長春市長春堡人工濕地工程設計

周國旺 徐玲娥 盧燁彬 康雅茹 宋思遠

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

人工濕地技術不僅對污染物去除效果較好、能夠適應面源不穩定特性，而且在生態恢復、景觀打造等方面有不錯的效果（張琦等,2022;楊寶玲等,2019），是目前河流面源污染治理中應用最廣泛的技術。國外利用人工濕地技術凈化河道水質的應用比較早，其中包括德國萊茵河水質提升、墨西哥污染河流治理等（Elliot et al.,2017;Luis et al.,2020）。國內在長江流域、海河流域、黃河流域、遼河流域等建設了多座大型人工濕地，用于治理河道污染。如長治市石子河至濁漳南源河口段污染嚴重，研究者根據上游來水流量和來水污染負荷量設計表面流濕地，出水水質達到了地表水Ⅲ類標準（周保安,2022）。黃河一級支流涑水河水質為劣Ⅴ類，研究者根據涑水河的水質情況及建設地點的土地利用情況，采用預處理工程（格柵渠、沉砂池）+兩級表面流人工濕地+垂直潛流人工濕地的主體工藝路線對河道水體進行處理，出水水質穩定達到《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅳ標準（徐小樂等,2022）。

我國東北地區冬季漫長且寒冷，以吉林省為例，冬季極端氣溫可達-50℃左右，12 月至次年1 月平均氣溫為-20～-7℃，給人工濕地的穩定運行帶來極大的挑戰。為了解決寒冷地區人工濕地運行效率低、冬季運行不穩定的問題，本文以新凱河支流永春河上游人工濕地為例，綜合考慮氣候、水量水質、地形等條件，通過模擬自然界天然濕地的凈化能力，在河道旁建設近自然濕地，將永春河來水引入濕地進行凈化，以實現人工濕地水質凈化、微氣候調節和生物多樣性恢復的功能，為我國寒冷地區流域面源污染治理、生物多樣性恢復等提供示范與參考。

1 研究地概況

長春堡人工濕地位于長春市朝陽區新凱河的一級支流永春河上游，多年平均氣溫4.8℃，冬季凍結深度1.6～1.8 m。流域多年平均降水量565 mm，降水量年內分布不均，6—9 月降水量占年降水量的78.1%。永春河發源于永春鎮，全長約30.10 km，河道來水季節性較強，在枯水期基本沒有天然徑流量，豐水期最大流量可達2.60 m3/s。河流現狀水質為GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類～劣Ⅴ類，且河道水土流失嚴重，水體含砂量大。永春河上游段是八一水庫的水源補給主徑流，由于流域內現為農村地區，面源污染嚴重，導致現有河道水體污染物濃度高、水質較差，水體生態系統呈退化趨勢，為下游八一水庫帶來嚴重威脅。

2 工程設計

2.1 設計水量、水質

2.1.1 設計水量長春堡人工濕地主要來水為上游河道，河道斷面多年平均徑流量見表1，從表1 中可看出河道斷面全年徑流量變化較大?？紤]周邊農業面源污染及農村生活污水污染排入河中，結合河道的年平均流量及豐水期流量對濕地水量進行設計，設計水量以3 500～12 000 m3/d 計。

表1 長春堡人工濕地上游河道斷面多年平均自然流量變化情況 m3/dTable 1 Annual mean natural discharge variation of upstream river section in Changchunbao constructed wetland m3/d

2.1.2 設計進、出水水質進水水質是人工濕地設計的關鍵邊界條件，不僅決定了人工濕地所采取的核心凈化工藝，也是決定工程規模的主要因素之一。長春堡人工濕地來水受季節影響大，因此，分別在旱季和雨季監測上游河道來水水質（表2）。

表2 長春堡人工濕地上游河道水質 mg/LTable 2 Water quality of the river upstream of the proposed constructed wetland mg/l

根據表1 和表2，11 月至來年5 月為旱季，濕地上游河道斷面多年平均自然流量減小，加上流域內農業面源污染和農村生活污水污染物排放，來水中污染物濃度相對更高；6—10 月降雨增多、河道斷面流量較大，尤其是7 月和8 月超過1 萬m3/d，來水中污染物被稀釋，濃度也相對更低。但考慮雨季農田退水量和生活污水排放量都增加，不降雨時進入河道的污染物增多，導致來水中污染物濃度變化較大，故設計進水水質分為旱季和雨季，雨季進水水質波動范圍更大。本濕地結合流域綜合治理其他措施共同實施，出水以《地表水環境質量標準》V 類水標準設計（表3）。

表3 設計進出水水質 mg/LTable 3 List of designed inlet and outlet water quality rate mg/L

2.2 工藝流程

長春堡人工濕地冬季河道水溫較低，而工程水質凈化目標要求較高，故核心凈化單元選擇潛表耦合濕地；上游河道污染主要是面源污染，入河徑流中容易攜帶大量泥沙，故設計前端生態塘進行沉淀。此外，長春堡人工濕地位于候鳥南北遷徙必經之路，生態敏感性強，在保證凈化效果的同時需考慮生物多樣性恢復，故在末端設計進自然濕地，為鳥類提供豐富的食物來源。最終選擇前端生態塘（無沉水植物）+氧化塘+潛表耦合濕地+末端生態塘（沉水植物為主）+近自然濕地組合工藝；同時，通過設置攔河蓄水閘，將永春河河水引流至濕地，出水就近排往永春河河道內，水位可通過虹吸式潮汐流造流器進行控制。各工藝單元的適宜有效水深、表面水力負荷，確定滿足處理水量要求的各單元面積。計算過程參考HJ 2005—2010、CJJT 54—2017《污水自然處理工程技術規程》等相關設計規程規范。具體工藝流程和平面布置見圖1 和圖2。

圖1 人工濕地工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of constructed wetland

圖2 人工濕地工藝平面布置圖Fig.2 Process layout of constructed wetland

3 主題工藝設計

3.1 豎向設計

永春河河水通過攔水閘引入濕地，進水標高為222.10 m，出水水位為221.40 m（圖3）。本濕地通過可調式出水堰門將水位控制在0～0.4 m 范圍內，正常運行時河道進出水水頭總損失約為0.6 m。當遇到較大洪水時，永春河河水漫過攔水壩，直接溢流進入下游河道，不影響河道的正常行洪。

圖3 人工濕地豎向高程設計Fig.3 Vertical elevation design of constructed wetland

3.2 工藝單元設計

3.2.1 前端生態塘前端生態塘的設置可以使河道來水懸浮物沉淀，降低來水的懸浮物負荷及含砂量，提高河水停留時間，降低潛表耦合區的污染物負荷。設計有效水深為2.0 m（預留1.0 m 沉泥區），總面積5 000 m2，有效池容量10 000 m3，水力停留時間0.41～1.4 d，表面負荷0.6～1.6 m3/m2·d，不種植沉水植物（圖4）。挺水植物以蘆葦（Phragmites australis）為主，輔以菖蒲（Acorus calamusL.）、香蒲（Typha orientalisC.Presl）等，種植密度宜為9～25 株/m2。

圖4 前端生態塘剖面圖Fig.4 Section view of the front ecological pond

3.2.2 氧化塘水中溶解氧含量直接關系到水體質量的好壞，經過前端生態塘沉淀的河水流入氧化塘，通過水位的自然波動對水體進行復氧，提高潛表耦合濕地的硝化能力。氧化塘總面積為5 700 m2，平均有效水深1.5 m，水力停留時間0.71～3.5 d。氧化塘內設置1個鳥島，面積為200 m2，鳥島上主要種植結籽植物，為鳥類提供豐富的食源和棲息環境。

3.2.3 潛表耦合濕地潛表耦合人工濕地通過特殊的水體錯流方式及濾床構造來減少泥沙沉積造成的濾床堵塞。大流量時以表流為主，底部濾床潛流為輔，低流量時以潛流為主。本案例濕地潛表耦合區面積采用一級推流式模型NH3-N 指標計算，為3.6 萬m2，水力停留時間為1.5～5.4 d，表面水力負荷為0.097～0.33 m3/（m2·d），主濾床介質為礦石和火山巖。配水渠采用滲透系數大的石籠進行均勻配水。單塊工藝單體中配水石籠豎向長度150 m，濾料寬度40 m，水體以滲流方式通過濾料進入集水渠收集后進入末端生態塘（圖5）。

圖5 潛表耦合濕地剖面圖Fig.5 Profile of the subsurface coupled wetland

3.2.4 末端生態塘末端生態塘主要種植沉水植物、浮水植物等景觀性較好的水生植物，在凈化水質的同時，為河流的魚、蝦、螺、貝和鳥類提供生存環境，恢復河道生物多樣性，實現濕地生物多樣性恢復的生態功能。本案例濕地末端生態塘平均水深1.5 m，池面面積7 400 m2，停留時間0.9～3.1 d。沉水植物面積1 250 m2，主要選用苦草（Vallisneria natans）、伊樂藻（Elodea canadensis）等，種植密度為3～9 株/m2（圖6）。

3.2.5 近自然濕地近自然濕地內生態島是其核心處理區，通過人工構建的島嶼作為一個微生物載體，為微生物提供大量的生長空間，河水中的有機物被濕地濾料及植物根系表面的生物膜截留，通過附著在生物膜上大量微生物的分解作用降解有機物（李春華等,2023;靖玉明,2008）。本設計對周圍荒地進行改造，利用現狀低洼地對該區域進行適當的地形改造，形成從水面到灘地再過渡到旱地的一個生態演變序列，構造一個鳥類棲息及植物多樣性的環境（圖7）。設計近自然濕地面積約0.9 hm2，末端沉水植物塘出水進入近自然濕地停留0.7～2.4 d 后排入永春河道。

圖7 近自然濕地剖面圖Fig.7 Section view of a near natural wetland

3.3 濕地內部細化設計

3.3.1 植物種植設計根據項目區的特點，選擇耐污和耐寒能力強、凈化效果好、根系發達、經濟和觀賞價值高的水生植物。在岸邊、淺灘種植納污能力較強的挺水植物，在深水區域（0.8～1.5 m）適當位置種植浮水植物和沉水植物，形成水生植物錯落有致、水下森林與水上挺水植物相呼應的優美水上景觀。本項目挺水植物以蘆葦為主，輔以菖蒲、香蒲等；沉水植物選用苦草、伊樂藻等；浮水植物選用睡蓮（Nymphaea）。本工程植物種植密度可根據植物種類與工程的要求調整，挺水植物種植密度為9～25 株/m2，種植面積38 000 m2；浮水植物和沉水植物種植密度為3～9 株/m2，種植面積分別為2 200 m2和5 300 m2。

3.3.2 水生動物設計大型底棲生物可覓食底質中大量的有機質及腐敗的水生植物殘體等，降低底質中有機質含量及營養物質的釋放。本項目在整個水域中放養的水生動物主要以青蝦、環棱螺、黑魚為主。結合本濕地工程的場地條件，投放青蝦（尾）5 000 只、環棱螺6 500 只、黑魚（尾）2 000 只；其中青蝦約20 g/尾、環棱螺約15 g/尾、黑魚約50 g/尾。

3.3.3 濕地防滲設計人工濕地主要的防滲形式包括夯實土防滲、粘土夯實防滲、HDPE 膜防滲等。長春堡人工濕地采用素土回填（不包括濕地泡），土壤可溶性鹽含量不得大于5%，有機質燒失量不得大于5%，特殊情況不得大于7%?；靥钔敛捎谜駝訅郝窓C分層夯實，每層壓實3～4 遍，壓實度不小于94%，直至施工至原地面標高。施工中嚴格控制填料的含水量，設計滲透系數≤10-8m/s。長春堡濕地泡采用粘土夯實進行回填，回填標準參照《生活垃圾衛生填埋場防滲系統工程技術規范(CJJ113-2007)》。

3.4 濕地運行和維護

3.4.1 人工濕地水位和流量控制人工濕地系統有一定的環境容量和生物容量，當污染負荷超過系統處理容量時，勢必會造成出水水質下降、系統壽命縮短。長春堡人工濕地水位控制的幾個基本要求：1）為有利于潛表耦合區的植物生長，床中浸沒植物根系深度盡可能均勻；2）前端、末端生態塘和氧化塘在每年春天系統運期間，應降低水位促進新芽的生長；3）當來水水質大于設計進水水質時，采用超越管對來水進行超越,保護、延長濕地使用壽命。

3.4.2 濕地植物管理由于東北特殊的地理氣候，冬季枯萎的植物不易腐敗，需在冬季前對植物進行收割，濕地收割后應及時清理人工濕地上的殘留植物碎屑，防止植物殘留造成出水NH3-N 濃度升高。

3.4.3 枯水季濕地“黑臭化”防治措施枯水季節濕地黑臭化主要原因為濕地水量減少，植物冬季凋亡后未及時收割。為了防止枯水季節的濕地“黑臭化”，濕地枯水季采取以下措施：1）加強濕地運營管理，對濕地植物進行機械化收割，在枯水季節減少碳源進入；防止冬季濕地植物枯萎后，存在的火災安全隱患及二次污染問題，提高人工濕地凈化效率。2）控制生態塘水深，確保濕地在枯水期有相對充足水量，并采取機械性供氧，保證水體中溶解氧濃度。3）當水中懸浮物增多時，可采取在生態塘加絮凝劑，使懸浮物凝聚并沉淀。

4 水質凈化效果分析

旱季上游來水少，人工濕地對來水中COD、NH3-N、TP的去除率預計分別為20%～35%、30%～50%、20%～45%。雨季上游來水充沛、農田退水多，進入河道的污染物較多，人工濕地對來水中COD、NH3-N、TP 的去除率更高，分別為20%～60%、50%～80%、60%～80%。3 種污染物年去除量分別超過100.71 t、6.95 t、3.3 t（表4）。

表4 水量相近月份污染物去除匯總表Table 4 Summary of pollutant removal for months with similar water volume

5 結論

長春堡人工濕地工程根據項目所在地氣候特點、水質和水量情況及地形分布等條件，以水質凈化、微氣候調節和生物多樣性恢復為目標，通過采用“前端生態塘（無沉水植物）+氧化塘+潛表耦合濕地+末端生態塘（沉水植物為主）+近自然濕地”的組合工藝，同時配備一體式潮汐流造流器、潛表耦合濕地滲濾壩等，削減濕地上游來水中污染物含量。旱季上游來水少，人工濕地對來水中COD、NH3-N、TP 的去除率預計分別為20%～35%、30%～50%、20%～45%。雨季上游來水充沛、農田退水和生活污水排放增加，進入河道的污染物較多，人工濕地對來水中COD、NH3-N、TP 的去除率能夠達到20%～60%、50%～80%、60%～80%，3 種污染物年去除量分別超過100.71 t、6.95 t、3.3 t。該工程建成后大大改善了永春河流域水質和生態系統多樣性，可以為我國寒冷地區流域面源污染治理、生物多樣性恢復等提供示范與參考。