基于海绵城市理念的雨水湿地系统构建

孙玉童， 方志华， 夏明升， 刘程

（安徽省通源环境节能股份有限公司， 合肥 230031）

随着我国城市化进程的快速推进， 国内许多城市饱受洪涝和缺水问题的双重困扰。 为此， 我国提出了“海绵城市”的理念， 它的原理是在雨季时蓄积雨水并通过一些途径将雨水净化加以利用， 从而能够弹性的应对环境变化［1］。 湿地作为城市之肾， 在海绵城市中扮演着重要角色， 不仅具有净化水质的作用， 还担负着雨水水量滞蓄任务［2］。 许多研究者发现人工湿地可通过基质、 微生物以及植物的协同作用对雨水中的污染物进行有效的削减， 使雨水中COD、 氨氮、 TN、 TP 达到预期的排放标准， 提升水质［3－7］。 同时， 人工湿地中的浅滩结构和丰富的植物种类具有较好的导水作用［8－9］， 能对雨水进行高效的存储， 从而削减径流总量［10－12］。 我国有关人工湿地在海绵城市中运用的研究尚处于起步阶段，鲜见成熟的设计方法。 本文以某海绵城市中雨水湿地项目为例， 介绍了雨水湿地系统的构建及其处理效果， 以期为类似湿地控制和治理初期雨水径流污染处理提供参考和借鉴。

1 工程概况

本工程是安徽省西南部某海绵城市建设试点项目。 该地区属于亚热带季风气候， 雨量充沛， 多年平均降雨量为1 438 mm， 平均降雨天数为142 d。本工程整治内容主要包括湿地森林公园综合利用初期雨水生态处理工程及周边黑臭水体整治。 该市前期设计建立了一座调蓄池， 设计蓄水量为50 000 m3， 本次设计的人工湿地系统主要用来处理调蓄池定期排放的雨水， 同时兼顾上游河道的污水， 综合以上因素， 人工湿地设计进水量为80 000 m3， 经调蓄池后进入人工湿地的水质检测指标见表1。 设计目标为河道上游雨水湿地系统处理后的主要水质指标达到地表水Ⅳ类标准， 下游水体消除黑臭。

表1 进水水质指标Tab. 1 Influent water quality

2 处理工艺流程及特点

2.1 处理工艺流程

本工程中处理初期雨水采用组合式人工湿地工艺， 设计为三级湿地串联， 包括潜流型人工湿地、表流型人工湿地和生态稳定塘。 经调蓄池初步处理过的雨水首先通过DN 1 200 mm 管道压力输入潜流湿地， 潜流湿地出水依次流入一级表流湿地和一级生态稳定塘， 然后再通过二级表流湿地和二级稳定塘， 最后出水流入生态沟渠。 整个湿地水体流动通过设置湿地高程实现重力自流， 进入潜流湿地的进水水位高程设置为10.05 m， 一级表流湿地、 一级生态稳定塘、 二级表流湿地、 二级生态稳定塘高程分别为9.50、 9.30、 8.90 和8.75 m。 具体工艺布置如图1 所示。

图1 雨水湿地工艺布置Fig. 1 Rainwater wetland process layout

2.2 设计特点

本次工程将人工湿地系统净化后的雨水作为黑臭水体的补水水源， 创新性地实现了雨水湿地系统与黑臭水体整治的有机结合， 既减少了雨水的排放， 又改善了黑臭水体水质。

3 人工湿地主要技术指标

3.1 人工湿地面积

湿地的面积设计主要依据水力负荷， 其计算公式为：

式中： Q 为污水流量， m3／d； Nq为水力负荷，m3／（m2·d）。

人工湿地的水力负荷取值范围可参照HJ 2005—2010《人工湿地污水处理工程技术规范》， 其具体参数根据预处理程度、 水量选取［13］。 本工程潜流型人工湿地采用较高的水力负荷0.8 m3／（m2·d）计算， 需要建设的湿地面积为100 000 m2。 经潜流湿地系统处理后出水基本达到出水水质目标， 表流湿地对尾水的处理主要起到去除剩余污染物和水质活化及稳定调节的作用， 使水质稳定达标。 根据本公司工程经验， 选取高净化能力植物， 一级表流湿地水力负荷可采用1 m3／（m2·d）， 一级生态稳定塘的水力负荷采用4 m3／（m2·d）， 二级表流湿地水力负荷采用1.6 m3／（m2·d）， 二级生态稳定塘水力负荷采用8 m3／（m2·d）， 其计算出来对应的湿地面积分别为一级表流湿地80 000 m2， 一级生态稳定塘20 000 m2， 二级表面流湿地50 000 m2， 二级生态稳定塘10 000 m2。

3.2 构筑物尺寸

各类型湿地构筑物尺寸如表2 所示。

表2 各类型湿地构筑物尺寸Tab. 2 Structures′ size of differenty types of wetlands

3.3 水力停留时间

水力停留时间是人工湿地设计中的一个重要参数， 其受湿地长度、 宽度、 植物、 基地材料渗透率、 水深和水力坡度等因素影响。 根据研究数据表明， 一般水力停留时间最大不超过24 h， 暴雨期间至少有30 min 的水力停留时间以保证处理效果，水力停留时间达到10~15 h 就可以达到很好的处理效果［14］。 依据日处理污水量（80 000 m3／d）和设计池容， 计算可得本工程中潜流湿地设计水力停留时间为24 h； 一级表流湿地为12 h； 一级生态稳定塘为12 h； 二级表流湿地为7.5 h； 二级生态稳定塘为9 h。

3.4 基质选择

基质是指在人工湿地床体内用以提供人工湿地植物与微生物生长并对污染物起过滤、 沉淀、吸附等作用的填充材料， 一般是砾石、 砂子、 土壤和煤渣等［15］。 本次工程中选用多种填料布置方式， 主要填料是砾石， 辅助少量的沸石和钢渣作为强化介质， 同时沸石用来强化氨氮的去除， 钢渣用来强化磷的去除。 填料层的粒径为5 ～30 mm， 孔隙率为30%～40%， 厚度为125 cm。

3.5 植物选择

水生植物的选择使用是人工湿地正常发挥污染治理效能的关键所在， 很多工程经验表明利用人工湿地处理初期雨水技术应用效果最好的水生植物有芦苇、 菖蒲和美人蕉。 同时考虑到植物的生长期， 本次也选用了四季常绿的风车草、 常绿鸢尾和灯芯草。

4 运行效果

本工程运行以来处理效果一直很稳定， 出水水质良好， 主要水质指标可达地表水Ⅳ类标准，具体的检测指标见表3。

表3 出水水质指标Tab. 3 Influent water quality

5 投资及运行成本分析

本工程占地260 000 m2， 总投资10 694.50 万元， 具体的分项成本见表4。

表4 工程投资分项成本Tab. 4 Sub-cost of project investment

后期湿地运营维护成本为306 万元／a， 其中卫生保洁养护16 万元／a， 湿地单元养护168 万元／年， 水生植物调控62 万元／a， 设施运维（包括布水渠、 集水渠、 管道、 阀门等）60 万元／a。

6 结语

本次工程采用三级湿地串联技术对初期雨水进行处理， 处理后的出水主要水质指标可以达到地表水Ⅳ类标准， 结果表明人工湿地对雨水径流污染有良好的去除效果， 在初期雨水处理推广使用上具有可行性。