多功能复合人工湿地在伊通河北北段生态治理工程农业面源污染控制中的应用

 多功能复合人工湿地在伊通河北北段生态治理工程农业面源污染控制中的应用

汪明明，黄伟，汪丽

南京市市政设计研究院有限责任公司  南京 210008

摘 要：伊通河北北段区域内共有面源吐口14处，汇水区域多为农田，农业面源污染较为严重。工程中为解决流域范围内的面源污染问题，在吐口处设置了多功能人工湿地。本文以长春市雨量站1986~2015年降雨量数据及各吐口的汇水范围确定湿地建设规模，以吐口入河水质数据确定湿地设计进水水质，根据伊通河断面考核指标确定湿地出水水质为V类水，对湿地平面布置、工艺流程、工艺参数、水生动植物等进行设计。本文以后东道多功能复合人工湿地展开设计。

关键词：生态治理工程；面源吐口；多功能复合人工湿地；农业面源污染；

（Nanjing Municipal Design and Research Institute co., LTD Nanjing 210008）

Abstract：There are 14 non-point source outlets along the coast of the north section of Yitong River. The catchment area of the outlets is mainly farmland, and agricultural non-point source pollution is relatively serious.In order to solve the problem of non-point source pollution within the basin, multifunctional constructed wetlands are set up at the mouth of the project.This paper determines the scale of wetland construction based on the rainfall data of Changchun rainfall station from 1986 to 2015 and the catchment area of each outlet.The designed inlet water quality of the wetland is determined according to the water quality data at the outlet and the river inlet, and the outlet water quality of the wetland is determined as Class V water according to the assessment indicators of the Yitong River section.Design wetland layout, process flow, process parameters, aquatic animals and plants, etc.In this paper, Houdongdao multifunctional composite constructed wetland is designed.

Key words：Ecological governance project; Non-point source outlet; Multi functional composite constructed wetland; Agricultural non-point source pollution。

一、项目概况

伊通河流域发源于吉林省哈达岭山脉北侧，河道干流长度为342.5km，流域面积为8449km2。伊通河长春市主城区段河道自然长度约47km，该项目分三段实施，本次工程实施为伊通河北北段，起始点为四化闸，终点为万宝拦河闸，河道长度约13公里，流域面积为120.26km2。

图1伊通河（长春主城区段）示意图

伊通河作为长春市区雨水和污水的主要收纳水体，北北段因部分生活污水和工业企业污水直排、面源污染及河道底泥污染释放等原因，水质均处于劣V类状态，部分时段氨氮指标处于黑臭状态。丰水期雨水排放的水量占本段河道总径流量的59%，COD、氨氮、TP污染物入河量占总量分别为40%、27%、44%。

二、总体方案设计

2.1总体布置

根据面源吐口布置结合地形地貌，将14处面源吐口进行合并，建设了6座多功能复合人工湿地，对农业面源污染进行处理。

图2 湿地总体布置图

本文主要介绍后东道多功能复合人工湿地工程设计。

2.2设计流量确定

（1）降雨量确定

根据长春市雨量站1986~2015降雨资料，以每日统计，得到2~130mm/d降雨频次为2092，对该组降雨数据进行涵盖率分析，可知在涵盖率为90%时，降雨量为20mm。湿地处理水量按控制90%的降雨考虑，降雨量为20mm/d。

图3 降雨量涵盖率分析图

（2）设计流量计算

根据北北段排水规划及汇水分区，后东道人工湿地范围内有排口2处，东道村排涝站吐口与后东道村涵洞，对应的汇水面积分别是206 ha与96ha，合计汇水面积为302ha，汇水区域基本为农田，径流系数参考《室外排水设计规范》GB 50014-2006( 2016 年版)中公园或绿地，取0.20。

设计流量计算如下：

Q=ΨqF

式中：Q—设计流量，m3/d；

Ψ—径流系数，取0.2；

         q—降雨量，mm/d；

         F—汇水面积，m2；

经计算，以20mm/d计，一次降雨产生的水量为Q=12080m3/d，取13000m3/d。

（3）设计进出水质确定

根据雨天吐口多次实测水质数据进行统计分析，结合工程经验确定湿地设计进水水质，出水水质标准按《地表水环境质量标准》V类。

设计进水水质：COD：60mg/L，氨氮：4mg/L，TP：1.2mg/L；

设计出水水质：COD：40mg/L，氨氮：2mg/L，TP：0.4mg/L。

（4）工艺流程确定

农业面源污染是在农业生产过程中不合理的化肥、农药、畜禽粪便以及农村生活垃圾等对生态环境所造成的污染[1]，随径流或农田退水进入河道。根据农业面源进水水质、进水特征及吉林地区气温情况，选取多塘与表流湿地技术作为面源控制的末端治理技术[2]，利用多塘与表流湿地技术，可以降低雨水径流流速，对水体中污染物拦截、净化。工艺流程如下：

（5）工艺参数确定

根据相关规范及工程经验，确定相关工艺参数如下:

三、工程设计

3.1总平面布置

人工湿地工程总体布置应在满足水质净化的前提下，充分考虑土地的高效使用，做到节约用地，分区布置，尽可能做到布局合理，水流顺畅，节省投资，方便管理。

后东道人工湿地建于万宝闸以南、伊通河西岸，总占地面积13.3ha。人工湿地由泵站，兼性塘、表流湿地及水生植物塘四个单元组成，污水经泵站提升进入兼性塘（1.5ha），兼性塘内布置人工水草、复合纤维浮动湿地系及太阳能循环复氧控藻设备，兼性塘出水进入表流湿地（7.5ha），表流湿地内种植挺水植物、布置了石灰石滤床与生态砾石床，表流湿地出水进入水生植物塘（4.3ha），水生植物塘内种植沉水植物并投放水生动物。

3.2竖向设计

根据现状及景观地形塑造的要求，常水位时，兼性塘有效水深2.5m；表流湿地有效水深0.3~0.5m；水生植物塘有效水深1.5m，水生植物塘内深水区有效水深为2.5m，便于水生动物越冬。

3.3土方平衡

根据人工湿地植物种植水深与地形构造的要求，需对工程区域地面进行开挖或回填，或对鱼塘、沟渠进行清淤疏浚等。根据人工湿地地形设计，采用鸿业土方8.1进行土方平衡计算，结果显示，土方挖方量为16.11万m3，填方量为1.37万m3。其中，表层50cm厚的优质土壤（6.65万m3）被用作湿地内水生植物的种植土；另外，湿地内微地形改造与景观用土使用土方约2万m3，剩余土方被运往坑塘填埋和用作景观用土。

3.4防渗设计

长春地区为北方半干旱地区，地下水位较低，地勘资料显示，土壤渗漏系数为0.2m/d，需对湿地进行整体防渗处理。本次设计对兼性塘与表流湿地采用复合土工膜进行防渗，水生植物塘采用黏土防渗。

3.5主要构筑物及设计参数

（1）引水泵站

功能：雨季将农业面源污水提升至系统进行处理，旱季抽取伊通河水补给湿地，并进一步处理伊通河河水。

主要设计参数：

设计规模：       13000 m3/d

数量：            1座

尺寸：        6.3×5.5×4.5m

结构：          钢筋混凝土

主要设备：

潜水泵：

数量：   4台，3用1备

规格： Q= 180.5m3/h；H=6.0m

特点：泵站内采用多台水泵并联使用，根据来水量大小自动控制启动水泵的数量，保证系统正常运行的同时节约能耗。

（2）兼性塘

功能：沉淀颗粒物，池底布置人工水草，水面布置复合纤维浮动湿地，提高微生物的浓度，增加处理能力，为增加水体流动、促进水体交换、抑制藻类爆发，在水面布置了太阳能循环复氧控藻机。

①主要设计参数：

平面面积：       15000m2

停留时间：       2.5d

有效水深：       2.5m

驳岸边坡比：   1:3

②主要布置：

人工水草：

数量：             7490m2

规格：比表面积10000m2/m3

浮动湿地：

数量：             1440m2

太阳能循环复氧控藻机：

数量：     4台；

规格：    P=370kW，Q=120m³/h

挺水植物

驳岸浅水区种植挺水植物，种植水深0.3-0.5m，种植密度9-25丛/m

2。

③防渗处理

铺设HDPE复合土工膜(两布一膜)，厚度不小于1.5mm，土工膜上铺设600~800mm厚的种植土保护层，防渗层的渗透系数不大于10-8m/s。

（3）表流湿地

功能：利用水生植物、基质及微生物等对污染物进行拦截、吸收、净化。

①主要设计参数：

平面面积：    75000m2

水力负荷：    0.20m3/m2·d

有效水深：    0.4m

驳岸边坡比：   1:3

②主要布置

挺水植物

挺水植物品种主要选择当地品种与耐寒品种，如芦苇、千屈菜、黄菖蒲、常绿鸢尾、宽叶香蒲、东北玉簪等，种植密度9-25丛/m2。种植面积为表流湿地面积的75%。

石灰石滤床

通过吸附过滤作用降低水体中的固体悬浮物和磷的含量，达到净化水质的目的。

面积：         1336m2

数量：         3座

规格：         B*H=5.0*0.5m

生态卵石床

良好的微生物附着载体，提高微生物浓度，净化水质，同时丰富生物生存环境。

面积：         1797m2

数量：         1座

规格：         厚度约50-250mm

③防渗处理

铺设HDPE复合土工膜(两布一膜)，厚度不小于1.5mm，土工膜上铺设650mm厚的种植土保护层，防渗层的渗透系数不大于10-8m/s。

（4）水生植物塘

功能：利用沉水植物光合放氧的超强氧化环境实现氨氮硝化和除磷，同时沉水植物的根、茎、叶上附着的大量微生物对污染物进行消解。

①主要设计参数：

平面面积：       43000m2

停留时间：         4.5d

有效水深：        1.5~3.0m

驳岸边坡比：      1:3

②主要布置

沉水植物

塘底种植沉水植物，种植密度9-25丛/m2，品种主要选择当地品种与耐寒品种，如菹草、轮叶黑藻、穗状狐尾藻等，种植面积为塘底面积的80%。

挺水植物

驳岸浅水区种植挺水植物，种植水深0.3-0.5m，种植密度9-25丛/m2。

水生动物

为构建完整的生态系统，保证湿地正常运行，在水生植物塘内投放水生动物，主要有滤食性鱼类，以及褶纹冠蚌、三角帆蚌等滤食性双壳类。水生动物投放情况如下：

鲢鱼：50g-150g，生长健壮，50尾/亩；

鳙鱼：50g-200g，生长健壮，20尾/亩；

滤食性贝类：2-6cm∕个，30g/m2；

刮食性螺类：1-3cm∕个，20-50g/m2。

③防渗处理

采用黏土夯实防渗，防渗层的渗透系数不大于10-8m/s，防渗层上铺设400mm厚的种植土。

四、运行效果

后东道人工湿地于2018年年底土建完工，2019年初完成植物种植，运行效果良好，进出水质如下表所示，出水水质优于《地表水环境质量标准》IV类水。

进水水质：COD：57.2mg/L，氨氮：3.6mg/L，TP：1.3mg/L；

出水水质：COD：30mg/L，氨氮：1.4mg/L，TP：0.3mg/L；

五、结语

1. 结合伊通河北北段冬季农业面源污染源微小，表流湿地有较好充氧效果，对污水中的氨氮有较好的去除效果，且具有工艺较简单，工程建造、维护与管理相对简单，投资运行费用低等优点，虽然占地面积较大，但本工程实施区域有较大可用土地，因此表流人工湿地是本次项目的首选，确保修复效果和运行稳定性。
2. 本次人工湿地进水水质数据来源于每次降雨后吐口水质的实测数据。
3. 本次人工湿地处理规模由吐口汇水分区，降雨量以及绿地径流系数计算而得，这是严谨的，科学的。
4. 人工湿地的建成，不仅能净化水质，消除污染，确保伊通河北北段考核断面水质达标，而且还能涵养水源，保持水土，为动物提供栖息地，保护生物多样性。

参考文献

[1]丘雯文，钟涨宝等.中国农业面源污染排放格局的时空特征[J].中国农业资源与规划，2019(01):26-34.

[2]钱常萍，陆振楼.人工湿地技术削减雨水初期径流污染负荷研究进展[J].华东师范大学学报（自然科学版），2011（01）：55-57.

[3]肖海文，柳登发等.人工湿地处理雨水径流的设计方法和实例[J].中国给水排水，2014（08）:37-41.

[4]孟丹.基于GIS的石头口门水库流域农业非点源污染研究[D].长春：东北师范大学，2006:5-25.