河流水源保護景觀化人工濕地設計例析

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、結構和環(huán)境工程系Dooge水研究中心，愛爾蘭；3.西安市政設計研究院有限公司，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5個居民新村為試點，以嘉陵江水源保護與優(yōu)美新農村環(huán)境創(chuàng)建為目標，充分融入景觀化多級式人工濕地設計理念，建設了5處景觀化人工濕地。在實現(xiàn)對居民新村農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)建美好新農村環(huán)境，為人工濕地景觀化設計應用提供了借鑒。

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計，多注重其污水處理功能及設計參數(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施而言較大，因此，人工濕地設計中應充分考慮景觀設計的原則。景觀化ICWs是未來的重要發(fā)展方向。但國內迄今為止，人工濕地在景觀設計中的應用尚處于探索階段。

為了探索將濕地設計與周圍景觀環(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處新農村建設點為對象，探索應用ICWs理念，設計了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施，以期創(chuàng)建一個優(yōu)美的新農村環(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年流域內總人口為4 700萬人，其中農業(yè)人口為357萬人。水利部水資源公報顯示，2000年—2007年，嘉陵江水質總體達到地表水Ⅲ類水質，2011年—2012年甚至達到Ⅱ類水質，但是近年來，由于工、農業(yè)以及航運等帶來的污染，一些河段的水質面臨較嚴重污染，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，亟需建設污水處理設施以保護嘉陵江流域水質。

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。鳳縣境內沿嘉陵江兩岸人口以及工農業(yè)較為密集，近年來，政府實施的新農村建設工程為一些山區(qū)偏遠分散的居民集中規(guī)劃、建設居民新村，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業(yè)生產、生活對嘉陵江的污染，與新農村建設相配套建設污水處理設施。筆者所選定的5個ICWs位置見圖3。

2 景觀化人工濕地設計

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，本設計中采用以鋁污泥作為基質的多級人工濕地增強對農村生活污水處理效能。

2.2 濕地系統(tǒng)設計參數(shù)

對陜西鳳縣5個新村的水量及水質前期調研表明，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)污水的調查和取樣監(jiān)測結果，人工濕地設計進水水質：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、水質及周邊環(huán)境調研，濕地在設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)調性，5個村落基本概況及人工濕地設計特征見表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，采用嘉陵江河床礫石作為鋁污泥底部承托層，總設計深度為1.2 m，其中基質深度為0.7 m。污水通過初沉預處理設施后進入多級人工濕地進行處理。

2.3 濕地系統(tǒng)景觀設計

2.3.1 濕地景觀設計原則

景觀化復合人工濕地的設計基本原則是根據(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上發(fā)揮其景觀、娛樂、生態(tài)功能，提高土地利用率。本次設計中濕地景觀設計采取的具體原則如下：

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

② 因地制宜原則。密切結合濕地周邊地形、地貌、自然、村落景觀特征進行濕地結構、形態(tài)及美學設計。濕地建設盡可能就地取材，利用河床石塊等材料建造濕地主體結構，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。在本次設計中充分遵循功能性與藝術性并重，遵循自然植物群落結構特點、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計以增加濕地景觀效果。

④ 人文性原則。人工濕地景觀設計要尊重當?shù)厝宋臍v史和生活方式，結合當?shù)鼐用裥蓍e、娛樂、工農業(yè)生產需求進行設計。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)應為開放式設計，在交通干道、村莊與濕地之間設置緩沖休閑區(qū)。濕地內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 濕地景觀設計

本次設計中根據(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計，5個濕地景觀設計布局見圖4。

圖4 濕地景觀設計布局

2.3.3 濕地效果分析

鳳縣由于地處嘉陵江源頭，在新農村建設過程中配套建設污水處理設施對加強水源保護尤其重要。通過質量平衡計算可知，建設點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個新農村建設點的生活污水進行處理對于保護嘉陵江水質將起到作用。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。建設點2扇形人工濕地布局以及建設點3狹長型人工濕地景觀帶成為居民新村的一道景觀。建設點4與建設點5處理后的污水蓄積在景觀水塘可用于綠化和農業(yè)灌溉用水。通過水塘的植物景觀化配置與功能設計，創(chuàng)建了良好的水體景觀。此外，在人工濕地周圍設置宣傳標牌，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，促進沿岸工農業(yè)的發(fā)展。但是，沿江工農業(yè)生產及生活排放的各種點源及非點源污染給水源水質帶來威脅。結合嘉陵江上游陜西鳳縣新農村建設，充分運用ICWs人工濕地理念，設計并建設了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“鋁污泥基質人工濕地系統(tǒng)專題”欄目）

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