人工濕地設(shè)計(jì)方法與原則

于繼強(qiáng) 吳華德 周方文

摘 要：在綜合評(píng)估國(guó)內(nèi)外人工濕地設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，探討如何確定人工濕地的基質(zhì)、植物、水流方式和結(jié)構(gòu)類(lèi)型，系統(tǒng)闡述選擇多種主要因素的相關(guān)理論及方法，以期豐富人工濕地設(shè)計(jì)體系的研究。

關(guān)鍵詞：人工濕地;設(shè)計(jì);方法;原則;植物

引言

人工濕地內(nèi)部組成主要包括基質(zhì)、植物、水、動(dòng)物和微生物。目前，針對(duì)人工濕地內(nèi)部成分的研究主要傾向于背景知識(shí)和處理機(jī)理，呈現(xiàn)出重理論、輕設(shè)計(jì)的現(xiàn)象。工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)人工濕地的構(gòu)建，對(duì)于人工濕地具有重要作用。在人工濕地的設(shè)計(jì)中，基質(zhì)、植物和水是設(shè)計(jì)的主要因素，但目前選擇基質(zhì)和植物，以及確定水流方式的體系還不夠完善。因此，在綜合評(píng)估國(guó)內(nèi)外人工濕地設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，探討如何確定人工濕地的基質(zhì)、植物和水流方式，系統(tǒng)闡述選擇多種主要因素的相關(guān)理論及方法，以期豐富人工濕地設(shè)計(jì)體系的研究。

1 海綿城市背景下人工濕地設(shè)計(jì)原則

1.1多學(xué)科合作原則

只有通過(guò)多學(xué)科的共同努為綜合生態(tài)學(xué)、景觀學(xué)、生物學(xué)、水文學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的知識(shí)才能實(shí)現(xiàn)成功的海綿城市建設(shè)。

1.2遵循法律原則

在海綿城市建設(shè)時(shí)，要明確項(xiàng)目所在地的用地屬性，在此基礎(chǔ)上關(guān)注相關(guān)法律規(guī)范。這些具有相應(yīng)法律效率文件保障了海綿城市背景下人工濕地的正確實(shí)施和運(yùn)行。

1.3保護(hù)優(yōu)先原則

城市人工濕地能夠?yàn)橐吧鷦?dòng)植物提供棲息地，在城市人工濕地設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減少對(duì)生境的改變和控制，在豐富城市物種多樣性的同時(shí)防止物種入侵。人工濕地的設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注生態(tài)廊道的連通性，加強(qiáng)城市人工濕地系統(tǒng)與周邊區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境的關(guān)聯(lián)，確保城市人工濕地的可持續(xù)發(fā)展。

1.4因地制宜原則

城市人工濕地作為兼具匯水、凈水及景觀效果的低影響開(kāi)發(fā)綠色基礎(chǔ)設(shè)施，其效果是最佳的，但是絕不能盲目的建設(shè)。在規(guī)劃建設(shè)的初期，需要通過(guò)科學(xué)的模擬、檢測(cè)確定海綿城市人工濕地建設(shè)的可行性。

1.5可持續(xù)發(fā)展原則

在人工濕地的設(shè)計(jì)中要最大限度的保留場(chǎng)地的自然屬性，降低對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的破壞，彰顯其生態(tài)效益。也就是說(shuō)在人工濕地建設(shè)中應(yīng)順應(yīng)現(xiàn)狀高程、地形、水文等基址條件，合理利用現(xiàn)狀資源，減少人工痕跡。

1.6循環(huán)與再生原則

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到資源、物質(zhì)、能量是有限的、不容浪費(fèi)的。在自然界的發(fā)展演替過(guò)程中逐漸形成了自我調(diào)節(jié)、循環(huán)再生能力來(lái)維系生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

2 人工濕地基質(zhì)選擇依據(jù)

基質(zhì)是影響人工濕地中水力性能、植物生長(zhǎng)和系統(tǒng)堵塞的重要因素。在實(shí)際工程中，應(yīng)針對(duì)不同污水水質(zhì)和基質(zhì)本身特性，本著就近取材的原則選用適當(dāng)?shù)幕|(zhì)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)人工濕地基質(zhì)粒徑的布設(shè)做了大量的研究。在歐洲，以礫石為主要填料的人工濕地中，礫石粒徑一般為8～16 mm。張迎穎等認(rèn)為，進(jìn)水配水區(qū)和出水集水區(qū)一般采用粒徑在60～100 mm的礫石，處理區(qū)最常選用的粒徑范圍是4～16 mm。梁繼東等認(rèn)為，處理區(qū)基質(zhì)的粒徑在8～16 mm范圍內(nèi)處理效果最優(yōu)?；瘜W(xué)作用是基質(zhì)去除污染物的重要途徑之一。鋁和磷有強(qiáng)烈的化學(xué)親和力，脫水的鋁泥塊可以去除污水中的磷。沸石通過(guò)吸附—離子交換作用去除氨氮?；鹕绞⒘Ｓ旋嫶蟮募?xì)菌種群可以降解生化需氧量。針對(duì)不同的特征污染物和去除機(jī)理，選擇不同的基質(zhì)。

3 人工濕地植物選擇的原則

不同植物種類(lèi)在營(yíng)養(yǎng)吸收能力、根系深度、氧氣釋放量、生物量和抗逆性等方面存在差異，并且不同季節(jié)的植物以及植物的收割次數(shù)對(duì)污水的凈化能力也是不同的。Münch C等首次提出廣闊的根系環(huán)境可以提高對(duì)氮的去除率。SteinO R和PAUL B分析推測(cè)，不同植物的凈化差異在冬季最為顯著，在其生長(zhǎng)和休眠期莖葉對(duì)根部輸氧能力影響污水處理。Tanner C C認(rèn)為，蘆葦和菰、水甜茅適合于處理低濃度廢水的人工濕地。

很多學(xué)者提出了篩選植物的原則，可以概括為以下幾點(diǎn)：

①植物的適應(yīng)性。植物耐受污染物和高度富營(yíng)養(yǎng)化水體的能力強(qiáng)，抗逆性強(qiáng)，以鄉(xiāng)土植物為主;

②植物的生長(zhǎng)力強(qiáng)。在濕地環(huán)境中，植物能夠繁殖、建群、擴(kuò)展和生長(zhǎng)，生物量較大，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，根系發(fā)達(dá);

③景觀性。選擇的植物應(yīng)與周?chē)木坝^融合一體，具有觀賞價(jià)值;

④多樣性。盡量設(shè)計(jì)多種植物組合去污，做到物種間的合理搭配;

⑤經(jīng)濟(jì)性。種植經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的植物;

⑥易于管理。選用易于管理的植物，避免造成二次污染。

4 人工濕地水流方式選擇原則

確定水流方式是設(shè)計(jì)人工濕地結(jié)構(gòu)的第一步，關(guān)系到其他參數(shù)的設(shè)置，其設(shè)計(jì)原則可概括為：

①污水的類(lèi)型。若特征污染物為易去除的污染物（氮、磷等）a或污染物濃度較低，可以考慮單純選擇表面流或者單一的水流方式。

②基質(zhì)的類(lèi)型。對(duì)于孔隙變化率較高的基質(zhì)，如頁(yè)巖和礫石等，較易堵塞，不適合選擇垂直流。

③區(qū)域狀況。對(duì)于中國(guó)東部土地緊張的發(fā)達(dá)地區(qū)，水平潛流和垂直流是不錯(cuò)的選擇。

④技術(shù)可行性。設(shè)計(jì)的水流方式要符合現(xiàn)實(shí)的技術(shù)條件。

⑤經(jīng)濟(jì)可行性。表面流相對(duì)水平潛流和垂直流的建設(shè)費(fèi)用較低，適合于貧困地區(qū)。

⑥生態(tài)環(huán)境健康。表面流的人工濕地易滋生蚊蠅，表面流不宜建在城市生活小區(qū)的濕地。

5 人工濕地結(jié)構(gòu)類(lèi)型優(yōu)選方法

國(guó)內(nèi)外研究方法主要是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。還有一些近來(lái)引入人工濕地中的方法，如層次分析法等，分別利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法優(yōu)選人工濕地設(shè)計(jì)方案。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種較適合模擬復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的模型。但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也存在缺點(diǎn)，訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型需要的樣本數(shù)較多，致使小試實(shí)驗(yàn)或者測(cè)量已存在的大型人工濕地?cái)?shù)據(jù)的工作量較大。近來(lái)的研究將層次分析法運(yùn)用于優(yōu)選人工濕地的類(lèi)型，解決了由于生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜造成了工作量大的問(wèn)題，層次分析法還能較好地將存在于系統(tǒng)中的某些定性因素定量化，解決污水處理技術(shù)方案選擇的難題。但層次分析法在人工濕地領(lǐng)域研究還比較新穎，很多參數(shù)設(shè)計(jì)不成熟，有待于進(jìn)一步研究。

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