城市公园水景中的再生水回用以及生态自然水净化湿地的研究.docx

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城市公园水景中的再生水回用以及生态自然水净化湿地的研究

城市公园水景中的再生水回用以及生态自然水净化湿地的研究

作　　者：

胡洁;

出　　自：

城市水景观建设和水环境治理国际研讨会

发表时间：

2005-5-31

摘　　要：

目前全国各地都在进行大规模的城市景观建设，在景观加深中，如何落实节约用水、科学用水的原则、加强水环境治理，促进城市生态环境建设，达到“人水和谐”生态平衡的目标，是我院在最近几个景观规划设计项目中重点研究的内容，以下用两个实例来阐述城市水景建设中如何利用中水作为景观湖的补水水源以及生态自然水净化湿地在城市水景水质维护中所起的作用。

第一个实例是北京奥林匹克森林公园人工湖水系统规划，第二个实例是安徽蚌埠龙子湖景区水系统规划。

胡洁

（北京清华城市规划设计研究院景观规划设计所，北京，100084）

　　摘要：

目前全国各地都在进行大规模的城市景观建设，在景观加深中，如何落实节约用水、科学用水的原则、加强水环境治理，促进城市生态环境建设，达到“人水和谐”生态平衡的目标，是我院在最近几个景观规划设计项目中重点研究的内容，以下用两个实例来阐述城市水景建设中如何利用中水作为景观湖的补水水源以及生态自然水净化湿地在城市水景水质维护中所起的作用。

第一个实例是北京奥林匹克森林公园人工湖水系统规划，第二个实例是安徽蚌埠龙子湖景区水系统规划。

Abstruct:

Underthecircumstanceoflargescalelandscapedevelopmentinmanycitiesofchina,howtoprotestthewaterresource,howtorecycleusedwaterinwaterscapedevelopmentarethekeyissuesofourdesignandresearcharea.Twocasestudiesareusedinfollowingdiscussion,oneistheBeijingOlympicForestParkwatersystemdesign,andanotheristheLongziHulakelandscapedistrictinBangBucity,AnHueprovincewatersystemdesign.

1奥林匹克水系规划

1.1现状水系概况

　　现有水面包括两部分，一是湖泊，主要分布在南区的洼里公园和碧玉公园内，水面面积约12公顷；二是河道（渠）,水面面积约14公顷，主要包括清河导流渠、仰山大沟、北小河等。

　　规划基址北边界为清河，清河导流渠自西北向东南穿过园区，另在公园东部有近南北向发育的仰山大沟。

清河导流渠与仰山大沟均为森林公园内承担城市水利功能的河道，其中，清河导流渠既是清河向北小河供水的途径，又和仰山大沟一起作为雨洪排泄的通道，城市雨洪向北排入清河。

1.2全园水系整体格局

　　本方案根据奥林匹克公园“龙形水系”的整体景观意象，结合场地西南高东北低的地形条件，充分利用现状洼里公园湖区以及碧玉公园湖区水系，构筑森林公园以“主湖”为主水面的整体“龙头”水系格局。

　　“主湖”位于奥林匹克公园中轴线的北端，背依主山，南瞰森林公园南入口，西北利用现状近10米的高差规划为由层层落水构成的湿地观赏景区，东及东北向分别与现状碧玉公园水系、洼里公园水系相连，跨过主山则与清河导流渠相接（清河导流渠形态根据主山形态适当调整），最终形成湖、湿地、河渠等形态多样、景观丰富的水景效果。

根据场地现状及公园所在城市区域水利的整体要求，规划湿地区水位为41.5米，主湖水位为38.5米，洼里公园湖区水位为37.35米，清河导流渠主山北侧段水位37.25米。

　　清河导流渠在主山北侧渠段根据主山形态局部做了调整，以营造朴野自然的景观效果，水位为37.25米，经奥运湖闸处后水位依旧保持37.25米。

导流渠采用复式梯形断面渠道结合漫水湿地的形式，向南通过暗沟与北小河水系相联系。

                                                        森林公园现状地形分析图

北区水系引自西北部的清河导流渠，以萦回曲折的溪流、湿地和小尺度湖面为主，蜿蜒于山丘之间，最终注入北侧的清河。

该水系一方面能够收集雨水，防洪减灾；另一方面则通过湿地、山溪等景观的营造，烘托北区朴野自然的山林气氛。

根据现状地形水位分两段变化，其中，北辰西路西侧水位为37.15米，北辰西路东侧水位为36.0米。

　　仰山大沟在碧玉公园别墅区东部沟段取消了泄洪退水功能，根据别墅区景观建设的要求适当变形，并与主湖相沟通，融入整体景观设计之中。

1.3.水系规划

1.3.1市政水系

（1）清河导流渠——北小河供水

　　在清河导流渠流经森林公园的地段，关闭与公园水系相联系的2号闸、4号闸、5号闸、6号闸，打开1号闸、3号闸，8号闸，7号闸，即可以直接将清河导流渠的水导入森林公园南侧的北小河，向城市供水。

（2）清河导流渠——仰山大沟——清河泄洪

　　打开6号闸，关闭4号闸、5号闸、8号闸，即可将来自南侧城市的洪水沿清河导流渠向北排入仰山大沟，最终排入北侧的清河，完成城市局部区域的泄洪。

1.3.2补水方案

　　森林公园湖区补水共有以下三套方案：

（1）中水补水

　　规划利用清河污水处理厂处理过的中水（大部分水质接近Ⅳ类水体标准）对森林公园湖区及湿地系统等处进行补水。

其中，北区补水口设在溪流的北端点处，南区的补水口设在温室教育展示区。

这两部分中水经过湿地系统净化后，主要作为森林公园内景观水面的补充水源。

（2）南区城市水源补水

　　在奥运期间及其他特殊情况下，可考虑通过南区外围城市给水管网（辛店村路铺设的1200*1200的给水方涵）直接向主湖补充水源，水源来自京密引水渠。

　　（3）清河导流渠补水

　　在水源匮乏的情况下，可以将3号闸关闭，2号闸打开，向北侧水系及南侧主湖区补充水源。

1.3.3退水方案

　　森林公园作为一处集中的大型绿地，其本身（大面积的绿地和湖面）既具有较强的水源涵养功能，能吸纳一定量的降水。

此外，通过地形塑造，地下渗水系统的设计等景观措施又可有效提高公园排除和吸纳洪水的能力，实现公园水系统的自我调节。

尽管如此，为防止特大暴雨或山洪爆发期降水量超出公园水系统的承载能力或方便公园水系清理时期排水之需，特规划以下两条退水方案：

（1）清河退水线路

　　即将水流导入森林公园北侧的清河。

其中，北区水系退水方案为：

首先关闭2号闸，截断清河导流渠水源，让洪水沿水系自然导入清河；南区水系退水方案为：

关闭7号闸，让主湖、湿地、洼里公园、碧玉公园等区域的洪水顺着自然地势或清河导流渠导入仰山大沟，再打开8、6、3、4、5号闸，沿仰山大沟导入北部的清河。

（2）北小河退水线路

　　即将南区水流导入森林公园东南侧的北小河，北区水流排放则仍然自西向东，再向北导入清河。

南区退水方案为：

关闭仰山大沟上的6号闸，打开公园内其他各个闸门及清河导流渠东南角的7号闸，让洪水最终沿清河导流渠流入北小河。

1.3.4公园内多个水系小循环

　　根据公园南北两区水系各部位标高不同，结合闸涵设置泵站，促进局部水系形成小循环，以有效改善水质，营造流动的活水效果。

森林公园水系分析图

1.4奥林匹克公园人工湿地

1.4.1概述

　　人工湿地是一种由人工建造和监督控制的，与沼泽地类似的地面。

在环境领域，湿地处理污水的研究越来越广泛，它利用湿地自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。

人工湿地具有以下功能：

　　a.净化水质

　　b.储存洪水、暴雨径流和地表径流

　　c.作为鱼类和野生动物的栖息地

　　d.休闲娱乐如观鸟和摄影

　　e.运动娱乐如打猎

　　f.教育和研究

　　g.美学及景观价值

　　湿地用于处理污水还具有投资低，出水水质好，抗冲击力强，增加绿地面积，操作简单，维护和运行费用低廉等优点。

以改善水质为重心，以景观建设为支撑，规划奥林匹克公园湿地生态系统的布局与建设方案。

　　人工湿地系统设计主要内容包括：

湿地进水水质的确定，提出进出湿地进出水水质控制目标，湿地填料的选择，湿地植物的选育、组合模式的构建，湿地结构的设计，人工湿地建设的投资，效益分析，湿地的运行与管理等。

1.4.2人工湿地进水水质的确定

（1）水系基本情况

　　水面面积

　　规划在奥运公园北部新辟奥运湖，水面面积28.8公顷，平均水深2m；新挖景观河道形成水面面积约17.1公顷，平均水深2ml；。

整治仰山大沟和清河导流渠，水面面积约11.9公顷，平均水深2m。

奥林匹克公园北部水系水面总面积约57.8公顷。

规划在奥运湖西北侧建设生态自然净化系统，也就是人工湿地，面积约10公顷。

水面规划情况如下表。

表1   奥林匹克公园水面规划表

项　　　目面积（公顷）

水   面合   计57.8

奥   运   湖28.8

新挖景观河道17.1

仰山大沟和清河导流渠11.9

生态自然净化系统10

　　水面需水量

　　奥运公园平时补水水源为中水。

年总需水量为816万m3，平均日需水量为2.8万m3/d。

规划在清河污水厂内建设8万t/d的再生水处理厂，采用膜处理工艺，其出水水质基本可达到Ⅳ类水体标准（总氮指标达不到Ⅳ类水体标准），大部分常规指标接近Ⅲ类水体标准要求。

该部分再生水通过市政再生水管道向南通过清河后沿白庙村路入奥运公园生态自然净化系统净化，补入奥运湖。

目前，清河污水处理厂再生水回用工程已获得初步设计批复，正在进行施工图设计等工作，计划2005年开工，2006年投入运行。

　　污水厂出来的中水其出水水质基本可达到Ⅳ类水体标准（总氮指标达不到Ⅳ类水体标准），可见TN是设计的控制性因素。

入湖的水要达到Ⅲ类水体标准，也就是TN≤1.0mg/L。

（2）人工湿地进水水质测算

　　人工湿地的可以利用面积是10ha，湿地的高度取80cm。

奥运湖每天的需水量是2.8万m3/d。

人工湿地的水力停留时间

　　T=10*10000*0.8/（2.8*10000）=2.86天

　　水力负荷

　　v=2.8*10000/（10*10000）=0.28m/d

　　实践证明，人工湿地的水力停留时间在T=2.86天时，TN的去除率能够达到70%，CODcr，BOD5去除率大于60%。

人工湿地的出水水质要达到Ⅲ类水体标准，湿地的进水要求TN≤3.3mg/L,人工湿地的出水就能满足奥运湖的进水要求。

1.4.3人工湿地结构的设计

（1）人工湿地填料选择

　　传统的人工湿地的基质填料采用土壤、砂、砾石等，目前国内外正在积极挑选新型的材料作为湿地的基质填料，不同的基质材料对不同污染物的吸附性能、微生物附着性能不同，目前国内外在研究的基质填料主要有：

塑料，沸石，石灰石，石英砂，煤灰渣，高炉渣，草炭，粉煤灰（FA），活性炭，陶瓷，蛭石，自然岩石与矿物材料等。

所选填料都应满足：

a.质轻,松散容量小,有足够的机械强度；b.比表面积大,孔隙率高,属多孔惰性载体；c.不含有害于人体健康和妨碍工业生产的有害物质,化学稳定性良好；d.水头损失小,形状系数好,吸附能力强；e.滤速高,工作周期长,产水量大,水质好。

为了综合发挥各填料优势，湿地床往往由多种填料组成，填料级配十分重要,以有效去除各种污染物质，同时有效避免堵塞,提高运行周期。

　　根据中水的水质TN是设计控制性因素，人工湿地选择陶粒、沸石、砾石、土壤为填料。

（2）人工湿地植物选择

　　湿地植物是湿地系统中最重要的组成成分之一，按照植物选择原则和生态学原理，选择合适的湿地植物，在植物群落学理论基础上，遵循宏观仿生学原理，充分考虑植物物种多样性与生态系统稳定性的相互关系，以群落的模式构建湿地植物系统，建设完整的湿地生态系统结构，从而保证湿地能够发挥良好的净化、缓冲、栖息地建设等功能。

依据人工湿地建设目标，本设计植物选择的原则。

　　a.净化能力强

　　b.具有抗逆性

　　c.易管理

　　d.综合利用价值高

　　e.美化景观

　　根据以上原则，人工湿地选择芦苇、茭草、香蒲、昌蒲、水葱、旱伞草、美人蕉、茭白等为主，工程建成投入运行后，植物覆盖率应达90%及其以上。

　　（3）结构形式

　　人工湿地系统采用水平潜流系统、表面流系统、动植物群落系统、休闲交通网络、水质监测系统组成。

　　水平潜流式湿地单元

　　水平潜流湿地中的氮通过硝化/反硝化、挥发、吸附和植物摄取去除，主要去除机理是硝化/反硝化。

氨在好氧区域被硝化细菌氧化为硝酸根，而硝酸根在缺氧区域被反硝化细菌转化为气态氮。

挥发、植物摄取和吸附对氮的去除作用不大。

　　该系统主要由布水系统、出水系统、潜流带系统组成。

　　工艺流程及说明:

　　通过填料的选择吸附性以及介质、土壤、植物、微生物的综合作用，去除水中的氮磷物质，同时通过填料床可以达到均匀布水的目的。

充分考虑污水处理厂中水出水水质，强调湿地治污功能及处理效率，突出水处理效果，采用表面流、潜流相结合的组合型人工湿地湿地工艺；其中后一个表面流湿地作为湖滨过渡带。

其完整的工艺流程见图3-1。

图1   人工湿地工艺流程

第一级表面流湿地占1/3面积，水平潜流湿地占1/3面积，第二级表面流湿地占1/3面积。

水平潜流湿地床深0.8m，底铺15cm砾石粒径2~4cm，上填40cm粒径2~4cm的沸石/陶粒各20cm，再覆25cm土壤，前1/2面积种植芦苇，后1/6面积种植茭草，最后1/3种植景观植物例如鸢尾。

种植密度均为5株/m2。

坡度为1%。

　　人工湿地剖面图如图3-2所示：

图2　人工湿地剖面图

1.4.4运行与管理

　　对人工湿地的管理也是非常重要的组成部分。

国内外大量人工湿地的实践工程在这方面积累了丰富的经验，综合来看，主要包括湿地资源的长期监测与信息管理、湿地的保护、湿地的开发利用和湿地植物的收割与处理处置。

1.4.5人工湿地效益分析

（1）环境效益

　　中水经湿地处理后将达到地表水III类水质标准，同时形成人与自然和谐相处的秀丽的自然景观；

　　丰富了湖滨生物多样性、群落多样性，增强了湖滨生态系统抗干扰能力，维护生态系统健康，加强了生态系统的稳定性和自我更新、自我修复能力，为其他生物提供了良好的生活、栖息环境；

　　使公园内森林生态系统、湿地生态系统和整个湖泊社会自然复合生态系统步入良性循环。

（2）社会效益

　　人工湿地建设工程项目的实施，将取得较好的社会效益，主要有：

　　工程建设和运行过程是湖区人们受到一次深刻而生动的环境保护宣传教育过程，工程的存在本身就起到了不断的宣传教育作用，这将是一个普及环保知识的过程，是一个不断使环境意识和循环经济意识深入人心的过程，这样的环境保护工程有利于改变人们的价值观念，倡导健康文明的生产方式和消费行为，其潜在的社会效益巨大。

　　湿地生态系统、多样的动植物群落为教育和科学研究提供了对象、材料和试验基地，在教育和科研中都有重要价值。

湿地所造就的美丽景观和丰富多彩的生物，启迪人们的智慧，是人们文学、艺术、美学创作的源泉。

森林公园湿地园平面图

2龙子湖景区水系统规划

2.1生态用水保障规划

　　按照城市规划、水利规划及其他相关规划的定位，龙子湖兼有休闲景观、防洪调蓄和农业灌溉、渔业养殖功能，因而首先要保证湖面稳定在某个区域范围内，避免出现消落区或者水面过高现象，湖水水质达到相应的环境质量标准。

因此，对龙子湖进行生态环境需水量的研究是十分必要和迫切的。

2.1.1需水量分析

　　城市生态环境需水量是指在一定时间和空间范围内，为维护城市生态环境发挥正常物质循环、能量流动和信息交换功能所需的水资源总量。

生态环境需水量由生态需水量和环境需水量两部分构成。

对自然环境而言，生态需水量是指维持生态系统生物群落的组成和结构、维持生物栖息环境动态稳定所需的水量。

生态需水量不但与生态系统中生物群落的组成、结构有关，还与气候、土壤、植被、地质和其他环境条件有关。

环境需水量是为满足水质改善、生态和谐与环境美化目标所需的水资源量。

因此，生态需水量与环境需水量两者有交叉和重合的部分，但它们的内涵并不相同。

生态需水主要侧重在生物维持其自身发展及保护生物多样性方面，环境需水则主要体现在环境改善方面。

生态环境需水是指维持生态系统中具有生命的生物物体水分平衡所需要的水量，主要有下列几个方面：

　　维护天然植被所需要的水量，如森林、草地、湿地植被、荒漠植被等；

　　水土保持及水保范围之外的林草植被建设所需要的水量，如绿洲、生态防护林等；

　　保护水生生物所需要的水量，如维持湖泊、河流中的鱼类、浮游植物等生存的用水；

　　达到相应水环境质量所需要的水量，主要指水体保持稀释和自净能力的最小水量；

　　维持水面面积的水量，包括补充自然蒸发量；

　　维持景观功能的新鲜水补充量等。

2.1.2需水量计算

　　根据湖泊水量平衡原理，湖水水量变化始终处于动态平衡之中。

要保持基本的水量平衡，应当计算正常的入流和出流水量，并保证补充湖泊的蒸散量和地下径流的交换量。

在考虑人为干扰和人为取水的情况下，水量平衡公式可表示为：

　　Qb=Qin-Qout±ΔQ

　　Qin=QP+QG+QI+QR

　　Qb=QE+QS+QF+QO

式中，Qb为常水位时的水量，ΔQ为补充/排放水量。

入湖水量Qin包括四个部分：

Qp为湖面降水量，QG为地下水补给，QR为地表径流补给（包括洪水时淮河入湖水量），QL为生活用水入湖量。

　　湖泊水量损失和流出水量Qout包括四个部分：

QE为湖面蒸发量，QS为湖泊渗漏量，QF为农业灌溉用水量，QO为湖泊流入淮河的水量。

　　按照有关规划，郊区水利局将调度龙子湖水位的正常蓄水位定为17.0米，相应的库容为1425万立方米。

不同水期的水文数据见下表。

表3不同水期龙子湖水文数据表

水期水位（米）水面面积（平方公里）库容（万立方米）水深（米）

枯水期16.57.210001.4

平水期17.08.414251.7

丰水期18.010.9823502.1

根据相关的水文、气象数据、资料，蚌埠市年平均蒸发量为1648.6毫米（目前我国主要采用E-601型蒸发器测定水面的蒸发量，其测得的数值比水体实际得蒸发量大，因此需要乘以折减系数，年平均蒸发折减系数为0.75－0.85，本研究取值0.80），降水量为905.4毫米，蒸发量远大于降水量。

按照正常蓄水位17.0米计算，相应的水面面积为8.4平方公里，每年需要补充347.3万立方米的蒸发损失；降水—蒸发差额最大的10月份需要补充49.0万立方米的蒸发量。

表4蚌埠市月、年平均蒸发、降水量表　　单位：

毫米

月份123456789101112年

蒸发量49.6——153.5——214.4——126.6——1648.6

降水量23.433.157.967.275.0116.3199.2151.981.543.036.020.9905.4

差值16.28——55.6——-27.68——58.28——413.48

资料来源：

《蚌埠市志》、《蚌埠市城市建设志》，“—”为无数据。

　　蚌埠地下水基本上属入渗蒸发型，周围地形产生的侧面补给量很小，淮河南岸属贫水区，因此地下水补给湖水量忽略不计。

　　根据《龙子湖清淤工程地质勘察报告》，龙子湖湖底第一层为0.1-0.8米的淤泥，第二层为0.3-1.2米的淤泥质粘土和壤土，第三层为大于1.0米的粉质粘土。

按照龙子湖清淤规划，清淤0.5米左右，将不会穿透粘土层。

粉质粘土、淤泥质粉质粘土的透水性差，垂直方向渗透系数一般为10-6～10-8厘米/秒，水平向渗透系数为10-4~10-6厘米/秒。

因此龙子湖的湖水渗漏量大约为10万立方米/年。

　　龙子湖流域面积为140平方公里，上游有9条涧溪汇入，下游建有曹山节制闸和龙子湖防洪闸，沿岸建有6处排灌站，龙子湖由正常水位16.5米及出水口标高17.3米时，雨水调蓄量约为900万立方米，因此龙子湖的调蓄能力较强，在保持常水位的情况下，假设地表径流补给和龙子湖流入淮河的水量大约相等。

城市部分生活污水未经处理直接排入龙子湖，年排放量大约700万立方米，严重影响了龙子湖的水质，现已经开始修建截污工程，建设年限2000年至2010年，因此在规划远期，生活用水入湖量为零。

　　规划龙子湖周边地区约有12平方公里陆地面积，将以风景林地、经济林木以及田园绿地为主。

按照每亩果园每年大约需要50立方米灌溉用水，以及绿地灌溉定额1立方米/（平方米·年），非蔬菜单位面积耗水量为3000立方米/公顷，蔬菜单位面积耗水量为2000立方米/公顷，维持现有风景区内的灌溉大约需要400万立方米的用水量。

　　按照以上模型计算，龙子湖风景区年平均用水量缺口为750万立方米，其中10月份缺口为83万立方米。

2.1.3用水保障方案

　　根据龙子湖地区截污工程设计和污水处理厂布局，地区收集的污水由位于龙子湖北部入淮处的扬台子污水处理厂进行处理，目前已经铺设了部分污水管道，规划污水处理厂2008年建成，日处理污水20万吨。

在满负荷运行的情况下，年排放经处理的水约7000万立方米，远远超过龙子湖的需要补水量。

　　按照我国现有标准《再生水回用于景观水体的水质标准》（CJ/T95-2000）、《景观娱乐用水水质标准》（GB12941-91）及《污水综合排放标准》（GB8978-1996），扬台子污水处理厂引入脱氮脱磷工艺并将二级出水经再生处理后，水质能够达到理想的效果。

水生植物具有一定降解有机物，吸收氮、磷等营养元素，以及促进颗粒物沉降等水质净化功能，因此经污水处理厂处理的再生水可以通过管道排入南湖景区的湿地植物园，经人工湿地进一步净化后排入龙子湖。

这样不仅可以补充龙子湖湖水，还能保证龙子湖的水质。

　　在2008年污水处理厂建成之前，可以按照不同水期的水位16.5米、17.0米以及18.0米设置不同类别的植物，满足景观上的要求。

2.2人工湿地建设规划

　　龙子湖风景名胜区是以龙子湖为中心的休闲旅游度假区，湖水水质、水量、水景的好坏直接关系到风景区的整体形象，以上目标的实现不仅需要对龙子湖本身进行整治，还需要在整个风景区范围内甚至范围外进行相应的改造，重点包括：

　　湖滨带湿地是处于陆生生态系统与水生生态系统之间的具有独特的水文、土壤和植被特征的生态系统，它在蓄洪防旱，控制土壤侵蚀，截留和降解入湖污染物质，改善入湖水质，维持生物多样性和生态平衡等方面均具有十分重要的作用。

龙子湖湖滨生态系统湿地的建设对于改善湖滨生态、龙子湖水体水质以及龙子湖风景区整体生态环境和知名度具有非常重要的意义。

2.2.1人工湿地布局

　　人工湿地规划取决于湖滨带的水平标高与防洪高程的匹配性、可利用土地的面积、湿地的景观功能和方便进入的道路布局等因素。

　　根据上述对用地的敏感性分析结果，结合土地利用现状和地势情况，考虑湖滨岸线曲线，并参考正常蓄水位和防洪高程，可以将湿地规划分布于南湖景区的湖滨带，以及北湖景区的入河口。

这些地区多为迹地，是龙子湖的入湖口和出湖口，容易集聚污染物，因此在此处规划湿地，既可净化水体，又具有景观功能，并且经湿地处理的出水也能够自然进入龙子湖或淮河。

2.2.2植物选育和模式构建