楊永森

北京東方園林生態(tài)股份有限公司，北京 100012

水質(zhì)惡化和水體富營養(yǎng)化在城市河流中普遍存在，不但破壞了景觀效果，嚴(yán)重情況下會出現(xiàn)水體惡臭現(xiàn)象。切實控制外源性污染物和營養(yǎng)物的輸入是水體修復(fù)的重要前提，同時采用經(jīng)濟、高效的水質(zhì)凈化技術(shù)是持續(xù)保障水質(zhì)的關(guān)鍵［1］。

外源阻斷主要通過分流制管網(wǎng)系統(tǒng)雨污混接污染控制、合流制雨天溢流污染控制、受損管網(wǎng)問題診斷和原位修復(fù)、徑流調(diào)蓄與污染控制、污水處理廠升級改造等削減進(jìn)入城市水體污染負(fù)荷［2］。構(gòu)建人工濕地(constructed wetland)處理系統(tǒng)、循環(huán)凈化水體、生態(tài)凈化等方法都是維護城市河流水質(zhì)的有效方法。人工濕地通過土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物協(xié)同作用實現(xiàn)污水處理的目的，具有運行費用低、維護管理簡單、對環(huán)境影響小、可分散化與小型化建設(shè)的特點，近年來被廣泛用于處理各類污水。該方法尤為適合凈化受污染的城市河道，為水體提供清潔的水源［3-4］。

針對受生活點源、農(nóng)業(yè)面源污染的城市河道，采用截污與人工濕地協(xié)同的處理方法改善水質(zhì)。根據(jù)地形與開發(fā)時序，設(shè)置了截污區(qū)域，估算了污水量，設(shè)計了配套所需的截污設(shè)施;利用自然地形，采用多級潛流人工濕地與階梯多級表面流人工濕地復(fù)合的濕地水凈化系統(tǒng)。

1 研究區(qū)情況與處理要求

1.1 基本情況

研究區(qū)位于貴州省六盤水市盤縣境內(nèi)西鋪河放馬坪段(圖1)。該區(qū)域?qū)僦榻饔蚰媳北P江水系，西鋪河是北盤江二級支流，拖長江右岸一級支流，全流域面積99.1 km2，河段長度19.43 km，主河床平均比降13.79‰，流域形狀系數(shù)0.263［5］。

圖1 研究區(qū)位置及其與景觀水系相對關(guān)系Fig.1 The location of the study area and the waterscape

目前，西鋪河河道渠化硬化，生態(tài)功能喪失，河道內(nèi)濕生植物種類單一，長勢較差，濕地特征不夠明顯，上游大量的違章建設(shè)對濕地造成了較為嚴(yán)重的破壞，農(nóng)村生活點源和農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，河流水質(zhì)為劣Ⅴ類。根據(jù)盤縣城市規(guī)劃［6］要求，濕地下游的東湖景觀水體需從西鋪河引水(圖1)，因此，亟待采取有效措施改善西鋪河水質(zhì)，為景觀水體提供清潔優(yōu)質(zhì)的水源。同時根據(jù)其城市規(guī)劃，盤縣將對西鋪河?xùn)|側(cè)土地進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，未來大量人口聚集將帶來新的污染源，需采取源頭控制措施防止污染物進(jìn)入西鋪河。

1.2 水質(zhì)目標(biāo)與水環(huán)境容量

上游未能有效截污控污的情況下，在西鋪河上進(jìn)行水質(zhì)凈化，使西鋪河水質(zhì)達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。利用區(qū)域地形高差形成梯級配水凈化的效果，改善入東湖水體的水質(zhì)，提升整個河道的生態(tài)環(huán)境功能與價值。

根據(jù)GB/T 25173—2010《水域納污能力計算規(guī)程》［7］推薦的一維模型，確定西鋪河水環(huán)境容量的計算公式:

式中:Wi為第i 個排污口允許排放污染物量，t/a;Ci為河段第i 個節(jié)點處的水體污染物本底濃度，mg/L;C 為沿程污染物濃度，mg/L;Qi為河道第i 節(jié)點后流量，m3/s;Qi，p為第i 節(jié)點處廢水入河量，m3/s;u 為第i 個河段的設(shè)計流速，m/s;x 為計算點到第i 節(jié)點的距離，m;k 為污染物綜合衰減系數(shù)，L/s。

根據(jù)式(1)計算得出西鋪河水環(huán)境容量(表1)。

表1 西鋪河功能區(qū)內(nèi)水環(huán)境容量Table 1 Environment capacity of the construction area in Xipu river

由表1 可見，西鋪河水質(zhì)不能達(dá)到功能區(qū)要求，已無剩余環(huán)境容量，必須消減入河污染物才能達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，需消減的污染負(fù)荷CODCr為853.574 t/a，氨氮為9.700 t/a。

2 點源污染截污

對于現(xiàn)存及規(guī)劃擬建設(shè)的村莊、城鎮(zhèn)等點源污染，沿西鋪河敷設(shè)總截污管線，收集研究區(qū)域內(nèi)污水，排入城市污水處理廠，對保障東湖濕地環(huán)境起著關(guān)鍵作用。通過計算服務(wù)區(qū)域內(nèi)不同地塊的排污量，確定截污管線的設(shè)計流量，并進(jìn)行水力計算，確定截污管線的管徑以及水力坡度［8］。

2.1 截污量計算

依據(jù)河道治理段區(qū)域地形以及相關(guān)規(guī)劃，確定截污服務(wù)總面積為362.69 hm2，其中有效服務(wù)面積為229.89 hm2。污水服務(wù)分為6 個區(qū)域(圖2)。

圖2 截污管線服務(wù)區(qū)域與截污管線布置Fig.2 Waste water pipeline service zoning and layout

污水量的計算公式［9］:

式中:Qdr為污水量，L/s;ψdr為產(chǎn)污系數(shù);qdr為單位用地用水指標(biāo)，L/(s·hm2);Fdr為地塊面積，hm2。

管道水力計算公式:

式中:Q 為設(shè)計流量，m3/s;A 為水流有效斷面面積，m2;V 為流速，m/s;R 為水力半徑，m;I 為水力坡度;n 為曼寧系數(shù)。

6 個服務(wù)區(qū)域的污水量見表2。

表2 截污管線服務(wù)區(qū)域污水量Table 2 Calculation of water quantity in different drainage pipeline service area

2.2 截污設(shè)計

2.2.1 管線布置

截污管線服務(wù)區(qū)域A 的地面高程為1 750.24 ～1 853.23 m;服務(wù)區(qū)域F，即東湖濕地公園區(qū)域，地面高程為1 742.28 ～1 751.98 m，為滿足上述2 個區(qū)域的污水可以自流排入下游，選擇截污管線路由在西鋪河?xùn)|側(cè)，沿河布置。具體路由為:W1 ～W3 管段服務(wù)區(qū)域A 污水，W3 ～W4 管段服務(wù)區(qū)域A、B 污水，W4 ～W5 管段服務(wù)區(qū)域A、B、C 污水，W5 ～W6管段服務(wù)區(qū)域A、B、C、D 污水，W6 ～W7 管段服務(wù)區(qū)域A、B、C、D、E、F 污水(圖2)。

2.2.2 管段技術(shù)參數(shù)

各管段的技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 管段技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of the pipelines

2.2.3 管道設(shè)計

管道材質(zhì)采用HDPE 雙壁波紋管，接口采用承插口形式。污水檢查井采用鋼砼形式，井筒采用直徑為700 mm 標(biāo)準(zhǔn)井筒，井室采用直徑為1 000 mm鋼砼井室，并在污水管道匯入處設(shè)置預(yù)留污水支管，預(yù)留污水支管設(shè)計將在下一階段完善。設(shè)計最低井蓋高程高于河道設(shè)計洪水位1 m。

3 面源污染人工濕地凈化

3.1 工藝選擇

人工濕地是以天然濕地結(jié)構(gòu)原理為基礎(chǔ)，仿造或改進(jìn)后建設(shè)的凈化水體技術(shù)，分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地以及垂直潛流人工濕地［10-11］3 種類型，其結(jié)構(gòu)特征見圖3。

圖3 人工濕地結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure demonstration of different types of constructed wetlands

表面流人工濕地是污水在人工濕地的土壤等基質(zhì)表層流動，依靠植物根莖與表層土壤的攔截作用以及根莖上生物膜的降解作用，使污水得以凈化。水平潛流人工濕地是污水從人工濕地的一端進(jìn)入，在人工濕地床表面下以近水平流方式流動，最后流向出口，使污水得以凈化。垂直潛流人工濕地是污水從人工濕地表面垂向流過基質(zhì)床的底部或從底部垂直向上流向表面，使污水得以凈化。

從凈化效果與水力負(fù)荷適用性角度來看，垂直潛流人工濕地優(yōu)勢較為明顯;從擾動最小、景觀營造度來看，表面流人工濕地是更好的選擇。結(jié)合研究區(qū)特點，在景觀要求較弱區(qū)域采用水質(zhì)凈化效果更好的垂直潛流人工濕地，在其他濕地區(qū)采用表面流人工濕地及其延伸的半自然型人工濕地，在水質(zhì)凈化的同時打造優(yōu)美的濕地生態(tài)效果。

3.2 濕地規(guī)模與空間布局

根據(jù)HJ 2005—2010《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》［12］可選用污染負(fù)荷、水力負(fù)荷核算人工濕地面積，并用二者計算結(jié)果互相校核?？紤]濕地設(shè)計的水力負(fù)荷、停留時間等限制因素［13］，研究區(qū)濕地設(shè)計流量取西鋪河枯水期最小來水流量，即0.4 m3/s(3.5 ×104m3/d)，根據(jù)規(guī)范計算并復(fù)核凈化濕地面積為45 hm2。

根據(jù)研究區(qū)地形地貌、分流水量、寬度、水力坡度等條件，結(jié)合潛流人工濕地及表面流人工濕地的相關(guān)設(shè)計要求，搭配本地鄉(xiāng)土水生植物，使其形成多類型人工濕地和自然濕地有機搭配的多級階梯濕地單元群，水質(zhì)凈化的同時，營造良好的生態(tài)效果，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，增加物種多樣性，完善生態(tài)系統(tǒng)［14］。濕地系統(tǒng)總平面布置如圖4 所示。

圖4 總平面布置Fig.4 General layout chart

西鋪河入東湖濕地前端沉砂池后進(jìn)行分流，沿河形成東西2 片濕地凈化區(qū)。2 片凈化區(qū)設(shè)計處理水量分別為2.0 ×104和1.5 ×104m3/d。利用前端潛流人工濕地與表面流人工濕地組合工藝進(jìn)行水質(zhì)凈化，其中表面流人工濕地在發(fā)揮凈化功能的同時，營造優(yōu)美的生態(tài)效果。2 片濕地凈化區(qū)設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 濕地凈化區(qū)單元設(shè)計參數(shù)Table 4 Design parameters of wetland purifing units

3.3 工藝流程與處理單元

主體工藝單元包括沉淀池、潛流人工濕地、表面流人工濕地等，輔助設(shè)施有引水渠、分流池、引水支渠和引水管等［12］，工藝流程如圖5 所示。

圖5 工藝流程Fig.5 Flow chart of the design

配水單元:將上游來水通過涵管分流導(dǎo)入濕地配水區(qū)，通過布水堰均勻配水至濕地初沉凈化區(qū)。

初沉凈化單元:初沉凈化區(qū)主要起到預(yù)處理塘的作用，進(jìn)一步沉淀來水中所含大顆粒污染物，再通過淺水、深水地形改造，浮葉沉水植物種植，營造好氧、厭氧條件對來水進(jìn)行初步凈化。

多級潛流人工濕地凈化單元:底部采用天然鈉基膨潤土毯防滲，避免污水入滲，向上分別分層鋪設(shè)300 mm 卵石集水/布水層，100 mm 礫石過渡層，600 mm 碎石/陶粒層，100 mm 礫石過渡層，300 mm 卵石布水/集水層。表面覆土厚度約200 mm。分別在布水層與集水層中布設(shè)Φ110UPVC 開孔管，用于布水與集水，提高布水、集水均勻性，并在下層管中設(shè)置排氣管(圖6)。同時利用凈化出水配合整體的風(fēng)格與要求，營造不同形式與風(fēng)格的階梯跌水效果，并創(chuàng)造跌水復(fù)氧條件。

圖6 多級潛流人工濕地斷面Fig.6 Cross section of the submerged constructed wetland

多級表面流人工濕地單元:對潛流人工濕地出水的進(jìn)一步凈化，主要通過植物吸收降低氮磷，其結(jié)構(gòu)采用復(fù)式斷面，水深30 ～60 cm，滿足表面流人工濕地停留時間達(dá)4 ～8 d 的要求。進(jìn)入該區(qū)后，氧通過水面擴散以及植物分泌進(jìn)行補給，水體中的溶解性和顆粒性污染物與植物根系發(fā)生接觸，通過根系微生物、植物和濕地土壤的協(xié)同作用去除。挺水植物通過其根系上以及底泥中兼氧微生物的代謝作用，對污染物進(jìn)行再次的沉淀與截留，同時通過硝化和反硝化作用去除水中的氨氮污染物。

植物選擇與維護管理:潛流人工濕地與表面流人工濕地植物選擇主要遵循的原則有，采用本土物種，杜絕外來物種;兼顧整體效果和濕地凈化效益;具有一定經(jīng)濟性，產(chǎn)生經(jīng)濟價值［15］。研究區(qū)挺水植物采用蘆葦、荷花、千屈菜、水蔥、香蒲、菖蒲等;浮葉植物主要考慮睡蓮、荇菜、莼菜、芡實等。濕地植物維護管理以不降低濕地處理能力為原則，在冬季來臨之前進(jìn)行收割，將濕地中部分氮磷通過植物的收獲去除，同時能夠給第2年植物生長創(chuàng)造良好的環(huán)境。

4 結(jié)語

以貴州省六盤水市盤縣西鋪河為研究對象，采用截污與人工濕地協(xié)同的處理方法改善水質(zhì)。根據(jù)地形與開發(fā)時序，合理設(shè)置截污分區(qū)，估算污水量，設(shè)計配套所需的截污設(shè)施;合理利用自然地形，采用多級潛流人工濕地與階梯多級表面流人工濕地復(fù)合的濕地水凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅有效保障污水處理水質(zhì)，更可營造城市水景，并且通過充分發(fā)揮濕地生態(tài)服務(wù)功能，必將推動研究區(qū)所在地生態(tài)環(huán)境的改善，樹立沿岸良好的城市形象。

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