所种植物覆盖于湿地之上，起保温效果的同时，美化冬季湿地效果。

3.3.1 基于物联网技术的水质监测系统

9月5日，第十一届中国农药高层论坛在河南新乡召开。会议围绕农药新政、绿色植保、农产品质量安全、乡村振兴等政策进行深入解读和交流。大会通过探讨农药产业管理动态、绿色植保发展战略，为农药产业发展质量变革、绿色变革、动力变革提供根本路径。本次会议由中国农药发展与应用协会主办。原农业部副部长刘坚，中国农药发展与应用协会会长刘永泉，河南省农业厅党组成员、副厅长邹庆鹏出席了本次会议。

水质监测系统由人工湿地不同位置的水质传感器、水质监测平台服务器、水质监测信息管理系统、水质监测数据库、手机水质监测应用系统APP和水质监测信息服务网站构成[17]（图2），利用物联网将各阶段的出水口处布置的水质监测传感器数据发送到监测中心的水质监测数据库，通过水质监测信息管理系统对其进行监控和管理，当雨水净化后的水质超过设定的标准后，水质监测信息管理系统的水质预警服务功能将进行报警，并通过短信发送到水质监测手机上。工作人员接收监测点水质的结果，可阻止未达标的雨水排入下一阶段。

1 全流程模式Full flow pattern

2 水质监测信息系统Water quality monitoring information system

表4 部分工程实例人工湿地占地指标情况Tab.4 Land occupation indicators of constructed wetland in some projects

水质传感器通过湿地中布置的太阳能电池供电，通过无线移动网络（GPRS/3G/4G）将采集的水温、pH值、溶解氧、氨氮、电导率、浊度传感器采集的数据传输到服务器中的水质监测数据库中供水质监测系统处理（图3）。水质监测信息管理系统提供对水质监测数据库的数据进行管理，通过统计分析和预警模型对数据进行分析处理，通过数据可视化技术对数据进行展示，通过数据共享服务接口为水质监测网站、手机水质监测应用系统APP提供水质监测数据[18]。水质监测数据采用关系数据库进行存储，数据库主要由水质监测数据、水质监测数据允许范围等关系组成。水质监测数据对多项数值进行测量，与不同阶段的水质监测数据允许范围进行比较。不同湿地处理阶段的水质监测数据和水质监测数据允许范围关系模式如下：

1）水质监测数据（城镇编号，日期时间，被传感器编号，水温，pH值，溶解氧，氨氮，电导率，浊度）；

2）水质监测数据允许范围（城镇编号，传感器编号，水温上限，水温下限，pH值上限，pH值下限，溶解氧上限，溶解氧下限，氨氮上限，氨氮下限，电导率上限，电导率下限，浊度上限，浊度下限）。

3.3.2 多级监测筛选

相比传统湿地净水环节，多级监测筛选提高了水质的净化速率与净化质量，将符合标准的雨水分等级排放。平日，雨水管网的雨水直接进入雨水预处理单元；雨量过大时，通过溢流系统将超出承载容量的雨水排入雨水管道中。雨水预处理单元末端设有水质传感器，当水质不达标时，雨水重返预处理单元源头，进行二次净化；当达到标准时，依水质状况选择进入湿地环节。其中水质较优的可直接进入表流湿地；水质较差的进入潜流湿地，经净化后须达到V类水质再流向表流湿地。表流湿地的水经水质监测系统达到Ⅳ类后，进入地下存储区、用于灌溉或直接排到河道中。这种多级监测筛选程序保证了雨水水质的净化效果与净化效率，使雨水在达到标准时，能够快速进入下一阶段的净化，缩短净化周期。

国外现有建成湿地中多采取多级监测净化的方法。建于美国佛罗里达州的瓦科达哈奇湿地（Wakodahatchee Wetlands）在1999年已尝试使用多级筛选，湿地净化系统中的8个单元经分流装置分配水量，每个池塘中的水位可以单独控制，水从区域水净化装置流出后通过分流装置进入6个水处理单元，净化过后的水部分排入运河中进行河流补给，部分排灌到深水井中补充地下水（图4）。泰国皮皮岛人工净化湿地将污水处理站排放的水按顺序进入人工湿地分垂直潜流湿地、水平潜流湿地、表流湿地、曝氧塘进行二次净化，每级设有多个净水池塘，并设有大面积的雨水存储塘，保证净化的水体能够有足够的空间进行存储（图5）。墨尔本皇家公园人工湿地与雨水收集回用系统中，根据水量多少，采取选择性净水路线，在承载能力范围内的公园废水经分流池后进入处理湿地，经处理后，水排入储水区，净化过后的水部分用于园内的植物灌溉；部分用于地下储水；部分补给城市景观用水，排入穆尼湖湾中。在污水量过大时，多出部分从分流池进入大量绕流路径中，最终排入穆尼湖湾[19]34-36（图6）。

表5 人工湿地案例净化水质Tab.5 Constructed wetland purification of water quality

3 水质传感器Water quality sensors

4 瓦科达哈奇湿地运转模型Wakodahatchee Wetlands operation model

5 皮皮岛的人工净化湿地流程Pico Island’s artificial purification wetland process

人工净水湿地系统在满足净水需求的同时，可兼具景观、科普与公众参与的作用。人工净水全流程中，可在人工湿地单元与存储单元进行景观化设计，潜流湿地中架设游览步道，进行科普教育与湿地植物的观赏；表流湿地与自然湿地最为接近，景观美化作用更直接，不仅可设计景观步道与休憩场地，还可设计观鸟设施与场地，提供野生动物栖息空间，进行科普教育。地上的雨水存储单元可进行水上活动的布设，人们可在净化后的雨水存储单元中进行戏水活动，增强参与性。湿地中设计游览步道贯穿全流程始终，可更加生动形象地了解到湿地净水的全流程，进行植物认知和亲水活动。瓦科达哈奇湿地的深水区除具有水质净化的作用，还在其中建有栖息岛，为鱼类与鸟类提供栖息地，并建有环路贯穿各区域，沿途有标志牌介绍植被和野生动物， 进行科普教育宣传，湿地在承载水质净化的同时还为100多种鸟类，为哺乳、爬行和两栖类动物创造了栖息地，丰富了物种的多样性（图7）。墨尔本皇家公园中布置游步道与科普标识系统，寓教于乐，人们在湿地中游览观赏的同时也可了解生态知识。

3.4 净化效果

在传统人工净水湿地的基础上进行实现净水流程多级监测，可以保证污染水体的达标存储或排放。为了对本研究的净水湿地效能进行预测，选择中国北方部分表流—潜流复合型人工净水湿地案例和代表性的墨尔本皇家公园人工湿地进行对比参考[19]35,37,[20-22]（表5）。

通过对各湿地案例对主要污染物去除率的综合分析，说明表流—潜流复合型人工湿地净化效果较为显著，可以预测本文设计的湿地净化系统净化雨水的效能可以满足甚至优于设计标准，成为集水质净化、雨水资源利用、生物保护、科普教育、休闲游憩于一体的湿地特色生态展园，对北方城镇管网雨水净化具有很好的参考价值。

6 墨尔本皇家公园人工湿地与雨水收集回用系统Artificial wetlands and rainwater collection and recycling system in Melbourne Royal Park

7 净水湿地区平面图Plan view of wastewater purification wetland

4 总结

当前，快速城镇建设还将造成不透水区域比例不断提高，北方城市建设虽有海绵城市理念指导，但短期夏季雨水管网的巨大压力并不能得到有效缓解。管网中丰富的雨水资源通过人工水质净化系统，得到合理、低价的储蓄，等同于实现城市内部中等范围的水资源调控，提升干涸河道的生态效益及景观效益。在物联网技术的支撑下，以往不明确的净水过程，可以在层层水质监测下变得精准可控，节约了城市水质净化用地面积。人工湿地水质净化流程的研究是多功能叠加下的多目标途径，用于解决城市问题。

本研究尚处于探索阶段，是基于目前现有技术的综合与优化。如推广全流程人工湿地技术还须明确成本问题，包括建设成本和养护成本。该流程下的人工湿地建设成本不高，且节省用地，但养护成本尚不明确，相较于传统人工湿地会有一定的成本增加。综合来看，其发挥的效益是多元的，社会效益、生态效益折算的价值将远高于成本投入。希望未来的实践探索能够逐渐降低成本，为缓解北方城镇河道缺水现状、解决城市雨洪问题提供新思路。

注释(Note)：

① 指雨季降雨比较集中且雨量较多月份的降雨量之和与全年的降雨总量的比值，即不考虑非雨季难利用的少量降雨。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1～ 5、7～8由作者绘制；图6改绘自参考文献[19]；表1～2由作者自绘；表3根据参考文献[14]绘制；表4根据参考文献[16]绘制；表5根据参考文献[19]、[24]绘制。