臨沂市武河濕地的設(shè)計(jì)及其水質(zhì)凈化效果分析-人工濕地

臨沂市武河濕地的設(shè)計(jì)及其水質(zhì)凈化效果分析人工濕地

論文導(dǎo)讀:：人工濕地是設(shè)計(jì)有特定目的的。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、管理。提高水質(zhì)凈化能力。武河濕地概況。武河濕地位于臨沂市中心南部。

論文關(guān)鍵詞：人工濕地，設(shè)計(jì)，水質(zhì)凈化，武河濕地，臨沂市

1前言人工濕地可以定義為由濕地植被、土壤及其相關(guān)的微生物組成的，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、管理，以凈化水質(zhì)等主要目的，也同時(shí)致力于改善和保護(hù)現(xiàn)狀濕地的人工系統(tǒng)[1~5]。人工濕地與自然濕地在以下幾個(gè)方面存有區(qū)別：一方面，人工濕地是設(shè)計(jì)有特定目的的，主要用于改善水質(zhì)、減少環(huán)境污染帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)展?jié)竦芈糜蔚?；另一方面，決策者對(duì)于人工濕地更關(guān)注其設(shè)計(jì)價(jià)值，往往忽視其其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；再次，人工濕地需要管理，為濕地植被和微生物提供生存環(huán)境。人工濕地以其高效的水質(zhì)凈化能力以及較低的建設(shè)和運(yùn)行管理成本，博得了很多國(guó)家的青睞，在國(guó)際上得以快速推廣[1,6,7]。自從改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)得以快速發(fā)展，城市化已經(jīng)成為不可扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。水既是生命之源，農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)的命脈，同時(shí)也是城市賴以存在和發(fā)展的基礎(chǔ)性資源。因水而興，因水而存人工濕地，因水而盛，因水而名，因水而發(fā)展是我國(guó)很多城市的共同特點(diǎn)。然而，水資源匱乏和水資源短缺正成為影響大多數(shù)城市進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素之一[1,8]。伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和公眾生態(tài)保護(hù)意識(shí)的不斷提高，濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要性受到越來(lái)越多政府和人民的關(guān)注[1]。然而，由于缺乏一套較為成熟的工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、管理和價(jià)值評(píng)估的體系，使得人工濕地在國(guó)內(nèi)的廣泛普及受到了一定的影響[1,4,6,8]。不僅如此，建設(shè)人工濕地需占用大面積的土地，這對(duì)于很多用地日趨緊張的城市來(lái)說(shuō)，是制約人工濕地發(fā)展的另一個(gè)重要因素[1,7,8]。因此，結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)和建立人工濕地，對(duì)于促進(jìn)人工濕地在國(guó)內(nèi)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展也有重要作用。2武河濕地概況武河濕地位于臨沂市中心南部，介于118°16′46′′E和118°23′21′′E以及34°48′15′′N和34°53′54′′N之間，面積2萬(wàn)畝。武河濕地是1958年建成的邳蒼分洪道的一部分，自從1974年分洪以來(lái)就再未啟用。作為臨沂市的兩條排污河道，陷泥河和南涑河在此處匯入武河濕地。武河濕地周邊有28個(gè)行政村，4.6萬(wàn)人口。為進(jìn)一步提升臨沂城的水環(huán)境質(zhì)量，改善下游水質(zhì)，提高居民的生活環(huán)境，降低因環(huán)境污染引起的健康風(fēng)險(xiǎn)，增加農(nóng)業(yè)有效灌溉面積，發(fā)展?jié)竦芈糜?，提高公眾的環(huán)保意識(shí)，臨沂市政府投資1.03億元，建設(shè)武河濕地。3武河濕地的工程設(shè)計(jì)臨沂市水利局、臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院、臨沂市環(huán)保局作為牽頭單位，聘請(qǐng)多位生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、工程、水利、水文等方面的專家，參與了武河濕地的工程設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)、改善、優(yōu)化工作。3.1工程設(shè)計(jì)原則以保護(hù)和恢復(fù)濕地資源為前提，武河濕地通過(guò)重建濕地植被及其相關(guān)的微生物系統(tǒng)來(lái)模擬自然濕地，通過(guò)植被的吸收和微生物的降解，達(dá)到凈化水質(zhì)、改善生態(tài)環(huán)境的目的。3.1.1保留自然基底，最小化生態(tài)影響自1974年最后一次分洪以來(lái)，武河濕地經(jīng)歷了近四十年的自然恢復(fù)，濕地現(xiàn)狀植被和自然景觀良好。人工濕地的設(shè)計(jì)和建設(shè)是在保留現(xiàn)狀基底的原則下進(jìn)行的人工濕地，盡量避免對(duì)現(xiàn)狀植被和自然景觀破壞，這將有助于改善動(dòng)植物的棲息地，營(yíng)造植被多樣性景觀，增加濕地微地形的自然曲線美，同時(shí)也減少了工程量和工程投資。3.1.2功能多樣化原則武河濕地設(shè)計(jì)建設(shè)的主要功能是凈化城市尾水、改善當(dāng)?shù)鼐用窠】禒顩r、增加農(nóng)業(yè)有效灌溉面積、發(fā)展?jié)竦芈糜巍Ｈ欢?，濕地的價(jià)值還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。人工濕地除了其設(shè)計(jì)功能外，還具有濕地共有的一些生態(tài)功能，比如大氣調(diào)節(jié)、旱澇緩解、生物多樣性保持、土壤形成等。這些潛在的生態(tài)功能往往不被決策者所關(guān)注，在保證濕地設(shè)計(jì)功能的同時(shí)，將濕地的這些潛在生態(tài)功能充分發(fā)揮出來(lái)，將會(huì)進(jìn)一步豐富濕地功能的多樣性，提高決策者和公眾對(duì)濕地的認(rèn)知度。3.1.3水流平穩(wěn)原則人工濕地的水位和平穩(wěn)的水流是關(guān)系到水質(zhì)凈化的兩個(gè)重要因素。基于武河濕地地形地貌和植被的特點(diǎn)，合理的設(shè)計(jì)和布置水流控制單元，包括擋水壩、布水堰、節(jié)制閘、滯留塘、管理通道等。水流控制單元能夠有效避免濕地出現(xiàn)滯留區(qū)和水流短路，在汛期及時(shí)排走洪水，相隔一定距離使水流重新布水，確保水流最大程度的流經(jīng)濕地植物及相關(guān)微生物群落，以確保濕地凈化水質(zhì)的功能得以最大程度的發(fā)揮。3.1.4增強(qiáng)景觀美學(xué)原則武河濕地建設(shè)的主要目的之一是促進(jìn)濕地旅游、開(kāi)展?jié)竦亟逃?。因而，在濕地的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，要注重提升濕地美學(xué)價(jià)值，打造濕地生態(tài)景觀。武河濕地設(shè)計(jì)有5座擋水壩、8個(gè)滯留塘、10處溢流堰、18座節(jié)制閘、20個(gè)濕地處理單元、39個(gè)生態(tài)島，以及13.44km的濕地管理通道。盡管這些濕地控制單元的主要設(shè)計(jì)功能是調(diào)控濕地內(nèi)水流和水位，但是在設(shè)計(jì)時(shí)要求兼顧其美學(xué)價(jià)值和景觀生態(tài)價(jià)值，使這些控制單元在形狀、顏色、尺寸、曲線，以及與植被搭配等方面體現(xiàn)多樣性，豐富濕地景觀。3.2濕地組成單元的工程設(shè)計(jì)及其功能以上述設(shè)計(jì)原則為指導(dǎo)，在充分調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、地形地貌、植被景觀等的基礎(chǔ)上，武河濕地設(shè)計(jì)了一系列的功能單元，每個(gè)功能單元都有其特定的設(shè)計(jì)目的，包括擋水壩、滯留塘、溢流堰、節(jié)制閘、濕地處理單元、生態(tài)島、管理通道等(圖1)。這些功能單元合理布置、相互協(xié)調(diào)配合，對(duì)調(diào)控濕地內(nèi)水流水位，避免形成滯水區(qū)和水流短路，加強(qiáng)濕地的美學(xué)價(jià)值和景觀生態(tài)價(jià)值等有重要貢獻(xiàn)(表1)。圖1武河濕地設(shè)計(jì)圖Fig.1EngineeringdesignanditscomponentsofWuheWetland管理通道:沿著濕地內(nèi)主河槽的一側(cè)，設(shè)計(jì)有13.44km長(zhǎng)的管理通道(圖1A)。該通道主要起到控制水流的作用，并與濕地內(nèi)的擋水壩和溢流堰相配合人工濕地，形成了濕地的20個(gè)處理單元，使主河道的水流合理的分配進(jìn)濕地。管理通道同時(shí)也為濕地管理人員、設(shè)備進(jìn)出濕地，以及旅游者游覽濕地提供方便(圖1A)。生態(tài)島:為豐富生物多樣性，濕地不僅要為水生生物提供棲息地，同時(shí)也要為一些陸生生物，如鳥(niǎo)類、昆蟲(chóng)等提供棲息地。武河濕地利用平整濕地基底時(shí)多余的土，設(shè)計(jì)建設(shè)了39個(gè)不同形狀和大小的生態(tài)島，島上大量栽植以本地種為主的植物，其主要目的是為陸生生物提供棲息地，提高濕地的生物多樣性，合理利用濕地內(nèi)的土壤，減少工程投資，提升濕地的美學(xué)和景觀價(jià)值(圖1B)。溢流堰:根據(jù)武河濕地的地形和水流特點(diǎn)，設(shè)計(jì)建設(shè)了10處溢流堰，其主要作用包括：首先是重新布水，使水充分流經(jīng)濕地，其次是避免形成死水區(qū)或水流短路，再次是讓水流經(jīng)溢流堰時(shí)充分曝氣，提高水質(zhì)凈化能力，第四是通過(guò)豐富溢流堰的形態(tài)多樣性及其形成的跌水景觀，增加濕地的美學(xué)和景觀價(jià)值(圖1C)。滯留塘:為緩解進(jìn)水水流的沖擊力，充分沉降水里的懸浮物，并與溢流堰相配合，使水流每隔一定距離重新布水，武河濕地設(shè)計(jì)了8個(gè)滯留塘。通過(guò)在滯留塘里面栽植菖蒲、蓮藕、蘆葦?shù)葷竦刂参铮忍嵘藢?shí)地的水質(zhì)凈化能力，同時(shí)也增加濕地的美學(xué)和景觀價(jià)值(圖1C)。表1武河濕地各組成單元的功能Table.1.FunctionsofWuheWetlandcomponents

功能管理通道生態(tài)島溢流堰滯留塘涵管涵閘擋水壩濕地植被處理單元水質(zhì)凈化

++

++水流調(diào)控+++

+++

水位調(diào)節(jié)+

++++

重新布水

++

+

景觀美學(xué)++++

+++濕地管理+

生物棲息地

+

++生物多樣性

+

++減少投資

+

涵管涵閘:基于武河濕地的微地形和地勢(shì)以及水流特點(diǎn)，武河濕地設(shè)計(jì)建設(shè)了7處涵閘和11處涵管(圖1D)，其主要功能一是確保水流能最大程度的流經(jīng)濕地，二是要盡量避免死水區(qū)和水流短路的形成，三是便于調(diào)控每個(gè)濕地處理單元的水位和水流。

擋水壩：在河道比降較大的地點(diǎn)設(shè)計(jì)建設(shè)了5個(gè)帶閘擋水壩(圖1E)，一方面是為了防止因水流流速過(guò)快而降低了濕地的水質(zhì)凈化能力，另一方面是防止?jié)竦貎?nèi)水位過(guò)高而影響濕地植被的健康生長(zhǎng)，第三是通過(guò)擋水壩擋水可以形成大水面和大尺度濕地植被景觀，在提升濕地美學(xué)價(jià)值和景觀價(jià)值的同時(shí)人工濕地，也為各類濕地生物提供了隱蔽的棲息地，第四是汛期時(shí)，通過(guò)開(kāi)閘放水把洪水及時(shí)排除，保障了濕地的安全。植被:濕地植物要以本地種為主，這樣一方面可以充分保證濕地植物的適應(yīng)性和成活率，另一方面可以降低采購(gòu)種苗的成本，第三是在植被出現(xiàn)死亡時(shí)能夠及時(shí)更新替換。濕地植物要求盡量豐富，這對(duì)于以下幾個(gè)方面有重要的作用(圖1F和G):l穩(wěn)定濕地基底，避免或減少死水區(qū)或水流短路的形成，使水流均勻分布到濕地的各個(gè)處理單元;l吸收濕地內(nèi)水中的碳、氮、磷、硫、重金屬等;l為微生物、魚(yú)類、鳥(niǎo)類等生物提供棲息地和食物;l濕地植被在形狀、大小、顏色等方面的多樣性也為濕地創(chuàng)造了美學(xué)價(jià)值;l濕地植物的生長(zhǎng)也增加了生物量的生產(chǎn)能力。處理單元:在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，以武河濕地地形地貌現(xiàn)狀為肌理，以工程措施平整濕地處理單元的地面，使?jié)竦靥幚韱卧谛螤钌象w現(xiàn)多樣性，為濕地植物的生長(zhǎng)、濕地水質(zhì)凈化提供平臺(tái)。4武河濕地水質(zhì)凈化效果分析武河濕地設(shè)計(jì)污水平均日處理能力30萬(wàn)噸，水在濕地內(nèi)的停留時(shí)間為7天。在武河濕地兩個(gè)入水口和出水口分別設(shè)立了一個(gè)監(jiān)測(cè)站(M1，M2和M3)，監(jiān)測(cè)來(lái)自陷泥河和南涑河的進(jìn)水水質(zhì)情況，及濕地出水水質(zhì)情況(圖1)。選取CODcr、NH3-N、BOD、SS和TP作為水質(zhì)分析因素。通過(guò)表2可以看出，武河濕地對(duì)CODcr、NH3-N、BOD、SS和TP有著較高的去除率，分別為84.8%、98.7%、81.6%、88.9%和95.1%，均高于設(shè)計(jì)的去除率(表2)。實(shí)踐表明，武河濕地不僅達(dá)到了各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，而且在吸收氮、磷、鉀等方面還有著突出的表現(xiàn)。表2.武河濕地水質(zhì)凈化效果Table.2.EffectsofwastewatertreatmentonWuheWetland分析因素CODcrNH3-NBODSSTP設(shè)計(jì)進(jìn)水(mg/l)≈60≈20≈20≈25≈20陷泥河進(jìn)水(M1)(mg/l)63.2a23.11923.211.2南涑河進(jìn)水(M2)(mg/l)35.79.41724.95.7設(shè)計(jì)出水(mg/l)<10<2<5<5<2出水(M3)(mg/l)7.50.213.312.670.41設(shè)計(jì)去除率(%)83.390758090實(shí)際去除率(%)84.898.781.688.995.1注:a表中檢測(cè)數(shù)值來(lái)源于自武河濕地建成以來(lái)的135次檢測(cè)結(jié)果的平均值。5結(jié)論與討論通過(guò)分析武河濕地的設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況，可以看出水流調(diào)控是影響濕地水質(zhì)凈化效果的關(guān)鍵因素。武河濕地設(shè)計(jì)建設(shè)有101個(gè)水流調(diào)控設(shè)施，基于武河濕地地形、地勢(shì)、水文、植被等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)這些水流調(diào)控設(shè)施進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和布置，確保水流能夠充分流經(jīng)濕地，避免死水區(qū)和水流短路的形成，控制濕地內(nèi)的水流和水位，從而達(dá)到最好的水質(zhì)凈化效果。同時(shí)，政府抽調(diào)專業(yè)技術(shù)人員和管理人員，成立專門的濕地管理機(jī)構(gòu)，并配置相應(yīng)的管理設(shè)備，使水流調(diào)控設(shè)施能夠得到及時(shí)的維護(hù)，為濕地的科學(xué)管理和良久運(yùn)行提供了保證。通過(guò)分析武河濕地水質(zhì)凈化效果可以看出人工濕地，武河濕地經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，可以高效去除水中的CODcr、NH3-N、BOD、SS、TP等，在進(jìn)水水質(zhì)為V類或劣V類的情況下，出水水質(zhì)基本達(dá)到了III類水質(zhì)。建設(shè)人工濕地需要占用大量的土地，這對(duì)于目前土地日趨緊缺的中國(guó)城市來(lái)說(shuō)，是限制人工濕地推廣的一個(gè)主要因素。以武河濕地為例，占地共800公頃，是建設(shè)同等處理能力的污水處理廠所需土地面積的40倍。然而，利用長(zhǎng)期不用的河流故道建設(shè)人工濕地，對(duì)于很多濱水城市來(lái)說(shuō)，不僅不會(huì)占用城市用地，而且還提高了土地的利用率，武河濕地便是一例。臨沂市武河濕地的案例研究表明，科學(xué)設(shè)計(jì)和建設(shè)人工濕地對(duì)于凈化城市尾水，改善沿線居民健康狀況，發(fā)展?jié)竦厣鷳B(tài)旅游，提升城市自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展有著重要的理論和實(shí)踐意義。同時(shí)也為人工濕地在國(guó)內(nèi)更多城市的推廣普及起到了重要的推動(dòng)作用。

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