萊陽(yáng)市蜆河人工濕地設(shè)計(jì)及運(yùn)行分析

摘要：五龍河是膠東第一大河流，流經(jīng)棲霞市、萊陽(yáng)市后注入黃海，蜆河是其重要支流。作為北方季節(jié)性河流，蜆河在非雨季的主要水源為萊陽(yáng)市第一污水處理廠尾水。但是，該尾水屬于劣Ⅴ類微污染水，仍然對(duì)五龍河流域乃至海灣水質(zhì)安全構(gòu)成威脅。蜆河人工濕地水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)工程采用“多級(jí)表流濕地+生態(tài)塘島”組合工藝，對(duì)蜆河微污染水進(jìn)行生態(tài)凈化，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)從劣Ⅴ類提升至優(yōu)于Ⅴ類的凈化目標(biāo)。該項(xiàng)目通過(guò)挺水植物帶、基底修復(fù)、人工水草、生物滯留塘和沉水植物塘等生態(tài)修復(fù)措施恢復(fù)蜆河退化的生態(tài)系統(tǒng)。該項(xiàng)目利用城市河道構(gòu)建水質(zhì)凈化型人工濕地，并對(duì)河道生態(tài)進(jìn)行修復(fù)，為用地緊張的水環(huán)境治理項(xiàng)目提供借鑒。

關(guān)鍵詞：人工濕地；設(shè)計(jì)；運(yùn)行；微污染水；表流濕地；生態(tài)塘島；蜆河

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）08-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.076

Analysis on the Design and Operation of Xianhe River Artificial Wetland in Laiyang City

LI Wenda1， ZHOU Jinlan2， ZHAO Xian2， SHI Lu2， YANG Jialin2

（1. Laiyang Branch of Yantai Ecological Environment Bureau， Yantai 265200， China;

2. Beijing Further Tide Eco-construction Co.， Ltd.， Beijing 100012， China）

Abstract： Wulong River is the largest river in Jiaodong， flowing through Qixia city and Laiyang city before emptying into the Yellow Sea， with Xianhe River being an important tributary. As a seasonal river in the north， the main source of water for Xianhe River during non rainy seasons is the tail water from the first sewage treatment plant in Laiyang city. However， the tailwater belongs to Class Ⅴ slightly polluted water， which still poses a threat to the water quality and safety of the Wulong River Basin and even the bay. The water quality purification and ecological restoration project of the Xianhe artificial wetland adopts the combination process of “multi-stage surface flow wetland + ecological pond island” to ecologically purify the slightly polluted water of the Xianhe River， achieving the purification goal of improving the water quality from poor Class Ⅴ to better than Class Ⅴ. This project aims to restore the degraded ecosystem of Xianhe River through ecological restoration measures such as emergent plant belts， substrate restoration， artificial aquatic plants， biological retention ponds， and submerged plant ponds. This project utilizes urban river channels to construct water purification artificial wetlands and restore the river ecology， providing reference for water environment management projects with tight land use.

Keywords： artificial wetland; design; operation; slightly polluted water; surface flow wetland; ecological pond island; Xianhe River

五龍河是膠東第一大河流，其干流流經(jīng)棲霞市、萊陽(yáng)市后注入黃海丁字灣，蜆河是五龍河的重要支流之一。作為北方季節(jié)性河流，蜆河在非雨季的主要水源為萊陽(yáng)市第一污水處理廠尾水，出水滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002），該尾水仍屬于劣Ⅴ類微污染水，對(duì)五龍河流域乃至海灣水質(zhì)安全構(gòu)成威脅。同時(shí)，在污染脅迫的作用下，流域的植被及水生生物等生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)生演替和退化[1]。為保護(hù)五龍河流域及海灣水生態(tài)環(huán)境的健康安全，2017年，萊陽(yáng)市啟動(dòng)五龍河流域水環(huán)境治理項(xiàng)目。蜆河人工濕地水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)工程是五龍河流域整體治理的重要組成部分，該項(xiàng)目已于2018年建設(shè)完成。

人工濕地是一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng)[2]，它利用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生的原理，結(jié)合結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則，在促進(jìn)污水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益，已廣泛應(yīng)用[3]。人工濕地在污水生態(tài)凈化方面應(yīng)用已久，但在用地緊張的場(chǎng)合難以實(shí)施。該項(xiàng)目利用城市河道構(gòu)建水質(zhì)凈化型人工濕地，并對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)，為用地緊張、水體生態(tài)退化的項(xiàng)目提供借鑒。

1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

在非雨季，蜆河來(lái)水為萊陽(yáng)市第一污水處理廠尾水，水量為6萬(wàn)m3/d。濕地設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，即化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，CODCr）為50 mg/L，氨氮（NH3-N）濃度為5 mg/L，總磷（Total Phosphorus，TP）濃度為0.5 mg/L；出水水質(zhì)優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，即CODCr濃度為40 mg/L，NH3-N濃度為2 mg/L，TP濃度為0.4 mg/L。

2 工藝選擇

污水處理廠周邊及蜆河下游沿線兩側(cè)沒(méi)有合適的用地，同時(shí)由于歷史上直排及混流污水等污染脅迫的影響，河道的植被、水生生物等生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生明顯的退化。因此，該項(xiàng)目利用河道空間構(gòu)建以“多級(jí)表流濕地+生態(tài)塘島”組合工藝為核心的水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)，主要內(nèi)容包括挺水植物帶、基底修復(fù)、人工水草、生物滯留塘和沉水植物塘等。具體工藝流程如圖1所示。

2.1 表流濕地

該項(xiàng)目利用河道現(xiàn)有的橡膠壩構(gòu)建多級(jí)表流濕地，表流濕地內(nèi)組合搭配挺水植物帶、基底修復(fù)和人工水草等水質(zhì)凈化措施。表流濕地總面積為392 387 m2，平均深度為1.0 m，水力停留時(shí)間為6.54 d，表面水力負(fù)荷為0.15 m3/（m2·d），表面有機(jī)負(fù)荷為2.7 g/（m2·d）。

在水位變幅區(qū)等穩(wěn)定的灘地區(qū)域設(shè)置挺水植物帶，發(fā)揮挺水植物對(duì)岸坡防護(hù)、營(yíng)養(yǎng)鹽吸收、微生物附著的作用，同時(shí)營(yíng)造豐富的水生生境。對(duì)底質(zhì)污染及退化嚴(yán)重的區(qū)域?qū)嵤┗仔迯?fù)，具體措施為清淤0.5～1.0 m后按照比例鋪設(shè)粗砂和種植土，接種枯草芽孢桿菌、光合細(xì)菌和硝化菌等菌種，提高基底的生化活性。為提高河道參與水質(zhì)凈化的微生物總量，在深水區(qū)域設(shè)置人工水草區(qū)，人工水草面積共計(jì)38 754 m2，水深為1.5 m；單片人工水草規(guī)格為1.0 m（長(zhǎng)）×1.0 m（高），厚度為4.75 mm，人工水草底部對(duì)折，由直徑8 mm的尼龍繩串聯(lián)分別固定在每個(gè)混凝土塊（強(qiáng)度等級(jí)C20）的預(yù)埋鋼筋上，然后拉緊尼龍繩將混凝土塊固定在河底，混凝土塊規(guī)格為200 mm×200 mm×200 mm，間距為1.0 m；單排人工水草順?biāo)鞣较虿贾?，排距?.0 m。

2.2 生態(tài)塘島

利用河道的深潭、淺灘地形進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯ば拚?，?gòu)建生態(tài)塘島系統(tǒng)，根據(jù)水深條件和植物搭配形成好氧塘、兼性塘、植物塘和生物滯留塘，利用微生物和水生植物的共同作用實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化，并營(yíng)造近自然河流生境。生態(tài)塘島總面積為100 670 m2。生物滯留塘總面積為52 766 m2，有效水深為1.5 m，水力停留時(shí)間為0.69 d；沉水植物塘總面積為47 904 m2，有效水深為1.5 m，水力停留時(shí)間為0.81 d。

3 濕地植物的選擇

植物的選擇對(duì)濕地運(yùn)行效果有至關(guān)重要的作用[4]。根據(jù)濕地植物的耐污性、耐寒性和耐淹性，結(jié)合經(jīng)濟(jì)用途和景觀效果等功能，選擇水質(zhì)凈化效果較好的挺水植物，如蘆葦、香蒲、水蔥、水芹和菖蒲等[5]?？蛇x擇千屈菜、澤瀉、苦草、黑藻和狐尾藻等水生植物，構(gòu)建挺水植物和沉水植物雙層次群落結(jié)構(gòu)，提高北方地區(qū)冬季濕地運(yùn)行效果[6]。濕地植物的合理配置有利于動(dòng)物和微生物的繁衍，避免惡性競(jìng)爭(zhēng)，減少病蟲(chóng)害，滿足生態(tài)修復(fù)需求，提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性并使其保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)[7]。結(jié)合萊陽(yáng)市的鄉(xiāng)土水生植物，考慮河道行洪排澇安全等因素，該項(xiàng)目最終選擇黃菖蒲、再力花、荷花、花菖蒲、香蒲、千屈菜和水蔥作為挺水植物先鋒物種，選擇黑藻和狐尾藻作為沉水植物先鋒物種。

4 目標(biāo)可達(dá)性預(yù)測(cè)

為保證濕地實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化目標(biāo)，根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》（GB/T 25173—2010），采用河流一維模型對(duì)濕地所要實(shí)現(xiàn)的水質(zhì)凈化指標(biāo)進(jìn)行測(cè)算。經(jīng)濕度處理，污染物濃度得到削減，采用式（1）計(jì)算削減后的污染物濃度。經(jīng)計(jì)算，凈化后，CODCr、NH3-N和TP的最高濃度分別為39.18 mg/L、3.92 mg/L、0.39 mg/L，對(duì)比工程設(shè)計(jì)出水水質(zhì)可知，工程目標(biāo)可達(dá)。

（1）

式中：Cx為流經(jīng)x距離后的污染物濃度，mg/L；C0為初始斷面的污染物濃度，mg/L；x為水體沿河段流動(dòng)的縱向距離，取3 160 m；K為污染物綜合衰減系數(shù)，取0.08 d-1；μ為設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速，取0.012 m/s。

5 運(yùn)行效果分析

萊陽(yáng)市蜆河人工濕地建成后，運(yùn)行效果比較穩(wěn)定，出水的主要控制指標(biāo)基本優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)出水水質(zhì)要求。2021年，進(jìn)出水CODCr濃度及去除率變化如圖2所示，進(jìn)出水NH3-N濃度及去除率變化如圖3所示，進(jìn)出水TP濃度及去除率變化如圖4所示。

經(jīng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，蜆河濕地進(jìn)水水質(zhì)有一定的波動(dòng)性，與其他月份相比，汛期（6—9月）進(jìn)水指標(biāo)有較明顯的提升，主要原因是城市初期雨水隨地表徑流匯入，導(dǎo)致進(jìn)水?dāng)?shù)值升高；汛期末（9—10月）進(jìn)水水質(zhì)明顯降低，因?yàn)檠雌谟晁鸬较♂屪饔?，城市地面沖刷干凈后，初期雨水污染負(fù)荷減小，出水水質(zhì)也明顯降低。

結(jié)合污染物去除率曲線，蜆河濕地CODCr的去除率能夠穩(wěn)定在20%以上，7月的去除率最高（44.62%），12月去除率最低（20.01%）；NH3-N的去除率保持在30%～50%，8月去除率最高（48.88%），1月最低（31.33%）；TP的去除率穩(wěn)定在20%～40%，大多數(shù)月份維持在20%～30%，只有8月去除率最高，達(dá)到41.54%。蜆河濕地冬半年（10月至次年3月）的污染物去除率明顯低于夏半年（4—9月），原因是冬季氣溫低，植物枯萎或進(jìn)入休眠狀態(tài)，微生物活性受到抑制，生態(tài)填料溫度低，影響濕地運(yùn)行效果[8]，而夏季溫度高，水生植物生長(zhǎng)旺盛，生態(tài)填料吸附性能穩(wěn)定，濕地具有較好的水質(zhì)凈化效果[9]。

6 結(jié)論

萊陽(yáng)市蜆河人工濕地的穩(wěn)定運(yùn)行可以有效提升蜆河的水質(zhì)，豐富五龍河流域的物種多樣性，改善五龍河流域的生態(tài)環(huán)境，打造穩(wěn)定健康的生態(tài)系統(tǒng)，為五龍河下游和河口濕地的有效保護(hù)提供保障。因此，對(duì)于用地緊張的地區(qū)，在滿足行洪安全要求的前提下，可利用城市河道空間構(gòu)建多級(jí)表流濕地和生態(tài)塘島組成的水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)。

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