0 前言

人工湿地是通过模拟自然湿地而人为设计和建造的具有可控性和工程化特点的水处理系统。人工湿地利用系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现水质净化作用，是实现雨水调蓄、雨水径流处理、尾水生态净化和地表水质改善的重要技术手段。

1 目标功能

人工湿地主要有以下功能：1.雨水径流调蓄；2.削减面源污染，改善水环境质量；3.改善局部微观气候；4.美化景观，为市民提供休憩娱乐和科普教育的场所。从更好地发挥湿地系统多重功能、降低造价等方面考虑，海绵城市建设中应优先采用表面流人工湿地。

2 适用条件

在下列几种情况下，可优先采用表面流人工湿地技术：

（1）现有公园毗邻河道，将公园内的湿塘改造为表面流人工湿地，发挥其改善水环境质量的功能；

（2）将居住小区内水景或公共广场的硬质铺装改造为表面流人工湿地，发挥其径流调蓄和水质净化功能；

（3）将交通基础设施建设遗留的取土坑改造为表面流人工湿地，发挥其重交通径流污染处理和生态修复的功能。

3 设计计算

3.1 设计原理

表面流人工湿地一般由进水区、处理区、出水区以及溢洪道组成。进水区包括沉淀池及其附属设施，用于去除雨水入流中的（通常为直径不小于125μm）泥砂颗粒，减轻固体颗粒对湿地处理区内植物处理效果的抑制；处理区内生长的植物可以去除细颗粒和溶解性污染物。溢洪道的作用是保护处理区域，当面对超标准降雨事件时及时分流过量雨水径流，使湿地处理区内植物免受冲刷破坏。

表面流人工湿地示意图及构造如图1-3-1、1-3-2：

图3-1 表面流人工湿地示意图

图3-2 表面流人工湿地构造图

3.2 设计流程

表面流人工湿地设计的主要设计内容及步骤如下：

3.3 设计流量

根据城市暴雨强度公式（式3-1），在给定重现期及降雨历时情况下计算设计流量。

 

式中i—暴雨强度（mm/min）；

TM—降雨重现期（a）；

t—降雨历时（min）。

集水区综合雨量径流系数的计算按各地块渗透性质进行面积加权，具体参照表3-1。

表3-1 径流系数

设计流量按式3-2计算，将各自重现期下暴雨强度分别带入即可。

Q=α·i·A/60×10-3 （3-2）

式中Q—设计流量（m3/s）;

α—综合径流系数;

i—暴雨强度（mm/min）；

A—集水区总面积（m2）。

设计流量包括一般降雨事件径流量Q1和极端降雨事件径流量Q2。一般降雨事件径流量用于进水区设计，降雨重现期P一般取5~10年，降雨历时根据实际情况确定；极端降雨事件径流量指超过湿地系统处理能力的流量，用于溢洪道的设计，降雨重现期P一般取100年，降雨历时根据实际情况确定。

3.4 进水区设计

进水区设计包括沉淀池尺寸确定及校核、沉淀池入口设计、沉淀池出口设计、植物选配。其中，沉淀池出口设计包括沉淀池至湿地处理区出口设计和沉淀池至溢洪道出口设计。

进水区主要结构如图3-3：

图3-3 进水区示意图

3.4.1 沉淀池尺寸确定

沉淀池面积根据式3-3确定。

式中R—目标沉淀物去除效率（以小数计）；

vs—目标沉淀物沉降速度（mm/s）；

Q1—一般降雨事件径流量（m3/s）；

A—沉淀池表面面积（m2）；

n—湍流系数；

de—最大滞留深度（m）；

dp—沉淀区深度（m），一般取2m；

d*—dp和1m中取最小值（m）。

在实际设计过程中，根据场地实际情况，对计算结果进行适当优化调整。

湍流系数与沉淀池水力效率λ有关,n=1/(1-λ)。水力效率与沉淀池的长宽比、出入口位置等有关，增大水力效率的途径包括提高长宽比、多点进水等。沉淀池水力效率应不小于0.5，为此沉淀池长宽比应不小于3:1。图3-4是常见沉淀池结构下水力效率λ取值：

图3-4 常见沉淀池结构水力效率λ取值

理想状况下不同粒径沉淀物沉降速度见下表：

目标沉淀物颗粒直径一般取125μm。

由于沉淀池具有一定高度的水深，设计需要充分考虑公共安全以及与周围的景观融合，需要对沉淀池的边坡进行设计，具体边坡类型有两种，如图3-5、3-6所示：

图3-5 沉淀池边坡设计（缓坡）

图3-6 沉淀池边坡设计（陡坡）

缓坡设计边坡坡度小，一般取1:8-1:10，长度一般取2.4-3m。坡上可以放置圆石及原木、种植挺水植物以营造自然景观。缓坡设计安全性高、观赏性好，但占地面积稍大；陡坡设计中沉淀池池壁垂直，通过栏杆与外界隔开。陡坡占地面积小，景观效果稍差。

沉淀池池底一般选择硬质石块，一方面其可以抑制沉淀池内植物的生长，还可以起到沉淀池清理时的指示作用。

3.4.2 沉淀池入口设计

雨水径流经雨水管道或是地表排水系统直接进入沉淀池，为避免可能存在的雨水径流对沉淀池入口处的局部冲刷情况，须在入口处设置消能装置（如在入口处放置砾石）。由于城市雨水径流中往往含有部分生活垃圾（塑料制品、枯枝落叶等），入口处须设置垃圾拦截装置（格栅）并定期清理。图3-7为沉淀池入口设计示意图：

图3-7 沉淀池入口设计示意图

3.4.3 沉淀池出口设计

沉淀池出口设计（至湿地处理区）

至湿地处理区的出口通常由一个溢流井构成。溢流井尺寸应根据两种工况条件进行设计（堰流条件、淹没条件）。

（1）堰流条件

流量较小时，溢流井周长P采取式3-4进行计算。

 

式中P—溢流井周长（m）；

B—阻塞因数（0.5）；

h—堰上水深（m），一般取0.05m；

Qdes—一般降雨事件径流量（m3/s）；

Cw—堰流系数（1.66）。

（2）淹没条件

当流量继续增大，水流淹没溢流井，溢流井表面积采取式3-5进行计算。

 

式中A0—溢流井面积（m2）；

Qdes—流量（m3/s）；

B—阻塞因数（0.5）；

h—水面高出溢流井坑顶高度（m）,一般取0.3m；

Cd—流量系数（0.6）。

排水管负责连接进水区与湿地处理区，一般采用混凝土管。

a.当排水管出口设计在湿地处理区水面以下时，为淹没出流，排水管工作时管内流速采取式3-6进行计算。

 

式中h—排水管进出水口高度差（m，）；

v—管内流速（m/s）；

g—重力加速度（9.79m/s2）；

排水管进出水口高度差h等于进水区至溢洪道出口高度减去湿地处理区正常水面高度，根据管内正常流速v及一般降雨事件径流量Q1即可求得排水管管径。

b．当排水管出口设计在湿地处理区水面以上时，为自由出流，排水管断面面积采取式3-5进行计算。

沉淀池出口设计（至溢洪道）

沉淀池至溢洪道出口一般采取溢流堰，只需采用堰流工况进行设计，溢流堰周长P采取式（3-4）进行计算，其中，流量Qdes取极端降雨事件径流量Q2，阻塞因数B取1。溢流堰顶高度须根据湿地处理区最大调蓄水深（详见3.5.3湿地水深设计）确定。

3.4.4 植物选择

沉淀池中植物的作用是保护沉淀池边坡免收水流冲刷、保证公共安全以及营造景观效果。沉淀区植物一般种植在沉淀池浅水区域以及边坡上，应保证其不扩散至沉淀池中心区域。植物类型一般选取挺水植物。

3.5 湿地处理区设计

3.5.1 湿地面积确定

对于表面流人工湿地，湿地处理区面积可采用汇水区面积百分比法（WWAR）确定，在给定设计进出水水质的基础上，根据各污染物目标去除率，按表3-3可查得植草沟与集水区面积比R，一般取0.5％~5％。

湿地处理区面积可由式3-7计算：

a=Rx×A (3-7)

式中a—湿地处理区面积，m2；

Rx—控制性目标污染物去除率所对应的R值，%；

A—集水区面积，m2。

3.5.2 湿地长宽比及水力效率λ

为避免湿地处理区内发生短流现象，提高处理效果，湿地处理区长宽比一般不小于5:1。处理区水力状况用水力效率λ表示，不同处理区构造下λ的取值参照图3-4，湿地处理区水力效率λ应不小于0.5，以大于0.7为宜。

3.5.3 湿地水深设计

湿地水深包括正常水深和调蓄水深。

（1）正常水深

根据水深及植物种类不同，湿地处理区被分为四个沼泽区，另外还包括自由水面区。如图2-2所，四个沼泽区分别为：矮生植物区，浅沼泽区，沼泽区，深沼泽区。不同区域深度范围见表3-4：

湿地处理区内不同沼泽类型比例取决于湿地所要去除的主要污染物种类。当湿地以除磷为主要目标时，矮生植物植物区占比高；当湿地主要目标为脱氮时，须设置较多沼泽区和深沼泽区。

（2）调蓄水深

调蓄水深应按照“容积法”确定的湿地调蓄容积，结合湿地面积进行计算。

V= 10HφF （3-8）

式中：V——储存容积，m3；

H——给定年径流总量控制率下的设计降雨量（昆山），mm；

φ——综合雨量径流系数，可参照表3-1 进行加权平均计算；

F——汇水面积，hm2。

湿地调蓄容积确定后，结合3.5.1中确定的湿地面积即可求得湿地调蓄水深。湿地调蓄水深不应超过0.75m，以0.5m为宜。调蓄水深计算结果超过0.75m时，应进一步优化湿地面积、调蓄容积等设计参数。

3.5.4 湿地水力停留时间

表面流人工湿地水力停留时间一般取72h。水力停留时间应作为湿地出水口设计的参数依据。

3.5.5 湿地植物选择

在选择人工湿地植物时尽量选择本土植物，以免引发生物安全性问题，同时应遵循以下原则：

1.优先选择吸收能力强、耐受水位变化的植物；

2.优先选择根系发达、茎叶繁茂、生物量大的植物；

3.优先选择有经济价值且具有观赏性的植物；

4.优先选择抗逆性强的植物，这类植物可以抵抗病虫害和气温变化等；

5.合理搭配不同种类植物，多物种的生态系统比单一物种的生态系统要稳定；

6.植被应当在两年后达到70%-80%的覆盖率。

3.5.6 湿地边坡设计

湿地边坡设计可参考沉淀池边坡设计（3.4.1）。

3.5.7 湿地出水口设计

湿地出水口设计示意图如图3-8：

图3-8 湿地出水口设计示意图

湿地出水经进水管流入出水池，通过出水池中竖管出口进入排水管。竖管出口可以保证湿地内稳定的停留时间，为防止漂浮垃圾堵塞竖管孔口，竖管外须设置垃圾拦截装置。出水口设计还包括放空管设计，放空管设置在处理区域的底部，在湿地维护时将湿地中的水放空，放空管入口须设置拦截装置。放空管通过一个手动阀门连接至处理区域的出水口。人工湿地内的水必须在12小时内从放空管中排出。

湿地处理区出水最大流量Qmax可以通过式3-9计算。

 

式中V—湿地最大调蓄体积（m⊃3;，湿地表面积与最大调蓄水深乘积）；

t—水力停留时间（s）。

排水管竖管孔口的面积A0可以通过式3-10计算，为保证排水管起到稳定湿地停留时间的作用，竖管孔口需分层布置，最下层孔口底部应与湿地处理区正常水位平齐。每层竖管孔口面积采用式3-10计算。

 

式中A0—孔口面积（m2）；

h—孔口中心距离水面距离（m）；

Q—给定h时为达到设计水力停留时间所需流量（m⊃3;/s）；

g—重力加速度（㎡/s）；

Cd—孔口流量系数（0.6）。

放空管一般采用混凝土管，管径可采用曼宁公式进行计算，设计流量采用放空管12小时排出湿地处理区内水的平均流量。

 

式中Q—放空流量（m⊃3;/s）；

A—放空管横截面积（m2）；

R—水力半径（m）；

S—坡度（一般取0.5%）；

n—糙率（取0.012）。

湿地出水排水管一般采用混凝土管，同样采用曼宁公式进行计算，设计流量取湿地出水最大流量与放空管流量中的最大值。

3.6 溢洪道设计

溢洪道的作用是从进水区域接受雨水强度大于设计流量时的雨水，水在溢洪道内流动为明渠流。溢洪道的尺寸可使用曼宁公式计算，设计流量采用极端降雨事件径流量Q2。

溢洪道需要注意防侵蚀，须采取消能措施。

3.7 设计校核

湿地运行时，若通过湿地处理区断面的水流平均流速过快，会导致植物区内生长的生物膜脱落，影响湿地处理效果。为此，湿地设计参数确定后应对其进行水力校核：

 

式中Qmax——人工湿地可通过的最大流量（m⊃3;/s）；

A——湿地最小横截面积（㎡）。

4 施工图要求

4.1施工设计说明编制要点

①表面流人工湿地方案的设计计算书，主要包括按照水文和水质目标计算表面流人工湿地的进水区、湿地处理区、溢洪道、边坡、进出水口设计计算等。

②表面流人工湿地排水管、放空管材质、强度等技术参数。

③进水区沉淀池硬质基础所选材料的材质、强度等技术参数。

④表面流人工湿地种植植物的配置要求。

⑤表面流人工湿地施工工艺要求，主要包括管道安装、进出水口结构及布置、植物栽植等。

⑥表面流人工湿地维护管理要求，主要包括植物管养、沉淀池清理、湿地处理区清理和进出水口清理等。

4.2施工图图纸要求

4.2.1 表面流人工湿地断面布置图

①表面流人工湿地在汇水区横断面上的位置。

②表面流人工湿地的出水与市政雨水管渠或周边水系的关系。

③表面流人工湿地进水区进水口和溢流井（口）标高、湿地处理区进水区和出水管口标高。

4.2.2 表面流人工湿地平面布置图（可在管线综合图上标注）

①表面流人工湿地的平面位置。

②表面流人工湿地进水区、湿地处理区、溢洪道位置。

③排水管的布置、管道连接走向等。

4.2.3 表面流人工湿地横断面图

①沉淀池入水口和底部标高。

②湿地处理区入水口和底部标高。

③沉淀池、湿地处理区边坡样式。

④沉淀池雨水调蓄高度和溢流口（至湿地）标高。

⑤沉淀池雨水调蓄高度和溢流口（至溢洪道）标高。

⑥湿地处理区雨水调蓄高度和湿地出水口标高。

⑦溢洪道断面图。

⑧不同沼泽区湿地断面图。

4.2.4 表面流人工湿地排水管大样图

①排水管连接俯视图。

②放空管位置、管径、连接方式。

4.2.5 表面流人工湿地进水区大样图

①进水口的俯视图。

②横剖面图和纵剖面图。

③消能系统布置图。

4.2.6 沉淀池出口（至湿地处理区）大样图

①溢流井（口）的俯视图和剖面图。

②溢流井（口）的管道连接图。

4.2.7 沉淀池出口（至溢洪道）大样图

①溢流井（口）的俯视图和剖面图。

②溢流井（口）的管道连接图。

4.2.8湿地出水口大样图

①出水口的俯视图。

②横剖面图和纵剖面图。

转载：未来的海绵城市