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人工湿地技术在居住小区景观中的应用--以碧湖云溪别墅区水体景观为例

时间:2013-08-12  来源:SED新西林景观国际  编辑:SED新西林景观国际  浏览:1890次
雨水为小区节约了大量的水资源和管理成本,使小区在枯水季节有足够水量维持景观水景效果,调节和改善的小气候环境,增加水中鱼类活动范围和扩大食物来源…水生植物对净化水体有明显作用,但相对人工湿地技术而言,由于存在水流因素影响,其设计与普通水景有所区别…从景观效果来看,提高岸线的做法,利用高低不同的水面,可形成出多样的有趣的岸线景观图-图…水质评价体系问题居住区人工湿地质量存
人工湿地技术在居住小区景观中的应用--以碧湖云溪别墅区水体景观为例

城市居住区水体缺乏与外界循环流动,在一定天气条件下的水体富营养化现象比较明显,通常需耗费大量的水资源保持小区景观环境效果,运营成本较高。人工湿地净化技术采用生物净化方式可实现分级净化污水、改善景观水质,低成本、高效率降低水体富营养化程度,并使水质长期保持清澈和洁净状态(图1)。

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图01宜人的湿地居住环境
Fig.01Thepleasantresidentialenvironment


  1湿地、人工湿地

  湿地是指陆地上常年或季节性积水和土壤过湿的地区,并与其生长、栖息的生物物种构成独特的生态系统,包括天然或人工、长久或暂时的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带,带有静止或流动、咸水或淡水、半咸水水体,低潮时水深不超过6m的水域。湿地不仅仅是我们传统认识上的沼泽,滩涂,还包括部分河流、湖泊、鱼塘、水库和稻田等。
  人工湿地技术大致包括自由表面流湿地和潜流人工湿地,自由表面流湿地占地面积大、水力负荷小、氧气含量不足,系统运行受气候影响大,而潜流人工湿地的水力负荷和污染负荷大,对降低BOD(5日生化需氧量)、COD(化学需氧量)、SS(悬浮物)效果好,且少有恶臭和孳生蚊蝇现象。
  居住区人工湿地多采用潜流人工湿地,由人工建造和控制,以四大基本要素即水体、基质、水生植物和微生物组成,通过基质、水生植物、微生物以及三者之间的一系列物理、化学、生物的作用,完成对污染物的高效去除过程,形成独特的生态环境。

  2碧湖云溪人工湿地的应用
  
  2.1人工湿地构思
  受天气条件的影响,国内一些地区城市的水环境普遍存在水体富营养化现象,水质下降并散发难闻气味,通常采用补充水源或更换水体的方式改善水环境,据资料显示,以城市饮用水作为景观用水的水源,若换水量在300m³以上,景观换水没有了经济意义;若换水量在5000m³以上,采取更换水体更无现实意义。碧湖云溪居住小区水容量约为3600m³,是一个与外界没有联系的封闭水系,整体水环境生态阈值偏小,随着居住区投入使用,水质富营养化程度将明显增加,因而考虑采用人工湿地技术提高生态阈值。
  2.2湿地菌床系统设计
  碧湖云溪位于合肥市,总用地面积为28公顷,内有四个自然水系,项目分三期建设,此次设计范围为第一期建设用地,用地面积约8公顷,地形为西南高、东北低的缓坡,水系面积5000m²、水量为3600m³、平均水深0.7m,比较适合运用人工生态湿地技术。
  小区保留了湖区自然地形,利用水泵多次循环调水形成流动水环境,设置位于水底的菌床系统(由微生物和基质构成)降解水中有机污染物,种植抗污能力强、吸附效果好的水生植物,吸附和分解N、P等难溶有机物,通过基质—微生物—植物这个复合生态系统的物理、化学和生物三重协调来实现对废水的高效净化(图02)。

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图02人工湿地循环和净化示意
Fig.02Adiagramofwatercirculationandpurificationprocess


  碧湖云溪人工湿地水系由基质,菌床、浅滩和底泥等四个系统构成(图03)。
  菌床系统一位于小溪的上游和中游部分,水深较浅,水流速度相对平缓,设计长度100m,铺设20cm卵石生物填料(图04);
  菌床系统二位于小溪的下游部分,设计长度50m,宽度3m,卵石生物填料厚度1m,采用卵石或者块石分三层铺设;
  浅石滩面积为菌床系统一的0.5倍,是菌床系统二面积的6倍,与底泥交接处自然过渡(图05);
  底泥系统采用多年荒芜且有一定肥力的水稻土,通过生物作用达到良好的水质标准。

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图03人工湿地系统平面图
Fig.03Planofartificialwetlands

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图04菌床系统及堰坝
Fig.04Thebacteria-bedsystemandthedam

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图05浅石滩系统
Fig.05Thepebblebeachsystem


  根据水系水质条件和水流流速要求,设计了相应的人工湿地基质参数,规定了基质大小和基质缝隙,以满足菌床系统的过滤净化要求(表1)。

表1潜流型人工湿地系统参数

Table 1 The parameters of subsurface wetland system

名称

位置

面积

(m²)

水深(cm)

基质厚度

基质

厚度(cm)

直径(mm)

菌床系统一

水系

上游、中游

1900

20

上层5

40~50

卵石、块石、红砖(上层为景观卵石)

下层15~20

20~30

菌床系统二

中下游

150

20

上层10

100

中层40

20~30

下层50

40~50

浅石滩系统

池塘

岸边周围2m以内

900

30~50

30

20~40

卵石

底泥系统

池塘中央部分

2500

120~150

25~30

 

水稻土

  2.3湿地园林设计
  潜流人工湿地技术要求水体在水下基质缝隙间缓慢流动,以实现潜流净化目的,景观园林设计过程中结合这些相关技术要求,在水溪沿线建造若干堰坝,使水体经堰坝钢丝网下潜流动,经水下菌床吸附和过滤作用后,完成净化过程(图06-图07)。

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图06堰坝剖面图
Fig.06Profileofthedam

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图07堰坝立面图
Fig.07Elevationofthedam

  结合跌级瀑布或通过水中汀步设计,多种形式使水体连续数次完成潜流过程,并实现多级过滤净化和曝气充氧,提高水体质量(图08)。

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图08潜流净化的应用
Fig.08Theapplicationofpurification

  在雨季时,启用水位的调节阀门以增加存水容量,通过提高阀门存储收集雨水,将雨水运用于水系的主要水源。雨水为小区节约了大量的水资源和管理成本,使小区在枯水季节有足够水量维持景观水景效果,调节和改善的小气候环境,增加水中鱼类活动范围和扩大食物来源。从景观效果来看,提高岸线的做法,利用高低不同的水面,可形成出多样的、有趣的岸线景观(图09-图10)。

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图09有趣的水景景观
Fig.09Interestingwaterfeatures

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图10亲水岸线
Fig.10Thehydrophilicwaterfront

  2.4湿地水、电专业设计
  和自然湿地相比,碧湖云溪水系是一个与外界缺少循环、生态系统比较脆弱、需要人为辅助管理的水循环系统。根据水系条带状形式,水循环采用了串联式形制,即在低水位区域设置入水口,水体被调往上游高水位区域后,以景观涌泉曝气充氧作为出水形式,在微重力状态下向下游浅滩系统和泥塘系统区域流动,完成在低水位调水,高水位潜流过滤过程,多次调水作用,水质逐步由浑浊变清澈(图11)。
  结合景观溪流和瀑布的水形和水声效果,考虑以5天一次水净化的周期,计算水流量为30m³/h,因景观设计日夜流量的差别,循环泵工作实际流量为70m³/h,从现场景观效果和湿地运营来看,水流设计可满足净化要求。

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图11水循环示意图
Fig.11Theprocessofwatercirculation

  2.5湿地植物设计
  水生植物在生长过程中能吸收污水中的无机氮、磷等营养物质,污水中氨氮可以被植物直接摄取,合成植物有机氮;污水中的有机氮通过系统中微生物来降解;无机磷在植物吸收及同化作用下可转化为植物的ATP、DNA、PNA等有机成分,最终通过植物的收割而从湿地系统中去除。         水生植物对净化水体有明显作用,但相对人工湿地技术而言,由于存在水流因素影响,其设计与普通水景有所区别。碧湖云溪水系把水生植物的抗污染特性作为主要评价指标,结合植物的光合作用、蒸腾作用、吸收污染物特性等测定指标,选择适应水流作用的水生植物种类,以形成抗性较强的植物群落和水质分级净化的复层植物群落。
  底泥系统是整个湿地水系中最深部分,重点选用了水鳖科、金鱼藻科、茨藻科和眼子菜科等类别植物,这些植物能适应水体流速,对吸收水中的重金属离子,降低水体的COD值效果明显。底泥周围的浅石滩附近的进水口处,选用了黑藻(Hydrillaverticillata)、苦草(AndrographispaniculataNees)、马来眼子菜(Potamogetonmalaianus)等能适应较强流速水环境等植物;而狸藻(U.vulgaris)、茨藻(N.marinaL./SpinyNajad)、小茨藻(N.minor)、菹草(Potamogetoncrispus)等沉水植物则更加适合于静水或者缓流环境(图12)。
  除了水流因素外,水温和光照面积是影响菌床净化效果的条件之一,碧湖云溪菌床平均水深为20cm,夏季和冬季气温差别比较大,为避免水温影响净化效果,通过采取控制湿地植物垂直投影遮荫面积达到调节水体温度的方式,保证菌床菌种生长。
  结合垂柳(S.babylonica)、毛白杨(Populustomentosa)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、落羽松(Glyptostrobuspensilis)等岸边喜水植物,和美人蕉(Cannaindica)、鸢尾(Iristectorum)等水陆两栖的湿地植物,以及挺水、浮水、沉水植物形成从陆地到水中的复层植物群落(图13)。相对于水生植物而言,陆生植物对湿地水体水质变化的敏感程度较低,设计时则以抗性强的乡土树种为主,结合抗污性强的新优植物,达到适度粗放管理的要求,提高植物成活率,并有效降低绿化养护成本,在后期运营过程中还加入动物养殖,在水中放养鱼、虾等动物。
  从现场效果来看,人工湿地水系模拟自然水环境取得预期效果,栽种的水生植物生长茂盛,季相搭配合理,挺水植物、浮水植物、沉水植物形态特点明显,居民普遍对水生植物满意度很高。

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图12湿地植物种植示意
Fig.12Thecultivationofwetlandplants


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图13水岸复层植物群落
Fig.13Theplantcommunityofthewaterfront

  3湿地水体评价

  人工湿地系统达到最优净化处理效率需2~3个生长周期,碧湖云溪人工湿地技术投入使用至今已有3年,在进水浓度较低的条件下,人工湿地对BOD的去除率可达85%—95%,COD去除率可达80%以上,处理后水样本的BOD的浓度在10mg/l左右,SS小于20mg/l,水中大部分有机物作为异样微生物的有机养分,最终被转化为微生物体及CO2、H2O,可达到国家城市景观水质五类水质标准(图14),采用人工湿地潜流技术具体解决了下面几个问题:
  水清问题,运用人工湿地技术模拟自然水景生态系统,提高水体抗污染荷载能力,可使水体长期保持清澈和无异味的状态;
  水美问题,通过养种水生动植物(如鱼虾、水草等),营造多样有趣的水景景观;
  维护问题,人工湿地生态系统具有高效净化、高效过滤和自我恢复能力,在一定的污染荷载下,可以保证水质长期稳定,日常维护成本低。

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图14水体长期保持清澈洁净
Fig.14Keepupaclear-waterenvironment

  结语:

  节约用水将是我国社会发展的主题,随着国家有关城市景观水质标准的出台和景观用水规范的实施,人工湿地技术已逐渐为人们所重视,并开始运用到城市相关设计中,潜流型人工湿地处理城市居住区景观水环境处理有许多优点,但要推广应用尚存在一些不足,包括以下几个方面:               
  (1)土地问题  
  以往经验表明,人工湿地处理1m³生活污水需要占地5~10m²。即使是水污染程度较低的景观水净化处理,土地实际需要量仍然很大,潜流型人工湿地技术仅适合用于占地面积较大、容积率较低的水体净化项目,高效菌种的研究有待提高。
  (2)净化问题
  人工湿地技术难以去除污水中的氯化物、高浓度氮氨、色度等,活性碳、微孔过滤、生物栅等新技术有待开发。
  (3)水体问题
  水量3000m³-5000m³的水系比较适合运用人工湿地净化技术,超此范围内的水体因循环时间过长及水泵调水成本过大,需结合实际项目具体分析。
  (4)池底结构问题
  人工湿地应如何处理池底防漏及与地下水双向流动的问题。
  (5)水质评价体系问题
  居住区人工湿地质量存在地域性和季节性差异,相同地区的水质和净化效果差异比较大,需多方面综合设计评价。



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