湖泊人工濕地和生態(tài)護岸設計

1、1 人工濕地設計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，在基質吸附、過濾，植物吸收、固定、轉化、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，有機物和氮磷的去除效率高、

2、出水水質好、運行維護方便、管理簡單、投資小、運行費用低、符合自然界水質凈化和水資源循環(huán)的生態(tài)學規(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，同時也可加強湖泊的景觀效應。人工濕地系統(tǒng)結果圖及效果圖見圖1-1、圖1-2。圖1-1 人工濕地結構示意圖圖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。潛流式人工濕地系統(tǒng)中，水體在濕地床的內部流動，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。但當有機污染負荷較重的情況下，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類型介質為原始土壤或填料介質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、運行費用低投資大，需運行維護1.2 濕地修復區(qū)設計在東西湖之間的連接處按照原規(guī)劃借助自然地理條件結合景觀布設人工濕地，加強對水體的修復，促進生態(tài)系統(tǒng)恢復。人工濕地的設計除了滿足水質凈化的作用

4、，還要兼顧人工湖對河涌的補水功能和景觀效果。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、海口涌、石井河四條河涌合計補水18.3m3/s，按每日補水時間8小時計，人工湖調蓄水量為52.7萬m3，需調蓄水深為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)需要設計的濕地修復區(qū)。其中東湖向滘心涌和?？谟糠謩e補水1.65 m3/s和2.50 m3/s；西湖向石井河和環(huán)滘涌分別補水12.75m3/s和1.40m3/s。當西湖對環(huán)滘涌和石井河補水時，水體必將由東湖流經(jīng)濕地進入西湖區(qū)，如此大流量的水體在流經(jīng)濕地時，相應

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，難以取得預期的處理效果。故在對兩湖間的濕地區(qū)進行布設時主要考慮其補水和景觀功能，在此基礎上，盡可能兼顧其對污染物去除效果和生態(tài)修復作用。因此，在本方案中將東西湖之間的濕地區(qū)設計成更加接近自然景觀的表面流人工濕地系統(tǒng)，在濕地床上鋪設碎石、礫石，并種植具有高效吸收污染物能力的植物，加強對水體的凈化處理。1.2.1 表面流人工濕地平面設計表面流濕地一般長寬比應小于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為梯形結構，上底、下底、高分別為56m、104m和206m；濕地2為近似矩形結構，長、寬分別為93m和68m?？紤]地形和維護等因素，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，以便間歇運行和維護。1.2.2 濕地進出水設計考慮到處理系統(tǒng)的水量很大，在濕地周邊開挖集水溝，水體經(jīng)收集后進入濕地系統(tǒng)。進水裝置是向人工濕地中輸送污水,布水時應盡量均勻，進水方式采取多點布水形式。在濕地維護或閑置期,進水可關閉

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)設計常水位為0.8m，故濕地床基質層厚度為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的重要組分，是人工濕地系統(tǒng)得以正常運行的重要因素之一。選擇種植何種濕地植物也是人工濕地處理系統(tǒng)設計成敗的關鍵。一般人工濕地系統(tǒng)對植物有以下要求：有發(fā)達的根系；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；有較強的輸送氧的能力。一般宜選用具

8、有一定經(jīng)濟價值和景觀效果的本土植物。種植方式視濕地和植物實際情況采用穴植、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、芡實等。它們或具有發(fā)達的地下根莖，或能產生大量的種子果實，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：耐淤能力強，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；屬于種子果實類植物類型，其種子和果實的形成需要大量的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。這類植物適應能力強，根系發(fā)達；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%。在具體布設中綜合考慮水質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)中植物的水質凈化作用。2 生態(tài)護岸傳統(tǒng)的河道、湖泊護岸結構往往只片面的強調河道、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，因此護岸多采用漿砌塊石或混凝土等剛性硬質材料，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)護岸有別于現(xiàn)行的生態(tài)護岸，本方案的生態(tài)護岸除有常規(guī)生態(tài)護岸的功能，還同時具有恢復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、修復近岸水質的功能。生態(tài)護岸技術主要有發(fā)達根系固土植物、土工材料復合種植基、植被型生態(tài)混凝土等。常規(guī)護岸工程技術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)護岸的特點：（1）修復水域生態(tài)系統(tǒng)。以再生多種生物為目的的生態(tài)護岸技術從整個水陸交錯帶的生態(tài)結構入手，充分應用生態(tài)方案學的基本原理，力求修復受到破壞的水域生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)護岸的坡面大都種植護岸植物，經(jīng)過精心挑選的植物既能直接從水中吸收污染物質，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計，可以成

13、為城市一道亮麗的風景線，使白云湖成為良好的休閑娛樂場所。圖1-5 生態(tài)護岸效果圖2.1 引水渠生態(tài)護岸根據(jù)廣州市北部水系建設引水干渠工程設計報告，引水渠道長4.7km，引水渠生態(tài)護岸的設計以“親水”和“生態(tài)”為原則，結合水流特點，將引水渠橫斷面設計為復式斷面，設置兩級或多級平臺；在解決渠道防滲的基礎上，采用生態(tài)型緩坡護岸，坡度節(jié)奏變化，護岸采用土石等天然材料或生態(tài)型材料，并與植物護坡相結合，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)達的樹種等植物，在堤岸底部適當種植沉水植物，以凈化水質和改善濱水生態(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、風車草、蘆葦、美人蕉、睡蓮、荷花等，這些植物既有較強的耐污能力，能夠吸收水體中的部分污染物質和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)護岸人工湖生態(tài)護岸設計原則：（1）采取自然形態(tài)的水岸處理，除了人群集中的地方，盡量避免硬質材料結構砌筑的護岸，布置建筑物時考慮人們的親水設計；（2）護岸的設計充分考慮

15、污染物攔截功能，減少入湖的面源污染；（3）進行水文分析，確定水位變化范圍，結合植物調查結果，選擇合適的植物；（4）應設置多孔性構造，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）護岸設計兼顧防洪、生態(tài)以及景觀三重功能。在進行城市湖泊岸堤的生態(tài)恢復時，需要根據(jù)不同情況采取不同的技術。對于兼具水利補水功能和景觀功能的白云湖，應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。白云湖設計水位為0.80m，設計高水位1.

16、0m，設計低水位-0.20m，湖岸堤頂高程2.50m，設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)設計。白云湖岸坡建設以構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)劃設計報告，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型岸線等多種類型，湖岸斷面設計分為四種結構形式。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)點和東湖的東北區(qū)域，約占20；還有少量的高硬質岸線，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)型岸線設計，幾個大型的島嶼上各設一個碼頭。2.2.1 湖岸斷面設計在白云湖的工程設

17、計中，堤岸已經(jīng)按照生態(tài)護岸的形式設計。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計報告，湖岸斷面設計主要分四種結構形式：（1）斷面形式一：該方案用于景觀規(guī)劃的輕植被軟質水岸和含濕地植被軟質水岸，主要是應用于湖堤岸坡和兩鐵路之間的濕地區(qū)域。湖堤頂設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緩坡種植護坡地被，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)劃的輕植被軟質水岸和含濕地重植被軟質水岸，主要應用于人工島嶼護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)劃的高硬質水岸和木料鋪地硬質水岸，主要適用于小型游艇碼頭區(qū)域。湖堤頂設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施的?？?，并體現(xiàn)護岸景觀的變化。 （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)護岸設計中，除考慮傳統(tǒng)的技術要求外，還要兼顧生物棲息地的加強和改善等要求，因此要引入一些新的結構型式，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。如這些結構直接作用于土坡上，在水流和波浪的沖刷作用下，下墊土層在植被完全發(fā)育之前將會受到嚴重的侵蝕，從而使防護結構失穩(wěn)，影響棲息地結構的相對穩(wěn)定性，不利于生態(tài)系統(tǒng)的修復。在土工合成材料作為反濾層的生態(tài)護岸工程中，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，其分解后可促進腐殖質的形成，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)護岸技術（1）植被生態(tài)型護岸在生態(tài)護岸工程中，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。白云湖護岸設計充分體現(xiàn)自然景觀和生態(tài)功能，以平緩的植被護岸形式為主。在湖濱帶的淺水區(qū)和岸坡分層次選擇適當?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駁岸和濕地重植被軟質駁岸。湖岸構建基質采用植被型生態(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作用。在對湖岸進行處理時，由內及外布設粒徑逐漸放大的天然石塊護岸介質。臨湖面由粗顆粒組成，孔隙率低，但孔徑大；內側由細顆粒組成，孔隙率高，但孔徑小。一方面，這種