人工湿地技术在居住小区景观中的应用

　　城市居住区水体缺乏与外界循环流动，在一定天气条件下的水体富营养化现象比较明显，通常需耗费大量的水资源保持小区景观环境效果，运营成本较高。人工湿地净化技术采用生物净化方式可实现分级净化污水、改善景观水质，低成本、高效率降低水体富营养化程度，并使水质长期保持清澈和洁净状态（图1）。 

图01 宜人的湿地居住环境
Fig.01 The pleasant residential environment

　　1 湿地、人工湿地

　　湿地是指陆地上常年或季节性积水和土壤过湿的地区，并与其生长、栖息的生物物种构成独特的生态系统，包括天然或人工、长久或暂时的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有静止或流动、咸水或淡水、半咸水水体，低潮时水深不超过6m的水域。湿地不仅仅是我们传统认识上的沼泽，滩涂，还包括部分河流、湖泊、鱼塘、水库和稻田等。
　　人工湿地技术大致包括自由表面流湿地和潜流人工湿地，自由表面流湿地占地面积大、水力负荷小、氧气含量不足，系统运行受气候影响大，而潜流人工湿地的水力负荷和污染负荷大，对降低BOD （5日生化需氧量）、COD（化学需氧量）、SS（悬浮物）效果好，且少有恶臭和孳生蚊蝇现象。
　　居住区人工湿地多采用潜流人工湿地，由人工建造和控制，以四大基本要素即水体、基质、水生植物和微生物组成，通过基质、水生植物、微生物以及三者之间的一系列物理、化学、生物的作用，完成对污染物的高效去除过程，形成独特的生态环境。

　　2  碧湖云溪人工湿地的应用
　　
　　2.1 人工湿地构思
　　受天气条件的影响，国内一些地区城市的水环境普遍存在水体富营养化现象，水质下降并散发难闻气味，通常采用补充水源或更换水体的方式改善水环境，据资料显示，以城市饮用水作为景观用水的水源，若换水量在300m³以上，景观换水没有了经济意义；若换水量在5000m³以上，采取更换水体更无现实意义。碧湖云溪居住小区水容量约为3600m³，是一个与外界没有联系的封闭水系，整体水环境生态阈值偏小，随着居住区投入使用，水质富营养化程度将明显增加，因而考虑采用人工湿地技术提高生态阈值。
　　2.2 湿地菌床系统设计
　　碧湖云溪位于合肥市，总用地面积为28公顷，内有四个自然水系，项目分三期建设，此次设计范围为第一期建设用地，用地面积约8公顷，地形为西南高、东北低的缓坡，水系面积5000m²、水量为3600m³、平均水深0.7m，比较适合运用人工生态湿地技术。
　　小区保留了湖区自然地形，利用水泵多次循环调水形成流动水环境，设置位于水底的菌床系统（由微生物和基质构成）降解水中有机污染物，种植抗污能力强、吸附效果好的水生植物，吸附和分解N、P等难溶有机物，通过基质—微生物—植物这个复合生态系统的物理、化学和生物三重协调来实现对废水的高效净化（图02）。 

图02 人工湿地循环和净化示意
Fig.02 A diagram of water circulation and purification process

　　碧湖云溪人工湿地水系由基质，菌床、浅滩和底泥等四个系统构成(图03)。
　　菌床系统一位于小溪的上游和中游部分，水深较浅，水流速度相对平缓，设计长度100m，铺设20cm卵石生物填料（图04)； 
　　菌床系统二位于小溪的下游部分，设计长度50m，宽度3m，卵石生物填料厚度1m，采用卵石或者块石分三层铺设；
　　浅石滩面积为菌床系统一的0.5倍，是菌床系统二面积的6倍，与底泥交接处自然过渡（图05)；
　　底泥系统采用多年荒芜且有一定肥力的水稻土，通过生物作用达到良好的水质标准。 

图03 人工湿地系统平面图
Fig.03 Plan of artificial wetlands 

 
图04 菌床系统及堰坝
Fig.04 The bacteria-bed system and the dam 

 
图05 浅石滩系统
Fig.05 The pebble beach system

　　根据水系水质条件和水流流速要求，设计了相应的人工湿地基质参数，规定了基质大小和基质缝隙，以满足菌床系统的过滤净化要求（表1）。

表1潜流型人工湿地系统参数

Table 1 The parameters of subsurface wetland system

　　2.3 湿地园林设计
　　潜流人工湿地技术要求水体在水下基质缝隙间缓慢流动，以实现潜流净化目的，景观园林设计过程中结合这些相关技术要求，在水溪沿线建造若干堰坝，使水体经堰坝钢丝网下潜流动，经水下菌床吸附和过滤作用后，完成净化过程 (图06-图07)。

图06 堰坝剖面图
Fig.06 Profile of the dam

图07 堰坝立面图
Fig.07 Elevation of the dam

　　结合跌级瀑布或通过水中汀步设计，多种形式使水体连续数次完成潜流过程，并实现多级过滤净化和曝气充氧，提高水体质量（图08）。

图08潜流净化的应用
Fig.08 The application of purification

　　在雨季时，启用水位的调节阀门以增加存水容量，通过提高阀门存储收集雨水，将雨水运用于水系的主要水源。雨水为小区节约了大量的水资源和管理成本，使小区在枯水季节有足够水量维持景观水景效果，调节和改善的小气候环境，增加水中鱼类活动范围和扩大食物来源。从景观效果来看，提高岸线的做法，利用高低不同的水面，可形成出多样的、有趣的岸线景观（图09-图10）。

图09 有趣的水景景观
Fig.09 Interesting water features

图10亲水岸线
Fig.10 The hydrophilic waterfront

　　2.4 湿地水、电专业设计
　　和自然湿地相比，碧湖云溪水系是一个与外界缺少循环、生态系统比较脆弱、需要人为辅助管理的水循环系统。根据水系条带状形式，水循环采用了串联式形制，即在低水位区域设置入水口，水体被调往上游高水位区域后，以景观涌泉曝气充氧作为出水形式，在微重力状态下向下游浅滩系统和泥塘系统区域流动，完成在低水位调水，高水位潜流过滤过程，多次调水作用，水质逐步由浑浊变清澈（图11）。
　　结合景观溪流和瀑布的水形和水声效果，考虑以5天一次水净化的周期,计算水流量为30m³/h，因景观设计日夜流量的差别，循环泵工作实际流量为70m³/h，从现场景观效果和湿地运营来看，水流设计可满足净化要求。

图11 水循环示意图
Fig.11 The process of water circulation

　　2.5 湿地植物设计
　　水生植物在生长过程中能吸收污水中的无机氮、磷等营养物质，污水中氨氮可以被植物直接摄取，合成植物有机氮；污水中的有机氮通过系统中微生物来降解；无机磷在植物吸收及同化作用下可转化为植物的ATP、DNA、PNA等有机成分，最终通过植物的收割而从湿地系统中去除。 　　　　　　　　水生植物对净化水体有明显作用，但相对人工湿地技术而言，由于存在水流因素影响，其设计与普通水景有所区别。碧湖云溪水系把水生植物的抗污染特性作为主要评价指标,结合植物的光合作用、蒸腾作用、吸收污染物特性等测定指标,选择适应水流作用的水生植物种类，以形成抗性较强的植物群落和水质分级净化的复层植物群落。 
　　底泥系统是整个湿地水系中最深部分，重点选用了水鳖科、金鱼藻科、茨藻科和眼子菜科等类别植物，这些植物能适应水体流速，对吸收水中的重金属离子，降低水体的COD值效果明显。底泥周围的浅石滩附近的进水口处，选用了黑藻（Hydrilla verticillata）、苦草（Andrographis paniculata Nees）、马来眼子菜（Potamogeton malaianus）等能适应较强流速水环境等植物；而狸藻（U.vulgaris）、茨藻（N. marina L. /Spiny Najad）、小茨藻(N.minor)、菹草(Potamogeton crispus)等沉水植物则更加适合于静水或者缓流环境（图12）。 
　　除了水流因素外，水温和光照面积是影响菌床净化效果的条件之一，碧湖云溪菌床平均水深为20cm，夏季和冬季气温差别比较大，为避免水温影响净化效果，通过采取控制湿地植物垂直投影遮荫面积达到调节水体温度的方式，保证菌床菌种生长。
　　结合垂柳（ S.babylonica）、毛白杨（  Populus tomentosa）、水杉（Metasequoia glyptostroboides）、落羽松（Glyptostrobus pensilis）等岸边喜水植物，和美人蕉（Canna indica）、鸢尾（Iris tectorum）等水陆两栖的湿地植物，以及挺水、浮水、沉水植物形成从陆地到水中的复层植物群落（图13）。相对于水生植物而言，陆生植物对湿地水体水质变化的敏感程度较低，设计时则以抗性强的乡土树种为主,结合抗污性强的新优植物，达到适度粗放管理的要求，提高植物成活率，并有效降低绿化养护成本，在后期运营过程中还加入动物养殖，在水中放养鱼、虾等动物。 
　　从现场效果来看，人工湿地水系模拟自然水环境取得预期效果，栽种的水生植物生长茂盛，季相搭配合理，挺水植物、浮水植物、沉水植物形态特点明显，居民普遍对水生植物满意度很高。

图12 湿地植物种植示意
Fig. 12 The cultivation of wetland plants

图13 水岸复层植物群落
Fig.13 The plant community of the waterfront

　　3  湿地水体评价 

　　人工湿地系统达到最优净化处理效率需2~3个生长周期，碧湖云溪人工湿地技术投入使用至今已有3年，在进水浓度较低的条件下，人工湿地对BOD 的去除率可达85%—95%，COD去除率可达80%以上，处理后水样本的BOD 的浓度在10mg/l左右，SS小于20mg/l，水中大部分有机物作为异样微生物的有机养分，最终被转化为微生物体及CO2、 H2O，可达到国家城市景观水质五类水质标准（图14），采用人工湿地潜流技术具体解决了下面几个问题：
　　水清问题，运用人工湿地技术模拟自然水景生态系统，提高水体抗污染荷载能力，可使水体长期保持清澈和无异味的状态； 
　　水美问题，通过养种水生动植物（如鱼虾、水草等），营造多样有趣的水景景观；
　　维护问题，人工湿地生态系统具有高效净化、高效过滤和自我恢复能力，在一定的污染荷载下，可以保证水质长期稳定，日常维护成本低。

图14 水体长期保持清澈洁净
Fig.14 Keep up a clear-water environment

　　结语：

　　节约用水将是我国社会发展的主题，随着国家有关城市景观水质标准的出台和景观用水规范的实施，人工湿地技术已逐渐为人们所重视，并开始运用到城市相关设计中，潜流型人工湿地处理城市居住区景观水环境处理有许多优点，但要推广应用尚存在一些不足，包括以下几个方面： 　　　　　　　　　　　　　　
　　(1)土地问题 　
　　以往经验表明，人工湿地处理1m³生活污水需要占地5~10m²。即使是水污染程度较低的景观水净化处理，土地实际需要量仍然很大，潜流型人工湿地技术仅适合用于占地面积较大、容积率较低的水体净化项目，高效菌种的研究有待提高。
　　(2)净化问题
　　人工湿地技术难以去除污水中的氯化物、高浓度氮氨、色度等，活性碳、微孔过滤、生物栅等新技术有待开发。
　　(3)水体问题
　　水量3000 m³-5000 m³的水系比较适合运用人工湿地净化技术，超此范围内的水体因循环时间过长及水泵调水成本过大，需结合实际项目具体分析。
　　(4)池底结构问题
　　人工湿地应如何处理池底防漏及与地下水双向流动的问题。
　　(5)水质评价体系问题
　　居住区人工湿地质量存在地域性和季节性差异，相同地区的水质和净化效果差异比较大，需多方面综合设计评价。