| 摘要：暴雨径流人工湿地处理系统与其他人工湿地系统有很大区别。从设计的角度，详细论述了水文因素、水力因素、湿地容积、水生植物和填料等几个问题。 |
关键词：暴雨径流,人工湿地,填料,水生植物
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0 引言
大部分人工湿地被用来处理城市污水和工业废水，集中于有机物的去除，然而处理暴雨径流的系统的目标是处理氮磷和重金属。虽然许多基本理论是相同的，但是在几个重要的方面不同于处理城市污水，在设计时必须考虑。
(1)在处理暴雨径流和城市污水的湿地系统中，进水的化学特性和水文学特性是不同的。城市污水一般有稳定的流量和水质，可根据生物降解过程，确定并维持最佳处理效率。然而，暴雨径流是完全不同的，在降雨期间或降雨之后，会产生很大的流量，水质也有很大的变化。同时，暴雨径流还可能携带大量对生物有害的物质，对处理系统造成冲击。因此，处理暴雨径流的湿地中的生物群应具有较强的对多变情况的适应能力。
(2)在处理城市污水的湿地系统中，污染物的降解速率等于输入速率。在处理暴雨径流的湿地系统中，污染物的输入是偶然发生的。水中夹带的污染物不可能完全被去除。污染物必须首先被捕集，大部分降解发生在后期流量少或没有时［1］。因此，设计暴雨径流处理湿地比污水处理湿地更多地强调保留污染物再后续降解。
(3)暴雨湿地系统实质上是作为一个间歇反应器运行的。湿地的水位在降雨前后发生变化。水位的变化导致湿地水位周期性的下降，使积累的有机物自然氧化，还可使氧气向填料中扩散，加强湿地内的硝化作用。
(4)总氮、水溶态氮、总磷、水溶态磷的输入浓度随降雨径流过程减小。总氮、总磷与径流量对地表的侵蚀能力成正相关，其输入浓度的递减规律多呈抛物线型，递减速度快。水溶态氮输入浓度基本上是线性分布，与总氮、总磷比较其递减变化幅度小。氮磷输入还与降水强度有关，强度大的降水侵蚀作用强烈，氮磷随水土流失量大［2］。
由上可知，暴雨径流与城市污水、工业废水相比，在水文特性、化学特性等方面有很大差别，并且人工湿地的运行方式也不同。因此，暴雨径流人工湿地的设计与其他人工湿地也有所不同，本文将对其不同点进行论述。
1 水文因素
为保证湿地的长期效果，在设计中应考虑水文因素和湿地生态特点之间的关系［3］。水的来源、速度、体积以及洪水发生的频率都影响着湿地介质的物理、化学特性。反过来，介质影响着生物种类的多样性、初级生产能力、有机物的沉积和通量、营养物的循环。水文条件也影响污染物的沉积、氧化、生物转化和土壤吸附过程。因此必须对一些关键因素进行评价，如水的流速、深度和水位的涨落、停留时间、循环和分配因素、季节和天气的影响、地面水的状况和土壤的透水性。
湿地控制暴雨径流污染的设计关键是正确控制它们的水文体系。正确的水文体系需要考虑暴雨发生的频率和周期，从而确定湿地的储存容积和出水区的特点。湿地的最高水位和最低水位将决定湿地处理暴雨的体积容量、出水系统的结构和排水孔口的高度。水深和洪水周期能改变植物群落，它们将对湿地或污染物的去除效果造成有利或有害的影响。
2 水力因素
为了达到一定的处理效果 ，必须有一定的水力停留时间。水力停留时间受湿地长度、宽度、植物、基底材料空隙率、水深、床体坡度等因素的影响。一般水力停留时间最大不超过 24 h。暴雨期间至少应有30 min的水力停留时间以保证处理效果，如果水力停留时间达10～ 15 h就可以达到很好的处理效果［4］。
此外，水力负荷不应超过1 m3/(m2·d)，进水区的流速不超过0．3～0．5 m/s。当流速大于0．7 m/s时，水流会破坏植物的生长，导致处理效率降低［5］。
3 雨季超高深度
在降雨时，水位会超过旱季的水位。因此，湿地植物必须避免长时间的被淹没。湿地植物被淹没的最大深度可用来确定湿地的表面积。实际上所有的湿地植物只要洪水时间不是太长都可生存，一般很难确定超高容积应设计成多大。虽然通常被设计排水大致需20 h，但这并不意味着收集容积区总是空的，因为一系列频繁的降雨，将使其长时期被充满。
雨季淹没的最大深度应保证大部分植物能够生存并发挥其功能。在一定程度上，超高深度取决于被种植的水生植物的种类，因为有一些植物长得很高。一般地，如果栽种挺水植物， 0．3～0．6 m的超高是相对安全的［6］。
实际上，暴雨径流湿地系统为水生植物提供了一个苛刻的生活环境。只有生命力强的植物才能生长茂盛。如香蒲、NB337草、芦苇，在高于上述超高深度时亦可生长得很好。
4 湿地容积
在美国、加拿大、欧洲，湿地体积大致等于来自不透水地面13 mm的径流量，大约能收集8 0%～90%的径流量。
一些权威建议，计算湿地表面积不需要考虑它的收集容积，而是用汇水面积的百分数来计算。通常是支流汇水面积的1．5%～3．0%［6］。使用固定的表面积可能不太合适，因为当暴雨径流量少于25．4 mm时，暴雨径流量和汇水区的不透水面积成比例［6］。有较多的不透水面积的汇水流域比较少不透水面积的汇水流域会产生更多的径流量。例如，人口密度小的居住区有较少的不透水面积，而商业发达的地区则具有较大的不透水面积。在第一种情况下，几乎没有径流，而在第二种情况下，大部分降雨落在铺砌的路面，形成地表径流。
湿地的最佳储存容积应当是使汇水区达到13 mm水位的容积［6］。有效去除的最小储存容积是使汇水区达到6 mm水位的容积。储存容积可用式(1)计算［7］：
V=C×y×Aws(1)
式中V--暴雨湿地的储存容积，m3；
C--系数，取10；
y--汇水区的设计水位，mm；
Aws--汇水区的表面积，hm2。
5 水生植物
暴雨径流湿地系统要求水生植物对各种高浓度的污染物有一定的承受能力。暴雨径流可能改变植物群落。因为新的优势种可以更有效地利用多余的营养物，或更能忍受污染物，植物的改变对污染物的去除是有利的。
不同的生长环境，适宜的湿地植物是不同的。但所选择的湿地植物通常应具有下列特性：
(1)能忍受较大变化范围内的水位、含盐量、温度和pH值；
(2)在本地适应性好的植物，最好是本地的原有植物；
(3)被证实对污染物有较好的去除效果；
(4)有广泛用途或经济价值高。
人工湿地中使用最多的水生植物为香蒲、芦苇、灯心草、宽叶香蒲和簏草。所有这些植物都广泛存在并能忍受冰冻。植物根系的深度决定了湿地的深度。香蒲在水深0．15 m的环境中生存占优势；灯心草为0．05～0．25 m；芦苇生长在岸边和1．5 m的水深中，在潜水中是弱竞争者；NB337草通常出现在岸边。香蒲和灯心草的根系主要在0．3 m以内的区域，芦苇的根系达 0．6 m，NB337草和宽叶香蒲则达到0．76 m［8］。芦苇、簏草和宽叶香蒲常被用在潜流型湿地中，它们较深的根系可扩大污水的处理空间。
暴雨径流湿地系统中，多选用芦苇、香蒲和簏草。簏属能忍受很高的氨浓度( 160～170 mg/L)［9］。芦苇和簏草抵抗病灾和昆虫的能力很强，香蒲则较差。
6 填料
暴雨径流湿地系统多采用砾石作为填料，由于砾石缺乏营养，需在上面覆盖15～20 cm的有机土壤。根区填料表层土壤可就近采用当地表层土，宜用钙含量达2～2．5 kg/100 kg土壤为好［10］，厚度为150～250 mm。一般，填料本身成分对生物处理影响不大，但对含磷和重金属离子废水，含钙、铁、铝等成分的填料有利于离子交换。通过离子交换可将暴雨径流中的污染物截留再后续降解。粘土虽含很高的铝，但由于其kf值很低，不宜单独采用，但也可和其他填料混合使用。
湿地中填料的选择对磷的去除有很大的影响 ，尤其是在运行初期。这主要是填料中的钙、镁和磷作用形成沉淀。但随着时间的推移，填料中磷会达到饱和，湿地除磷能力便有明显下降。因为初期湿地中植物还没有形成较稳定的生物群，所以为了加强湿地初期的除磷能力，在湿地建造中可选择含钙、镁丰富的介质作为填料。
7 维护管理
维护包括三个主要方面：重新种植、杂草的去除和沉积物的挖掘。
当水生植物不适应生活环境时，需调整植物的种类，并重新种植。植物的调整需要变换水位。如果水位低于理想高度，可调整出水装置。
杂草的过度生长带来了许多问题。在春天，杂草比湿地植物生长的早，遮住了阳光，阻碍了植株幼苗的生长。杂草的去除将会增强湿地的净化功能和 经济价值。实践证明，当植物经过三个生长季节，就可以与杂草竞争。然而，一开始就建立良好的植物覆盖，并进行杂草控制是最理想的。在春季或夏季，建立植物床的前三个月，用高于床表面5 cm的水深淹没可控制杂草的生长。
由于暴雨径流含有大量的悬浮物，在湿地床的进水区易产生沉积物堆积。运行一段时间 ，需挖掘沉积物。
参考文献
1 James N Carleton，et al. Performance of a constructed wetlands i n treating urban stormwater runoff. Water Environment Research，2000，72(3):295～3 04
2 邬伦,等.降雨--产流过程与氮、磷流失特征研究.环境科学学报,1996,16( 1):111～115
3 Constructed Wetlands for Wastewater Treatment Municipal.Industri al and Agricultural，1993.253～262
4 R B E Shutes,et al.The design of wetland systems for the treatme nt of urban runoff.Wat Sci Tech,1997,35(5):19～25
5 R B E Shutes,et al.The design of vegetative constructed wetlands for the treatment of highway runoff.The Science of the Total Environment,1999,235: 189～197
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7 Sherwood C,et al.Natural Systems for Waste Management and Treatm ent.1995,265*.268
8 Franklin L Burton.Wastewater Engineering treatment,disposal and reuse.1991,994～995
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10*沈耀良,等.新型废水处理技术--人工湿地.污染防治技术,1996,9(1):1～ 8
◇作者通讯处：200092上海同济大学环境科学与工程学院
○电话：(021) 65985335 65982684
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