湖泊人工湿地和生态护岸设计

1 人工湿地设计

1.1 人工湿地介绍

1.1.1 人工湿地工作原理

人工湿地系统是在有一定长宽比和底面坡度的洼地中，由土壤和填料（如砾石等）混合组合而成的填料床，并栽种经过选择的水生、湿生植物，组成类似于自然湿地状态的方案化的湿地系统。水体在床体的填料缝隙中流动，或在床体表面流动，在基质吸附、过滤，植物吸收、固定、转化、代谢及湿地微生物的分解、利用、异化等过程的综合作用下，水体中的污染物质得以去除。湿地系统中的氮、磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去，最后湿地系统更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。

人工湿地系统的主要优势体现在，有机物和氮磷的去除效率高、出水水质好、运行维护方便、管理简单、投资小、运行费用低、符合自然界水质净化和水资源循环的生态学规律等。人工湿地的建立不但可以起到对湖泊水体的净化效果，同时也可加强湖泊的景观效应。人工湿地系统结果图及效果图见图1-1、图1-2。

图1-1 人工湿地结构示意图

图1-2 人工湿地效果图

1.1.2 人工湿地分类

人工湿地按污水在其中的流动方式可分为两种类型：表面流人工湿地和潜流人工湿地。两种人工湿地的工艺特性及优缺点见表5-5。表面流湿地系统中，水体在湿地的表面流动，水位较浅，多在0.1-0.6m，它与自然湿地最为接近，具有投资少、便于管理等优点。潜流式人工湿地系统中，水体在湿地床的内部流动，可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及填料和表层土的截留等作用，以提高其处理效果和处理能力。但当有机污染负荷较重的情况下，易造成床体堵塞，且造价较高，一般为表面流湿地的4-8倍。

表1-1 两种人工湿地对比

类型表面流湿地潜流湿地

介质类型介质为原始土壤或填料介质为填料

水流方式污水以较慢速度从湿地

表面流过

水流在地表下流动，充分利用填料表面生长的生

物膜和丰富的植物根系。

1.2 湿地修复区设计

在东西湖之间的连接处按照原规划借助自然地理条件结合景观布设人工湿地，加强对水体的修复，促进生态系统恢复。人工湿地的设计除了满足水质净化的作用，还要兼顾人工湖对河涌的补水功能和景观效果。湿地区总面积约为2.2万m2，湿地的布置考虑地形高差、东西湖水位差以及景观栈道的修建。

白云湖建成后，需要向滘心涌、环滘涌、海口涌、石井河四条河涌合计补水18.3m3/s，按每日补水时间8小时计，人工湖调蓄水量为52.7万m3，需调蓄水深为0.5m。人工湖由东湖和西湖两部分组成，东西湖连接处为此章节需要设计的湿地修复区。其中东湖向滘心涌和海口涌分别补水1.65 m3/s和2.50 m3/s；西湖向石井河和环滘涌分别补水12.75m3/s和1.40m3/s。当西湖对环滘涌和石井河补水时，水体必将由东湖流经湿地进入西湖区，如此大流量的水体在流经湿地时，相应地对湿地的过水能力必将提出很高的要求；且东西湖之间的湿地区面积仅22000m2，对52.7万m3水量而言湿地面积太小，且水力停留时间很短，难以取得预期的处理效果。故在对两湖间的湿地区进行布设时主要考虑其补水和景观功能，在此基础上，尽可能兼顾其对污染物去除效果和生态修复作用。因此，在本方案中将东西湖之间的湿

地区设计成更加接近自然景观的表面流人工湿地系统，在湿地床上铺设碎石、砾石，并种植具有高效吸收污染物能力的植物，加强对水体的净化处理。

1.2.1 表面流人工湿地平面设计

表面流湿地一般长宽比应小于10：1，根据人工湖两铁路间的地形情况将人工湿地分成两块并联使用，其中湿地1面积As1=16514m2，湿地2面积As2=6355m2，湿地区总面积A= As1+ As2=22869 m2。湿地平面布置如图1-3所示。

图1-3 湿地区平面布置图

其中湿地1为梯形结构，上底、下底、高分别为56m、104m和206m；湿地2为近似矩形结构，长、宽分别为93m和68m。考虑地形和维护等因素，在具体施工环节中可分别将湿地1和湿地2分成两个或以上并行处理单元，以便间歇运行和维护。

1.2.2 湿地进出水设计

考虑到处理系统的水量很大，在湿地周边开挖集水沟，水体经收集后进入湿地系统。进水装置是向人工湿地中输送污水,布水时应尽量均匀，进水方式采取多点布水形式。在湿地维护或闲置期,进水可关闭。

1.2.3 填料的使用

表面流人工湿地一般水深0.3-0.5m，本方案取0.4m；湿地区设计常水位为0.8m，故湿地床基质层厚度为0.4m。表面流湿地床由两层组成，表层土层厚0.2m，砾石层铺设厚度0.2m。人工湿地填料主要组成、厚度及粒径分布见图1-4。

图1-4 表面流人工湿地填料组成

1.2.4 湿地中植物配置

植物是表面流人工湿地净化水质的重要组分，是人工湿地系统得以正常运行的重要因素之一。选择种植何种湿地植物也是人工湿地处理系统设计成败的关键。一般人工湿地系统对植物有以下要求：①有发达的根系；②有较大的生物量或茎叶密度；③有较大的表面积为微生物提供栖息场所；④有较强的输送氧的能力。一般宜选用具有一定经济价值和景观效果的本土植物。种植方式视湿地和植物实际情况采用穴植、沟植、面植等方法，种植密度一般为每平方米5-10株。

（1）根茎、球茎及种子植物

这类植物包括睡莲、马蹄莲、慈姑、荸荠、泽泻、菱角、薏米、芡实等。它们或具有发达的地下根茎，或能产生大量的种子果实，多为季节性休眠植物类型，一般为冬季枯萎春季萌发，生长季节主要集中在4-9月。这类植物具有以下特点：①耐淤能力强，适宜生长在淤土层深厚肥沃的地方；②适宜生长环境的水深一般为0.4-1.0m左右；

③具有发达的地下块根或块茎，其根茎的形成对P元素的需求较多，因此对P的吸收量较大；④属于种子果实类植物类型，其种子和果实的形成需要大量的P元素。

（2）挺水草本植物

这类植物包括芦苇、茭白、香蒲、旱草竹、皇竹草、水葱、水莎草、再力花、美人蕉、千屈菜等，为人工湿地系统主要的植物选配品种。这类植物适应能力强，根系发达；生长量大，对N和P的吸收量都很大。其中①皇竹草、芦竹、旱伞竹、薏米、纸莎草等属于深根丛