基于海绵城市视角的城市雨水湿地设计

黄志敏

中国市政工程华北设计研究总院有限公司广州分公司，广东 广州 511400

1 工程概况

某市海绵城市建设项目所在地区为副热带季风性湿润气候，终年雨水充沛，年平均降水量为1385mm、年平均降水日数为138d；该地区早期建设有一座容积为5.2万m3的蓄水池，海绵城市项目建成后可用于处理蓄水池雨水排放问题，以及上游河道污水处理问题；该工程人工湿地的设计进水量为8万m3，设计目标是将河道上游雨水水质处理后达到Ⅳ标准，以此达到治理城市黑臭水体的目的。

2 基于海绵城市的雨水湿地设计

2.1 处理工艺及设计特点

（1）雨水湿地处理工艺。采用分级组合式人工湿地工艺，方式为三级串联人工生态湿地，分别为潜流人工湿地、表面流人工湿地及稳定塘，整个雨水湿地处理系统采用高程重力自流的形式，工艺流程如图1所示。

图1 雨水湿地处理工艺流程

（2）雨水湿地设计特点。针对城市黑臭水体治理，该工程采用人工湿地系统净化后的雨水作为主要补水水源，将雨水湿地系统与黑臭水体治理相衔接，能够确保减少雨水排放的同时，显著改善城市黑臭水问题。

2.2 技术指标

（1）湿地选址、生态需水量及面积设计。针对该项目在资金投入、成效方面等综合考虑的情况下，将工程选址确定在城市周边经济价值相对较低，并且后期施工中土方量运用较小的低洼区域。另外，结合项目中生态需水的需求，项目需要靠近河道等水系，以确保项目在旱季、缺水季的水系有效循环，或者在雨季时便于对蓄水进行调整。该项目雨水湿地生态需水的计算主要由水面蒸发消耗需水、渗漏消耗需水和水体置换需水三部分构成。

其中，水面蒸发消耗需水WW的计算公式如下：

式中：F为雨水湿地实际补水面积，m2；E为实际测量中水面蒸发量，mm。

渗漏消耗需水Wu是指在雨水湿地最低水位高于地下水位时渗漏至地下水的水量，具体计算公式如下：

式中：K为渗透系数经验值；F为雨水湿地实际补水面积，m2。

水体置换需水Wz是指雨水湿地在运行一定周期后堆积的污染物将会造成水质的恶化，此时需要通过换水的形式保障水系良好的流动，具体计算公式如下：

式中：H为雨水湿地需要补水区域的水深，m；N为补水区的换水周期，d；F为雨水湿地实际补水面积，m2。

（2）雨水湿地面积设计。根据水力负荷理论计算出雨水湿地的设计面积A：

式中：Q为污水流量，m/d；Nq为水力负荷值，m3/（m2·d）。

该项目雨水湿地设计中水力负荷取值标准依据《人工湿地污水处理工程技术规范》（DGT J08—2100—2012），项目中潜流人工湿地水力负荷需达到0.8m3/（m2·d），且雨水湿地设计面积需满足10万m2。水质预期经过潜流湿地系统处理后，可符合国家出水水质标准；通过表面流人工湿地能够将污染水体中存在的污染物基本去除，并实现水质的调节及活化效果，采用具有较强净化作用的植物，其中一级表面流人工湿地水力负荷为1m3/（m2·d），一级稳定塘水力负荷为4m3/（m2·d），二级表面流人工湿地水力负荷为1.6m3/（m2·d），二级稳定塘水力负荷为8m3/（m2·d），经过计算，各级湿地对应面积分别为8万m3、2万m3、5万m3、1 万 m3。

（3）构筑物尺寸设计。该项目中各级雨水湿地构筑物规格参数如表1所示。

表1 各级雨水湿地构筑物规格参数

（4）水力停留时间设计。在雨水湿地中水力停留时间反映了污水的处理时间，其可作为污水处理程度的主要指标，在实际中主要受湿地构建规格、植被、地基材料渗透系数以及水力坡度等参数的影响。通常情况下，水力停留时间不宜超过24h，并且在暴雨环境下应保持0.5h以上，因此普遍将水力停留时间保持在10～15h，以达到良好的污水处理效果。该项目中设计单日污水处理流量为8万m3/d，并设计相匹配的池容量，经过计算后该项目中潜流湿地水力停留时间为24h，一级表面流人工湿地水力停留时间为12h，一级稳定塘水力停留时间为12h，二级表面流人工湿地水力停留时间为7.5h，二级稳定塘水力停留时间为9h。

（5）基质的选择设计。雨水湿地中采用的基质能够在保障植物、生态微生物生长的同时，又能起到过滤、沉淀以及吸附污染物、重金属等作用，相关工程中普遍采用砂、砾石、沸石、石灰石、塑料等。该雨水湿地项目中基质采用多材料组合的形式，其中将砾石作为主要填充物，并配以沸石消除水质中的氨氮，利用钢渣消除水质中的磷，雨水湿地中填料层粒径设计为5～32mm，孔障率为30%～40%，填充材料层的厚度为125cm。

（6）植物的选择设计。利用具有高净化水质作用的植物是当前雨水湿地中污染防治的重点技术，据相关的研究显示，雨水湿地初期采用芦苇、菖蒲、美人蕉等水生植物能够起到极为显著的污染治理成效。该项目考虑到水生植物对极端环境的适应性、生长周期、成本的投入等因素，最终选取芦苇、菖蒲、薰草及香蒲4种水生植物，种植密度为9～25株/m2。

3 雨水湿地运行效果

该项目建设完成并运行后呈现出了较好的污水处理效果，运行半年后项目水质的检测结果显示，经过处理的水质可达到国家的Ⅳ标准，治理效果显著。工程实施前后水质标准检测结果如表2所示。

表2 出水水质标准检测指标 单位：mg/L

4 项目投资及运行成本

该雨水湿地项目总占地面积为26万m2，总投资金额为1.07亿元，项目中各分项成本构成如表3所示。

表3 项目各分项成本构成

该雨水湿地项目后期运维费用为306万元/年，其中包括区域保洁养护费用为16万元/年、项目中各个分项单元的养护费用为168万元/年、水生植物的调控费用为62万元/年、项目中各设施的运维费用为60万元/年。

5 结束语

雨水湿地是目前乃至将来城市生态网络中重要的构成部分。为了进一步促进经济的快速发展，满足人们日益增长的物质及文化层面的需求，应将雨水湿地建设规划作为城市化建设进程中的主要战略，通过采用先进的技术及新型的材料，构建出科学化、可持续健康发展的城市生态环境。文章通过探究基于海绵城市的雨水湿地设计方案发现，利用雨水湿地能够有效处理雨水径流所产生的污染问题，具有重要的推广应用价值。