0 前言

人工濕地是通過模擬自然濕地而人為設計和建造的具有可控性和工程化特點的水處理系統。人工濕地利用系統中的物理、化學和生物的三重協同作用來實現水質凈化作用，是實現雨水調蓄、雨水徑流處理、尾水生態凈化和地表水質改善的重要技術手段。

1 目標功能

人工濕地主要有以下功能：1.雨水徑流調蓄；2.削減面源污染，改善水環境質量；3.改善局部微觀氣候；4.美化景觀，為市民提供休憩娛樂和科普教育的場所。從更好地發揮濕地系統多重功能、降低造價等方面考慮，海綿城市建設中應優先采用表面流人工濕地。

2 適用條件

在下列幾種情況下，可優先采用表面流人工濕地技術：

（1）現有公園毗鄰河道，將公園內的濕塘改造為表面流人工濕地，發揮其改善水環境質量的功能；

（2）將居住小區內水景或公共廣場的硬質鋪裝改造為表面流人工濕地，發揮其徑流調蓄和水質凈化功能；

（3）將交通基礎設施建設遺留的取土坑改造為表面流人工濕地，發揮其重交通徑流污染處理和生態修復的功能。

3 設計計算

3.1 設計原理

表面流人工濕地一般由進水區、處理區、出水區以及溢洪道組成。進水區包括沉淀池及其附屬設施，用于去除雨水入流中的（通常為直徑不小于125μm）泥砂顆粒，減輕固體顆粒對濕地處理區內植物處理效果的抑制；處理區內生長的植物可以去除細顆粒和溶解性污染物。溢洪道的作用是保護處理區域，當面對超標準降雨事件時及時分流過量雨水徑流，使濕地處理區內植物免受沖刷破壞。

表面流人工濕地示意圖及構造如圖1-3-1、1-3-2：

圖3-1 表面流人工濕地示意圖

圖3-2 表面流人工濕地構造圖

3.2 設計流程

表面流人工濕地設計的主要設計內容及步驟如下：

3.3 設計流量

根據城市暴雨強度公式（式3-1），在給定重現期及降雨歷時情況下計算設計流量。

 

式中i—暴雨強度（mm/min）；

TM—降雨重現期（a）；

t—降雨歷時（min）。

集水區綜合雨量徑流系數的計算按各地塊滲透性質進行面積加權，具體參照表3-1。

表3-1 徑流系數

設計流量按式3-2計算，將各自重現期下暴雨強度分別帶入即可。

Q=α·i·A/60×10-3 （3-2）

式中Q—設計流量（m3/s）;

α—綜合徑流系數;

i—暴雨強度（mm/min）；

A—集水區總面積（m2）。

設計流量包括一般降雨事件徑流量Q1和極端降雨事件徑流量Q2。一般降雨事件徑流量用于進水區設計，降雨重現期P一般取5~10年，降雨歷時根據實際情況確定；極端降雨事件徑流量指超過濕地系統處理能力的流量，用于溢洪道的設計，降雨重現期P一般取100年，降雨歷時根據實際情況確定。

3.4 進水區設計

進水區設計包括沉淀池尺寸確定及校核、沉淀池入口設計、沉淀池出口設計、植物選配。其中，沉淀池出口設計包括沉淀池至濕地處理區出口設計和沉淀池至溢洪道出口設計。

進水區主要結構如圖3-3：

圖3-3 進水區示意圖

3.4.1 沉淀池尺寸確定

沉淀池面積根據式3-3確定。

式中R—目標沉淀物去除效率（以小數計）；

vs—目標沉淀物沉降速度（mm/s）；

Q1—一般降雨事件徑流量（m3/s）；

A—沉淀池表面面積（m2）；

n—湍流系數；

de—最大滯留深度（m）；

dp—沉淀區深度（m），一般取2m；

d*—dp和1m中取最小值（m）。

在實際設計過程中，根據場地實際情況，對計算結果進行適當優化調整。

湍流系數與沉淀池水力效率λ有關,n=1/(1-λ)。水力效率與沉淀池的長寬比、出入口位置等有關，增大水力效率的途徑包括提高長寬比、多點進水等。沉淀池水力效率應不小于0.5，為此沉淀池長寬比應不小于3:1。圖3-4是常見沉淀池結構下水力效率λ取值：

圖3-4 常見沉淀池結構水力效率λ取值

理想狀況下不同粒徑沉淀物沉降速度見下表：

目標沉淀物顆粒直徑一般取125μm。

由于沉淀池具有一定高度的水深，設計需要充分考慮公共安全以及與周圍的景觀融合，需要對沉淀池的邊坡進行設計，具體邊坡類型有兩種，如圖3-5、3-6所示：

圖3-5 沉淀池邊坡設計（緩坡）

圖3-6 沉淀池邊坡設計（陡坡）

緩坡設計邊坡坡度小，一般取1:8-1:10，長度一般取2.4-3m。坡上可以放置圓石及原木、種植挺水植物以營造自然景觀。緩坡設計安全性高、觀賞性好，但占地面積稍大；陡坡設計中沉淀池池壁垂直，通過欄桿與外界隔開。陡坡占地面積小，景觀效果稍差。

沉淀池池底一般選擇硬質石塊，一方面其可以抑制沉淀池內植物的生長，還可以起到沉淀池清理時的指示作用。

3.4.2 沉淀池入口設計

雨水徑流經雨水管道或是地表排水系統直接進入沉淀池，為避免可能存在的雨水徑流對沉淀池入口處的局部沖刷情況，須在入口處設置消能裝置（如在入口處放置礫石）。由于城市雨水徑流中往往含有部分生活垃圾（塑料制品、枯枝落葉等），入口處須設置垃圾攔截裝置（格柵）并定期清理。圖3-7為沉淀池入口設計示意圖：

圖3-7 沉淀池入口設計示意圖

3.4.3 沉淀池出口設計

沉淀池出口設計（至濕地處理區）

至濕地處理區的出口通常由一個溢流井構成。溢流井尺寸應根據兩種工況條件進行設計（堰流條件、淹沒條件）。

（1）堰流條件

流量較小時，溢流井周長P采取式3-4進行計算。

 

式中P—溢流井周長（m）；

B—阻塞因數（0.5）；

h—堰上水深（m），一般取0.05m；

Qdes—一般降雨事件徑流量（m3/s）；

Cw—堰流系數（1.66）。

（2）淹沒條件

當流量繼續增大，水流淹沒溢流井，溢流井表面積采取式3-5進行計算。

 

式中A0—溢流井面積（m2）；

Qdes—流量（m3/s）；

B—阻塞因數（0.5）；

h—水面高出溢流井坑頂高度（m）,一般取0.3m；

Cd—流量系數（0.6）。

排水管負責連接進水區與濕地處理區，一般采用混凝土管。

a.當排水管出口設計在濕地處理區水面以下時，為淹沒出流，排水管工作時管內流速采取式3-6進行計算。

 

式中h—排水管進出水口高度差（m，）；

v—管內流速（m/s）；

g—重力加速度（9.79m/s2）；

排水管進出水口高度差h等于進水區至溢洪道出口高度減去濕地處理區正常水面高度，根據管內正常流速v及一般降雨事件徑流量Q1即可求得排水管管徑。

b．當排水管出口設計在濕地處理區水面以上時，為自由出流，排水管斷面面積采取式3-5進行計算。

沉淀池出口設計（至溢洪道）

沉淀池至溢洪道出口一般采取溢流堰，只需采用堰流工況進行設計，溢流堰周長P采取式（3-4）進行計算，其中，流量Qdes取極端降雨事件徑流量Q2，阻塞因數B取1。溢流堰頂高度須根據濕地處理區最大調蓄水深（詳見3.5.3濕地水深設計）確定。

3.4.4 植物選擇

沉淀池中植物的作用是保護沉淀池邊坡免收水流沖刷、保證公共安全以及營造景觀效果。沉淀區植物一般種植在沉淀池淺水區域以及邊坡上，應保證其不擴散至沉淀池中心區域。植物類型一般選取挺水植物。

3.5 濕地處理區設計

3.5.1 濕地面積確定

對于表面流人工濕地，濕地處理區面積可采用匯水區面積百分比法（WWAR）確定，在給定設計進出水水質的基礎上，根據各污染物目標去除率，按表3-3可查得植草溝與集水區面積比R，一般取0.5％~5％。

濕地處理區面積可由式3-7計算：

a=Rx×A (3-7)

式中a—濕地處理區面積，m2；

Rx—控制性目標污染物去除率所對應的R值，%；

A—集水區面積，m2。

3.5.2 濕地長寬比及水力效率λ

為避免濕地處理區內發生短流現象，提高處理效果，濕地處理區長寬比一般不小于5:1。處理區水力狀況用水力效率λ表示，不同處理區構造下λ的取值參照圖3-4，濕地處理區水力效率λ應不小于0.5，以大于0.7為宜。

3.5.3 濕地水深設計

濕地水深包括正常水深和調蓄水深。

（1）正常水深

根據水深及植物種類不同，濕地處理區被分為四個沼澤區，另外還包括自由水面區。如圖2-2所，四個沼澤區分別為：矮生植物區，淺沼澤區，沼澤區，深沼澤區。不同區域深度范圍見表3-4：

濕地處理區內不同沼澤類型比例取決于濕地所要去除的主要污染物種類。當濕地以除磷為主要目標時，矮生植物植物區占比高；當濕地主要目標為脫氮時，須設置較多沼澤區和深沼澤區。

（2）調蓄水深

調蓄水深應按照“容積法”確定的濕地調蓄容積，結合濕地面積進行計算。

V= 10HφF （3-8）

式中：V——儲存容積，m3；

H——給定年徑流總量控制率下的設計降雨量（昆山），mm；

φ——綜合雨量徑流系數，可參照表3-1 進行加權平均計算；

F——匯水面積，hm2。

濕地調蓄容積確定后，結合3.5.1中確定的濕地面積即可求得濕地調蓄水深。濕地調蓄水深不應超過0.75m，以0.5m為宜。調蓄水深計算結果超過0.75m時，應進一步優化濕地面積、調蓄容積等設計參數。

3.5.4 濕地水力停留時間

表面流人工濕地水力停留時間一般取72h。水力停留時間應作為濕地出水口設計的參數依據。

3.5.5 濕地植物選擇

在選擇人工濕地植物時盡量選擇本土植物，以免引發生物安全性問題，同時應遵循以下原則：

1.優先選擇吸收能力強、耐受水位變化的植物；

2.優先選擇根系發達、莖葉繁茂、生物量大的植物；

3.優先選擇有經濟價值且具有觀賞性的植物；

4.優先選擇抗逆性強的植物，這類植物可以抵抗病蟲害和氣溫變化等；

5.合理搭配不同種類植物，多物種的生態系統比單一物種的生態系統要穩定；

6.植被應當在兩年后達到70%-80%的覆蓋率。

3.5.6 濕地邊坡設計

濕地邊坡設計可參考沉淀池邊坡設計（3.4.1）。

3.5.7 濕地出水口設計

濕地出水口設計示意圖如圖3-8：

圖3-8 濕地出水口設計示意圖

濕地出水經進水管流入出水池，通過出水池中豎管出口進入排水管。豎管出口可以保證濕地內穩定的停留時間，為防止漂浮垃圾堵塞豎管孔口，豎管外須設置垃圾攔截裝置。出水口設計還包括放空管設計，放空管設置在處理區域的底部，在濕地維護時將濕地中的水放空，放空管入口須設置攔截裝置。放空管通過一個手動閥門連接至處理區域的出水口。人工濕地內的水必須在12小時內從放空管中排出。

濕地處理區出水最大流量Qmax可以通過式3-9計算。

 

式中V—濕地最大調蓄體積（m⊃3;，濕地表面積與最大調蓄水深乘積）；

t—水力停留時間（s）。

排水管豎管孔口的面積A0可以通過式3-10計算，為保證排水管起到穩定濕地停留時間的作用，豎管孔口需分層布置，最下層孔口底部應與濕地處理區正常水位平齊。每層豎管孔口面積采用式3-10計算。

 

式中A0—孔口面積（m2）；

h—孔口中心距離水面距離（m）；

Q—給定h時為達到設計水力停留時間所需流量（m⊃3;/s）；

g—重力加速度（㎡/s）；

Cd—孔口流量系數（0.6）。

放空管一般采用混凝土管，管徑可采用曼寧公式進行計算，設計流量采用放空管12小時排出濕地處理區內水的平均流量。

 

式中Q—放空流量（m⊃3;/s）；

A—放空管橫截面積（m2）；

R—水力半徑（m）；

S—坡度（一般取0.5%）；

n—糙率（取0.012）。

濕地出水排水管一般采用混凝土管，同樣采用曼寧公式進行計算，設計流量取濕地出水最大流量與放空管流量中的最大值。

3.6 溢洪道設計

溢洪道的作用是從進水區域接受雨水強度大于設計流量時的雨水，水在溢洪道內流動為明渠流。溢洪道的尺寸可使用曼寧公式計算，設計流量采用極端降雨事件徑流量Q2。

溢洪道需要注意防侵蝕，須采取消能措施。

3.7 設計校核

濕地運行時，若通過濕地處理區斷面的水流平均流速過快，會導致植物區內生長的生物膜脫落，影響濕地處理效果。為此，濕地設計參數確定后應對其進行水力校核：

 

式中Qmax——人工濕地可通過的最大流量（m⊃3;/s）；

A——濕地最小橫截面積（㎡）。

4 施工圖要求

4.1施工設計說明編制要點

①表面流人工濕地方案的設計計算書，主要包括按照水文和水質目標計算表面流人工濕地的進水區、濕地處理區、溢洪道、邊坡、進出水口設計計算等。

②表面流人工濕地排水管、放空管材質、強度等技術參數。

③進水區沉淀池硬質基礎所選材料的材質、強度等技術參數。

④表面流人工濕地種植植物的配置要求。

⑤表面流人工濕地施工工藝要求，主要包括管道安裝、進出水口結構及布置、植物栽植等。

⑥表面流人工濕地維護管理要求，主要包括植物管養、沉淀池清理、濕地處理區清理和進出水口清理等。

4.2施工圖圖紙要求

4.2.1 表面流人工濕地斷面布置圖

①表面流人工濕地在匯水區橫斷面上的位置。

②表面流人工濕地的出水與市政雨水管渠或周邊水系的關系。

③表面流人工濕地進水區進水口和溢流井（口）標高、濕地處理區進水區和出水管口標高。

4.2.2 表面流人工濕地平面布置圖（可在管線綜合圖上標注）

①表面流人工濕地的平面位置。

②表面流人工濕地進水區、濕地處理區、溢洪道位置。

③排水管的布置、管道連接走向等。

4.2.3 表面流人工濕地橫斷面圖

①沉淀池入水口和底部標高。

②濕地處理區入水口和底部標高。

③沉淀池、濕地處理區邊坡樣式。

④沉淀池雨水調蓄高度和溢流口（至濕地）標高。

⑤沉淀池雨水調蓄高度和溢流口（至溢洪道）標高。

⑥濕地處理區雨水調蓄高度和濕地出水口標高。

⑦溢洪道斷面圖。

⑧不同沼澤區濕地斷面圖。

4.2.4 表面流人工濕地排水管大樣圖

①排水管連接俯視圖。

②放空管位置、管徑、連接方式。

4.2.5 表面流人工濕地進水區大樣圖

①進水口的俯視圖。

②橫剖面圖和縱剖面圖。

③消能系統布置圖。

4.2.6 沉淀池出口（至濕地處理區）大樣圖

①溢流井（口）的俯視圖和剖面圖。

②溢流井（口）的管道連接圖。

4.2.7 沉淀池出口（至溢洪道）大樣圖

①溢流井（口）的俯視圖和剖面圖。

②溢流井（口）的管道連接圖。

4.2.8濕地出水口大樣圖

①出水口的俯視圖。

②橫剖面圖和縱剖面圖。

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