地質因素對人工濕地規劃選址的影響分析

王軍輝 白彬彬 周宏磊

（1 北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038；2 北京世界園藝博覽會事務協調局，北京100043）

人工濕地是一種借鑒天然濕地凈化污水原理，人工建造的應用生物和水力等共同作用進行水污染處理的生態工程措施(趙小利等, 2011)，在城市建設中發揮越來越重要的作用。目前，人工濕地在規劃選址方面考慮更多的是景觀風貌的協調，而缺乏科學依據，尤其是對一些自然因素，特別是地質因素考慮得不夠全面，往往造成人工濕地后續運營過程中環境效益不明顯，甚至帶來次生的環境惡化或水資源浪費問題(聶志丹等, 2006; 趙鳳岐等,2012; 徐慧嫻等, 2016)。這些問題如果在選址中未得到充分考慮，不僅人工濕地難以發揮其應有的生態環境效益，而且還可能增加建造和運維成本，甚至使生態環境惡化。

人工濕地作為一種城市基礎設施，一般坐落于某種地質環境中，勢必與周邊的土壤和地下水環境產生物質與能量交換，其規劃選址除了重點考慮社會需求外，還需要考慮到地質因素，否則將直接影響后期運營功效的發揮(趙小利等, 2011; 聶志丹等，2006; 趙鳳岐等, 2012; 俆慧嫻等, 2016)。

本文根據人工濕地建造與運營2個階段中所遇到的工程穩定性、生態環境和成本等主要問題，分析各階段需要考慮的主要地質因素，提出1種“因地制宜”的人工濕地科學規劃選址思路，為提高城市人工濕地規劃選址的科學性提供依據。

1 區域地形地貌條件

地形地貌是目前人工濕地營建過程中首先要考慮的自然因素，但主要還是考慮微地貌單元，如一些局部廢棄河湖溝坑等低洼地，其目的主要是出于建造成本(主要是減少地形改造帶來的成本)和景觀的考慮(高婷, 2011)，而區域地形地貌對人工濕地建設和運營的潛在影響則缺乏系統的調查和研究。區域地形地貌條件對人工濕地建設主要有如下兩點作用。

1.1 地形地貌對地質調查具有重要的指導作用

大量的科學研究表明，區域地形地貌在一定程度上反映了不同尺度的地質單元組合，其界線往往也是地質條件的分界線(圖1)，如果前期人工濕地的規劃選址考慮充分，后期的相關地質環境調查研究也會都得到相應的指導依據。而從水文地質角度來看，地形地貌從很大程度上控制了地下水系統的形成、賦存、補給、徑流和排泄規律(圖1)。在人工濕地規劃選址過程中，地形地貌條件有助于識別建設場地位于地下水流動系統中的部位，判斷區域地表水—地下水的相互作用關系(Sopbocleous,2002; Tóth, 1963, 1999)。

1.2 地形地貌對人工濕地生態環境及生物群落的影響

地形中的坡向、坡度等因素決定了生物群落生長發育過程中必須的光照、風向、風速、降水入滲量和坡面穩定性等重要因素。如：朝南、朝西的坡向有利于采光聚熱，增加生物群落接受光照的時間，提升局部氣溫；在凸的地形中，朝東、朝北的坡面坡度較大，可以阻擋冬季寒冷的東北風，降低風速，有效地保護西南坡植被；在海拔較高的山地，迎風坡面的降水量一般大于背風坡面；在地層巖性相同的前提下，坡度較大地區的降水入滲量一般小于坡度較小地區，而坡度過小的平坦或低洼地區不利于排水；地形陡峻地區的坡面穩定性較平緩地區更差，容易發生地表侵蝕和淺層塊體運動(周躍, 2000)，不利于植被的穩定生長和區域的水土保持。同時，由于人工濕地內部主要為待凈化水體，從保護生態環境的角度考慮，在地形地貌選擇時，也需要考慮規避受洪水、潮水影響的區域。

2 工程地質條件

工程地質條件對人工濕地規劃選址的影響主要體現在建造和運營中的穩定性問題(許慶仁等,2002)。

首先，在區域宏觀上，人工濕地選址要避開破壞性較強的地質災害，如滑坡、泥石流、崩塌和活動斷裂等頻發區，因為這些地質災害對人工濕地的長期穩定性存在潛在威脅，同時，由于人工濕地運營期間都會有水體，在水體長期滲漏作用下，也會進一步加劇地質災害。

其次，在人工濕地建設場地內，由于人工濕地建造中往往要進行不同程度的地形改造，對于一些改造程度較大的人工濕地，開挖過程對地層穩定性的影響程度會因地質條件的差異而有所不同，事先需要進行調查和試驗，以便采取必要的措施。北京國家奧林匹克森林公園的人工湖濕地，湖底最深達3 m，且賦存一層地下水，開挖過程中采取了降水和湖岸邊坡的保護措施，才保證了主湖開挖的順利進行。

另外，對于建立在透水層中的人工濕地，往往要采用一定的防滲結構措施。當地下水出現水位回升且濕地放空檢修時，在高水頭壓力作用下，會造成防滲結構的變形、隆起直至破壞，在規劃選址前期就要考慮到這些問題，并為后期設計階段提出更為具體的建議。

圖1 地形地貌與地質條件關系示意圖（以北京地區某地質剖面為例）Fig.1 Schematic profile of relationship between topography and geological conditions(taking a geological section in Beijing as an example)

3 環境水文地質條件

環境水文地質條件對人工濕地的影響主要表現在運營期間的環境生態問題(楊帆,2014)。

3.1 土、水環境背景值

圖2 北京某擬建人工濕地場地地下水BOD5的含量分布Fig.2 Distribution of BOD5 in groundwater of a constructed wetland site in Beijing

建設場地的水土環境(圖2)為人工濕地提供了各種生態群落的生長環境，影響著濕地內水體的水質狀況(鐘佐燊, 2005)。良好的水土環境背景為生態群落提供良好的生長環境，無污染的黏土層可以就地用作人工濕地的底部防滲層，減少建設過程的防污防滲處理成本。當場區存在大范圍或較嚴重的土壤和地下水污染時，不僅增加建設中的環境治理和防滲設施等成本，也增加了運營期間管理維護成本，在規劃選址時應慎重考慮(范偉等, 2012)。

3.2 隔水(污)層

隔水(污)層一般為低滲透性的細顆粒地層，水分和污染物在其中的遷移速度一般要遠小于含水層(姚旭初等, 2006)，為人工濕地周邊的地下水環境提供了天然的“防滲層”和“防護屏障”(圖3)，既可以減小人工濕地水資源消耗，又可以對下方地下水環境起到有效的防護作用。相反，如果人工濕地與下方含水層之間沒有連續的隔水(污)層，人工濕地水體易發生滲漏，隨著長時間的推移，不僅水資源消耗明顯，也會嚴重污染地下水環境(李緒謙等, 2011; 宋頂峰等, 2011)。

以北京翠湖人工濕地為例，由于湖底5 m左右深度以內分布一層連續的低滲透性軟土，最后取消了人工濕地的防滲方案，大大節省了建造成本，且該濕地自2006年建成運營10多年以來，平均每天的補水量約2 000 m3，與水面蒸發損失量相當，說明滲漏量很小，生態環境也比較穩定，未出現地下水和土壤環境污染的現象。

3.3 敏感含水層

本處指的敏感含水層，即為一旦受到污染，將對周邊環境與生態造成嚴重后果，該類含水層一般具有分布連續，滲透性較強、厚度較大和徑流條件較好的特點(圖3)。當人工濕地發生滲漏，污染物進入敏感含水層時，短期內含水層具有一定的自凈能力，但隨著時間的推移，污染物在地下水流場作用下，將會引起較大范圍的面源污染，進而引起次生的環境與生態問題(圖4)(葉大華等, 2012)。

4 “因地制宜”的人工濕地科學規劃思路探討

綜上所述，人工濕地的規劃選址，除了基于景觀和風貌協調考慮外，還應從地質因素角度出發進行綜合考慮和權衡，人工濕地規劃選址是一項系統工程。人工濕地進行規劃選址的過程中應注意以下幾點：

(1)地質因素對人工濕地規劃選址有重要的影響。選址前需要開展區域性的地質調查，建設期間需要進一步現場勘查，精準識別與查明對人工濕地規劃選址有重要影響的地質因素。

(2)綜合地形地貌、工程地質條件和環境水文地質條件等主要地質因素進行比選分析，從穩定性、生態環境和成本等多個角度判斷人工濕地選址的科學性。

圖3 隔水（污）層對人工濕地水體防滲和下伏淺層地下水防污的雙層作用示意圖Fig.3 Schematic profile of double action of refuge on seepage control and shallow groundwater pollution control in constructed wetlands

圖4 苯污染羽在含水層中的運移情況預測示意圖Fig.4 Abridged general view of prediction of benzene pollution plume migration in aquifer

(3)在人工濕地的建設階段，往往可利用場地并不盡如人意，存在著某些不利因素，應注意采取適當的工程措施進行規避。

上述幾部分工作不是獨立的，而是密切聯系的，共同組成了科學的人工濕地規劃選址思路(圖5)。

5 結論

(1)地質因素的系統調查、勘察、測試和分析工作對人工濕地科學規劃選址十分重要，人工濕地選址是一個系統工程，相關規范和標準的制定意義十分重大。

(2)人工濕地規劃選址需要充分利用地形地貌條件、工程地質條件和環境水文地質條件的優勢組合，且對上述因素的不利一面采取有針對性的措施，真正做到“因地制宜”，以保證人工濕地后續的健康運營，更大程度地發揮其生態環境效益，盡可能地減少人工濕地的建造和運營維護成本。

致謝：北京市勘察設計研究院有限公司呂京京博士參與部分文獻調研和插圖加工工作，史斌工程師參與部分插圖加工工作，作者在此表示感謝！

圖5 因地制宜的人工濕地規劃選址思路
Fig.5 Planning and site selection of constructed wetland based on“local conditions” idea

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