江西某湖补水湿地工程设计案例解析

毛雪慧，林 静，王永秀，彭子如

（深圳市碧园环保技术有限公司，广东 深圳518000）

1 项目背景

芳兰湖位于科技城东南部区域，与鄱阳湖一坝之隔，是鄱阳湖科技城的绿心，规划设计面积3.2 km2，其中水域面积2 km2，湿地及其他占地1.2 km2。芳兰湖将建成集雨洪管理、自然生态、休闲娱乐、科普教育等于一体的具有“海绵城市”示范作用的服务型城市湿地公园[1]。根据项目周边水功能区划，芳兰湖水质目标按地表水Ⅲ类进行设定。

芳兰湖是在原有鱼塘上新开挖的景观湖，兼具雨洪调蓄功能。雨季时，雨水携带大量面源污染物流入湖内。若对此部分面源污染不控制，将加速芳兰湖水体的富营养化进程。芳兰湖湖区来水分为6个片区，分别为白阳垄/鲁板、芳兰村片区、芳兰湖北部（含小湖部分区域）、湖区南部的东光垄、泉水垄和螺丝挡垄（3个片区通过下穿截留河的涵管与湖区连通）。来水上游为农田，面源污染严重，来水水质不能满足芳兰湖Ⅲ类水质目标要求。虞家河为芳兰湖相对较理想的补水水源，但虞家河水质目前为劣Ⅴ类，若不深度处理而直接补入芳兰湖，将成为芳兰湖的一大污染源。因此要保证芳兰湖水质达到Ⅲ类水质目标要求，必须处理好补水水质、入湖外源污染源及内源污染源等问题。

2 工程方案总体设计

结合芳兰湖湿地公园的生态定位，从补水、净水、排水、截水、生态构建等方面考虑，进行芳兰湖专项水环境设计，如图1所示。

图1 芳兰湖湿地公园水环境治理总平面布置图

2.1 补水问题

芳兰湖补水方式分为旱季补水和雨季补水。雨季，截流芳兰湖白阳垄鲁板片区基流污水和初期雨水，经生态池过滤，流入垂直流湿地净化，最终流入芳兰湖补水。旱季，若芳兰湖白阳垄鲁板片区的基流量很少，水量不能满足芳兰湖补水量要求，则通过提升泵取虞家河水，河水通过虞家河垂直流湿地处理，出水达标后排入芳兰湖补水。

2.2 外源污染控制问题

收集芳兰湖周边片区（包括芳兰村片区、芳兰村北部片区、东光垄片区、泉水垄片区、螺丝档垄片区、白阳垄鲁板片区）初期雨水和基流污水，经前置塘过滤，流入漫流湿地净化，最终流入芳兰湖补水。

2.3 内源污染控制问题

内源污染可以通过清除芳兰湖湖底淤泥、构建芳兰湖水生态系统来解决。以高等水生植物群落构建为主，结合鱼类调控、底栖动物放养，兼顾湖泊景观，削减内容负荷、降低悬浮质、构建以水生高等植物为主要生产者的芳兰湖水生态系统，展现芳兰湖清水态。

综上所述，利用塘床系统对截流的芳兰湖周边片区面源污染的基流及初期雨水进行处理，利用垂直流湿地对虞家河水的补水进行处理，同时，结合湖泊生态系统构建技术，使芳兰湖水质达到Ⅲ类水质目标要求。

3 工程措施及分区设计

3.1 补水工艺确定

芳兰湖东部补水有两个来源：（1）截流白阳垄鲁板片区基流及初期雨水；（2）若白阳垄鲁板片区的基流量很少，水量不能满足芳兰湖补水量要求，则通过设闸雍水方式取虞家河水。

3.1.1 补水规模的计算

芳兰湖旱季补水水源是虞家河。虞家河垂直流湿地的主要功能是为芳兰湖水系提供水量稳定、水质优良的补水，为芳兰湖良好的水质及健康的生态系统提供保障，因此，虞家河垂直流湿地处理规模根据以下几点综合确定：

3.1.1.1 芳兰湖水体蒸发、渗漏量

芳兰湖建成后，水域面积2 km2，蒸发是水量平衡中的重要组成因素，是多种水文气象因素共同影响的“产物”，受水汽压力差、风速、相对湿度等因素的影响[2]。除了水体的蒸发水量，实际上河道及湖泊渗漏的水量也很多，根据近年南方地区一些小区和较独立的景观湖泊实地测量的蒸发及渗漏下降水位为5～15mm/d。同时查阅芳兰湖地区相关资料，考虑芳兰湖水系面积、地下水位及湖底土质等因素，本方案中芳兰湖水体蒸发、渗透总量按8 mm/d进行计算，则芳兰湖水体蒸发漏失量1.6万m3/d。

3.1.1.2 规划区绿化浇灌及道路冲洗

浇灌及道路冲洗可就近从水系中取水，既节约自来水用水量，还可节省绿地浇灌、道路冲洗市政供水管网系统的敷设。芳兰湖地区内规划道路及绿地面积约1 488 041m2，根据《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2003）[3]，小区绿化浇洒用水定额可按浇洒面积1～3 L/（m2·d）计算，干旱地区可酌情增加；小区道路、广场的浇洒用水定额可按浇洒面积2～3 L/（m2·d）计算。由于本方案绿化面积和道路面积为规划面积，具体工程实施后绿化面积、广场面积等可能会适当增加，本方案中绿化浇灌及道路、广场冲洗用水定额均取3 L/（m2·d），因此芳兰湖地区内道路冲洗及绿化总用水量0.45万m3/d。

总之，芳兰湖水体蒸发、渗漏、道路冲洗、绿地浇灌用水量2.05万m3/d，即芳兰湖总需补水量2.05万m3/d，所以补水湿地处理规模按2万m3/d设计。

3.1.2 垂直流湿地工艺设计

虞家河垂直流湿地由提升配水系统、高效垂直流湿地和自然湿地系统组成。综合计算，芳兰湖水体蒸发、渗漏、道路冲洗、绿地浇灌的用水量为2.05万m3/d，即芳兰湖总需补水量2.0万m3/d，而白阳垄鲁板片区仅能提供0.5万m3/d，所以需从虞家河抽取1.5万m3/d的河水补充到芳兰湖中。如图2所示，白阳垄鲁板片区初期雨水及虞家河抽取补水均通过垂直流湿地进入芳兰湖。

图2 芳兰湖垂直流湿地工艺流程

3.1.2.1 补水提升及配水系统

由于水位标高，虞家河水需提升后进入垂直流湿地。为使垂直流湿地配水顺畅并达到工艺要求，在补水提升系统后段设置生态池，生态池位于垂直流湿地中间向整个湿地植物池配水。生态池内设片状微生物床填料及生物浮岛，借助片状微生物床的吸附能力和对浮游生物提供栖息场所和天然食物的优势，构建生态体系，利用池中片状微生物床上的厌氧菌和反硝化菌将有机物转化为氮气，从而达到净化水体的效果[4]。沉砂池：水深2m，表面积312.5m3，停留30min。

3.1.2.2 垂直流人工湿地系统

垂直流湿地系统是本工程的核心部分，是一个独特的土壤（基质）-植物-微生物生态系统[5]。当污水通过系统时，污染物质和营养物质被系统吸收、转化或分解，从而使水质得到净化。垂直流湿地植物池占地面积约为4万m2，垂直流湿地植物池设计布水负荷0.50m3/m2。植物池内种植适合当地气候的水生湿生植物，如芦苇、风车草、芦荻、再力花、香根草、纸莎草、美人蕉等。

3.2 面源污染控制方案的确定

芳兰湖兼具雨洪调蓄功能，现状和未来均为周边6个片区水系来水的滞洪区，来水携带了上游漏排的生活污水及初期雨水，来水的水质不能满足芳兰湖Ⅲ类水质目标要求。因此，采用塘床湿地工艺处理芳兰湖周边片区的初期雨水和基流。

3.2.1 面源污染控制规模

3.2.1.1 芳兰村北部片区

枣树垅、侯白垅（怡芳苑）为由北向南贯穿的河道，是芳兰湖北部片区天然排水通道。湖塘床净化湿地解决北部片区面源污染问题——初期雨水，从而保障湖水质。湖北部片区上游主要为农田、农村，本方案采用初期降雨厚度方法对湖北部片区的初期雨水量进行核算。

式中：Ψ——径流系数；H——降雨量，m；F——汇水面积，m2。

参数为：Ψ=0.3；H=0.7×10-2m≈10 mm；F=5.7 km2=5.7×106m2。

初期雨水量：Q=0.3×10×10-2×5.7×106÷104=1.71万m3。

因此，芳兰村北部片区二级塘床湿地处理规模1.7万m3/d。

3.2.1.2 其他片区补水规模

芳兰湖雨水净化湿地解决芳兰湖初期雨水污染问题，湖雨水净化湿地处理规模的主要依据为初期雨水的水量。目前，国内对初期雨水量还没有统一的核算方法，比较通用的计算方法主要包括初期降雨厚度法和初期降雨历时法两类。初期降雨厚度法将清洁雨水与初期雨水一起收集，初期雨水量巨大，初期收集保证率低，只有34.8%～76.1%。而初期降雨历时法具备清污分流的能力，收集雨水少，保证率较高（可到达76.1%～98.7%），但对收集系统管理要求较高。芳兰湖周边区域实行雨污分流机制，本方案用初期降雨历时方法对芳兰湖雨水排放口初期雨水量核算。

经查阅资料，九江市的暴雨强度公式：

式中：q——设计暴雨强度，L/s·ha；P——设计重现期，a；t——设计降雨历时，min。

考虑用0.25 a重现期，因为重现期越长，降雨量越大。降雨较大的部分，稀释的初期雨水污染物含量较低，可以忽略不去考虑，同时，降雨历时用30 min计算降雨强度，得暴雨强度107.695 L/（s·ha）。

初期雨水排放量：

Q——初期雨水排放量，m3；F——汇水面积，m2；Ψ径流系数，取0.85；T——初期雨水收集时间，min。依据《室外排水设计规范》[6]，初期雨水收集时间5～15 min，本方案用15 min计算。

参考《九江市鄱阳湖生态科技城雨水工程规划图》[7]对芳兰湖雨水排放口的集雨面积进行划分和初期降雨历时计算，按降雨15 min，对几场初期雨水收集量进行估算，结果如表1所示。因此，芳兰湖雨水净化系统按单次处理水量5.7万m3设计。

表1 芳兰湖雨水排放口初雨计算结果

3.2.2 塘床湿地工艺设计

据前述规模及水质分析，芳兰湖雨水净化湿地用“前置塘+漫流湿地”工艺；有雨水时用塘床湿地净化系统处理雨水；无雨水时，可净化湖水，具体工艺流程见图3。

图3 芳兰湖雨水净化塘床湿地工艺流程

前置塘为生态净化系统的前处理单元，一般为天然水塘或人工构建水塘，沉淀、截留雨水径流中的中粒径到粗粒径颗粒物或悬浮物，并调节和控制雨水径流，以减轻后续处理单元在较大暴雨强度下的冲击负荷[8]。前置塘出水通过砾石坝进入漫流湿地。漫流湿地去除雨水径流中的胶状颗粒物和溶解性有机物，本方案漫流湿地以砾石为填料，填料厚度在30～50 cm，通过砾石坝进行布水。漫流湿地上种植的水生植物包括：芦苇、风车草、芦荻、再力花、香根草、纸莎草、美人蕉等。

表2可知，芳兰湖雨水净化湿地总面积12.5万m2，总水容量5.2万m3。

表2 芳兰湖雨水净化湿地设计参数

3.3 芳兰湖水生态系统构建

以高等水生植物群落构建为主，结合鱼类调控、底栖动物放养，兼顾湖泊景观，削减内容负荷、降低悬浮质，构建以水生高等植物为主要生产者的芳兰湖水生态系统，展现芳兰湖的清水态，具体种类见表3。

4 结论

本方案设计初小雨水截流处理量5.7万m3，初小雨漫流湿地12.5万m2；垂直流湿地处理规模2.0万t/d，垂直流湿地占地约4万m2；生态系统构建植物(沉水、挺水、浮叶)种植面积约4 000m2。利用塘床系统对截流的芳兰湖周边片区面源污染的基流及初期雨水进行处理，利用垂直流人工湿地技术对虞家河水的补水进行处理，同时，结合湖泊生态系统构建技术，工程实施后，可有效削减排入芳兰湖的面源污染负荷，改善芳兰湖水质，美化周边环境，达到水质目标要求。

表3 芳兰湖水生态群落