华北地区潜流人工湿地运行方案探讨
０１１年１０月 ２
（）文章编号：１６７２３３１７２０１１０５００８２０５－－－
灌溉排水学报
０卷第５期 第３
华北地区潜流人工湿地运行方案探讨
赵振国，刘丽，徐建新，杨书勤
（）华北水利水电学院，郑州４５００１１
＊
摘 要：通过３年的植物试验、覆盖度试验、水力负荷试验、水力停留时间试验，基于层次分析法确定各水质指标值所占权重，对华北地区潜流人工湿地系统运行方案进行了研究，以期最大限度获得潜流人工湿地生态系统水质净实现湿地生态系统的可持续利用。得出常温运行期、低温运行期和过渡期的较优方案，可供中国北方地区化能力，
潜流人工湿地设计时参考。
关 键 词：潜流人工湿地；运行方案；层次分析法；水力负荷中图分类号：Ｘ１７１ 文献标志码：Ａ
化学和生物的三重作用包括沉淀、吸附、过滤、分解、离子交换、 人工湿地是利用自然生态系统中的物理、
硝化和反硝化、生命代谢活动的转化和细菌、真菌的异化等来实现对污水的净化，因此，人工湿地的净化效果植物品种、水力负荷以及水力停留时间等影响较大。大部分污染物在前三级已经净化完毕，二受环境温度、
级植物碎石床以下芦苇等生长情况明显不及一级植物碎石床，未发挥应有的作用，说明潜流人工湿地具有进一步净化水质的潜力。因此，有关湿地的不同植物综合净化效果、各种湿地运行参数的精确调控和相关的管理等方面有待于进一步探索。根据这些重要的影响因素，结合研究区（官厅水库黑土洼人工湿地）的气候情况，有针对性地开展潜流人工湿地不同植物、不同覆盖度、不同水力负荷以及不同水力停留时间试验，通过不同因素的组合，优选华北地区潜流人工湿地的运行方案，对中国北方地区的湿地运行与管理具有重要的参考价值。
１ 研究区概况
官厅水库黑土洼湿地系统示范工程为中国与德国合作项目，为永定河流域水生态环境综合治理关键技术研究与示范的关键工程之一。该水库入库污染为主要污染源，占入库污水总量的９针对此现状，研究２％，利用生态湿地水质净化技术，在入库口遏制入库污染，以达到改善水库水质、回复其水源地功能的目标。整个湿地系统主要由河流引水口、稳定塘、潜流人工湿地和面流人工湿地组成。整个湿地系统设计处理能力为
３３
／，／。潜流人工湿地深度处理能力为０．４ｍｓ４～０．６ｍｓ
２，潜流人工湿地位于月亮岛南侧水库滩地上，通过围堤与水库隔离，面积７．分为４个区即Ⅰ区、３ｈｍ
其中Ⅳ区为德方设计，其余为中方设计，本研究在中方设计的区域（进Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区）
各湿地单元并联（运行，每个单元里面分别行。每个区内以湿地单元为最小单位，Ⅳ区可并联也可串联）有４～５个梯级的处理池，分别为挺水植物塘、一级植物碎石床、水生生物塘、二级植物碎石床和砂滤池，由管道或布水暗渠统一布水，经湿地单元处理后由埋于围堤底部的暗管外排，并利用堤外滩地形成退水塘，湿地出水经退水塘入库。人工湿地平面布置见图１，中方潜流人工湿地典型单元纵剖面图见图２。
２０１１０８１５＊收稿日期：－－
）基金项目：中国水利水电科学研究院开放基金（ＩＷＨＲＫＦ２０１０１３
，作者简介：赵振国（男，辽宁辽阳人。讲师，博士研究生，主要从事灌区水资源与水环境方面的研究。１９７８－）
８２
图１
人工湿地平面布置
图２ 中方潜流人工湿地典型单元纵剖面
２ 试验设计
采用室外试验在真实的自然环境中进行，尽可能保证同一边界条件，试验设计如下。
植物试验：通过２人工潜流湿地已形成比较稳定的生物群落，需要调整的００４－２００７年将近４年的运行，原因是浮水植物生长于南方，对于北方气候的适应性需要进一步研究。设计在只是水生生物塘的浮水植物，
、、大薸、水鳖，种植覆盖度１水力负荷均采取现有３Ｂ３Ｃ３种植水葫芦、００％，Ⅰ区的水生生物塘Ⅰ－Ａ－Ⅰ－－Ⅰ－－的经验水力负荷调控方法，经验水力负荷调控方法是将近４年运行过程中摸索的初步规律，即４—５月植物／水力负荷控制在０．生长初期，３ｍｄ左右，６—１０月根据水量情况可调高水力负荷，１１月至次年４月适当调低水力负荷。
覆盖度试验：水生生物塘在湿地整个系统中的作用是水体净化和复氧，复氧作用与植物的覆盖程度相、、关，所以设计同一植物不同覆盖度净化效果对比试验是必要的。设计在Ⅱ区的水生生物塘Ⅱ３Ｂ３－Ａ－Ⅱ－－Ⅱ－
、、大薸、水鳖，种植覆盖度按各种植物生长最Ｃ３和Ⅲ区的水生生物塘Ⅲ－Ａ３Ｂ３Ｃ３依次种植水葫芦、－－Ⅲ－－Ⅲ－－此方面研究没有人做过，选择８佳的覆盖度８０％、６０％投放（０％、６０％是综合考虑各方面因素。覆盖度降低复氧能力就增强很多；但是覆盖度也不能下降太少，否则由于植物的生长状况有差异，使比较也失一部分后，
。在运行过程中，去意义）根据植物的生长状况，每月末进行清理，保持覆盖度为８水力负荷的调０％、６０％，控均采取现有的经验水力负荷调控方法。
水力负荷试验：在湿地工程已经建成的情况下，水力负荷只与进水流量有关，因此，调节水力负荷就是调、、大薸、水节人工湿地各区的进水流量。设计在Ⅰ区的水生生物塘Ⅰ－Ｅ３Ｆ３３依次种植水葫芦、－Ⅰ－－Ⅰ－Ｇ－
鳖，覆盖度为１水力负荷调节采取与经验调控方法不同的水力负荷。００％，
水力停留时间试验：在水力负荷一定的情况下，调节水力停留时间的方法是调节水深。水深的确定总体也便于打捞）水位低一些，营养生长期和生殖生长期水位高一些。设计在水原则是植物生长初期和衰落期（
８３
、、生生物塘Ⅰ－Ｄ大薸、水鳖，覆盖度为１每月调节２个不同的水深，相３３３依次种植水葫芦、００％，－Ⅱ－Ｄ－Ⅲ－Ｄ－
同时段水深相同。
３ 结果与分析
３．１ 备选方案的生成
基于前期实测的湿地系统运行效果，将时段划分为：３月１５日—６月１日为湿地系统从低温运行至常温运行的过渡期，６月１日—１０月１５日为常温运行期，１０月１５日—３月１５日为低温运行期。这样，影响方案的因素有：①不同水生植物；②水生植物覆盖度；③不同水力负荷即不同流量；④不同水力停留时间即不同水深；⑤不同时段：过渡期、常温运行期和低温运行期。
、不同覆水葫芦、大薸、水鳖） 根据不同植物（
、不同水力负荷（盖度（１００％、６０％、８０％）０．００２、
表１ 常温运行期方案组合
植物
－１）（流量／Ｌ·ｓ
水深／ｍ１．７ １．７ １．５５ １．７ １．５５ １．７ １．５５ １．７ １．７ １．５５ １．７ １．７ １．５５
覆盖度／％１００ １００ １００ ６０ ６０ ８０ ８０ １００ ８０ ６０ １００ ８０ ６０
备选方案编号
１２３４５６７８９１０１１１２１３
３ ４ ６
水葫芦
４ ６ ４ ６ ５
大 薸
７ １０ ６
水 鳖
７ １０
３
／）、、不同水力停留时间（即不同水深：不同时段（过渡期、常温０．００４、０．００、０．００７、０．０１０ｍｓ１．５５、１．７、２ｍ）
运行期和低温运行期）的组合，生成不同组合方案，并用以确定较优运行方案。可生成常温运行期不同的组
合方案如表１所示。
不考虑植物和覆盖度的因素，由此可得过渡期和低温运行 过渡期和低温运行期由于植物没有完全生长，期不同的方案组合见表２所示。
表２ 过渡期和低温运行期方案组合
时间段
－１）（流量／Ｌ·ｓ
３．２ 确定各水质指标值所占权重
潜流人工湿地运行受自然和人为因素的影响，是复杂的模糊问题，没有可借鉴的研究成果。为了反映人工湿地的基本功能定位，方案选择选取湿地各类污染物综合去除率最大为目标。
ｎ
水深／ｍ２ １．７ １．７ ２ １．７ １．７ １．７
备选方案编号
１４１５１６１７１８１９２０
８
低温
运行期
１２ １９ １３ １５
过渡期
１９ １０
ｍａｘｘ）＝ ｆ（
ｉ＝１
ｂ·ｘ
ｉ
ｉｊ
（）１
式中：ｘｉｊ为第ｉ类水质指标在第ｊ套方案中的去除率
（；由层次分析法确定。％）ｂｉ类水质指标的权重，ｉ为第
）式（中各方案水质指标去除率由试验已经确定，因此各水质指标权重的确定是关键问题。测试指标主１
＋－
、要选取了Ｂ有机磷）各指标值所占权重采用层次分ＯＤＮＨ４－Ｎ、ＮＯＴＮ、ｏｒｔｈＰ（ＴＰ和ＣＯＤＭｎ值，－５、３－Ｎ、
析法（进行计算。ＡＨＰ）
从心理学观点来看，分级太多会超越人们的判断能力，既增加判断的难度，又容易因此而提供虚假数据。结果也表明，采用１－９标度最为合适。Ｓａａｔｙ等人用试验方法比较了在各种不同标度下判断结果的正确性，
［］６７－
。应用最广泛的１－９评分法则见表３
表３ 各指标评价分值
甲与乙对比甲评价值
极重要９
很重要７
重要５
略重要３
相等１
略不重要／１３
不重要／１５
很不重要／１７
极不重要／１９
请从事人工湿地研究的专家或运行管理人员对各个水质指标的重要性进行 采用最广泛的１－９评分法，
两两比较评分，写成矩阵形式即判断矩阵。调查共邀请专家７名，其中从事人工湿地研究的专家５名，运行管理人员２名，得出判断矩阵如表４所示。
［＋－７］
得出ＢＯＤＮＨ４－Ｎ、ＮＯＴＮ、ｏｒｔｈＰ、ＴＰ和ＣＯＤＭｎ权重值为０．０２、 采用和积法进行计算，－５、３－Ｎ、
０．３３、０．０３、０．１３、０．０３、０．１３、０．３３。
而这２个指标为国家现有水质监控主要指标，反映了专家对于国家现有ＣＯＤＭｎ权重值最大， ＮＨ４－Ｎ、
水质监控主要指标的侧重，而这２个指标为国家未来纳入水质监控指标，反映了专ＴＮ、ＴＰ权重值也较大，
＋
８４
家对于国家未来纳入水质监控指标的关注。
满足一致性要求。ＣＲ＝０．０８６＜０．１０，
表４ 判断矩阵
指标ＢＯＤ５
＋
－ＮＮＨ４ －
ＮＯ ３－Ｎ
ＢＯＤ５
１ ９ ３ ７ ３ ７ ９
＋
ＮＨ４－Ｎ －
ＮＯ ３－ＮＴＮ ／１７ ５ ／１７ １ ／１７ １ ５
ｏｒｔｈＰ－ ／１３ ９ １ ７ １ ７ ９
ＴＰ ／１７ ５ ／１７ １ ／１７ １ ５
ＣＯＤＭｎ／１９１／１９／１５／１９／１５１
／１９ １ ／１９ ／１５ ／１９ ／１５ １
／１３ ９ １ ７ １ ７ ９
ＴＮ ｏｒｔｈＰ－ ＴＰ ＣＯＤＭｎ
３．３ 运行方案选择
常温运行期各组合方案综合去除率与指标权重之积见表５，其中方案５和方案１３数据中存在突变数与长系列数据明显不一致，首先排除这２个方案。据，
表５ 常温运行期各组合方案综合去除率与指标权重之积
备选方案编号
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ １３
ＢＯＤ５１．２８ １．５ １．７７ １．２３ １．７８１．２０ １．８０ １．４５ １．４８ １．６４ １．１１１．２２ １．６７
＋
ＮＨ４－Ｎ
－
ＮＯ ３－Ｎ
ＴＮ ８．５２８．７１１．２０ １．３６４．６２ ６．０９１０．８９ ６．４５９．４６４．６２ ０．５５７．８４９．３２
ｏｒｔｈＰ－ －１２．５５－４．２ ０．８８ －１６．７６０．４９－１０．７６ ０．８８ －９．５３ －２．０７ ０．３１ －１７．１２－５．５３１．２３
ＴＰ －８．５０ ０．６６３．０１ －０．７８－１８８．５９ ３．５９ １０．２８ ４．７１ ３．９７ ２．４５ －１．２３－１２．５６ ４．１４
ＣＯＤＭｎ０．９２ －０．３１ １１．４６ －６．２４４．２４７．８５ ３．７８ ６．３３ ３．１５ ６．８７ －２．６５２．２３ ３．４４
ｘ）ｆ（
９．９８２２．４７５４．６９－２１．０１－１９２．２６１４．３８３１．８２１５．２１３７．１５３５．０５－３３．９５．９－２１３．０６
１７．４７ ２０．４７２３．５７ ０．１８ －１６．５０ ４．０８ １．４３ ４．９７ １９．６３ １８．８６ －１１．８９１３．３７－２３５．７１
２．８４ －４．３５ ２．８０ ０．００ １．７０ ２．３３ ２．７６ ０．８３ １．５３ ０．３０ －２．６７ －０．６７ ２．８５
）。下面给出３年数据最大值、最小值与均值的最大偏差（表６ 因为表５中数据为３年去除率平均值，
表６ 常温运行期各组合方案去除率偏差
备选方案编号
１２３４５６７８９１０１１１２１３
ＢＯＤ５＋５％～－３％＋４％～－２％＋４％～－３％＋６％～－３％＋５％～－３％＋５％～－５％＋５％～－５％＋６％～－２％＋２％～－３％＋２％～－１％＋７％～－３％＋３％～－２％＋５％～－５％
＋
ＮＨ４－Ｎ
－
ＮＯ ３－Ｎ
ＴＮ ＋１％～－８％＋１％～－９％＋１％～－２％＋５％～－８％＋３％～－８％＋６％～－８％＋６％～－８％＋３％～－４％＋２％～－２％＋２％～－１％＋５％～－６％＋６％～－４％＋７％～－８％
ｏｒｔｈＰ－ ＋２％～－８％＋７％～－８％＋２％～－２％＋４％～－８％＋２％～－８％＋６％～－９％＋６％～－９％＋３％～－９％＋３％～－２％＋３％～－１％＋３％～－８％＋２％～－３％＋７％～－９％
ＴＰ ＋６％～－８％＋６％～－８％＋３％～－８％＋８％～－８％＋５０％～－４５％＋４％～－５％＋４％～－５％＋３％～－５％＋３％～－６％＋２％～－３％＋４％～－８％＋３％～－３％＋９％～－９％
ＣＯＤＭｎ＋７％～－７％＋８％～－７％＋３％～－５％＋９％～－７％＋６％～－７％＋７％～－７％＋７％～－７％＋４％～－９％＋３％～－３％＋２％～－３％＋６％～－７％＋４％～－７％＋９％～－７％
＋２％～－６％＋３％～－６％＋２％～－６％＋２％～－８％＋２％～－７％＋３％～－７％＋３％～－７％＋４％～－５％＋２％～－３％＋２％～－１％＋７％～－８％＋４％～－４％＋６４％～－７１％
＋８％～－３％＋７％～－３％＋５％～－３％＋９％～－３％＋４％～－３％＋４％～－６％＋４％～－６％＋５％～－６％＋３％～－３％＋３％～－４％＋５％～－３％＋４％～－３％＋８％～－８％
＋
考虑表５中ｆ（数值较大者并考虑表６中各方案的ＣＯＤＭｎ、ＴＮ、ＴＰ作为主要比较因素，ｘ） 将ＮＨ４－Ｎ、
偏差，可以看出水葫芦所在单元方案３的ｆ（最大，且数据偏差较小，所以方案３为水葫芦所在单元较优方ｘ）案，大薸所在单元的方案９和方案１值相近，偏差方面方案１因此方案１０的ｆ（ｘ）０较小，０为大薸所在单元
８５
的较优方案。常温运行期较优运行方案见表７。
表７ 常温运行期较优运行方案
植物水葫芦大 薸水 鳖
－１）（流量／Ｌ·ｓ
水深／ｍ１．５５ １．５５ １．７
覆盖度／％１００ ６０ ８０
备选方案编号
３１０１２
水鳖在Ⅰ－Ｇ的较优运行方案为覆盖度
３／。但从试验水深１．流量０．８０％，７ｍ，００７ｍｓ观测来看，水鳖与水葫芦、大薸相比，不太适应华因此不建议种植。所以较优方案为北地区气候，方案３和方案１０。
表８ 过渡期和低温运行期较优方案
时间段低温运行期过渡期
－１）（流量／Ｌ·ｓ
６ １０ ７
同理可得出过渡期和低温运行期较优方案见表８。
４ 结 论
）常温运行期水生生物塘选择种植水葫芦和大薸，１
３３／／，流量分别为０水深均为．００６ｍｓ和０．０１ｍｓ１．５５ｍ。低温运行期和过渡期较优方案水深均为１．流量为７ｍ，
水深／ｍ１．７ １．７
备选方案编号
１６１８
１９ １５
３３
／／。低温期所选方案的流量是常温运行期的２～３倍，使水泵提水量要增加２～３０．０１９ｍｓ和０．０１５ｍｓ
倍，证明了冬季加大流量的可行性。３２
）／（·ｄ），常温运行期较优方案的流量对应的水力负荷为０．可供北方地区潜流人工湿２５８～０．３４８ｍｍ地设计时参考。
）现有研究只能选择湿地运行的较优方案，如果选择优化运行方案，需要建立以污染物去除量最大为目３标，水力负荷、水力停留时间等因素为约束条件的优化模型进行研究。
致谢：研究生崔栋、相杨做了大量的试验工作，在数据处理上给与了协助，在此表示感谢。
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ＯｅｒａｔｉｏｎＳｃｈｅｍｅｏｆＳｕｂｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄＷｅｔｌａｎｄｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａ ｐ
，，，ｕｏｉｎＺＨＡＯＺｈｅｎＬＩＵＬｉＸＵＪｉａｎｘｉｎＹＡＮＧＳｈｕ －ｇ － －ｑ
（，）ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＺｈｅｎｚｈｏｕ４５００１１，Ｃｈｉｎａ ｙｇ
：Ａ，，Ａｂｓｔｒａｃｔｃｃｏｒｄｉｎｔｏｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｔｈｒｅｅａｂｏｕｔｃｏｖｅｒａｅｏｆｈｄｒａｕｌｉｃｌｏａｄａｎｄｅａｒｓｌａｎｔｌａｎｔ ｇｐｇｙｙｐｐ
，ｈｄｒａｕｌｉｃｒｅｔｅｎｔｉｏｎｔｉｍｅｂａｓｅｄｏｎＡＨＰｔｏｃｏｎｆｉｒｍｔｈｅｗｅｉｈｔｏｆｅａｃｈｗａｔｅｒｉｎｄｅｘ，ｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｕａｌｉｔ ｙｇｑｙ ｏｅｒａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｓｓｔｅｍｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａ．Ｅｘｅｃｔｔｏｔｈｅｅｔ ｐｙｐｇｍａｘｉｍｕｍ ｗａｔｅｒｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｅｃｏｓｓｔｅｍａｎｄｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｓｕｓｔａｉｎ －ｐｙ
，ａｂｌｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．ＴｈｅｏｅｒａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｅｒｉｏｄｔｈｅＲｏｏｍｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｅｒｉｏｄａｎｄｔｈｅＬｏｗ － －ｐｐｐｐｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｅｒｉｏｄｃａｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｄｅｓｉｎｉｎｔｈｅｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｓｓｔｅｍｉｎＮｏｒｔｈ ｐｐｇｇｙ Ｃｈｉｎａ．
：；；ＡＨＰ；Ｋｅｗｏｒｄｓｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｏｅｒａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｈｄｒａｕｌｉｃｌｏａｄ ｐｙｙ
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