基于海綿城市視角的城市雨水濕地設計

黃志敏

中國市政工程華北設計研究總院有限公司廣州分公司，廣東 廣州 511400

1 工程概況

某市海綿城市建設項目所在地區(qū)為副熱帶季風性濕潤氣候，終年雨水充沛，年平均降水量為1385mm、年平均降水日數(shù)為138d；該地區(qū)早期建設有一座容積為5.2萬m3的蓄水池，海綿城市項目建成后可用于處理蓄水池雨水排放問題，以及上游河道污水處理問題；該工程人工濕地的設計進水量為8萬m3，設計目標是將河道上游雨水水質(zhì)處理后達到Ⅳ標準，以此達到治理城市黑臭水體的目的。

2 基于海綿城市的雨水濕地設計

2.1 處理工藝及設計特點

（1）雨水濕地處理工藝。采用分級組合式人工濕地工藝，方式為三級串聯(lián)人工生態(tài)濕地，分別為潛流人工濕地、表面流人工濕地及穩(wěn)定塘，整個雨水濕地處理系統(tǒng)采用高程重力自流的形式，工藝流程如圖1所示。

圖1 雨水濕地處理工藝流程

（2）雨水濕地設計特點。針對城市黑臭水體治理，該工程采用人工濕地系統(tǒng)凈化后的雨水作為主要補水水源，將雨水濕地系統(tǒng)與黑臭水體治理相銜接，能夠確保減少雨水排放的同時，顯著改善城市黑臭水問題。

2.2 技術(shù)指標

（1）濕地選址、生態(tài)需水量及面積設計。針對該項目在資金投入、成效方面等綜合考慮的情況下，將工程選址確定在城市周邊經(jīng)濟價值相對較低，并且后期施工中土方量運用較小的低洼區(qū)域。另外，結(jié)合項目中生態(tài)需水的需求，項目需要靠近河道等水系，以確保項目在旱季、缺水季的水系有效循環(huán)，或者在雨季時便于對蓄水進行調(diào)整。該項目雨水濕地生態(tài)需水的計算主要由水面蒸發(fā)消耗需水、滲漏消耗需水和水體置換需水三部分構(gòu)成。

其中，水面蒸發(fā)消耗需水WW的計算公式如下：

式中：F為雨水濕地實際補水面積，m2；E為實際測量中水面蒸發(fā)量，mm。

滲漏消耗需水Wu是指在雨水濕地最低水位高于地下水位時滲漏至地下水的水量，具體計算公式如下：

式中：K為滲透系數(shù)經(jīng)驗值；F為雨水濕地實際補水面積，m2。

水體置換需水Wz是指雨水濕地在運行一定周期后堆積的污染物將會造成水質(zhì)的惡化，此時需要通過換水的形式保障水系良好的流動，具體計算公式如下：

式中：H為雨水濕地需要補水區(qū)域的水深，m；N為補水區(qū)的換水周期，d；F為雨水濕地實際補水面積，m2。

（2）雨水濕地面積設計。根據(jù)水力負荷理論計算出雨水濕地的設計面積A：

式中：Q為污水流量，m/d；Nq為水力負荷值，m3/（m2·d）。

該項目雨水濕地設計中水力負荷取值標準依據(jù)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》（DGT J08—2100—2012），項目中潛流人工濕地水力負荷需達到0.8m3/（m2·d），且雨水濕地設計面積需滿足10萬m2。水質(zhì)預期經(jīng)過潛流濕地系統(tǒng)處理后，可符合國家出水水質(zhì)標準；通過表面流人工濕地能夠?qū)⑽廴舅w中存在的污染物基本去除，并實現(xiàn)水質(zhì)的調(diào)節(jié)及活化效果，采用具有較強凈化作用的植物，其中一級表面流人工濕地水力負荷為1m3/（m2·d），一級穩(wěn)定塘水力負荷為4m3/（m2·d），二級表面流人工濕地水力負荷為1.6m3/（m2·d），二級穩(wěn)定塘水力負荷為8m3/（m2·d），經(jīng)過計算，各級濕地對應面積分別為8萬m3、2萬m3、5萬m3、1 萬 m3。

（3）構(gòu)筑物尺寸設計。該項目中各級雨水濕地構(gòu)筑物規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 各級雨水濕地構(gòu)筑物規(guī)格參數(shù)

（4）水力停留時間設計。在雨水濕地中水力停留時間反映了污水的處理時間，其可作為污水處理程度的主要指標，在實際中主要受濕地構(gòu)建規(guī)格、植被、地基材料滲透系數(shù)以及水力坡度等參數(shù)的影響。通常情況下，水力停留時間不宜超過24h，并且在暴雨環(huán)境下應保持0.5h以上，因此普遍將水力停留時間保持在10～15h，以達到良好的污水處理效果。該項目中設計單日污水處理流量為8萬m3/d，并設計相匹配的池容量，經(jīng)過計算后該項目中潛流濕地水力停留時間為24h，一級表面流人工濕地水力停留時間為12h，一級穩(wěn)定塘水力停留時間為12h，二級表面流人工濕地水力停留時間為7.5h，二級穩(wěn)定塘水力停留時間為9h。

（5）基質(zhì)的選擇設計。雨水濕地中采用的基質(zhì)能夠在保障植物、生態(tài)微生物生長的同時，又能起到過濾、沉淀以及吸附污染物、重金屬等作用，相關(guān)工程中普遍采用砂、礫石、沸石、石灰石、塑料等。該雨水濕地項目中基質(zhì)采用多材料組合的形式，其中將礫石作為主要填充物，并配以沸石消除水質(zhì)中的氨氮，利用鋼渣消除水質(zhì)中的磷，雨水濕地中填料層粒徑設計為5～32mm，孔障率為30%～40%，填充材料層的厚度為125cm。

（6）植物的選擇設計。利用具有高凈化水質(zhì)作用的植物是當前雨水濕地中污染防治的重點技術(shù)，據(jù)相關(guān)的研究顯示，雨水濕地初期采用蘆葦、菖蒲、美人蕉等水生植物能夠起到極為顯著的污染治理成效。該項目考慮到水生植物對極端環(huán)境的適應性、生長周期、成本的投入等因素，最終選取蘆葦、菖蒲、薰草及香蒲4種水生植物，種植密度為9～25株/m2。

3 雨水濕地運行效果

該項目建設完成并運行后呈現(xiàn)出了較好的污水處理效果，運行半年后項目水質(zhì)的檢測結(jié)果顯示，經(jīng)過處理的水質(zhì)可達到國家的Ⅳ標準，治理效果顯著。工程實施前后水質(zhì)標準檢測結(jié)果如表2所示。

表2 出水水質(zhì)標準檢測指標 單位：mg/L

4 項目投資及運行成本

該雨水濕地項目總占地面積為26萬m2，總投資金額為1.07億元，項目中各分項成本構(gòu)成如表3所示。

表3 項目各分項成本構(gòu)成

該雨水濕地項目后期運維費用為306萬元/年，其中包括區(qū)域保潔養(yǎng)護費用為16萬元/年、項目中各個分項單元的養(yǎng)護費用為168萬元/年、水生植物的調(diào)控費用為62萬元/年、項目中各設施的運維費用為60萬元/年。

5 結(jié)束語

雨水濕地是目前乃至將來城市生態(tài)網(wǎng)絡中重要的構(gòu)成部分。為了進一步促進經(jīng)濟的快速發(fā)展，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)及文化層面的需求，應將雨水濕地建設規(guī)劃作為城市化建設進程中的主要戰(zhàn)略，通過采用先進的技術(shù)及新型的材料，構(gòu)建出科學化、可持續(xù)健康發(fā)展的城市生態(tài)環(huán)境。文章通過探究基于海綿城市的雨水濕地設計方案發(fā)現(xiàn)，利用雨水濕地能夠有效處理雨水徑流所產(chǎn)生的污染問題，具有重要的推廣應用價值。