1、湿地及其在高科技园区中营造 通过分析湿地生态系统的概念和能够为人们提供的服务，总结了人工湿地的特点和应用，提出湿地生态系统建造的意义。以北京中关村生命高科技园区规划为例介绍了湿地生态系统在高科技园区规划中的应用，计算了园区的平均水量平衡。分析表明，建立湿地生态系统不仅可以带来显著的生态效益和经济效益，同时还能够大大节约使用水资源。（本规划在中关村生命科学园国际公开竞标中获第一名并中标，主持设计单位北京土人景观规划设计研究所，首席设计师俞孔坚，主要设计人员张东，李向华，吴本，胡丽娟，高音，赵永侨，陶相勇）前言中关村生命科学园为中关村科技园区的重要项目，位于北京西北郊，一期工程占地 130 多公顷
2、。国务院和北京市人民政府有志于将其建设成国际一流的、具有 21 世纪时代特色的高科技园。为了提出能够实现这一目标和满足高科技园区创新网络环境要求的规划方案，经过深入研究探讨，将湿地概念引入规划，不仅对于提高规划质量和个性，而且对于改善中关村高科技园区的总体环境质量都有一定的价值。湿地是一种自然景观，一个自然综合体，是地球上具有重要环境功能的生态系统和多种生物的栖息地和孳生地，也是若干原材料和能源的地矿资源。据有关资料，全世界共有湿地 8.5 亿 hm2，占陆地总面积的 6.4%，我国大约有湿地 0.63 亿 hm2，天然湿地 0.25 亿 hm2，人工湿地 0.38 亿 hm2(王瑞山、杨桂谦
3、，2000)。北京分布着大小河流 200 多条，分属于海河流域的大清河、永定河、北运河、潮白河和蓟运河等 5 个水系；市区现有湖泊 26 个，总面积约 600 公顷，这些湖泊中有的是历代皇家园林，如北海、中海、南海、昆明湖等；有的则是新中国成立后，经人工疏挖整治而成的人工湖。目前，这些湖泊多数已成为广大市民休息、游览、开展水上活动场所，有些还还是国内、国际著名旅游景点。此外，在北京周围，曾经还存在大量低地沼泽和稻田。随着城市发展过程中对水资源和土地资源的开发，沼泽已经基本上从人们的视野中消失，稻田从 2000 年开始也将成为过去。这些河流、湖泊、沼泽和稻田，都属于湿地的范畴，他们对于改善北京总
4、体环境质量发挥的十分关键的作用,而这一作用却往往被人们忽视。历史上海淀中关村的西北就是北京湖沼最发育的地方。这里最有名的皇家园林之一颐和园合圆明园或临湖而建，或就建在湖沼低丘之上。如圆明园的水面面积占全园总面积的 54，可谓无水不成为圆明园。在中关村地区进行高科技园区的设计重视对水的考虑是有其历史渊源的。一、湿地概念湿地生态系统(wetland ecosystem)是指地表过湿或常年积水，生长湿地植物的地区(蔡晓明，2000)。由于湿地分布广泛，种类繁多，相互之间差异显著，给湿地下一个统一的定义是十分困难的。不同的人对湿地有不同的理解，有人统计过大约有 50 多种定义()。总体上看来，湿地的定
5、义基本上分为两类。一类是管理者给出的定义，通常采用的最有代表性的是湿地公约(关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约)中关于湿地的定义，即：“不问其为自然或人工，长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或水域地带，静止或流动，淡水、半咸水、咸水体，包括低潮时不超过 6 米的水域“(吕宪国、黄锡畴,1998)。另一类是学者的定义，研究者从不同的角度出发，根据研究的区域及对象不同，给出的定义也不完全一样，从学科来看可以概括为水文学、动力地貌学、生态学、泥炭地质学、景观学等。从系统论观点来看，湿地是一个半开放的系统，一方面它是一个较独立的生态系统，它有其自身的形成、发展和演替过程，如独特的土壤形成过程(潜育化
6、或泥炭化)和植被演替过程；另一方面它在许多地方又需要依赖相邻的地貌景观，和他们进行物质和能量的交换，同时也影响临近系统的活动。经过反复分析，本文所持的湿地定义可以理解为“湿地是地球表层上由水、土和挺水或湿生植物(可伴生其它生物)相互作用构成，其内部过程长期为水控制的自然综合体(余国营，2000)“。很显然，这一定义是不完全等同于规划设计中经常使用的水景的概念和手法的。湿地可以理解成为水景的一种，但并非所有的水景都符合湿地概念的要求。这里以圆明园谐奇趣的水池进行讨论。历史上，谐奇趣是一个容喷泉、水池和西洋建筑于一体的水景园(图 1)。圆明园被毁后，其水池孳生出茂盛的芦苇和香蒲植物群落，同时也成为
7、水鸟、蝴蝶和蜻蜓的家园。这些生命自生自灭，周而复始，无需人们的维护(图 2)。在整个生长季都生机盎然。显然，前者只不过是一处水景，而后者则具有了湿地的特点和功能。二、湿地生态系统的服务Costanza 等(1997)把生态系统提供的商品和服务称为生态系统服务，并列举了 17 种生态系统服务(表 1)。表 1 生态系统服务项目一览表序号 生态系统服务 生态系统功能 举例 1 气体调节 大气化学成分调节 CO2/O2 平衡、O3 防 紫外线、SOx 水平 2 气候调节 全球温度、降水及其它由生物媒介的全球及地区性气候调节 温室气体调节，影响云形成的DMS 产物 3 干扰调节 生态系统对环境波动的容
8、量、衰减和综合反应 风暴防止、洪水控制、干旱恢复等生境对主要受植被结构控制的环境变化的反应 4 水调节 水流动调节 为农业、工业和运输提供水 5 水供应 水的贮存和保持 向集水区、水库和含水岩层供水 6 控制侵蚀和保持沉积物 生态系统内的土壤保持 防止土壤被风、水侵蚀，把淤泥保存在湖泊和湿地中 7 土壤形成 土壤形成过程 岩石风化和有机质积累 8 养分循环 养分的贮存、内循环和获取 固氮、磷和其它元素及养分循环 9 废物处理 易流失养分的再获取，过多或外来养分、化合物的支解或降解 废物处理、污染控制、解除毒性 10 传粉 有花植物配子的运动 提供传粉者以便植物种群繁殖 11 生物防治 生物种群
9、的营养动力学控制 关键捕食者控制被食者种群，顶位捕食者使食草动物减少 12 避难所 为常居和迁徙种群提供生境 育雏地、迁徙动物栖息地、当地收获物种栖息地或越冬场所 13 食物生产 总初级生产中可用作食物的部分 通过渔、猎、采集和农耕收获的鱼、鸟兽、作物、坚果、水果等 14 原材料 总初级生产中可用作原材料的部分 木材、燃料和饲料产品 15 基因资源 独一无二的生物材料和产品的来源 医药、材料科学产品，用于农作物抗病和抗虫的基因，家养物种(宠物和植物栽培品种) 16 休闲娱乐 提供休闲旅游和运动机会 生态旅游、钓鱼运动及其它户外游乐活动 17 文化 提供非商业性机会 生态系统的美学、艺术、教育、
10、精神及科学价值 资料来源：Costanza 等(1997)。根据上表，结合湿地的特点，不难概括湿地生态系统能够为人类提供以下服务：1. 自然生产：湿地蓄积来自水陆两相的营养物质，具有较高的肥力。我国有面积广大的湿地开发，为人类提供食品、工农业原料、燃料等。这些自然生产的产品直接或间接进入人们的经济生活，是人们所熟知的自然生态系统的功益。2. 生物多样性：湿地由于其生态环境独特，决定了生物多样性丰富的特点。生物多样性包括生态系统、物种和遗传多样性三个层次。湿地生物多样性是所有湿地生物种类、种内遗传变异和他们的生存环境的总称，包括所有不同种类的动物、植物和微生物，及其所拥有的基因，他们与环境所组成
11、的生态系统。中国幅员辽阔，自然条件复杂，湿地物种多样性极为丰富。据赵魁义统计，中国湿地已知高等植物 825 种，被子植物 639 种，鸟类 300 余种，鱼类 1040 种，其中许多是濒危或者具有重大科学价值和经济价值的类群(董全，1999)。3. 调节局地小气候和物质循环：湿地碳的循环对全球气候变化起着重要作用。湿地还是全球氮、硫、甲烷等物质循环的重要控制因子。它还可以调节局部地域的小气候。湿地是多水的自然体，由于湿地土壤积水或经常处于过湿状态，水的热容量大，地表增温困难；而湿地蒸发是水面蒸发的 23 倍，蒸发量越大消耗热量就越多，导致湿地地区气温降低，气候较周边地区冷湿。湿地的蒸腾作用可保
12、持当地的湿度和降雨量(孟宪民，1999)。4. 减缓旱涝灾害：湿地对防止洪涝灾害有很大的作用。近年来由于不合理的土地开发和人类活动的干扰，造成了湿地的严重退化，从而造成了严重的洪涝灾害就是生动的反面例子。5. 净化环境：湿地植被减缓地表水流的速度，流速减慢和植物枝叶的阻挡，亦使水中泥沙得以沉降，同时经过植物和土壤的生物代谢过程和物理化学作用，水中各种有机的和无机的溶解物和悬浮物被截流下来，许多有毒有害的复合物被分解转化为无害甚至有用的物质，这就使得水体澄清，达到净化环境的目的。6. 感官、心理和精神益处：山间的一掬清泉，一池清洁的湖水，都可以令人感到肺腑俱净、脑醒神明。这体现了人类在长期历史演
13、化过程中形成的与生俱来的欣赏自然享受自然的生命的本能和对自然的情感心理依赖，而这种依赖往往离不开对水的依赖。自然中的洁净空气和水，有助于人的身心整体健康。在北京，水生植物茂盛的湿则更是令人向往（图 3）。7. 精神文化的源泉：各地独特的动植物区系和和自然生态环境在漫长的文化发展过程中塑造了当地人们的特定行为习俗和性格特征，决定了当地的生产生活方式，孕育了各具特色的地方文化，一方土养一方人就是源于此。自然之美，美不胜收，自然是美学的重要研究对象和艺术表现得无尽源泉。模拟自然已经成为人们改善生活的重要途径。8. 教育场所：湿地丰富的景观要素、物种多样性，能够为开展环境教育和公众教育提供机会和场所。
14、三、人工湿地生态系统1. 人工湿地污水处理系统的概述(1) 人工湿地概念：人工湿地就是由人工建造和监督控制，充分利用湿地系统净化污水能力的特点，利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化(白晓慧、王宝贞等，1999)。(2) 人工湿地的分类：人工湿地根据湿地中的主要植物形式可分为：(1)浮水植物系统(2)挺水植物系统(3)沉水植物系统。沉水植物系统还处于试验阶段，其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理。浮水植物主要用于 N、P 去除和提高传统稳定塘的效率。目前一般所指人工湿地都是挺水植物系统。（3）人功湿地
15、的构造绝大多数自然和人工湿地由五部分组成，A.具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石；B.适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇；C.水体(在基质表面上或下流动的水)；D.无脊椎或脊椎动物；E.好氧或厌氧微生物种群。其中湿地植物在湿地系统中具有三个间接的重要作用：A.显著增加微生物的附着(植物的根、茎、叶)；B.湿地植物可将大气氧传输至根部，使根在厌氧环境中生长；C.增加或稳定土壤的透水性。(4) 人工湿地处理系统的特点一般人工湿地系统都具有：A.建造和运行费用便宜；B.易于维护，技术含量低；C.可进行有效可靠的废水处理；E.可缓冲对水力和污染负荷的冲击；F.可产生效益,如水产、畜产、造纸
16、原料、建材、绿化、野生动植物栖息、娱乐和教育。但也有不足：A.占地面积大；B.不精确的设计运行参数；C.生物和水力复杂性及对重要工艺动力学理解的缺乏；D.易受病虫害影响。2.国外人工湿地技术在北美，由于观察到自然湿地的同化能力，而在 70 年代开始对不同设计的人工湿地进行实验。各种不同的湿地在世界各地已被用来处理大量不同的废水，并且取得很显著的效果，根据对 104 座潜流系统和70 座自由水面系统的运行数据统计结果表明，两种人工湿地均可有效去除 SS 和 BOD，并且也可有效去除N、P，出水可达三类水域(适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区)的水质标准要求(白晓慧、王
17、宝贞，1999)。人工湿地不仅可以用于城市和各种工业废水的二级处理，还可用于高级处理的精处理和对农田径流的处理，在有些情况下，人工湿地可能是唯一的适用技术。3.人工湿地技术在我国的应用研究我国引进湿地处理系统较晚。在“七五“期间开始人工湿地的研究。首例采用人工湿地处理污水的研究工作开始于 1988-1990 年在北京昌平进行的自由水面人工湿地，处理量为 500kkg/d 的生活污水和工业废水，处理效果良好，优于传统二级处理工艺(白晓慧、王宝贞等,1999)。其后国家环保局、中国科学院各单位相继采用过人工湿地处理系统作过一系列试验。成都市活水公园是展示人工湿地系统处理污水新工艺的以水为主体的环境
18、科学公园(黄石达、王安庆等,2000)。在此人工湿地系统中处理污水的主要工艺过程有：厌氧沉淀池、人工湿地塘、床系统、养鱼塘系统、戏水池以及连接各个工序的水流雕塑和自然水沟等五个部分。从厌氧沉淀池到戏水池可以清晰地看到污水在各工序逐渐变清的过程。可以充分体现“死水“变成“活水“的过程。四、中关村生命科学园的湿地系统规划*中关村生命科学园的规划本规划有四大特色，包括：提出可持续湿地环境的营造模式、功能建筑群与环境的交融、流通网络的设计和边界的营造。该方案是将生命科学园作为一个生命细胞来设计的，湿地系统的设计是本方案的一个重要特色，下面主要对这一特色作一介绍。1 规划的基本情况中关村生命高科技园规划
19、大胆引入湿地的概念进行空间布局和绿地系统规划。图 4 是该规划的总平面图，规划以位于园区的中央湿地为核心，周围组团式地环绕着 13 组研发建筑。以湿地为主体的绿地系统是全园的环境基质，也是高科技园区所需要的非正式交流空间所在。湿地生态系统的成败关键是水。规划的园区水系统包括 6 部分(图 5)，(1)园区内各建筑组团产生的生活和实验室污水收集系统，位于地下；(2)位于园区西北的生活污水污水处理温室，收集的污水在这里进行2 级处理；(3)环绕园区的线状湿地系统，经过初步处理的污水缓慢绕园一周后成为干净水源，进入(4)以湖泊水面、挺水植物群落为主的中央湿地；(5)屋顶和园内绿地在降雨情况下形成的径
20、流直接进 入湿地系统，在绿地需要灌溉季节，可以直接从湿地系统取水；(6)园区和外界的水交换系统，建园初期，中央湿地系统土壤渗漏量大，需要从园区外引进一定数量水用于维护湿地和绿地系统，冬季湿地生物活动低，处理的污水数量减少，需要向园区外的城市污水收集系统输出一定数量的污水。2 园区水量平衡与湿地形成的可行性表 2 初步计算了园区的平均水量平衡情况。从表中可以看出，通过收集园内产生的生活废水，和利用降雨，可以基本保持园内水量平衡。建园初期，由于湿地的湖、沟土壤渗漏较大，实际水量平衡偏差可能会比较大。为了减少渗漏，可以考虑用黏土等处理湖、沟底部。经过多年自然淤塞，土壤渗漏将逐渐降低并稳定在一定水平，
21、通过园区湿地处理后节余一定数量的干净水是完全可能的。表 2 园区平均水量平衡(单位：万立方米)年平均水补给 年平均水消耗 降水 生活废水 湿地储水 水面蒸发 土壤渗漏 生物耗水 项目 水面 屋顶 路面 高草坪 水量 2.6 7.3 5.2 0.6 11.6 4 8 8 4 合计 27.3 24 第一年水量平衡 3.3 以后各年水量平衡 7.3 计算依据：1. 园区用地构成：总用地 132.01 公顷，绿地面积 83.17 公顷，集中绿地 39.13 公顷，其中草坪占集中绿地的 30%，建筑占地 23.76 公顷，铺装道路 25.24 公顷。2. 北京市气候：多年年平均降水量为 644mm，6-
22、9 月雨量占全年的比例为 81.9%至 87.9%，年蒸发量2000mm；3. 湿地指标：水面面积 4 公顷，平均水深 1m，湿地生物年耗水 4 万 m3，年渗漏能力 2000mm；4. 生活废水：年供生活用水 101.45 吨，25%耗水率，处理损耗率 5%，常住居民 0.8 万人；5. 集水效率：雨水 80%可形成径流，屋顶汇集效率 60%，路面汇集效率 40%，高草坪汇集效率 8%。五、结语人工湿地在规划设计中的应用前景人工湿地系统是一个完整的生态系统，它形成了内部良好的循环并具有较好的经济效益和生态效益。具有投资低、出水水质好、抗冲击力强、增加绿地面积、改善和美化生态环境、视觉景观优异
23、、操作简单、维护和运行费用低廉等优点。在处理了污水的同时，种草养鱼，又可以用鲜花绿叶装饰环境，把清水活鱼还给自然，节约资源，是人类与水生生物协调发展的自然景观，有利于促进良性生态环境的建设，有显著的社会、环境和经济效益。这种方式尤其在中小城市和乡村缺少具有一定操作管理和技术水平的人员地条件下使用，十分技术适合我国国情，具有极其广阔的应用前景。湿地生态系统的引入同时还能够改善人们的生态观念，提倡节约资源、重复利用资源，尊重自然的新的生活观念。参考文献：王瑞山、杨桂谦等，2000，我国湿地资源现状、问题及对策，资源科学，22(1)，9-13；吕宪国、黄锡畴，1998，我国湿地研究进展，地理科学，1
24、8(4)，293-300；余国营，2000，湿地研究紧张与展望，21 世纪青年科学者论坛，22(3)，61-65；林业部野生动物和森林植物保护司，1994，湿地保护与合理利用指南M，北京，中国林业出版社， 147董全，1999，生态公益：自然生态过程对人的贡献，应用生态学， 10(2)，233-240孟宪民，1999，湿地与全球环境变化，地理科学， 19(5)，385-391；白晓慧、王宝贞等，1999，人工湿地污水处理技术及其发展应用，哈尔滨建筑大学学报， 32(6)，88-92；黄石达、王安庆等，2000，从成都市活水公园看人工湿地系统处理工艺，四川环境，19(2)，8-12。蔡晓明，2000，生态系统生态学，科学出版社，北京，272.Costanza R，B G Nortor，B D Haskell，1992，Ecosystem health: new goals for environmental management. Island Press, California.
