自然生态水系景观的实现过程及原理分析

2018-02-27 10:04:54
自然生态水系景观的实现过程及原理分析
 
    一.写在前边——从一个污水处理和人工湿地景观的项目说起

    如何能够达到建设、运行成本低,处理效果好的最佳污水处理组合方式——一直困扰着设计人员,不同的项目具有很大的差异,根据项目的实际情况选择具有低投资、低运行成本、高处理效果,同时具有良好生态环境效果的污水处理方式是每个技术工程师的梦想。

    下面介绍的是我们承担的一个北京军区某部的项目。我们在项目规划设计和实施中尽量选择最佳的配合方式,达到多个方面的最优组合。希望能给大家开拓思路,在适合的项目上使用这样的污水处理方式。

    之所以在这里提起,是因为这个项目已经不是单纯的污水处理项目,可以看作是一个区域水资源的综合规划,它整合了水环境中污水治理、中水回用、湿地水系深度净化、生态湿地景观、湿地调蓄雨洪、生态水利工程等多个方面,系统虽然仍有很多需要改进的方面,但很有参考价值,而且是一个发展方向。

    这个项目通过合理规划营区水环境、有效利用水资源,改善营区水环境和生态环境,为官兵营造自然、舒适、健康、优美的工作、居住、生活空间区域。规划内容是:利用湿地处理区域内每天产生2500m3的污水(绝大部分是生活污水,有一小部分污水来自区域内的洗衣房、食品厂这类的小作坊),通过多级湿地处理技术,使出水水质达到中水回用标准,以处理后的水作为营区内的人工水系水源,并采用生态水质保持技术,维护水系的水质。

    这个项目的组成包括:

    一个10000m2的潜流式芦苇湿地,利用潜流式湿地对污水进行处理,我们称之为一级污水处理湿地;

    这个一级湿地的出水通过管线提升到区域内一个较高的位置(山沟),这个山沟的原本是行洪的通道;

    我们把山沟依据地势做成8级平台,每级平台的面积有2000平米左右,它们构成湿地和湖的人工水系,并且兼具有行洪的功能;

    前4级平台设计成表面流的湿地,进一步去除中水中的n、p等污染物,我们称作二级湿地;

    后4级平台则设计成生态的景观湖;

    从这个湖中的水通过一条人工开挖的小溪蜿蜒流到工作区和生活区,改造原有的渠状排洪沟,使之也具有生态的功能,最终汇入一个开敞的水面。

    之所以称作“生态”的,是由于我们在景观设计中应用了湿地技术作为基础,采用了较多的水生植物水质保持、生态水系形态、比较好的“水系-环境物质交换通道”等设计思想,希望这个水系能够依靠自身的能力维持水系的清洁并且自然发展。这个解决方案对于目前城市水系面临的困境的解决有所启示。

    二、城市水系的困境

    随着社会发展,城市中不断出现越来越多的人工景观湖河,究其原因是人员需要水的特质:

    “能唤起人类天性中所深植之原始根源。”然而这些人工的水系普遍令人感到遗憾——没有清澈见底、没有绿色、没有蜿蜒曲折的水的宜人感受,只有呆板生硬的线条、没有生机的死气沉沉和遇到恶劣天气就会水藻爆发继而水质变臭的烦恼…到了冬天则是裸露着冰冷的石滩或是混凝土的底层。

    这就是城市水系面临的困境。

    这个困境究其根源其实在于沉积多年的固有思想——人们总是试图驾驭水,而不是尊重和善待。

    三、从技术层面将困境的原因——水体富营养化

    如果单纯从技术层面分析,城市河湖等水体恶化的主要原因:除人为向水体排污的原因外,主要是水体的富营养化,即水中的p、n等生物营养物质富集。

    从北京1998年开始出现水体严重的富营养化现象,2000年以来,水体富营养化开始普遍出现,表现为水体中藻类大量生长,水体呈绿色,透明度逐步降低,水质逐渐变坏。主要的河流湖泊爆发严重的水华现象。水华现象产生的原因就是由于水体中n、p等营养成分富集,在夏季强光照射下藻类爆发性生长,水中溶解氧被耗尽,水中各种生物处于缺氧环境而死亡,进一步腐败变质,使水质恶化。

    水体中营养物质的富集通常来自纳污、降雨过程的雨水带入、降雨过程中产生地表径流,使地面污染物排入水体、从河湖构成材料(石材、土壤)中释放等途径。

    根据藻类的经验分子式c106h263o110n16p,我们可以推算出,水体每生成1g藻,需供给0.009g的磷和0.063g的氮。藻类的繁殖量与外界输入的p与n浓度值成正比。

    控制氮供给源,对富营养化水体来说,是非常困难的。从藻类经验公式不难看出,藻类的生产量主要取决于水环境中磷的供应量,当水环境中磷的供应量充足时,藻类可以得到充分增殖,而且当磷的浓度超过藻类的直接需要时,磷便在藻类的细胞中储存起来。

    四、组合拳——挑战困境

    “态度决定一切”

    面对城市水系困境,最好的方式就是尊重水的天性——水系总和周边环境有最密切的联系,我们在建设一个人工水系的时候也要尽可能满足这一点。

    面对水系的富营养化,很难用一种手段有效地而且经济地解决问题,需要用一系列手段——也就是组合拳来控制。城市水系的建设者其实很有必要邀请专业人士来协助。

    需要水系“可持续”的基础当然是需要有一个整体的水系规划,这个规划不仅需要考虑雨洪和景观。大部分的物理、生化、生态的方法都应该纳入规划和设计考虑中,一个合适的组合方式可以得到一个经济而且有效的解决方案。后面介绍一些常见的手段。

    五、景观水体水处理技术介绍

    1.物理方式:

    除了直接引水换掉这个方法,通过强制循环加强水系的流动性是一个有效的途径——流水不腐么,通常保持水系3cm/s的流速就能够抑制藻类的泛滥;但代价是需要比较大的能耗,另外一个圆形的、方形的水系如果需要它循环也很麻烦。

    2.化学方法:投加杀菌灭藻剂

    敞开式的水体,在阳光的照射下,会使水中的藻类大量繁殖,布满整个水面,不仅影响了水体的美观,而且挡住了阳光,致使许多水下的植物无法进行光合作用,释放氧气,使水中的污染物质发生化学变化,导致水质恶化,发出难闻的恶臭,水也变成了黑色。

    投加化学灭藻剂,杀死藻类。不过久而久之,水中会出现耐药的藻类,灭藻剂的效能会逐渐下降,投药的间隔会越来越短,而投加的量会越来越多,灭藻剂的品种也要频繁的更换,对环境的污染也在不断地增加。

    3.微生物方法:投加微生物

    微生物在自然界大量而广泛的存在,是生态系统的重要组成之一。它们能将自然界中的动、植物的尸体及残骸分解,将一些有害的污染物质加以吸收和转化,成为无毒害或毒害较小的物质。

    可以在景观水水质恶化的时候,投加适当的适量的微生物(各类菌种),加速水中污染物的分解,起到水质净化的作用。微生物的繁殖速度惊人,呈几何级增长,每一次繁殖都或多或少的会产生一些变异品种,导致微生物处理水质能力下降,而且很难控制其数量,其生长又受环境的影响很大,例如温度、气压等等。同时微生物的分解物,会造成藻类的大量繁殖,再次导致水质变坏。

    因此用微生物处理水质,必须定期进行微生物的筛选培育、保存、复壮等等一系列专业处理过程,而且不能保证水质状况长期处于良好的状态之中。

    4.生态水系——大型水生植物占优的草型清水状态

    简单地说,生态水处理就是在水域中人为地建立起一个生态系统,无需人类的外在干预,整个生态系统能适应外界环境对它的影响,处在原始的生态平衡状态,和人类共生共存。

    水生植物是这个生态系统的基础。水生植物中沉水和挺水植物的发展抑制浮游藻类,减弱了风浪强度和对湖底的冲刷,增强了水体的污染自净能力,污染物质通过沉积、生物转化、生物产品收获等途径离开水体,水体清澈,这种高度有序状态称为“大型水生植物占优的清水状态”。

    “生态的”,看起来很美,不过这个生态的体系却需要时间来慢慢成长、变得强壮起来,而且还要避免人的打扰。

    5.生态水系中的水生植物

    既然生态水系的基础和核心是水生植物,我们在这里举一些北京地区具体植物的例子,来说明为什么在水系中种植适合的植物可以自动维持水系的清洁,不再单纯依靠循过过滤等物化方法,并且能够循环往复、生生不息。

    北京地区的水生植物分为湿生(池边)植物、挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物五个部分,共有51科、83属、147种水生植物,可供北京地区库滨带、河道、河岸、湿地的生态恢复和水环境治理应用,可以根据河湖水质的成份有针对性地选择种植水生植物。

    1)作用

    水生植物是由生长在水体浅水区和周围滩地上的沉水植物群落、浮叶植物群落、漂浮植物群落、挺水植物群落及