基于海綿城市視角的城市雨水濕地設(shè)計(jì)

黃志敏

中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司廣州分公司，廣東 廣州 511400

1 工程概況

某市海綿城市建設(shè)項(xiàng)目所在地區(qū)為副熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，終年雨水充沛，年平均降水量為1385mm、年平均降水日數(shù)為138d；該地區(qū)早期建設(shè)有一座容積為5.2萬(wàn)m3的蓄水池，海綿城市項(xiàng)目建成后可用于處理蓄水池雨水排放問題，以及上游河道污水處理問題；該工程人工濕地的設(shè)計(jì)進(jìn)水量為8萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)目標(biāo)是將河道上游雨水水質(zhì)處理后達(dá)到Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，以此達(dá)到治理城市黑臭水體的目的。

2 基于海綿城市的雨水濕地設(shè)計(jì)

2.1 處理工藝及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）雨水濕地處理工藝。采用分級(jí)組合式人工濕地工藝，方式為三級(jí)串聯(lián)人工生態(tài)濕地，分別為潛流人工濕地、表面流人工濕地及穩(wěn)定塘，整個(gè)雨水濕地處理系統(tǒng)采用高程重力自流的形式，工藝流程如圖1所示。

圖1 雨水濕地處理工藝流程

（2）雨水濕地設(shè)計(jì)特點(diǎn)。針對(duì)城市黑臭水體治理，該工程采用人工濕地系統(tǒng)凈化后的雨水作為主要補(bǔ)水水源，將雨水濕地系統(tǒng)與黑臭水體治理相銜接，能夠確保減少雨水排放的同時(shí)，顯著改善城市黑臭水問題。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

（1）濕地選址、生態(tài)需水量及面積設(shè)計(jì)。針對(duì)該項(xiàng)目在資金投入、成效方面等綜合考慮的情況下，將工程選址確定在城市周邊經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對(duì)較低，并且后期施工中土方量運(yùn)用較小的低洼區(qū)域。另外，結(jié)合項(xiàng)目中生態(tài)需水的需求，項(xiàng)目需要靠近河道等水系，以確保項(xiàng)目在旱季、缺水季的水系有效循環(huán)，或者在雨季時(shí)便于對(duì)蓄水進(jìn)行調(diào)整。該項(xiàng)目雨水濕地生態(tài)需水的計(jì)算主要由水面蒸發(fā)消耗需水、滲漏消耗需水和水體置換需水三部分構(gòu)成。

其中，水面蒸發(fā)消耗需水WW的計(jì)算公式如下：

式中：F為雨水濕地實(shí)際補(bǔ)水面積，m2；E為實(shí)際測(cè)量中水面蒸發(fā)量，mm。

滲漏消耗需水Wu是指在雨水濕地最低水位高于地下水位時(shí)滲漏至地下水的水量，具體計(jì)算公式如下：

式中：K為滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值；F為雨水濕地實(shí)際補(bǔ)水面積，m2。

水體置換需水Wz是指雨水濕地在運(yùn)行一定周期后堆積的污染物將會(huì)造成水質(zhì)的惡化，此時(shí)需要通過換水的形式保障水系良好的流動(dòng)，具體計(jì)算公式如下：

式中：H為雨水濕地需要補(bǔ)水區(qū)域的水深，m；N為補(bǔ)水區(qū)的換水周期，d；F為雨水濕地實(shí)際補(bǔ)水面積，m2。

（2）雨水濕地面積設(shè)計(jì)。根據(jù)水力負(fù)荷理論計(jì)算出雨水濕地的設(shè)計(jì)面積A：

式中：Q為污水流量，m/d；Nq為水力負(fù)荷值，m3/（m2·d）。

該項(xiàng)目雨水濕地設(shè)計(jì)中水力負(fù)荷取值標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》（DGT J08—2100—2012），項(xiàng)目中潛流人工濕地水力負(fù)荷需達(dá)到0.8m3/（m2·d），且雨水濕地設(shè)計(jì)面積需滿足10萬(wàn)m2。水質(zhì)預(yù)期經(jīng)過潛流濕地系統(tǒng)處理后，可符合國(guó)家出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；通過表面流人工濕地能夠?qū)⑽廴舅w中存在的污染物基本去除，并實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的調(diào)節(jié)及活化效果，采用具有較強(qiáng)凈化作用的植物，其中一級(jí)表面流人工濕地水力負(fù)荷為1m3/（m2·d），一級(jí)穩(wěn)定塘水力負(fù)荷為4m3/（m2·d），二級(jí)表面流人工濕地水力負(fù)荷為1.6m3/（m2·d），二級(jí)穩(wěn)定塘水力負(fù)荷為8m3/（m2·d），經(jīng)過計(jì)算，各級(jí)濕地對(duì)應(yīng)面積分別為8萬(wàn)m3、2萬(wàn)m3、5萬(wàn)m3、1 萬(wàn) m3。

（3）構(gòu)筑物尺寸設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目中各級(jí)雨水濕地構(gòu)筑物規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 各級(jí)雨水濕地構(gòu)筑物規(guī)格參數(shù)

（4）水力停留時(shí)間設(shè)計(jì)。在雨水濕地中水力停留時(shí)間反映了污水的處理時(shí)間，其可作為污水處理程度的主要指標(biāo)，在實(shí)際中主要受濕地構(gòu)建規(guī)格、植被、地基材料滲透系數(shù)以及水力坡度等參數(shù)的影響。通常情況下，水力停留時(shí)間不宜超過24h，并且在暴雨環(huán)境下應(yīng)保持0.5h以上，因此普遍將水力停留時(shí)間保持在10～15h，以達(dá)到良好的污水處理效果。該項(xiàng)目中設(shè)計(jì)單日污水處理流量為8萬(wàn)m3/d，并設(shè)計(jì)相匹配的池容量，經(jīng)過計(jì)算后該項(xiàng)目中潛流濕地水力停留時(shí)間為24h，一級(jí)表面流人工濕地水力停留時(shí)間為12h，一級(jí)穩(wěn)定塘水力停留時(shí)間為12h，二級(jí)表面流人工濕地水力停留時(shí)間為7.5h，二級(jí)穩(wěn)定塘水力停留時(shí)間為9h。

（5）基質(zhì)的選擇設(shè)計(jì)。雨水濕地中采用的基質(zhì)能夠在保障植物、生態(tài)微生物生長(zhǎng)的同時(shí)，又能起到過濾、沉淀以及吸附污染物、重金屬等作用，相關(guān)工程中普遍采用砂、礫石、沸石、石灰石、塑料等。該雨水濕地項(xiàng)目中基質(zhì)采用多材料組合的形式，其中將礫石作為主要填充物，并配以沸石消除水質(zhì)中的氨氮，利用鋼渣消除水質(zhì)中的磷，雨水濕地中填料層粒徑設(shè)計(jì)為5～32mm，孔障率為30%～40%，填充材料層的厚度為125cm。

（6）植物的選擇設(shè)計(jì)。利用具有高凈化水質(zhì)作用的植物是當(dāng)前雨水濕地中污染防治的重點(diǎn)技術(shù)，據(jù)相關(guān)的研究顯示，雨水濕地初期采用蘆葦、菖蒲、美人蕉等水生植物能夠起到極為顯著的污染治理成效。該項(xiàng)目考慮到水生植物對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)性、生長(zhǎng)周期、成本的投入等因素，最終選取蘆葦、菖蒲、薰草及香蒲4種水生植物，種植密度為9～25株/m2。

3 雨水濕地運(yùn)行效果

該項(xiàng)目建設(shè)完成并運(yùn)行后呈現(xiàn)出了較好的污水處理效果，運(yùn)行半年后項(xiàng)目水質(zhì)的檢測(cè)結(jié)果顯示，經(jīng)過處理的水質(zhì)可達(dá)到國(guó)家的Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，治理效果顯著。工程實(shí)施前后水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)指標(biāo) 單位：mg/L

4 項(xiàng)目投資及運(yùn)行成本

該雨水濕地項(xiàng)目總占地面積為26萬(wàn)m2，總投資金額為1.07億元，項(xiàng)目中各分項(xiàng)成本構(gòu)成如表3所示。

表3 項(xiàng)目各分項(xiàng)成本構(gòu)成

該雨水濕地項(xiàng)目后期運(yùn)維費(fèi)用為306萬(wàn)元/年，其中包括區(qū)域保潔養(yǎng)護(hù)費(fèi)用為16萬(wàn)元/年、項(xiàng)目中各個(gè)分項(xiàng)單元的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用為168萬(wàn)元/年、水生植物的調(diào)控費(fèi)用為62萬(wàn)元/年、項(xiàng)目中各設(shè)施的運(yùn)維費(fèi)用為60萬(wàn)元/年。

5 結(jié)束語(yǔ)

雨水濕地是目前乃至將來(lái)城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中重要的構(gòu)成部分。為了進(jìn)一步促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)及文化層面的需求，應(yīng)將雨水濕地建設(shè)規(guī)劃作為城市化建設(shè)進(jìn)程中的主要戰(zhàn)略，通過采用先進(jìn)的技術(shù)及新型的材料，構(gòu)建出科學(xué)化、可持續(xù)健康發(fā)展的城市生態(tài)環(huán)境。文章通過探究基于海綿城市的雨水濕地設(shè)計(jì)方案發(fā)現(xiàn)，利用雨水濕地能夠有效處理雨水徑流所產(chǎn)生的污染問題，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。