河流水源保护景观化人工湿地设计例析
河流水源保护景观化人工湿地设计例析
赵亚乾1,2,王文科1,赵晓红1,张斌令3，张日霞3，王锦旋4,孟祥鑫5，袁卫宁1,王社平3,黄宁俊3，王彤1,赵金辉2
(1.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安710054；2.都柏林大学
土木、结构和环境工程系Dooge水研究中心，爱尔兰；3.西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安710068；4.都柏林大学建筑系，爱尔兰；5.长安大学建筑学院，陕西 西安710054)
摘要：以陕西凤县嘉陵江上游源头区域沿江两侧5个居民新村为试点，以嘉陵江水源保护与优美新农村环境创建为目标，充分融入景观化多级式人工湿地设计理念，建设了5处景观化人工湿地。在实现对居民新村农村生活污水处理以保护嘉陵江水源的同时，充分发挥人工湿地景观、娱乐、教育等功能，创建美好新农村环境，为人工湿地景观化设计应用提供了借鉴。
河流是城市供水的重要水源，但是中国40%以上的地表河流以及80%以上的城市河流受到氮、磷、有机物、重金属等的严重污染，亟需加强水源保护。人工湿地正日益广泛用于各种污水处理以及河流水源保护。实际上，人工湿地系统具备污水处理和景观等多重作用。Harrington等提出了多元化人工湿地（ICWs）概念，将其定义为具有污水净化功能、维持生物多样性功能、景观、娱乐和教育等功能为一体的多功能体系（见图1），将原有人工湿地概念大大强化和推广。然而，人工湿地系统通常由水处理及环境工程人员研究和设计，多注重其污水处理功能及设计参数，忽视了湿地本身具有的美学功能。另一方面，景观学家一直以来将水与水生植物作为重要的景观元素，但未足够重视人工水生态系统的水处理效能。人工湿地由于占地面积相对其他污水处理设施而言较大，因此，人工湿地设计中应充分考虑景观设计的原则。景观化ICWs是未来的重要发展方向。但国内迄今为止，人工湿地在景观设计中的应用尚处于探索阶段。
为了探索将湿地设计与周围景观环境相融合，从而建造具有景观化的ICWs。笔者所在课题组选择陕西凤县嘉陵江边5处新农村建设点为对象，探索应用ICWs理念，设计了5处居民新村生活污水处理ICWs以加强对嘉陵江水源的保护。通过案例的实践旨在探索将工程、生态和景观学相融合，将污水处理人工湿地作为集景观、教育、娱乐、水生生物栖息地等于一体的综合设施，以期创建一个优美的新农村环境。
1 流域与研究对象特征
1.1 流域水源现状
嘉陵江流域面积为1.6×105km2。2007年流域内总人口为4 700万人，其中农业人口为357万人。水利部水资源公报显示，2000年—2007年，嘉陵江水质总体达到地表水Ⅲ类水质，2011年—2012年甚至达到Ⅱ类水质，但是近年来，由于工、农业以及航运等带来的污染，一些河段的水质面临较严重污染，营养元素的增加导致水体富营养化问题等呈上升趋势，直接威胁到重庆地区以及下游三峡库区的水质安全。模拟研究表明，嘉陵江流域1990年—2007年期间每年排放的非点源氮、磷负荷分别达到67 670 t和2 648 t。因此，亟需建设污水处理设施以保护嘉陵江流域水质。
1.2 研究对象概况
陕西凤县是嘉陵江的发源地，嘉陵江在凤县流域长度为80 km，紧邻212国道（见图2），年平均径流量为18.41 m3/s。凤县境内沿嘉陵江两岸人口以及工农业较为密集，近年来，政府实施的新农村建设工程为一些山区偏远分散的居民集中规划、建设居民新村，新村集中于沿212国道的嘉陵江流域。为了减少沿岸社会工农业生产、生活对嘉陵江的污染，与新农村建设相配套建设污水处理设施。笔者所选定的5个ICWs位置见图3。
2 景观化人工湿地设计
2.1 湿地系统选择
诸多的人工湿地应用实践表明,湿地系统本身完全可以实现对生活污水的高效处理，且通常采用多级湿地处理系统。因此，在本研究中，针对不同新村，分别采用三级湿地、四级湿地来处理其生活污水。
湿地系统处理污水的最大挑战在于对污水中营养物和重金属的去除，因此，近年来采用不同湿地基质以增强对氮、磷以及重金属的吸附效果。其中，利用给水厂脱水铝污泥作为湿地基质固定磷在实验室及实际应用中取得了良好的效果。铝污泥是指采用硫酸铝等铝盐作为混凝剂的自来水厂的副产物，铝污泥人工湿地已经证实具有良好的污水处理效能。因此，本设计中采用以铝污泥作为基质的多级人工湿地增强对农村生活污水处理效能。
2.2 湿地系统设计参数
对陕西凤县5个新村的水量及水质前期调研表明，虽然由于居住人口的差异，各个村庄的水量存在差异，但是生活污水的水质未表现出明显的差异，这主要是由于不同村庄人们的生活习惯比较接近。根据污水的调查和取样监测结果，人工湿地设计进水水质：BOD5为(210±23) mg/L；TCOD为(420±35) mg/L；SCOD为(190±15) mg/L；PO43--P为(4.3±1.7) mg/L；TKN为(51.4±9.5) mg/L；SS为(139±30) mg/L；pH值为7.85±0.2。
基于前期对村庄水量、水质及周边环境调研，湿地在设计中充分考虑每个村落的具体特点以及与周边环境的景观协调性，5个村落基本概况及人工湿地设计特征见表1。湿地利用当地给水厂脱水铝污泥饼作为人工湿地主要基质，采用嘉陵江河床砾石作为铝污泥底部承托层，总设计深度为1.2 m，其中基质深度为0.7 m。污水通过初沉预处理设施后进入多级人工湿地进行处理。
2.3 湿地系统景观设计
2.3.1 湿地景观设计原则
景观化复合人工湿地的设计基本原则是根据不同村落周围环境条件因地制宜进行美学景观设计，使湿地成为整体景观的一部分，在确保水处理效能的基础上发挥其景观、娱乐、生态功能，提高土地利用率。本次设计中湿地景观设计采取的具体原则如下：
① 功能性原则。在实现水处理功能基础上最大化景观功能设计，两方面相辅相成。
② 因地制宜原则。密切结合湿地周边地形、地貌、自然、村落景观特征进行湿地结构、形态及美学设计。湿地建设尽可能就地取材，利用河床石块等材料建造湿地主体结构，以尽量与周围自然环境融合。
③ 植物选配功能性、景观性、本地化原则。植物是形成人工湿地植物景观的重要要素。在本次设计中充分遵循功能性与艺术性并重，遵循自然植物群落结构特点、科学配置、因地制宜、适地适种以及经济性等原则，强化植物的空间尺度、时间尺度以及美学设计以增加湿地景观效果。
④ 人文性原则。人工湿地景观设计要尊重当地人文历史和生活方式，结合当地居民休闲、娱乐、工农业生产需求进行设计。凤县在挖掘和打造“羌族故里”，新建居民新村有明显的羌族特色和风情。
⑤ 开放性原则。湿地系统应为开放式设计，在交通干道、村庄与湿地之间设置缓冲休闲区。湿地内部通过人行步道等连接，便于村民及212国道沿线游客深入其中，欣赏湿地景观。此外，结合展板、标牌及现场介绍宣传,在观光同时实现教育功能。
2.3.2 湿地景观设计
本次设计中根据选择的5个村落大小、人口数量和自然环境差异，在设计过程中除了考虑湿地系统本身参数之外，根据以上原则充分进行景观设计，5个湿地景观设计布局见图4。
图4 湿地景观设计布局
2.3.3 湿地效果分析
凤县由于地处嘉陵江源头，在新农村建设过程中配套建设污水处理设施对加强水源保护尤其重要。通过质量平衡计算可知，建设点1、2、3的生活污水未经过处理直排和经过人工湿地处理后排放可分别导致嘉陵江凤县段COD浓度上升0.15%和0.007 3%（未考虑水体自净能力）。因此，采用人工湿地对5个新农村建设点的生活污水进行处理对于保护嘉陵江水质将起到作用。更重要的是,以此作为试点，通过示范推广带动水源保护工作。
依照景观化ICWs理念建成的5处“湿地公园”与居民新村景观融合，起到美化环境的景观效果。建设点2扇形人工湿地布局以及建设点3狭长型人工湿地景观带成为居民新村的一道景观。建设点4与建设点5处理后的污水蓄积在景观水塘可用于绿化和农业灌溉用水。通过水塘的植物景观化配置与功能设计，创建了良好的水体景观。此外，在人工湿地周围设置宣传标牌，介绍和宣传湿地植物以及水环境保护知识，发挥其教育功能，促进水环境保护工作。
3 结论
嘉陵江作为长江的重要支流，造福沿岸人民，促进沿岸工农业的发展。但是，沿江工农业生产及生活排放的各种点源及非点源污染给水源水质带来威胁。结合嘉陵江上游陕西凤县新农村建设，充分运用ICWs人工湿地理念，设计并建设了5处多元化多级人工湿地系统对居民新村生活污水进行处理，对于保护嘉陵江水源具有重要示范作用。同时，景观化的设计使得人工湿地与居民新村景观融合，美化了环境，减轻了居民对于污水处理设施的抵触心理。试点实践证实了景观化复合型人工湿地可在实现水源保护作用的同时发挥湿地景观等综合功能，是未来湿地应用的重要发展方向。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第11期“铝污泥基质人工湿地系统专题”栏目）
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