表面流人工濕地的設(shè)計(jì)過程及方法

人工濕地是通過模擬自然濕地而人為設(shè)計(jì)和建造的具有可控性和工程化特點(diǎn)的水處理系統(tǒng)。人工濕地利用系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化作用，是實(shí)現(xiàn)雨水調(diào)蓄、雨水徑流處理、尾水生態(tài)凈化和地表水質(zhì)改善的重要技術(shù)手段。這期我們重點(diǎn)介紹表面流人工濕地的設(shè)計(jì)過程及方法。

1 目標(biāo)功能

人工濕地主要有以下功能：1.雨水徑流調(diào)蓄；2.削減面源污染，改善水環(huán)境質(zhì)量；3.改善局部微觀氣候；4.美化景觀，為市民提供休憩娛樂和科普教育的場所。從更好地發(fā)揮濕地系統(tǒng)多重功能、降低造價(jià)等方面考慮，海綿城市建設(shè)中應(yīng)優(yōu)先采用表面流人工濕地。

2 適用條件

在下列幾種情況下，可優(yōu)先采用表面流人工濕地技術(shù)：

（1）現(xiàn)有公園毗鄰河道，將公園內(nèi)的濕塘改造為表面流人工濕地，發(fā)揮其改善水環(huán)境質(zhì)量的功能；

（2）將居住小區(qū)內(nèi)水景或公共廣場的硬質(zhì)鋪裝改造為表面流人工濕地，發(fā)揮其徑流調(diào)蓄和水質(zhì)凈化功能；

（3）將交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)遺留的取土坑改造為表面流人工濕地，發(fā)揮其重交通徑流污染處理和生態(tài)修復(fù)的功能。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)原理

表面流人工濕地一般由進(jìn)水區(qū)、處理區(qū)、出水區(qū)以及溢洪道組成。進(jìn)水區(qū)包括沉淀池及其附屬設(shè)施，用于去除雨水入流中的（通常為直徑不小于125μm）泥砂顆粒，減輕固體顆粒對濕地處理區(qū)內(nèi)植物處理效果的抑制；處理區(qū)內(nèi)生長的植物可以去除細(xì)顆粒和溶解性污染物。溢洪道的作用是保護(hù)處理區(qū)域，當(dāng)面對超標(biāo)準(zhǔn)降雨事件時(shí)及時(shí)分流過量雨水徑流，使?jié)竦靥幚韰^(qū)內(nèi)植物免受沖刷破壞。

表面流人工濕地示意圖及構(gòu)造如圖1-3-1、1-3-2：

圖3-1 表面流人工濕地示意圖

圖3-2 表面流人工濕地構(gòu)造圖

3.2 設(shè)計(jì)流程

      表面流人工濕地設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟如下：

3.3 設(shè)計(jì)流量

根據(jù)城市暴雨強(qiáng)度公式（式3-1），在給定重現(xiàn)期及降雨歷時(shí)情況下計(jì)算設(shè)計(jì)流量。

式中i—暴雨強(qiáng)度（mm/min）；

TM—降雨重現(xiàn)期（a）；

t—降雨歷時(shí)（min）。

集水區(qū)綜合雨量徑流系數(shù)的計(jì)算按各地塊滲透性質(zhì)進(jìn)行面積加權(quán)，具體參照表3-1。

表3-1 徑流系數(shù)

設(shè)計(jì)流量按式3-2計(jì)算，將各自重現(xiàn)期下暴雨強(qiáng)度分別帶入即可。

Q=α·i·A/60×10-3 （3-2）

式中Q—設(shè)計(jì)流量（m3/s）;

α—綜合徑流系數(shù);

i—暴雨強(qiáng)度（mm/min）；

A—集水區(qū)總面積（m2）。

設(shè)計(jì)流量包括一般降雨事件徑流量Q1和極端降雨事件徑流量Q2。一般降雨事件徑流量用于進(jìn)水區(qū)設(shè)計(jì)，降雨重現(xiàn)期P一般取5~10年，降雨歷時(shí)根據(jù)實(shí)際情況確定；極端降雨事件徑流量指超過濕地系統(tǒng)處理能力的流量，用于溢洪道的設(shè)計(jì)，降雨重現(xiàn)期P一般取100年，降雨歷時(shí)根據(jù)實(shí)際情況確定。

3.4 進(jìn)水區(qū)設(shè)計(jì)

進(jìn)水區(qū)設(shè)計(jì)包括沉淀池尺寸確定及校核、沉淀池入口設(shè)計(jì)、沉淀池出口設(shè)計(jì)、植物選配。其中，沉淀池出口設(shè)計(jì)包括沉淀池至濕地處理區(qū)出口設(shè)計(jì)和沉淀池至溢洪道出口設(shè)計(jì)。

進(jìn)水區(qū)主要結(jié)構(gòu)如圖3-3：

圖3-3 進(jìn)水區(qū)示意圖

3.4.1 沉淀池尺寸確定

沉淀池面積根據(jù)式3-3確定。

式中R—目標(biāo)沉淀物去除效率（以小數(shù)計(jì)）；

vs—目標(biāo)沉淀物沉降速度（mm/s）；

Q1—一般降雨事件徑流量（m3/s）；

A—沉淀池表面面積（m2）；

n—湍流系數(shù)；

de—最大滯留深度（m）；

dp—沉淀區(qū)深度（m），一般取2m；

d*—dp和1m中取最小值（m）。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)場地實(shí)際情況，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整。

湍流系數(shù)與沉淀池水力效率λ有關(guān),n=1/(1-λ)。水力效率與沉淀池的長寬比、出入口位置等有關(guān)，增大水力效率的途徑包括提高長寬比、多點(diǎn)進(jìn)水等。沉淀池水力效率應(yīng)不小于0.5，為此沉淀池長寬比應(yīng)不小于3:1。圖3-4是常見沉淀池結(jié)構(gòu)下水力效率λ取值：

圖3-4 常見沉淀池結(jié)構(gòu)水力效率λ取值

理想狀況下不同粒徑沉淀物沉降速度見下表：

目標(biāo)沉淀物顆粒直徑一般取125μm。

由于沉淀池具有一定高度的水深，設(shè)計(jì)需要充分考慮公共安全以及與周圍的景觀融合，需要對沉淀池的邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體邊坡類型有兩種，如圖3-5、3-6所示：

圖3-5 沉淀池邊坡設(shè)計(jì)（緩坡）

緩坡設(shè)計(jì)邊坡坡度小，一般取1:8-1:10，長度一般取2.4-3m。坡上可以放置圓石及原木、種植挺水植物以營造自然景觀。緩坡設(shè)計(jì)安全性高、觀賞性好，但占地面積稍大；陡坡設(shè)計(jì)中沉淀池池壁垂直，通過欄桿與外界隔開。陡坡占地面積小，景觀效果稍差。

沉淀池池底一般選擇硬質(zhì)石塊，一方面其可以抑制沉淀池內(nèi)植物的生長，還可以起到沉淀池清理時(shí)的指示作用。

3.4.2 沉淀池入口設(shè)計(jì)

雨水徑流經(jīng)雨水管道或是地表排水系統(tǒng)直接進(jìn)入沉淀池，為避免可能存在的雨水徑流對沉淀池入口處的局部沖刷情況，須在入口處設(shè)置消能裝置（如在入口處放置礫石）。由于城市雨水徑流中往往含有部分生活垃圾（塑料制品、枯枝落葉等），入口處須設(shè)置垃圾攔截裝置（格柵）并定期清理。圖3-7為沉淀池入口設(shè)計(jì)示意圖：

圖3-7 沉淀池入口設(shè)計(jì)示意圖

3.4.3 沉淀池出口設(shè)計(jì)

沉淀池出口設(shè)計(jì)（至濕地處理區(qū)）

至濕地處理區(qū)的出口通常由一個(gè)溢流井構(gòu)成。溢流井尺寸應(yīng)根據(jù)兩種工況條件進(jìn)行設(shè)計(jì)（堰流條件、淹沒條件）。

（1）堰流條件

流量較小時(shí)，溢流井周長P采取式3-4進(jìn)行計(jì)算。

式中P—溢流井周長（m）；

B—阻塞因數(shù)（0.5）；

h—堰上水深（m），一般取0.05m；

Qdes—一般降雨事件徑流量（m3/s）；

Cw—堰流系數(shù)（1.66）。

（2）淹沒條件

當(dāng)流量繼續(xù)增大，水流淹沒溢流井，溢流井表面積采取式3-5進(jìn)行計(jì)算。

式中A0—溢流井面積（m2）；

Qdes—流量（m3/s）；

B—阻塞因數(shù)（0.5）；

h—水面高出溢流井坑頂高度（m）,一般取0.3m；

Cd—流量系數(shù)（0.6）。

排水管負(fù)責(zé)連接進(jìn)水區(qū)與濕地處理區(qū)，一般采用混凝土管。

a.當(dāng)排水管出口設(shè)計(jì)在濕地處理區(qū)水面以下時(shí)，為淹沒出流，排水管工作時(shí)管內(nèi)流速采取式3-6進(jìn)行計(jì)算。

式中h—排水管進(jìn)出水口高度差（m，）；

v—管內(nèi)流速（m/s）；

g—重力加速度（9.79m/s2）；

排水管進(jìn)出水口高度差h等于進(jìn)水區(qū)至溢洪道出口高度減去濕地處理區(qū)正常水面高度，根據(jù)管內(nèi)正常流速v及一般降雨事件徑流量Q1即可求得排水管管徑。

b．當(dāng)排水管出口設(shè)計(jì)在濕地處理區(qū)水面以上時(shí)，為自由出流，排水管斷面面積采取式3-5進(jìn)行計(jì)算。

沉淀池出口設(shè)計(jì)（至溢洪道）

沉淀池至溢洪道出口一般采取溢流堰，只需采用堰流工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，溢流堰周長P采取式（3-4）進(jìn)行計(jì)算，其中，流量Qdes取極端降雨事件徑流量Q2，阻塞因數(shù)B取1。溢流堰頂高度須根據(jù)濕地處理區(qū)最大調(diào)蓄水深（詳見3.5.3濕地水深設(shè)計(jì)）確定。

3.4.4 植物選擇

沉淀池中植物的作用是保護(hù)沉淀池邊坡免收水流沖刷、保證公共安全以及營造景觀效果。沉淀區(qū)植物一般種植在沉淀池淺水區(qū)域以及邊坡上，應(yīng)保證其不擴(kuò)散至沉淀池中心區(qū)域。植物類型一般選取挺水植物。

3.5 濕地處理區(qū)設(shè)計(jì)

3.5.1 濕地面積確定

對于表面流人工濕地，濕地處理區(qū)面積可采用匯水區(qū)面積百分比法（WWAR）確定，在給定設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各污染物目標(biāo)去除率，按表3-3可查得植草溝與集水區(qū)面積比R，一般取0.5％~5％。

濕地處理區(qū)面積可由式3-7計(jì)算：

a=Rx×A (3-7)

式中a—濕地處理區(qū)面積，m2；

Rx—控制性目標(biāo)污染物去除率所對應(yīng)的R值，%；

A—集水區(qū)面積，m2。

3.5.2 濕地長寬比及水力效率λ

為避免濕地處理區(qū)內(nèi)發(fā)生短流現(xiàn)象，提高處理效果，濕地處理區(qū)長寬比一般不小于5:1。處理區(qū)水力狀況用水力效率λ表示，不同處理區(qū)構(gòu)造下λ的取值參照圖3-4，濕地處理區(qū)水力效率λ應(yīng)不小于0.5，以大于0.7為宜。

3.5.3 濕地水深設(shè)計(jì)

濕地水深包括正常水深和調(diào)蓄水深。

（1）正常水深

根據(jù)水深及植物種類不同，濕地處理區(qū)被分為四個(gè)沼澤區(qū)，另外還包括自由水面區(qū)。如圖2-2所，四個(gè)沼澤區(qū)分別為：矮生植物區(qū)，淺沼澤區(qū)，沼澤區(qū)，深沼澤區(qū)。不同區(qū)域深度范圍見表3-4：

濕地處理區(qū)內(nèi)不同沼澤類型比例取決于濕地所要去除的主要污染物種類。當(dāng)濕地以除磷為主要目標(biāo)時(shí)，矮生植物植物區(qū)占比高；當(dāng)濕地主要目標(biāo)為脫氮時(shí)，須設(shè)置較多沼澤區(qū)和深沼澤區(qū)。

（2）調(diào)蓄水深

調(diào)蓄水深應(yīng)按照“容積法”確定的濕地調(diào)蓄容積，結(jié)合濕地面積進(jìn)行計(jì)算。

V= 10HφF （3-8）

式中：V——儲存容積，m3；

H——給定年徑流總量控制率下的設(shè)計(jì)降雨量（昆山），mm；

φ——綜合雨量徑流系數(shù)，可參照表3-1 進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算；

F——匯水面積，hm2。

濕地調(diào)蓄容積確定后，結(jié)合3.5.1中確定的濕地面積即可求得濕地調(diào)蓄水深。濕地調(diào)蓄水深不應(yīng)超過0.75m，以0.5m為宜。調(diào)蓄水深計(jì)算結(jié)果超過0.75m時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化濕地面積、調(diào)蓄容積等設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.5.4 濕地水力停留時(shí)間

表面流人工濕地水力停留時(shí)間一般取72h。水力停留時(shí)間應(yīng)作為濕地出水口設(shè)計(jì)的參數(shù)依據(jù)。

3.5.5 濕地植物選擇

在選擇人工濕地植物時(shí)盡量選擇本土植物，以免引發(fā)生物安全性問題，同時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

1.優(yōu)先選擇吸收能力強(qiáng)、耐受水位變化的植物；

2.優(yōu)先選擇根系發(fā)達(dá)、莖葉繁茂、生物量大的植物；

3.優(yōu)先選擇有經(jīng)濟(jì)價(jià)值且具有觀賞性的植物；

4.優(yōu)先選擇抗逆性強(qiáng)的植物，這類植物可以抵抗病蟲害和氣溫變化等；

5.合理搭配不同種類植物，多物種的生態(tài)系統(tǒng)比單一物種的生態(tài)系統(tǒng)要穩(wěn)定；

6.植被應(yīng)當(dāng)在兩年后達(dá)到70%-80%的覆蓋率。

3.5.6 濕地邊坡設(shè)計(jì)

濕地邊坡設(shè)計(jì)可參考沉淀池邊坡設(shè)計(jì)（3.4.1）。

3.5.7 濕地出水口設(shè)計(jì)

濕地出水口設(shè)計(jì)示意圖如圖3-8：

圖3-8 濕地出水口設(shè)計(jì)示意圖

濕地出水經(jīng)進(jìn)水管流入出水池，通過出水池中豎管出口進(jìn)入排水管。豎管出口可以保證濕地內(nèi)穩(wěn)定的停留時(shí)間，為防止漂浮垃圾堵塞豎管孔口，豎管外須設(shè)置垃圾攔截裝置。出水口設(shè)計(jì)還包括放空管設(shè)計(jì)，放空管設(shè)置在處理區(qū)域的底部，在濕地維護(hù)時(shí)將濕地中的水放空，放空管入口須設(shè)置攔截裝置。放空管通過一個(gè)手動(dòng)閥門連接至處理區(qū)域的出水口。人工濕地內(nèi)的水必須在12小時(shí)內(nèi)從放空管中排出。

濕地處理區(qū)出水最大流量Qmax可以通過式3-9計(jì)算。

式中V—濕地最大調(diào)蓄體積（m3，濕地表面積與最大調(diào)蓄水深乘積）；

t—水力停留時(shí)間（s）。

排水管豎管孔口的面積A0可以通過式3-10計(jì)算，為保證排水管起到穩(wěn)定濕地停留時(shí)間的作用，豎管孔口需分層布置，最下層孔口底部應(yīng)與濕地處理區(qū)正常水位平齊。每層豎管孔口面積采用式3-10計(jì)算。

式中A0—孔口面積（m2）；

h—孔口中心距離水面距離（m）；

Q—給定h時(shí)為達(dá)到設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間所需流量（m3/s）；

g—重力加速度（㎡/s）；

Cd—孔口流量系數(shù)（0.6）。

放空管一般采用混凝土管，管徑可采用曼寧公式進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)流量采用放空管12小時(shí)排出濕地處理區(qū)內(nèi)水的平均流量。

式中Q—放空流量（m3/s）；

A—放空管橫截面積（m2）；

R—水力半徑（m）；

S—坡度（一般取0.5%）；

n—糙率（取0.012）。

濕地出水排水管一般采用混凝土管，同樣采用曼寧公式進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)流量取濕地出水最大流量與放空管流量中的最大值。

3.6 溢洪道設(shè)計(jì)

溢洪道的作用是從進(jìn)水區(qū)域接受雨水強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)流量時(shí)的雨水，水在溢洪道內(nèi)流動(dòng)為明渠流。溢洪道的尺寸可使用曼寧公式計(jì)算，設(shè)計(jì)流量采用極端降雨事件徑流量Q2。

溢洪道需要注意防侵蝕，須采取消能措施。

3.7 設(shè)計(jì)校核

濕地運(yùn)行時(shí)，若通過濕地處理區(qū)斷面的水流平均流速過快，會導(dǎo)致植物區(qū)內(nèi)生長的生物膜脫落，影響濕地處理效果。為此，濕地設(shè)計(jì)參數(shù)確定后應(yīng)對其進(jìn)行水力校核：

式中Qmax——人工濕地可通過的最大流量（m3/s）；

A——濕地最小橫截面積（㎡）。