管網雨水補給河道用水的人工濕地水質凈化流程研究

吳丹子 李鑫 張文杰 鄭文剛

隨著人口飛速增長，中國為滿足日益增長的用水需求而超量開采地下蓄水層，導致地下水位下降，出現湖泊消失、水井干涸、江河斷流等一系列問題，眾多地區正在逐步喪失最后的、唯一能起安全緩沖墊作用的水儲備[1]。一些北方城市，旱季城市河道干涸、景觀枯竭，需要定期人工補給水源以保持良好的景觀效果，此舉消耗大量的生活用水，同時要應對夏季瞬時暴雨帶來的雨水管網以及河道泄洪壓力。部分研究者將目光轉向雨水的收集、凈化和二次利用，雨水相對于生活污水和工業廢水，水質受污染程度更低，成分更簡單。人工濕地水質凈化系統針對城市雨水管網的收集、凈化和利用，是一種疏解雨水管網壓力、低造價凈化水質、補充城市河道水源、改善城鎮水生態、恢復城市生物多樣性[2]的多目標解決途徑。

表1 中國北方主要城市降雨相關數據Tab.1 Rainfall data of major cities in northern China

1 城市雨水潛力分析

1.1 中國北方城市雨水潛力

中國北方大部分城市位于干旱半干旱區，雨季集中在5—9月，降雨多伴隨強對流天氣，瞬時雨量較大，該季節蘊含豐富的可利用雨水資源。非雨季降雨量少，收集利用難度較大，通常不計入城市可利用雨水資源量。

為合理計算雨水資源量，采用中國氣象局氣象服務信息中心1971—2000年所選北方城市的年均降雨量，同時引入車伍等計算出的季節折減系數①對所選城市的可利用雨水資源量進行定量分析，利用公式（1）對年均可利用雨水資源量進行估算[3]，并得到表1中列舉和計算的北方主要城市降雨相關數據。

式中：W為年均可利用雨水資源量（m），H為年均降雨量（mm），A為匯水面積（m2），α為季節折減系數，φ為綜合徑流系數。

由表中數據可知，中國北方城市雨季降水量可以達到全年的60%～90%，估算出的年均可利用雨水資源量巨大，對于缺水的北方城鎮來說，對城市雨水資源進行開發利用可以在很大程度上緩解當前水資源緊缺的形勢。

1.2 中國北方城市雨水水質分析

目前，中國正經歷工業化和城市化推進的高峰時期，隨之帶來環境質量惡化和環境污染等問題。天然雨水中污染物主要成分包括化學需氧量（COD）、總可溶性固形物（TSS）、金屬鉛（Pb）、金屬鋅（Zn）等，而總氮（TP）、總磷（TN）污染物濃度較低。以發達國家法國街道雨水徑流主要污染物濃度中值和美國城市徑流主要污染物加權平均濃度中值數據為例，同中國北京相比[4-6]，中國城市徑流污染程度更高，水質面源污染較為嚴重（表2）。

城市雨水主要流入道路、屋頂和綠地3種匯流面。路面徑流污染主要由大氣污染和城市路面固體雜物污染引起，包括金屬離子、有機物、無機物和固態顆粒物等。降雨初期路面徑流水質濁度較大，固態顆粒物和COD含量較高；降雨后期各類污染物濃度逐漸降低，水質提升，可以集中凈化利用[7]。屋頂雨水污染物主要來自大氣和屋頂，雨水將固體顆粒物、可溶性氣體帶入，降落到屋頂后，又溶入屋頂鋪砌材料中的金屬離子和屋頂表面殘存的鳥類糞便等微生物，隨降雨歷時的延長，污染物逐漸降低，水質趨于穩定。綠地相對于其他下墊面污染物較少，可直接吸收下滲。因此可利用的城市雨水來自管網，管網雨水主要來自路面徑流和屋頂雨水。

2 人工濕地處理城鎮雨水的適用條件

一些發達國家早已建立完善的城市雨水收集利用理論與系統，如低影響開發理論（LID）[8]、可持續排水系統（SUDS）[9]、水敏感性城市設計（WSUD）[10]等，雨水資源利用已發展到較高水平。中國根據自身情況提出建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，力求降低城市化進程對水環境的不利影響。當前，國內外雨水收集利用技術主要包括透水鋪裝、雨水花園、綠色屋頂、下凹式綠地四大類型， 但以上技術受地形等限制條件較多，建設維護成本高，雨水調蓄容量較小，不適用于老舊住宅區或大范圍區域內水資源收集利用。目前，大部分雨水徑流還是由傳統單一工程化的雨水滲管或滲渠引入附近河道，且來源多樣的雨水均存在不同程度的污染。

自2014年《城鎮排水與污水處理條例》施行后，全國各地都在大力推進建設雨污分流系統以加強對初期雨水的排放調控和污染防治。雨污分流制度是一個城市管網設施是否完善的標準,也是城市污水處理和二次利用的重要保障。在雨污分流系統中，排水系統中的雨水量大、污染低、易收集，同時，采取了雨污分流的城市管網便于結合當地地形，將市政雨水管網與當地蓄水構筑物或濕地等進行連接，便于雨水資源調蓄。因此，筆者設計將雨污分流后的管網雨水經過簡單預處理排入人工濕地凈化，達標后補給河道用水。

表2 發達國家與中國城市徑流主要污染物濃度對比Tab.2 Comparison of concentration of major pollutants in urban runoff between developed countries and China

表3 主要類型人工濕地相關系數Tab.3 Correlation coefficient of main types of constructed wetlands

人工濕地凈化系統利用植物、微生物和基質間的理化效應和生物學反應實現對污水的凈化處理[11]，其基建和運行成本低，出水水質穩定，環境影響小，同時可以進行開放空間建設，是雨水處理系統中最佳的選擇[12]。人工濕地凈化系統由預處理單元和人工濕地單元組成，配合沉淀池、氧化塘和消毒池等設施，根據需求在各單元連接處設置水質傳感器，還可實現凈化全程監控。研究表明，植物在人工濕地單元中起著至關重要的作用，不僅可以直接吸收污染物，還通過根系供氧為微生物生存提供條件，維持介質水力傳輸能力。同時，所選植物的耐污與凈化能力、對當地環境的適應能力、根系的發達程度、觀賞性和經濟價值均須考慮，才能保證人工濕地設計兼具功能性和景觀性[13]。

3 管網雨水進行人工水質凈化流程

3.1 適用范圍

通過對已公開發表設計的人工濕地工程進行統計，分析中國人工濕地設計現狀，對多級循環監測人工濕地設計具有借鑒意義，得出各種人工濕地類型相關系數（表3）[14]。

通過分析，本文設計適用于雨污分流系統中管網雨水的凈化處理，將城市雨水管網中的雨水進行就近消納，減輕城市雨水管網壓力，凈化水質。根據美國環保部門的相關資料，可以利用表面負荷率（ammonium loading rate，簡稱ALR）來確定并校核人工濕地面積[15]：

式中：AS為濕地面積（m2），Q為平均流量（m3/d），C0為進水污染物濃度（g/m3），ALR為五日化學需氧量（Biochemical Oxygen Demand 5，簡稱BOD5）表面負荷率（g·m-2·d-1），其值一般為 8～12之間。

筆者采用單位流量的用地面積AS/Q 表征占地指標，確定人工濕地占地面積需要參考其結構和生態系統組成，分析中國已建成的部分工程實例的占地指標，得出濕地占地指標區間大多在2～30 m2/（m3·d），造成占地指標差異較大的主要原因是很多工程設置了污水預處理，使濕地的進水污染物濃度下降，降低了人工濕地占地指標。列舉部分人工濕地工程實例的占地指標為本文設計提供參考[16]（表4）。

3.2 全流程模式

人工凈水全流程技術是將城市管網中的雨水經人工濕地的階梯式凈化后，將水質污染量降低到景觀用水的允許范圍，進行河道景觀用水的補給。流程主要包括預處理單元、人工濕地單元和消毒存儲單元。監測系統在各級分別進行水質監測，并設置不同的水質標準。根據濕地凈化最大容量將雨水排入預處理單元，超出承載范圍的雨水將回排到雨水管網中。在預處理單元，雨水進入系統先利用格柵及沉淀池進行預處理，過濾掉樹葉、雜物、泥沙等大顆粒物，達到初級凈化的效果，經水質監測系統監測如水質不達標，則進行回流二次處理，待水質達標后可進入集水池，緩沖后進入人工濕地凈化環節。人工凈化濕地凈化效能：曝氧濕地＞潛流濕地＞自由表面流濕＞濕地塘，占地面積則反之。達到預處理出水標準但水質較差的先進入潛流濕地，經潛流濕地水質監測達標后進入表流濕地，表流濕地凈化達標的雨水可進入消毒單元，進行消毒，可用作灌溉、存儲與補給河道用水（圖1）。

在全流程過程中，不同階段執行不同的處理功能。每個階段都根據工藝技術和工程計算其區域大小。使用多個人工濕地凈化組團，每個濕地組團通過計算確定其占地大小。各階段停留的時間和處理流程可以根據進水量和水質做出相應調節，此過程可以依靠數字化的監控設備來實現實時反應。

3.3 運行方式

與小型的雨水花園與凈水濕地相比，筆者研究的人工凈水全流程技術將生態功能與游覽景觀功能相結合，可控制各級出水水質，運營成本低、管理成本低、凈水量大，在運行過程中通過物聯網技術智能管控系統進行水質實時監測，達到最佳的凈化效果。隨著降雨量的季節性變化，人工凈水濕地系統在雨季承擔著凈化水質、存儲水體、補給河道用水的作用；在非降雨時，人工凈水濕地系統作用減弱，北方植物景觀效果較差，可將濕地中所種植物覆蓋于濕地之上，起保溫效果的同時，美化冬季濕地效果。

3.3.1 基于物聯網技術的水質監測系統

9月5日，第十一屆中國農藥高層論壇在河南新鄉召開。會議圍繞農藥新政、綠色植保、農產品質量安全、鄉村振興等政策進行深入解讀和交流。大會通過探討農藥產業管理動態、綠色植保發展戰略，為農藥產業發展質量變革、綠色變革、動力變革提供根本路徑。本次會議由中國農藥發展與應用協會主辦。原農業部副部長劉堅，中國農藥發展與應用協會會長劉永泉，河南省農業廳黨組成員、副廳長鄒慶鵬出席了本次會議。

水質監測系統由人工濕地不同位置的水質傳感器、水質監測平臺服務器、水質監測信息管理系統、水質監測數據庫、手機水質監測應用系統APP和水質監測信息服務網站構成[17]（圖2），利用物聯網將各階段的出水口處布置的水質監測傳感器數據發送到監測中心的水質監測數據庫，通過水質監測信息管理系統對其進行監控和管理，當雨水凈化后的水質超過設定的標準后，水質監測信息管理系統的水質預警服務功能將進行報警，并通過短信發送到水質監測手機上。工作人員接收監測點水質的結果，可阻止未達標的雨水排入下一階段。

1 全流程模式Full flow pattern

2 水質監測信息系統Water quality monitoring information system

表4 部分工程實例人工濕地占地指標情況Tab.4 Land occupation indicators of constructed wetland in some projects

水質傳感器通過濕地中布置的太陽能電池供電，通過無線移動網絡（GPRS/3G/4G）將采集的水溫、pH值、溶解氧、氨氮、電導率、濁度傳感器采集的數據傳輸到服務器中的水質監測數據庫中供水質監測系統處理（圖3）。水質監測信息管理系統提供對水質監測數據庫的數據進行管理，通過統計分析和預警模型對數據進行分析處理，通過數據可視化技術對數據進行展示，通過數據共享服務接口為水質監測網站、手機水質監測應用系統APP提供水質監測數據[18]。水質監測數據采用關系數據庫進行存儲，數據庫主要由水質監測數據、水質監測數據允許范圍等關系組成。水質監測數據對多項數值進行測量，與不同階段的水質監測數據允許范圍進行比較。不同濕地處理階段的水質監測數據和水質監測數據允許范圍關系模式如下：

1）水質監測數據（城鎮編號，日期時間，被傳感器編號，水溫，pH值，溶解氧，氨氮，電導率，濁度）；

2）水質監測數據允許范圍（城鎮編號，傳感器編號，水溫上限，水溫下限，pH值上限，pH值下限，溶解氧上限，溶解氧下限，氨氮上限，氨氮下限，電導率上限，電導率下限，濁度上限，濁度下限）。

3.3.2 多級監測篩選

相比傳統濕地凈水環節，多級監測篩選提高了水質的凈化速率與凈化質量，將符合標準的雨水分等級排放。平日，雨水管網的雨水直接進入雨水預處理單元；雨量過大時，通過溢流系統將超出承載容量的雨水排入雨水管道中。雨水預處理單元末端設有水質傳感器，當水質不達標時，雨水重返預處理單元源頭，進行二次凈化；當達到標準時，依水質狀況選擇進入濕地環節。其中水質較優的可直接進入表流濕地；水質較差的進入潛流濕地，經凈化后須達到V類水質再流向表流濕地。表流濕地的水經水質監測系統達到Ⅳ類后，進入地下存儲區、用于灌溉或直接排到河道中。這種多級監測篩選程序保證了雨水水質的凈化效果與凈化效率，使雨水在達到標準時，能夠快速進入下一階段的凈化，縮短凈化周期。

國外現有建成濕地中多采取多級監測凈化的方法。建于美國佛羅里達州的瓦科達哈奇濕地（Wakodahatchee Wetlands）在1999年已嘗試使用多級篩選，濕地凈化系統中的8個單元經分流裝置分配水量，每個池塘中的水位可以單獨控制，水從區域水凈化裝置流出后通過分流裝置進入6個水處理單元，凈化過后的水部分排入運河中進行河流補給，部分排灌到深水井中補充地下水（圖4）。泰國皮皮島人工凈化濕地將污水處理站排放的水按順序進入人工濕地分垂直潛流濕地、水平潛流濕地、表流濕地、曝氧塘進行二次凈化，每級設有多個凈水池塘，并設有大面積的雨水存儲塘，保證凈化的水體能夠有足夠的空間進行存儲（圖5）。墨爾本皇家公園人工濕地與雨水收集回用系統中，根據水量多少，采取選擇性凈水路線，在承載能力范圍內的公園廢水經分流池后進入處理濕地，經處理后，水排入儲水區，凈化過后的水部分用于園內的植物灌溉；部分用于地下儲水；部分補給城市景觀用水，排入穆尼湖灣中。在污水量過大時，多出部分從分流池進入大量繞流路徑中，最終排入穆尼湖灣[19]34-36（圖6）。

表5 人工濕地案例凈化水質Tab.5 Constructed wetland purification of water quality

3 水質傳感器Water quality sensors

4 瓦科達哈奇濕地運轉模型Wakodahatchee Wetlands operation model

5 皮皮島的人工凈化濕地流程Pico Island’s artificial purification wetland process

人工凈水濕地系統在滿足凈水需求的同時，可兼具景觀、科普與公眾參與的作用。人工凈水全流程中，可在人工濕地單元與存儲單元進行景觀化設計，潛流濕地中架設游覽步道，進行科普教育與濕地植物的觀賞；表流濕地與自然濕地最為接近，景觀美化作用更直接，不僅可設計景觀步道與休憩場地，還可設計觀鳥設施與場地，提供野生動物棲息空間，進行科普教育。地上的雨水存儲單元可進行水上活動的布設，人們可在凈化后的雨水存儲單元中進行戲水活動，增強參與性。濕地中設計游覽步道貫穿全流程始終，可更加生動形象地了解到濕地凈水的全流程，進行植物認知和親水活動。瓦科達哈奇濕地的深水區除具有水質凈化的作用，還在其中建有棲息島，為魚類與鳥類提供棲息地，并建有環路貫穿各區域，沿途有標志牌介紹植被和野生動物， 進行科普教育宣傳，濕地在承載水質凈化的同時還為100多種鳥類，為哺乳、爬行和兩棲類動物創造了棲息地，豐富了物種的多樣性（圖7）。墨爾本皇家公園中布置游步道與科普標識系統，寓教于樂，人們在濕地中游覽觀賞的同時也可了解生態知識。

3.4 凈化效果

在傳統人工凈水濕地的基礎上進行實現凈水流程多級監測，可以保證污染水體的達標存儲或排放。為了對本研究的凈水濕地效能進行預測，選擇中國北方部分表流—潛流復合型人工凈水濕地案例和代表性的墨爾本皇家公園人工濕地進行對比參考[19]35,37,[20-22]（表5）。

通過對各濕地案例對主要污染物去除率的綜合分析，說明表流—潛流復合型人工濕地凈化效果較為顯著，可以預測本文設計的濕地凈化系統凈化雨水的效能可以滿足甚至優于設計標準，成為集水質凈化、雨水資源利用、生物保護、科普教育、休閑游憩于一體的濕地特色生態展園，對北方城鎮管網雨水凈化具有很好的參考價值。

6 墨爾本皇家公園人工濕地與雨水收集回用系統Artificial wetlands and rainwater collection and recycling system in Melbourne Royal Park

7 凈水濕地區平面圖Plan view of wastewater purification wetland

4 總結

當前，快速城鎮建設還將造成不透水區域比例不斷提高，北方城市建設雖有海綿城市理念指導，但短期夏季雨水管網的巨大壓力并不能得到有效緩解。管網中豐富的雨水資源通過人工水質凈化系統，得到合理、低價的儲蓄，等同于實現城市內部中等范圍的水資源調控，提升干涸河道的生態效益及景觀效益。在物聯網技術的支撐下，以往不明確的凈水過程，可以在層層水質監測下變得精準可控，節約了城市水質凈化用地面積。人工濕地水質凈化流程的研究是多功能疊加下的多目標途徑，用于解決城市問題。

本研究尚處于探索階段，是基于目前現有技術的綜合與優化。如推廣全流程人工濕地技術還須明確成本問題，包括建設成本和養護成本。該流程下的人工濕地建設成本不高，且節省用地，但養護成本尚不明確，相較于傳統人工濕地會有一定的成本增加。綜合來看，其發揮的效益是多元的，社會效益、生態效益折算的價值將遠高于成本投入。希望未來的實踐探索能夠逐漸降低成本，為緩解北方城鎮河道缺水現狀、解決城市雨洪問題提供新思路。

注釋(Note)：

① 指雨季降雨比較集中且雨量較多月份的降雨量之和與全年的降雨總量的比值，即不考慮非雨季難利用的少量降雨。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～ 5、7～8由作者繪制；圖6改繪自參考文獻[19]；表1～2由作者自繪；表3根據參考文獻[14]繪制；表4根據參考文獻[16]繪制；表5根據參考文獻[19]、[24]繪制。