湖泊人工濕地和生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)

1、1 人工濕地設(shè)計(jì)1.1 人工濕地介紹1.1.1 人工濕地工作原理人工濕地系統(tǒng)是在有一定長寬比和底面坡度的洼地中，由土壤和填料（如礫石等）混合組合而成的填料床，并栽種經(jīng)過選擇的水生、濕生植物，組成類似于自然濕地狀態(tài)的方案化的濕地系統(tǒng)。水體在床體的填料縫隙中流動，或在床體表面流動，在基質(zhì)吸附、過濾，植物吸收、固定、轉(zhuǎn)化、代謝及濕地微生物的分解、利用、異化等過程的綜合作用下，水體中的污染物質(zhì)得以去除。濕地系統(tǒng)中的氮、磷不僅能通過植物和微生物作為營養(yǎng)吸收，而且還可以通過硝化、反硝化作用將其除去，最后濕地系統(tǒng)更換填料或收割栽種植物將污染物最終除去。人工濕地系統(tǒng)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在，有機(jī)物和氮磷的去除效率高、

2、出水水質(zhì)好、運(yùn)行維護(hù)方便、管理簡單、投資小、運(yùn)行費(fèi)用低、符合自然界水質(zhì)凈化和水資源循環(huán)的生態(tài)學(xué)規(guī)律等。人工濕地的建立不但可以起到對湖泊水體的凈化效果，同時也可加強(qiáng)湖泊的景觀效應(yīng)。人工濕地系統(tǒng)結(jié)果圖及效果圖見圖1-1、圖1-2。圖1-1 人工濕地結(jié)構(gòu)示意圖圖1-2 人工濕地效果圖1.1.2 人工濕地分類人工濕地按污水在其中的流動方式可分為兩種類型：表面流人工濕地和潛流人工濕地。兩種人工濕地的工藝特性及優(yōu)缺點(diǎn)見表5-5。表面流濕地系統(tǒng)中，水體在濕地的表面流動，水位較淺，多在0.1-0.6m，它與自然濕地最為接近，具有投資少、便于管理等優(yōu)點(diǎn)。潛流式人工濕地系統(tǒng)中，水體在濕地床的內(nèi)部流動，可以充分利用

3、填料表面生長的生物膜、豐富的植物根系及填料和表層土的截留等作用，以提高其處理效果和處理能力。但當(dāng)有機(jī)污染負(fù)荷較重的情況下，易造成床體堵塞，且造價較高，一般為表面流濕地的4-8倍。表1-1 兩種人工濕地對比類型表面流濕地潛流濕地介質(zhì)類型介質(zhì)為原始土壤或填料介質(zhì)為填料水流方式污水以較慢速度從濕地表面流過水流在地表下流動，充分利用填料表面生長的生物膜和豐富的植物根系。處理效果一般相對較好投資具有投資少、操作簡單、運(yùn)行費(fèi)用低投資大，需運(yùn)行維護(hù)1.2 濕地修復(fù)區(qū)設(shè)計(jì)在東西湖之間的連接處按照原規(guī)劃借助自然地理?xiàng)l件結(jié)合景觀布設(shè)人工濕地，加強(qiáng)對水體的修復(fù)，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。人工濕地的設(shè)計(jì)除了滿足水質(zhì)凈化的作用

4、，還要兼顧人工湖對河涌的補(bǔ)水功能和景觀效果。濕地區(qū)總面積約為2.2萬m2，濕地的布置考慮地形高差、東西湖水位差以及景觀棧道的修建。白云湖建成后，需要向滘心涌、環(huán)滘涌、?？谟俊⑹铀臈l河涌合計(jì)補(bǔ)水18.3m3/s，按每日補(bǔ)水時間8小時計(jì)，人工湖調(diào)蓄水量為52.7萬m3，需調(diào)蓄水深為0.5m。人工湖由東湖和西湖兩部分組成，東西湖連接處為此章節(jié)需要設(shè)計(jì)的濕地修復(fù)區(qū)。其中東湖向滘心涌和?？谟糠謩e補(bǔ)水1.65 m3/s和2.50 m3/s；西湖向石井河和環(huán)滘涌分別補(bǔ)水12.75m3/s和1.40m3/s。當(dāng)西湖對環(huán)滘涌和石井河補(bǔ)水時，水體必將由東湖流經(jīng)濕地進(jìn)入西湖區(qū)，如此大流量的水體在流經(jīng)濕地時，相應(yīng)

5、地對濕地的過水能力必將提出很高的要求；且東西湖之間的濕地區(qū)面積僅22000m2，對52.7萬m3水量而言濕地面積太小，且水力停留時間很短，難以取得預(yù)期的處理效果。故在對兩湖間的濕地區(qū)進(jìn)行布設(shè)時主要考慮其補(bǔ)水和景觀功能，在此基礎(chǔ)上，盡可能兼顧其對污染物去除效果和生態(tài)修復(fù)作用。因此，在本方案中將東西湖之間的濕地區(qū)設(shè)計(jì)成更加接近自然景觀的表面流人工濕地系統(tǒng)，在濕地床上鋪設(shè)碎石、礫石，并種植具有高效吸收污染物能力的植物，加強(qiáng)對水體的凈化處理。1.2.1 表面流人工濕地平面設(shè)計(jì)表面流濕地一般長寬比應(yīng)小于10：1，根據(jù)人工湖兩鐵路間的地形情況將人工濕地分成兩塊并聯(lián)使用，其中濕地1面積As1=16514m2

6、，濕地2面積As2=6355m2，濕地區(qū)總面積A= As1+ As2=22869 m2。濕地平面布置如圖1-3所示。表面流濕地2表面流濕地1圖1-3 濕地區(qū)平面布置圖其中濕地1為梯形結(jié)構(gòu)，上底、下底、高分別為56m、104m和206m；濕地2為近似矩形結(jié)構(gòu)，長、寬分別為93m和68m?？紤]地形和維護(hù)等因素，在具體施工環(huán)節(jié)中可分別將濕地1和濕地2分成兩個或以上并行處理單元，以便間歇運(yùn)行和維護(hù)。1.2.2 濕地進(jìn)出水設(shè)計(jì)考慮到處理系統(tǒng)的水量很大，在濕地周邊開挖集水溝，水體經(jīng)收集后進(jìn)入濕地系統(tǒng)。進(jìn)水裝置是向人工濕地中輸送污水,布水時應(yīng)盡量均勻，進(jìn)水方式采取多點(diǎn)布水形式。在濕地維護(hù)或閑置期,進(jìn)水可關(guān)閉

7、。1.2.3 填料的使用表面流人工濕地一般水深0.3-0.5m，本方案取0.4m；濕地區(qū)設(shè)計(jì)常水位為0.8m，故濕地床基質(zhì)層厚度為0.4m。表面流濕地床由兩層組成，表層土層厚0.2m，礫石層鋪設(shè)厚度0.2m。人工濕地填料主要組成、厚度及粒徑分布見圖1-4。 圖1-4 表面流人工濕地填料組成1.2.4 濕地中植物配置 植物是表面流人工濕地凈化水質(zhì)的重要組分，是人工濕地系統(tǒng)得以正常運(yùn)行的重要因素之一。選擇種植何種濕地植物也是人工濕地處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。一般人工濕地系統(tǒng)對植物有以下要求：有發(fā)達(dá)的根系；有較大的生物量或莖葉密度；有較大的表面積為微生物提供棲息場所；有較強(qiáng)的輸送氧的能力。一般宜選用具

8、有一定經(jīng)濟(jì)價值和景觀效果的本土植物。種植方式視濕地和植物實(shí)際情況采用穴植、溝植、面植等方法，種植密度一般為每平方米5-10株。（1）根莖、球莖及種子植物這類植物包括睡蓮、馬蹄蓮、慈姑、荸薺、澤瀉、菱角、薏米、芡實(shí)等。它們或具有發(fā)達(dá)的地下根莖，或能產(chǎn)生大量的種子果實(shí)，多為季節(jié)性休眠植物類型，一般為冬季枯萎春季萌發(fā)，生長季節(jié)主要集中在4-9月。這類植物具有以下特點(diǎn)：耐淤能力強(qiáng)，適宜生長在淤土層深厚肥沃的地方；適宜生長環(huán)境的水深一般為0.4-1.0m左右；具有發(fā)達(dá)的地下塊根或塊莖，其根莖的形成對P元素的需求較多，因此對P的吸收量較大；屬于種子果實(shí)類植物類型，其種子和果實(shí)的形成需要大量的P元素。（2）

9、挺水草本植物這類植物包括蘆葦、茭白、香蒲、旱草竹、皇竹草、水蔥、水莎草、再力花、美人蕉、千屈菜等，為人工濕地系統(tǒng)主要的植物選配品種。這類植物適應(yīng)能力強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)；生長量大，對N和P的吸收量都很大。其中皇竹草、蘆竹、旱傘竹、薏米、紙莎草等屬于深根叢生型植物，其根系的分布深度一般在30cm以上，分布較深而分布面積不廣，植株的地上部分叢生。由于這類植物的根系入土較深，根系接觸面廣，配置于潛流式人工濕地中能顯示出更好的處理效果；香蒲、菖蒲、水蔥、水莎草等，屬于深根散生型植物，其根系一般分布于20-30cm之間，植株分散。這類植物的根系較深，適宜配置于潛流式人工濕地中；美人蕉、蘆葦、千屈菜、荸薺、慈姑、

10、再力花等屬于淺根散生型植物，其根系分布一般在5-20cm之間。由于這些植物根系分布較淺，且一般原生于土壤環(huán)境，因此適宜配置于表面流式人工濕地中；燈心草、野芋等屬于淺根叢生型植物，根系分布較淺，一般適宜配置于表面流人工濕地系統(tǒng)中。本方案中濕地為表面流人工濕地系統(tǒng)，因此宜選擇后兩種植物類型，淺根散生型植物美人蕉、蘆葦、千屈菜、荸薺、慈姑、再力花和淺根叢生型植物燈心草、野芋等都為本方案中的適宜挺水植物品種。濕地區(qū)水生植物配置為美人蕉20%、蘆葦20%、千屈菜20%、再力花20%、野芋10%、燈心草10%。在具體布設(shè)中綜合考慮水質(zhì)凈化作用和景觀作用雙重功能，合理配置栽種上述根莖植物和挺水植物，最大程度

11、發(fā)揮人工濕地系統(tǒng)中植物的水質(zhì)凈化作用。2 生態(tài)護(hù)岸傳統(tǒng)的河道、湖泊護(hù)岸結(jié)構(gòu)往往只片面的強(qiáng)調(diào)河道、湖泊的防洪、引水、排澇、蓄水等功能，較少地考慮河道的生態(tài)或環(huán)境功能，因此護(hù)岸多采用漿砌塊石或混凝土等剛性硬質(zhì)材料，使河道、湖泊的環(huán)境條件模式化，并使生物種類單一化，由此帶來一系列的環(huán)境問題。本方案所采用的生態(tài)護(hù)岸有別于現(xiàn)行的生態(tài)護(hù)岸，本方案的生態(tài)護(hù)岸除有常規(guī)生態(tài)護(hù)岸的功能，還同時具有恢復(fù)河岸帶植被及原有自然洪泛平原和濕地景觀，充分發(fā)揮河岸植被的緩沖帶功能、修復(fù)近岸水質(zhì)的功能。生態(tài)護(hù)岸技術(shù)主要有發(fā)達(dá)根系固土植物、土工材料復(fù)合種植基、植被型生態(tài)混凝土等。常規(guī)護(hù)岸工程技術(shù)主要考慮河道行洪速度、河道沖刷、岸

12、坡穩(wěn)定等，環(huán)境因素考慮較少，主要有拋石、漿砌或干砌石塊，預(yù)制混凝土塊體、現(xiàn)澆混凝土、澆注瀝青以及土工模袋等型式。這些型式的護(hù)岸工程造價都相對較高，且不能滿足生態(tài)和景觀要求。生態(tài)護(hù)岸的特點(diǎn)：（1）修復(fù)水域生態(tài)系統(tǒng)。以再生多種生物為目的的生態(tài)護(hù)岸技術(shù)從整個水陸交錯帶的生態(tài)結(jié)構(gòu)入手，充分應(yīng)用生態(tài)方案學(xué)的基本原理，力求修復(fù)受到破壞的水域生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)護(hù)岸的坡面大都種植護(hù)岸植物，經(jīng)過精心挑選的植物既能直接從水中吸收污染物質(zhì)，其舒展而龐大的根系還能為微生物提供附著載體，有利于水質(zhì)凈化，同時也是水生動物、鳥類、昆蟲等覓食、繁衍、嬉戲的場所。（2）增加湖泊景觀效果。與城市文化背景融為一體的坡岸景觀設(shè)計(jì)，可以成

13、為城市一道亮麗的風(fēng)景線，使白云湖成為良好的休閑娛樂場所。圖1-5 生態(tài)護(hù)岸效果圖2.1 引水渠生態(tài)護(hù)岸根據(jù)廣州市北部水系建設(shè)引水干渠工程設(shè)計(jì)報告，引水渠道長4.7km，引水渠生態(tài)護(hù)岸的設(shè)計(jì)以“親水”和“生態(tài)”為原則，結(jié)合水流特點(diǎn)，將引水渠橫斷面設(shè)計(jì)為復(fù)式斷面，設(shè)置兩級或多級平臺；在解決渠道防滲的基礎(chǔ)上，采用生態(tài)型緩坡護(hù)岸，坡度節(jié)奏變化，護(hù)岸采用土石等天然材料或生態(tài)型材料，并與植物護(hù)坡相結(jié)合，為水生小動物提供棲息、繁衍場所。在水陸交接處保留或營造岸邊淺水濕地，其間種植蘆葦、菖蒲等高等水生植物和水柳等根系較為發(fā)達(dá)的樹種等植物，在堤岸底部適當(dāng)種植沉水植物，以凈化水質(zhì)和改善濱水生態(tài)環(huán)境的作用，并在沿岸

14、營造生態(tài)防護(hù)綠帶。引水干渠水際植物選擇根據(jù)水位的變化及水深情況，選擇鄉(xiāng)土植物形成水生-濕生-中生植物群落。隨著水際植物群落的形成，使很多野生動物和昆蟲也得以棲居、繁衍。隨著水際植物的不斷豐富和成熟，生物多樣性將不斷提高，生態(tài)效果將更為顯著。引水干渠水生植物選擇菖蒲、野芋、千屈菜、風(fēng)車草、蘆葦、美人蕉、睡蓮、荷花等，這些植物既有較強(qiáng)的耐污能力，能夠吸收水體中的部分污染物質(zhì)和N、P等營養(yǎng)元素，又有一定的景觀綠化作用。2.2 人工湖生態(tài)護(hù)岸人工湖生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)原則：（1）采取自然形態(tài)的水岸處理，除了人群集中的地方，盡量避免硬質(zhì)材料結(jié)構(gòu)砌筑的護(hù)岸，布置建筑物時考慮人們的親水設(shè)計(jì)；（2）護(hù)岸的設(shè)計(jì)充分考慮

15、污染物攔截功能，減少入湖的面源污染；（3）進(jìn)行水文分析，確定水位變化范圍，結(jié)合植物調(diào)查結(jié)果，選擇合適的植物；（4）應(yīng)設(shè)置多孔性構(gòu)造，為生物提供生存繁衍的棲息場所；（5）盡量采用自然環(huán)保材料，避免二次環(huán)境污染；（6）護(hù)岸設(shè)計(jì)兼顧防洪、生態(tài)以及景觀三重功能。在進(jìn)行城市湖泊岸堤的生態(tài)恢復(fù)時，需要根據(jù)不同情況采取不同的技術(shù)。對于兼具水利補(bǔ)水功能和景觀功能的白云湖，應(yīng)采取多種人工自然型駁岸，首先用植被型生態(tài)混凝土等生態(tài)材料護(hù)坡，然后在岸邊種植耐澇耐污且具有較好景觀效果的植物。白云湖岸線由環(huán)湖岸線和島嶼岸線組成，其中環(huán)湖岸線總長8668m，島嶼岸線總長6220m。白云湖設(shè)計(jì)水位為0.80m，設(shè)計(jì)高水位1.

16、0m，設(shè)計(jì)低水位-0.20m，湖岸堤頂高程2.50m，設(shè)4.0m寬人行交通道路。湖底高程為-1.50m，湖底分淺水區(qū)和深水區(qū)設(shè)計(jì)。白云湖岸坡建設(shè)以構(gòu)建湖濱帶健康良性生態(tài)系統(tǒng)為目的，采取自然形態(tài)的湖岸處理方式。根據(jù)白云湖規(guī)劃設(shè)計(jì)報告，將白云湖岸線規(guī)劃為植被生態(tài)型岸線、親水休閑型岸線和高硬質(zhì)型岸線等多種類型，湖岸斷面設(shè)計(jì)分為四種結(jié)構(gòu)形式。其中以植被生態(tài)型岸線為主，約占78；親水休閑型岸線主要分布在白云湖的核心景觀節(jié)點(diǎn)和東湖的東北區(qū)域，約占20；還有少量的高硬質(zhì)岸線，主要分布在碼頭岸線處，約占2；島嶼岸線基本按植被生態(tài)型岸線設(shè)計(jì)，幾個大型的島嶼上各設(shè)一個碼頭。2.2.1 湖岸斷面設(shè)計(jì)在白云湖的工程設(shè)

17、計(jì)中，堤岸已經(jīng)按照生態(tài)護(hù)岸的形式設(shè)計(jì)。根據(jù)廣州市北部水系西航道引水首期工程白云湖初步設(shè)計(jì)報告，湖岸斷面設(shè)計(jì)主要分四種結(jié)構(gòu)形式：（1）斷面形式一：該方案用于景觀規(guī)劃的輕植被軟質(zhì)水岸和含濕地植被軟質(zhì)水岸，主要是應(yīng)用于湖堤岸坡和兩鐵路之間的濕地區(qū)域。湖堤頂設(shè)4.0m寬度的環(huán)湖自行車道，頂高程為2.50m，以下迎水面?zhèn)仍O(shè)緩坡種植護(hù)坡地被，并采用1：6緩坡由岸至淺水區(qū)過渡至10.0m寬的過渡平臺，過渡平臺高程0.20m。由過渡平臺采用緩坡連接至深水區(qū)，深水區(qū)底高程為-1.50m。背水坡按1：5放坡，坡腳線為征地紅線，坡腳處布置一條磚砌排水溝。該方案的生態(tài)性較好，淺水至深水逐漸過渡提高工程安全性。（2）斷

18、面形式二：該方案用于景觀規(guī)劃的輕植被軟質(zhì)水岸和含濕地重植被軟質(zhì)水岸，主要應(yīng)用于人工島嶼護(hù)岸及部分湖堤岸坡的區(qū)域。島頂高程為2.50m，島邊坡采用自然緩坡形式，坡度可自然變化。岸邊護(hù)腳采用稍徑不小于80mm、長度為4.0m、間距200mm的松木樁，樁間采用木板隔擋。松木樁以下依次為寬2.0m平臺、1：6緩坡過渡、-1.50m的深水區(qū)。該方案采用木樁和自然緩坡結(jié)合使島嶼更加生態(tài)和富于變化。（3）斷面形式三：該方案用于景觀規(guī)劃的高硬質(zhì)水岸和木料鋪地硬質(zhì)水岸，主要適用于小型游艇碼頭區(qū)域。湖堤頂設(shè)2.50m高程的環(huán)湖自行車路，2.50m高程以下采用1：31：6的緩坡，緩坡下接高度2.50m的M7.5漿砌

19、石擋墻連接。擋墻以下依次為-0.70m淺水區(qū)、過渡緩坡、-1.50m深水區(qū)。M7.5漿砌石擋墻頂高程為0.80m，基礎(chǔ)采用稍徑不小于80mm、長度為4.0m的松木樁，樁間距0.5×0.5.0m梅花形布置。該方案方便水上游樂設(shè)施的停靠，并體現(xiàn)護(hù)岸景觀的變化。 （4）斷面形式四：該方案用于景觀規(guī)劃的親水型水岸，主要適用于親水廣場區(qū)域。湖堤頂與緩坡采用與方案三相同的布置形式。緩坡在1.20m高程處采用砼臺階與高度為1.80m高度的M7.5漿砌石擋墻連接，擋墻以下的布置形式與方案三相同。漿砌石擋墻頂高程為0.0m，基礎(chǔ)處理同方案三。該方案使用低擋墻+入水臺階使碼頭更加親水，滿足人們岸邊戲水需

20、要。在生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)中，除考慮傳統(tǒng)的技術(shù)要求外，還要兼顧生物棲息地的加強(qiáng)和改善等要求，因此要引入一些新的結(jié)構(gòu)型式，以利于植被的生長發(fā)育，如石籠、間插植被的堆石、空心混凝土塊、生態(tài)磚、魚巢磚等。如這些結(jié)構(gòu)直接作用于土坡上，在水流和波浪的沖刷作用下，下墊土層在植被完全發(fā)育之前將會受到嚴(yán)重的侵蝕，從而使防護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響棲息地結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性，不利于生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)。在土工合成材料作為反濾層的生態(tài)護(hù)岸工程中，除了對土工合成材料的保土性、透水性、防淤堵性及強(qiáng)度有所要求外，對土工合成材料的可栽種性也有要求?？稍苑N性指的是相對植物向上生長的可長穿性或植物向下扎根的可植根性。從可栽種性的角度出發(fā)，大孔徑或大網(wǎng)眼

21、的土工材料比較適宜。在生態(tài)護(hù)岸工程中最好使用可被生物分解的土工合成材料層，其分解后可促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成，如黃麻、椰殼纖維、木棉、稻草、亞麻等天然纖維制成的材料。 2.2.2 生態(tài)護(hù)岸技術(shù)（1）植被生態(tài)型護(hù)岸在生態(tài)護(hù)岸工程中，主要措施之一是在湖岸岸坡上合理引入植被，包括草本植物和木本植物等。利用植被加固坡岸，是穩(wěn)定邊坡、控制侵蝕和修復(fù)生境的重要工程手段。植被的作用主要體現(xiàn)在植物根系對坡岸的穩(wěn)定作用、對湖泊坡岸棲息地的改善、減少底棲動物對坡岸的破壞、降低坡岸造價等方面。白云湖護(hù)岸設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)自然景觀和生態(tài)功能，以平緩的植被護(hù)岸形式為主。在湖濱帶的淺水區(qū)和岸坡分層次選擇適當(dāng)?shù)耐λ参?、親水植物以及具有

22、一定耐污能力的水生植物，一方面可以利用植物自身的生物凈化功能起到一定的凈化水質(zhì)作用，另外也可增加湖濱帶景觀效果。植被生態(tài)型岸線包括輕植被軟質(zhì)駁岸和濕地重植被軟質(zhì)駁岸。湖岸構(gòu)建基質(zhì)采用植被型生態(tài)混凝土，植被型生態(tài)混凝土主要由多孔混凝土、保水材料、難溶性肥料和表層土組成。保水材料常用無機(jī)人工土壤、吸水性高分子材料、苔泥炭及其混合物；表層土鋪設(shè)多孔混凝土表面，形成植被發(fā)芽空間，同時提供植被發(fā)芽初期的養(yǎng)分。 （2）自然石護(hù)岸選用天然山石和卵石，不經(jīng)人為加工，石塊與石塊之間的縫隙用碎石和土填充，山石和卵石縫隙栽植植物。山石和卵石的縫隙為水生動物提供了棲息場所，凸現(xiàn)生態(tài)感；并且山石、卵石和栽植的植物具有凈化水質(zhì)作用。在對湖岸進(jìn)行處理時，由內(nèi)及外布設(shè)粒徑逐漸放大的天然石塊護(hù)岸介質(zhì)。臨湖面由粗顆粒組成，孔隙率低，但孔徑大；內(nèi)側(cè)由細(xì)顆粒組成，孔隙率高，但孔徑小。一方面，這種