基于水质净化的生态功能型湿地应用研究——以厦门马銮湾水生态修复工程为例

赵文斌 徐瑞 ZHAO Wenbin XU Rui

生态文明建设是国家重要发展战略，景观设计行业作为主要践行者之一，参与生态建设实践的方方面面。生态建设中山水林田湖草是生命共同体，水作为基本要素之一，地位尤为重要。但随着经济的快速发展，地表水污染严重，建设具有水生态改善和修复功能的项目成为新的发展方向。目前我国水生态相关研究已颇具成果，形成成熟的理论和技术体系。以马銮湾水生态修复工程为例，介绍生态功能型湿地的定义、分类及工作机制，剖析工艺选型与现场实施过程，以期为相关实践项目提供参考。

水生态；生态修复；水质；人工湿地

0 引言

党的十九大报告指出，建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。“绿水青山就是金山银山，保护环境就是保护生产力”“山水林田湖草是一个生命共同体”“人与自然是生命共同体”等论述为生态文明建设提供了方向指引。

在山水林田湖草生命共同体中，水是基本要素之一，但当前水资源面临的形势十分严峻，学界围绕水资源、水安全、水生态、水环境和水文化展开大量研究与实践。风景园林是重要的环境建设学科，在实践过程中离不开“水”，景观设计作为地表水系组织和利用的重要参与方，在水生态建设中具有关键性作用。基于现有规范要求，人体非接触性景观水体水质需达到地表Ⅳ类水标准，人体接触性景观水体水质需达到地表Ⅲ类水标准。而在项目实践过程中，经常面临无水可用或水质条件较差的困境。因此，风景园林学结合生态学、水力学和水利工程学的多学科交叉研究与实践对解决水污染问题具有重要意义，在以水质净化为主导的生态工程中采取生态景观的处理方式将成为新趋势。通过多年的多学科交叉研究，生态功能型湿地作为一种通过物理或生化方法处理水污染的技术应运而生，广泛应用于工程实践中。

1 生态功能型湿地的定义、分类与工作机制

1.1 定义

生态功能型湿地属于人工湿地的范畴，是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，通过将污水有组织地引入人工建造的湿地中，使污水在沿一定方向流动的过程中利用人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物协同作用得到净化处理。与天然湿地不同，生态功能型湿地是以净化水质为主要目标人工建造的湿地，强化作用机制而非类自然形态。

1.2 分类

生态功能型湿地根据构造和工作原理的差异可分为表流人工湿地和潜流人工湿地。表流人工湿地在模拟自然形态的前提下兼顾一定的水质净化功能，主要依靠水体自身的物理沉降及植物根系的降解提升水质，整体效率较低，且无法定量计算，仅在水质非定量改善时使用；潜流人工湿地是以水质净化为目标的人工湿地系统，根据来水水质和污染物类型可制定对应的工艺流程与填料配方，根据水流流态可分为水平潜流湿地和垂直潜流湿地。

1.3 工作机制

1.3.1 水平潜流湿地

水平潜流湿地的工作机制为：水流水平通过填料种植区，在填料种植区内，水流较缓，物理杂质得到有效沉降，同时填料和植物根系吸附水体中的物理杂质并降解水体中的氨氮、总磷、COD等溶解性污染物。但因接触面较小、每个单元水质改善能力有限、无法定量计算，多用于水动力较充足、水质和稳定性要求不严格、具有较大高差的地理环境，可解决雨水冲刷导致的面源污染、轻微水体污染、静态水体水质保持等问题。

水平潜流湿地成本低廉，可利用现场高差条件线性布局，使整体呈台阶式串联结构，每个台阶的水平工作面为一个湿地单元，内侧填充填料并种植水生植物，利用高差产生的水动力使水流沿水平方向流动，经过每个单元逐级跌落，形成多级串联的水平潜流湿地组合，净化效果叠加，达到水质净化目的（见图1，2）。

1 水平潜流湿地工作机制

2 水平潜流湿地实景（图片来源：http://www.landscape.cn/landscape/9231.html）

1.3.2 垂直潜流湿地

垂直潜流湿地是具有严格工艺要求的人工湿地系统，需根据来水污染类型与严重程度制定工艺流程与填料配方，通常占地面积大，具有较强的水质净化能力，在来水水质稳定的情况下，可定量计算污染去除能力，达到水质定标排放目标。其工作机制为：根据水体中SS、COD、氨氮、总氮、总磷、微生物、重金属和有机污染物等不同污染物类型进行针对性去除工艺设计，按照水流方向分为通过水泵增压、水流自下而上流动的上行潜流湿地和通过重力下渗、从滤床底部排出的下行潜流湿地两种类型。

对于水体中氨氮及总氮含量较多而总磷含量较少的生活类污水来说，由于氨氮和总氮需在富氧环境下由填料床中附着的微生物硝化和反硝化分解，因此常采用上行潜流湿地滤床工艺，由水泵将溶氧较好的污水通过滤床底部增压导入，滤床在有氧环境下自下而上地进行生化反应，最终产生氮气并随水流从滤床顶部排出，水流进入下一个布水渠和滤床单元，滤床的填料粒径与吸附表面积自下而上越来越小，以适应硝化细菌与反硝化细菌的附着和生长，同时有利于水流穿透。上行潜流湿地具有较好的氮类污染去除能力，污染去除率高，但是造价和运维成本较高，要求水体中杂质含量低，否则滤床易堵塞且清淤难度大。

对于氨氮、总氮、总磷含量均较多或总磷含量相对更多的洗涤类污水来说，可采用下行潜流湿地滤床工艺。富氧污水通过重力作用自上而下通过滤床，滤床填料和菌种分别为好氧、兼氧厌氧和严格厌氧配方。上层氧气充足，适合COD、氨氮类消除；中层氧气减少，适合总氮类消除；底层无氧，适合总磷类消除，最后经由底层滤床盲管导出。下行潜流湿地可同时兼顾多种污染物的去除，无需水泵动力增压，造价和运维成本相对较低，但单个单元去除率较低，需要多级串联达到净化效果。

无论水平潜流湿地还是垂直潜流湿地，工作机制均包括吸附、沉淀、滞留、氧化还原、微生物分解、转化、植物吸收及各类动物作用。生态功能型湿地在应用时需根据实际需求和目标进行选型与设计，也可根据实际情况进行多类型结合，通过复合工艺达到净化目标。

2 马銮湾水生态修复工程概况

2.1 项目背景

厦门杏林马銮湾位于厦门港西海域西北隅，与厦门岛隔海相望，具有典型的海湾地形特征，地理位置得天独厚，具有建设滨海城区和发展滨海旅游的优越条件。但马銮湾近年排污严重，湾内水质恶化，改善马銮湾及其周围水环境、修复海域生态环境和功能、提高海域环境质量的需求极其迫切。

2.2 问题与需求

马銮湾水生态修复工程是马銮湾片区水生态环境综合整治的重要环节，主要解决深青溪和瑶山溪两条河流在此入海的水质问题。目前，深青溪和瑶山溪因上游生活污水、工业污水无序排放及降雨不规律导致季节性水生态基流不足，水质恶化严重，无法达到入海水质要求，对马銮湾片区内湾海域水质造成严重污染，水环境问题突出。

该项目解决方案为：在两河入海口处建立一个大型水生态修复系统，通过调配水量、净化水质、调节水位、改善环境等多种措施并用及多专业协同，处理复杂的水生态问题，以满足河水入海要求，改善内湾环境，改变区域生态。经多专业的方案比选论证，最终采纳实施生态功能型湿地水质净化方案。

3 以水生态为核心的方案设计

3.1 现场调研与策略思考

根据现场踏勘与水利巡查，深青溪和瑶山溪目前水量均相对较少，只有雨季水量充沛，其他季节为雨季尾水、生活生产排污和污水厂中水形成的混合污水。由于厦门全年气温较高，水生态恶化严重，特别是3—5月（雨季来临前），瑶山溪河水属黑臭水体，深青溪河水也属严重污染水体，现状水质检测情况如表1所示。

表1 现状水质检测情况

前期方案阶段，设计团队针对如此严重的水质问题一度打算采用工业污水处理办法，即建立污水处理厂或采用工业级污水处理设备搭配自然式湿地的模式，以污水处理厂或工业级污水处理设备作为水质净化的主要手段，湿地用于辅助水环境改善。但该方案存在诸多弊端，如河水水量大、规律性差导致的造价及运维费用高昂，不能改善河道沿岸水生态环境。在多方讨论下，方案通过多个水库联动、接通上游多个污水处理厂尾水对深青溪和瑶山溪上游进行联合补水，保障河道生态基流，稀释污水浓度，改善两河水环境。通过对两河进行水文研究和生态基流模型推算，最终确定补水方案和补水量，控制两河水质达到地表Ⅴ类水标准，稳定河水流量。在此基础上，生态功能型湿地可发挥建设与运维成本低廉、净化效果显著的优势，为两河水生态处理提供关键保障。马銮湾水生态修复工程占地面积约81hm2，现状为大量养殖鱼塘，场地平整，高差变化较小，适合布置生态功能型湿地模块（见图3）。

3 马銮湾水生态修复工程平面

3.2 生态功能型湿地工艺选型与工作机制

通过补水方案，深青溪水质得到较大改善，控制在地表Ⅳ类水平，而瑶山溪控制在地表Ⅴ类水平，枯水期为劣Ⅴ类水体。据此，重点处理水系为瑶山溪，深青溪作为整个湿地系统的生态水源补充，整体纳入水质净化系统。生态功能型湿地以瑶山溪全部水量为标准设计净化能力，将地表Ⅴ类水或劣Ⅴ类水净化为Ⅳ类水，枯水期通过深青溪生态补水保证生态功能型湿地模块的生态基流用水。

瑶山溪侧通过液压翻板闸主动可控引水装置进行湿地引水，保留直接入海行洪河道，在极端情况下，保证瑶山溪洪水快速入海，防止湿地内涝或因冲刷导致结构损毁。进入湿地系统的河水首先经过前置的物理沉降池，沉降、过滤河水中的杂质和泥砂，保证进入生态功能型湿地单元的水质稳定性。根据瑶山溪上游排污情况调研与水质检测，河水中以生活类污水和洗涤类污水为主，SS、COD、氨氮、总氮、总磷含量基本相同，综合考虑水体污染情况及后期运维成本，设计采用下行垂直潜流湿地工艺。因河水水量较大，选择设计面积较大的单体湿地模块单元，便于快速下渗，同时采用两路并联水流通道设计，分散水流，减缓流速，保证水流在湿地模块中的滞留时间，更好地降解水中污染物，并通过多级湿地串联保证出水水质达标。在每个湿地模块布水渠中均设置推流泵，为水流增氧并保持水动力，保证整个工艺的溶氧量满足净化需求。通过湿地模块的尾水最终进入一个大型景观湖面，进行进一步生化降解反应。深青溪大部分时段污染较轻，通过单个湿地模块后进入景观湖面，当湿地模块需要生态补水及深青溪水质不达标时，可通过水利控制系统进入湿地模块源头，参与整个湿地净化过程。水系统路径与竖向水动力情况如图4，5所示。

4 水系统路径分析

5 竖向水动力分析（单位：m）

根据瑶山溪生态功能型湿地待建区现状、来水水量、来水水质、设计要求等条件，通过对湿地承载力和来水水量、水质的匹配计算，得到其处理污染物能力、平均出水指标及总水域平均出水指标（见表2）。

表2 处理污染物能力、平均出水指标及总水域平均出水指标

最终该项目选用下行垂直潜流湿地工艺，净化湿地面积约41818m2，可满足设计水质净化目标。

3.3 配套公园建设

在整个水生态系统布局和基于水生态修复的湿地公园系统布局满足工艺要求的同时，种植水生植物，通过湿地栈道游览体系、公园绿化及配套服务设施，形成一处“碧泽溪畔观鹭鸟，悦游园中享自然”的优美大型湿地公园，在改善区域水生态的同时优化区域生态环境，创造优质绿色空间，提升区域品质，放大区域竞争优势（见图6～11）。

6 功能分区

7 水生态修复效果

8 湿地荷塘（图片来源：刘启龙）

9 湿地生境（图片来源：刘启龙）

10 湿地公园鸟瞰（图片来源：刘启龙）

11 净水湿地（图片来源：刘启龙）

4 结语

水资源、水安全、水质、水环境是水生态要素的主要矛盾和矛盾的主要方面，是园林景观的基本组成要素。未来园林景观不仅涉及园林艺术的设计表达，而且会在生态技术的加持下，沿着生态化和多学科交叉路线前进。类似马銮湾水生态修复工程具有一定目标需求的综合型生态景观项目会越来越多，该类项目不仅要面对景观问题，还要解决一个或数个生态问题，无论山水林田湖草相关的大尺度生态问题，还是城市中小尺度的具体生态问题，均需紧密结合技术来解决。将问题解决与景观艺术结合是未来园林景观发展的新路径。