河流水源保護景觀化人工濕地設(shè)計例析

趙亞乾^1,2,王文科¹,趙曉紅¹,張斌令³，張日霞³，王錦旋⁴,孟祥鑫⁵，袁衛(wèi)寧¹,王社平³,黃寧俊³，王彤¹,趙金輝²

(1.長安大學旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室，陜西西安710054；2.都柏林大學

土木、結(jié)構(gòu)和環(huán)境工程系Dooge水研究中心，愛爾蘭；3.西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安710068；4.都柏林大學建筑系，愛爾蘭；5.長安大學建筑學院，陜西 西安710054)

摘要：以陜西鳳縣嘉陵江上游源頭區(qū)域沿江兩側(cè)5個居民新村為試點，以嘉陵江水源保護與優(yōu)美新農(nóng)村環(huán)境創(chuàng)建為目標，充分融入景觀化多級式人工濕地設(shè)計理念，建設(shè)了5處景觀化人工濕地。在實現(xiàn)對居民新村農(nóng)村生活污水處理以保護嘉陵江水源的同時，充分發(fā)揮人工濕地景觀、娛樂、教育等功能，創(chuàng)建美好新農(nóng)村環(huán)境，為人工濕地景觀化設(shè)計應用提供了借鑒。

河流是城市供水的重要水源，但是中國40%以上的地表河流以及80%以上的城市河流受到氮、磷、有機物、重金屬等的嚴重污染，亟需加強水源保護。人工濕地正日益廣泛用于各種污水處理以及河流水源保護。實際上，人工濕地系統(tǒng)具備污水處理和景觀等多重作用。Harrington等提出了多元化人工濕地（ICWs）概念，將其定義為具有污水凈化功能、維持生物多樣性功能、景觀、娛樂和教育等功能為一體的多功能體系（見圖1），將原有人工濕地概念大大強化和推廣。然而，人工濕地系統(tǒng)通常由水處理及環(huán)境工程人員研究和設(shè)計，多注重其污水處理功能及設(shè)計參數(shù)，忽視了濕地本身具有的美學功能。另一方面，景觀學家一直以來將水與水生植物作為重要的景觀元素，但未足夠重視人工水生態(tài)系統(tǒng)的水處理效能。人工濕地由于占地面積相對其他污水處理設(shè)施而言較大，因此，人工濕地設(shè)計中應充分考慮景觀設(shè)計的原則。景觀化ICWs是未來的重要發(fā)展方向。但國內(nèi)迄今為止，人工濕地在景觀設(shè)計中的應用尚處于探索階段。

為了探索將濕地設(shè)計與周圍景觀環(huán)境相融合，從而建造具有景觀化的ICWs。筆者所在課題組選擇陜西鳳縣嘉陵江邊5處新農(nóng)村建設(shè)點為對象，探索應用ICWs理念，設(shè)計了5處居民新村生活污水處理ICWs以加強對嘉陵江水源的保護。通過案例的實踐旨在探索將工程、生態(tài)和景觀學相融合，將污水處理人工濕地作為集景觀、教育、娛樂、水生生物棲息地等于一體的綜合設(shè)施，以期創(chuàng)建一個優(yōu)美的新農(nóng)村環(huán)境。

1 流域與研究對象特征

1.1 流域水源現(xiàn)狀

嘉陵江流域面積為1.6×105km²。2007年流域內(nèi)總?cè)丝跒? 700萬人，其中農(nóng)業(yè)人口為357萬人。水利部水資源公報顯示，2000年—2007年，嘉陵江水質(zhì)總體達到地表水Ⅲ類水質(zhì)，2011年—2012年甚至達到Ⅱ類水質(zhì)，但是近年來，由于工、農(nóng)業(yè)以及航運等帶來的污染，一些河段的水質(zhì)面臨較嚴重污染，營養(yǎng)元素的增加導致水體富營養(yǎng)化問題等呈上升趨勢，直接威脅到重慶地區(qū)以及下游三峽庫區(qū)的水質(zhì)安全。模擬研究表明，嘉陵江流域1990年—2007年期間每年排放的非點源氮、磷負荷分別達到67 670 t和2 648 t。因此，亟需建設(shè)污水處理設(shè)施以保護嘉陵江流域水質(zhì)。

1.2 研究對象概況

陜西鳳縣是嘉陵江的發(fā)源地，嘉陵江在鳳縣流域長度為80 km，緊鄰212國道（見圖2），年平均徑流量為18.41 m³/s。鳳縣境內(nèi)沿嘉陵江兩岸人口以及工農(nóng)業(yè)較為密集，近年來，政府實施的新農(nóng)村建設(shè)工程為一些山區(qū)偏遠分散的居民集中規(guī)劃、建設(shè)居民新村，新村集中于沿212國道的嘉陵江流域。為了減少沿岸社會工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活對嘉陵江的污染，與新農(nóng)村建設(shè)相配套建設(shè)污水處理設(shè)施。筆者所選定的5個ICWs位置見圖3。

2 景觀化人工濕地設(shè)計

2.1 濕地系統(tǒng)選擇

諸多的人工濕地應用實踐表明,濕地系統(tǒng)本身完全可以實現(xiàn)對生活污水的高效處理，且通常采用多級濕地處理系統(tǒng)。因此，在本研究中，針對不同新村，分別采用三級濕地、四級濕地來處理其生活污水。

濕地系統(tǒng)處理污水的最大挑戰(zhàn)在于對污水中營養(yǎng)物和重金屬的去除，因此，近年來采用不同濕地基質(zhì)以增強對氮、磷以及重金屬的吸附效果。其中，利用給水廠脫水鋁污泥作為濕地基質(zhì)固定磷在實驗室及實際應用中取得了良好的效果。鋁污泥是指采用硫酸鋁等鋁鹽作為混凝劑的自來水廠的副產(chǎn)物，鋁污泥人工濕地已經(jīng)證實具有良好的污水處理效能。因此，本設(shè)計中采用以鋁污泥作為基質(zhì)的多級人工濕地增強對農(nóng)村生活污水處理效能。

2.2 濕地系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

對陜西鳳縣5個新村的水量及水質(zhì)前期調(diào)研表明，雖然由于居住人口的差異，各個村莊的水量存在差異，但是生活污水的水質(zhì)未表現(xiàn)出明顯的差異，這主要是由于不同村莊人們的生活習慣比較接近。根據(jù)污水的調(diào)查和取樣監(jiān)測結(jié)果，人工濕地設(shè)計進水水質(zhì)：BOD₅為(210±23) mg/L；TCOD為(420±35) mg/L；SCOD為(190±15) mg/L；PO₄^3--P為(4.3±1.7) mg/L；TKN為(51.4±9.5) mg/L；SS為(139±30) mg/L；pH值為7.85±0.2。

基于前期對村莊水量、水質(zhì)及周邊環(huán)境調(diào)研，濕地在設(shè)計中充分考慮每個村落的具體特點以及與周邊環(huán)境的景觀協(xié)調(diào)性，5個村落基本概況及人工濕地設(shè)計特征見表1。濕地利用當?shù)亟o水廠脫水鋁污泥餅作為人工濕地主要基質(zhì)，采用嘉陵江河床礫石作為鋁污泥底部承托層，總設(shè)計深度為1.2 m，其中基質(zhì)深度為0.7 m。污水通過初沉預處理設(shè)施后進入多級人工濕地進行處理。

2.3 濕地系統(tǒng)景觀設(shè)計

2.3.1 濕地景觀設(shè)計原則

景觀化復合人工濕地的設(shè)計基本原則是根據(jù)不同村落周圍環(huán)境條件因地制宜進行美學景觀設(shè)計，使?jié)竦爻蔀檎�體景觀的一部分，在確保水處理效能的基礎(chǔ)上發(fā)揮其景觀、娛樂、生態(tài)功能，提高土地利用率。本次設(shè)計中濕地景觀設(shè)計采取的具體原則如下：

① 功能性原則。在實現(xiàn)水處理功能基礎(chǔ)上最大化景觀功能設(shè)計，兩方面相輔相成。

② 因地制宜原則。密切結(jié)合濕地周邊地形、地貌、自然、村落景觀特征進行濕地結(jié)構(gòu)、形態(tài)及美學設(shè)計。濕地建設(shè)盡可能就地取材，利用河床石塊等材料建造濕地主體結(jié)構(gòu)，以盡量與周圍自然環(huán)境融合。

③ 植物選配功能性、景觀性、本地化原則。植物是形成人工濕地植物景觀的重要要素。在本次設(shè)計中充分遵循功能性與藝術(shù)性并重，遵循自然植物群落結(jié)構(gòu)特點、科學配置、因地制宜、適地適種以及經(jīng)濟性等原則，強化植物的空間尺度、時間尺度以及美學設(shè)計以增加濕地景觀效果。

④ 人文性原則。人工濕地景觀設(shè)計要尊重當?shù)厝宋臍v史和生活方式，結(jié)合當?shù)鼐用裥蓍e、娛樂、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求進行設(shè)計。鳳縣在挖掘和打造“羌族故里”，新建居民新村有明顯的羌族特色和風情。

⑤ 開放性原則。濕地系統(tǒng)應為開放式設(shè)計，在交通干道、村莊與濕地之間設(shè)置緩沖休閑區(qū)。濕地內(nèi)部通過人行步道等連接，便于村民及212國道沿線游客深入其中，欣賞濕地景觀。此外，結(jié)合展板、標牌及現(xiàn)場介紹宣傳,在觀光同時實現(xiàn)教育功能。

2.3.2 濕地景觀設(shè)計

本次設(shè)計中根據(jù)選擇的5個村落大小、人口數(shù)量和自然環(huán)境差異，在設(shè)計過程中除了考慮濕地系統(tǒng)本身參數(shù)之外，根據(jù)以上原則充分進行景觀設(shè)計，5個濕地景觀設(shè)計布局見圖4。

圖4 濕地景觀設(shè)計布局

2.3.3 濕地效果分析

鳳縣由于地處嘉陵江源頭，在新農(nóng)村建設(shè)過程中配套建設(shè)污水處理設(shè)施對加強水源保護尤其重要。通過質(zhì)量平衡計算可知，建設(shè)點1、2、3的生活污水未經(jīng)過處理直排和經(jīng)過人工濕地處理后排放可分別導致嘉陵江鳳縣段COD濃度上升0.15%和0.007 3%（未考慮水體自凈能力）。因此，采用人工濕地對5個新農(nóng)村建設(shè)點的生活污水進行處理對于保護嘉陵江水質(zhì)將起到作用。更重要的是,以此作為試點，通過示范推廣帶動水源保護工作。

依照景觀化ICWs理念建成的5處“濕地公園”與居民新村景觀融合，起到美化環(huán)境的景觀效果。建設(shè)點2扇形人工濕地布局以及建設(shè)點3狹長型人工濕地景觀帶成為居民新村的一道景觀。建設(shè)點4與建設(shè)點5處理后的污水蓄積在景觀水塘可用于綠化和農(nóng)業(yè)灌溉用水。通過水塘的植物景觀化配置與功能設(shè)計，創(chuàng)建了良好的水體景觀。此外，在人工濕地周圍設(shè)置宣傳標牌，介紹和宣傳濕地植物以及水環(huán)境保護知識，發(fā)揮其教育功能，促進水環(huán)境保護工作。

3 結(jié)論

嘉陵江作為長江的重要支流，造福沿岸人民，促進沿岸工農(nóng)業(yè)的發(fā)展。但是，沿江工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活排放的各種點源及非點源污染給水源水質(zhì)帶來威脅。結(jié)合嘉陵江上游陜西鳳縣新農(nóng)村建設(shè)，充分運用ICWs人工濕地理念，設(shè)計并建設(shè)了5處多元化多級人工濕地系統(tǒng)對居民新村生活污水進行處理，對于保護嘉陵江水源具有重要示范作用。同時，景觀化的設(shè)計使得人工濕地與居民新村景觀融合，美化了環(huán)境，減輕了居民對于污水處理設(shè)施的抵觸心理。試點實踐證實了景觀化復合型人工濕地可在實現(xiàn)水源保護作用的同時發(fā)揮濕地景觀等綜合功能，是未來濕地應用的重要發(fā)展方向。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第11期“鋁污泥基質(zhì)人工濕地系統(tǒng)專題”欄目）

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