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工业园雨水收集利用的途经与措施

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工业园雨水收集利用的途经与措施

工业园雨水收集利用的途经与措施

  • 作者:深圳市海绵雨水利用科技有限公司
  • 来源:www.spongerain.com
  • 发布时间:2019-09-12 00:00
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工业园的雨水收集系统与利用是一个综合的系统,系统内包括了雨水的收集、传输以及净化。本章将从工业园的绿地、铺装、道路和水体四个要素出发,探讨在工业园进行雨水收集的有效途径。
 
1、绿地的雨水利用
 
工业园在工业生产的过程中,往往会产生扬尘和工业噪音,因此较大面积绿地设置就显得至关重要。通过合理规划的工业园绿地不仅能有效的利用落在绿地上的雨水,还能够接纳建筑、铺装上的雨水径流,因此加强绿地的雨水利用是工业园雨水利用的重要内容。
 
1.1绿地雨水滞留及渗蓄
 
1.1.1缓坡绿地设计
 
工业园中绿地的坡度是影响绿地雨水收集的重要因素,雨水落在绿地上后,会以径流的形式汇集起来。随着绿地坡度的增加,产生的径流量也会增多,径流会对地表进行冲刷,影响场地的稳定性。一般来说,在不做出来的情况下6°~15°的坡地可能会有中度水土流失的现场,当绿地坡度达到15°~25°的时候可能会发生严重的水土流失。因此,在前期园区设计的时候可以通过降低绿地的坡度来控制雨水径流,除此以外,缓坡绿地还可以降低雨水在绿地中的流速,从而增加雨水在绿地中停留时间,可以有效增加雨水的渗透量。
1.1.2下凹式绿地设计
 
除了上面提到的缓坡绿地设计,我们还可以通过在工业园设置下凹式绿地的方式来加强绿地对雨水的渗透利用。作为一种生态的加强雨水渗透的设施,它不仅能够渗透雨水,还是一种可以结合绿地景观营造而不需要额外投资的有效雨水收集措施。相对于道路同高程的绿地,下凹绿地在雨水净化和促使雨水就地下渗方面更为出色。关于下凹绿地设计的参数有很多,比如:下凹绿地面积、设计暴雨重现期、绿地下凹深度、土壤稳渗率以及绿地耐淹时间等,其中最重要的控制参数是是绿地下凹深度和绿地面积。
 
绿地下凹深度作为影响下凹地蓄水量的关键因素之一,按理来说随着下凹深度的增加,绿地的蓄水量也会随之增长。但是过多的降低绿地高程会增加植物被水淹的时间,从而影响植物的生长,由于植物耐水淹时间为1~3d,因此在进行下凹绿地设计时,一般会将下凹深度控制在5~25cm
 
除此之外,绿地面积也是在进行下凹绿地设计时需重点考虑的因素,只有保证了足够的绿地面积才能最大程度的发挥下凹绿地的效益,一般情况,下凹区域面积应占汇水面积的10%以上,现当下凹区域面积占全部汇水面积的20%时,可以吸收30~90%的雨水量,甚至实现全部下渗。
 
下凹绿地中的雨水大部分都经过下渗、蒸发、积累进行处理,多余的部分就近排入其他的雨水利用设施,关于其水平衡关系式可以表示为:
P0+U0=D+E+S+U1+Q
 
其中po表示降雨总量,uo为初始蓄水量,D/E/S/U/Q分别代表径流损失量、蒸发量、下渗量、结束时绿地蓄水量和溢流外排水量。
1.1.3丰富的微地形设计
 
在做工业园设计的时候可以考虑将绿地的地形做的丰富一点,当暴雨来临而绿地的渗透作用有限来不及消化大量雨水时,可以让雨水留住在绿地的下凹处慢慢下渗。相对于上述所说的两种方式,微地形设计是徒坡和缓坡向结合的,坡度也由单一的变为多个,可以缓解因坡度太大而容易导致水土流失的问题,同时还可以有效的滞留雨水,增加雨水的下渗。
1.1.4植物种植设计
 
(1)植被覆盖
提高工业园植被覆盖是增加绿地雨水收集的有效方式之一,研究发现,在裸地中55%的降水都以地表径流的形式流失,除了5%的雨水下渗外,其他都是暂时停留在地表或者蒸发散失了。经过草地覆盖后的绿地比裸露地面的渗透率高了七倍,其涵养水源和防止水土流失的能力都显著提高。除了植被覆盖,还可以采用木屑、砂石、碎树枝等材料覆盖,通过精心布置后不仅可以减少水分蒸发、消减地表径流和增加雨水下渗等,还能提升工业园的景观效果。
(2)乔灌草复式群落
 
相对于道路绿地,工业园不需要考虑周边商铺的问题,在植物种植方面不用刻意的去保证视线的通透性,因而可以采用乔灌草复式种植,这样可以有效的就留雨水,降低雨水对地表的冲刷,减少地表径流量,除此以外植物根部还可以起到涵养水源的作用。研究发现,在乔灌草复式群落中,5%~10%的雨水会以蒸发的形式散失掉,50~80%的雨水会被植物滞留,渗入土壤,仅仅只有10%的雨水形成地表径流。
 
在降雨的过程中,雨水经过乔木层、灌木层、草本层时会逐次被截留,雨水量跟雨水势能也会大大减小。除了在减缓径流方面胜过简单的植物种植外,乔灌草复式群落在固土保土方面也更加出色,高大的乔木往往具备茂密的树冠因而可以起到良好的遮阴效果来较少灌木层和地被层的水分蒸发,可以对雨水资源进行更有效的利用。
1.2绿地雨水输送
 
1.2.1植草沟
 
在绿地中,植草沟具有输送雨水的功能。植草沟,是种有植物的自然沟渠,有时候也被叫做植被浅沟、浅草沟等。一般用于大面积绿地内、道路两侧,可以同雨水管网同时设置,或者代替雨水管网来完成输送功能,除此以外还可以对雨水进行收集与净化。在对植草沟的植物进行选择时,会尽可能的选择那些抗性强,净化能力强的品种,部分符合条件的植物可能野性比较足,不能满足大众的审美,因而无法设置在居住区绿地,道路绿地这些人群种类复杂的地方,但在工业园中就不需要考虑这些因素。
根据植草沟运输雨水方式的不同,可以将植草沟分为三种:标准传输植草沟、湿植草沟、干植草沟。其中,标准传输植草沟是一种较宽阔的浅植被渠道,它能将地表径流从集水区输送到其它的雨水利用设备中,提高水资源的利用率。湿植草沟相比于标准传输植草沟只是将沟渠设计成了湿式的沼泽状态,并在其中种植有湿地植物。干植草沟是标准植草沟的基础上增加了底部排水系统和更好渗透性能的填料层,因此必标准植草沟具备更好渗透和传输性能。
在进行植草沟设计时,主要的影响参数有长度、最大允许流速、水利停留时间和植草沟的纵向坡度四点。研究发现,植草沟的长度和水力停留时间对植草沟去除污染物的效果具有很大的影响。一般来说植草沟的长度越长,水力停留时间越久,植草沟的净化效果越好。除此以外,合理的径流流速可以减少雨水径流对地表土层和植被的冲刷,一般来说流速最好控制在0.8m/s以内。同时,植草沟内纵向坡度一般取值为1~5%之间,这样的坡度既保证了沟内径流的流动性,也不会导致径流流速过快而冲刷地表。
 
除了输送雨水外,植草沟能净化雨水,在雨水由植草沟传输的过程中,由于植草沟颗粒沉淀、植被截留、土壤渗透等作用,会使得雨水径流中颗粒物的浓度大幅度降低,除此以外植草沟中生长的植物也可以吸收雨水径流中的氮磷以及重金属的去除效果较为逊色。
 
1.2.2旱溪
 
旱溪是一种模仿自然水体的形态,在底部铺设卵石的非永久性水体。在雨季时可以吸收雨水呈现水体的形态,并可以引导雨水径流传输到特定预期,在旱季则保存干涸。除此之外,旱溪往往还会与植物的营造相匹配,从而可以从意境上表现出溪水的景观。相比与人造水来讲,旱溪的维护和使用成本更低,更容易维护,景观效果也更持久。
 
旱溪多应用在线性汇水区,比如斜坡底部、谷底或利用原有排水明沟进行改造。其应范围也比较广泛。兼备了吸收雨水,传输雨水和景观的功能,由于溪床是仿自然水体因而婉蜓曲折加上卵石的铺设,相比于之前所说的植草沟而言,旱溪在减小雨水冲刷方面更加有效。
1.3绿地雨水净化
 
1.3.1下凹式绿地设计
 
下凹式绿地除了上面所说的渗透雨水的作用外还有净化雨水的功能,事实上,绿地都会有一定的雨水净化作用。国内外学者对下凹式绿地的雨水净化作用进行了大量的研究。结果表明自然式下凹绿地对COD、TPNH4-N的平均消减率分别为52.21/47.35/48.98,相当于地表漫流系统和人工湿地系统等土地处理系统的消减能力。除此以外,有很多因素会对下凹绿地的雨水净化效果产生影响,比如降雨后期的净化效果往往逊色与降雨前期的效果,大雨时的净化效果也比不上小雨时的效果。
 
1.3.2雨水花园设计
 
雨水花园,又称生物滞留池,一般建在地势较低的区域,它通过土壤和植物的过滤作用来收集、净化雨水,同时消纳小面积汇流的初期雨水。雨水花园主要由五个部分组成,从上到下依次为蓄水层、覆盖层、植被及种植土壤层、人工填料层和砾石层。
 
蓄水层可以为雨水提供暂时的储存空间,通过沉淀使得部分有机物和金属离子得以去除,为了维持土壤的湿度,避免土壤板结阻碍雨水下渗, 一般采用树皮来对覆盖层进行覆盖,种植土层通过植被根系的吸附和微生物的降解可以去除大量的金属离子、碳氢化合物和其它污染物,为了保证雨水能够迅速下渗,人工填料层采用了渗透性较强的天然或人工材料,砾石层可以用来暂时的存储雨水,然后通过穿孔管将雨水引进的河流或者其它排放系统。
植物在雨水花园中的作用是至关重要的,主要包括了吸收与净化污染物、滞留与渗透雨水以及生态功能等。雨水花园的植物选择要考虑多方面的因素,选择的植物既要能适应雨水花园的特殊环境,又要具备一定的功能特性。关于雨水花园植物的选择原则可以总结为以下几点:
 
1、尽可能选择乡土植物,慎用外来引进物种,确保各类植物不存在负面的影响。
2、应该选择有短期的耐水淹能力和一定的抗旱能力的植物,除此以外还要根系发达,耐水污染。
3、在选择雨水花园的植物时,应该注意不同物种搭配的原则,保证雨水花园的植物多样性,提高生态系统稳定性及功能性。
 
2、铺装地面的雨水利用
 
铺地作为工业园重要的雨水汇集面,往往面积较大,如何做好铺地的雨水利用是整个工业园雨水利用的关键一面。
 
2.1铺装地面雨水收集
 
2.1.1断接引流设计
 
在做工业园道路的竖向设计时,应该合理安排道路横坡,使得雨水可以随着高差汇流至道路一侧或两侧,然后将道路两边立道改为平道牙,确保雨水可以均匀的流入道路周边的绿地。除此以外,也可以在保留立道牙的情况下将道牙以合理的间隔断开,使得道路与绿地相连通,保证雨水可以随着竖向流入绿地。
 
2.1.2透水铺装设计
 
透水铺装是指具有让雨水直接渗入地下,并能使雨水还原成地下水的人工铺筑的地面。透水铺装路面结构主要由面层、找平层、基层和垫层四个部分组成。
 
根据结构形式的不同,透水铺装可以分为透水混凝土、透水砖、透水沥青等。其中透水混凝土,也称多孔混凝土,为了保证其形成大的孔隙和拥有较大的弹性模量,采用的是升级配组成和较水泥稳定碎石更高的水泥用量。整体性较强、强度较高的透水混凝土一般在透水铺面作为面层材料,有时为了大幅度提高铺面整体刚度,也会将其用于基层,透水沥青系骨架空隙结构沥青混合料,其空隙率高达25%以上,从而更有利于雨水的下渗,一般应用于地面承载力要求较高的场合,经常用在停车场和行车道中将其作为面层或基层,因此除了要保证其有足够的渗透性外,还要保证它的承载能力,透水砖路面结构从上至下依次为透水砖面层、找平层、基层和垫层。其结构形式和功能与上述两种较为相似。
 
透水铺装的面层都具有良好的透水性,来保证雨水的下渗,除此以外还要具备一定的抗压、抗剪性能以保证行车安全用粗砂或者中砂铺设的找平层起着平托面层、粘结基层与面层和保证雨水渗透作用,透水地面的基层普遍采用具备良好的透水和储水性能的材料,比如单机配或者连续配的砾石、煤矸石和石灰石等孔隙率较高的材料,只有这样才能起到承担起储存雨水和消减洪峰的作用,除此以外在基层和土基之间还设置了透水的土工膜来增强雨水的下渗。
2.1.3渗透井设计
 
渗透井是一种埋在地下的穿孔状雨水收集设施,可以将收集到的雨水用来补充地下水,增强工业园的雨水利用。为了防止渗透井的井口堵塞,往往在其周围布置碎石,将渗透井围合。在渗透井的制作材料方面没有严格的限制,像塑料、混凝土和金属等材料都是可行的,除此以外渗透井还具有安装方便、成本优廉、占地面积小等优点,因此可以广泛应用在工业园的停车场、广场和其他不透水铺装上。
2.2铺装地面雨水传输
 
2.2.1沟渠传输
 
为了将铺装地面径流疏导到其他区域,并对雨水加以利用,我们可以使用沟渠排水。一般有明沟和暗沟两种。
 
明沟是露在地表上面的,一般设置在道路旁侧,可以用来汇集道路和绿地的雨水。在汇集的水量小或者沟渠坡度较小时,可以使用草坪衬砌或土明沟。当雨水汇集量较多或者沟渠坡度较大时,应该使用卵石或者砾石衬砌来防止径流冲刷。
 
暗沟又叫盲沟,是一种由碎、砾石等粗聊材料铺设的地下排水渠道。盲沟排水具有取材方便,造价低廉特点,并且不需要检查井、雨水井这些排水构筑物。
 
2.2.2管网传输
 
为了增强对雨水的收集利用,我们可以在透水铺装下铺设透水管网,采用先渗透后收集的形式,根据汇水线位置及周边环境来确定管网的埋设深度,通过透水管网将雨水传输至绿地或者其它雨水储存系统。
 
2.3铺装地面雨水净化
 
透水铺装除了上面所说的渗透雨水的作用外,还可以对雨水进行净化,具体包括以下几个方面:
 
(1)PH缓冲作用。由于在城市化发展的过程中,缺乏相应的环境保护意识加剧了大气污染,导致很多地区产生了严重的酸雨问题,严重影响了人们的生活和植物的生长。相关的研究表明,透水铺装的面层具有良好的缓冲性能,可以提高雨水的碱度使得雨水径流的PH值稳定在7左右。
(2)对金属元素的去除作用。研发人员开发出了具备良好的吸附能力的基层材料来增强透水铺装地面去除金属元素的效果,这种材料的表面可以形成可变电荷,因而可以增强对金属元素的吸收。
(3)对有机污染物的去除作用。透水铺装对有机污染物具有良好的生物降解作用。研究发现,透水铺装对油类植物的去除率高达97.6%,除此以外透水铺装基层中存在的大量原生动物、后生动物与真菌、细菌等组合完成了完整的生物链来消化有机污染物。
(4)脱氮磷的作用。很多研究表明透水铺装点 在表层溶解氧之后能发生硝化反应,可以达到除磷的效果。除此之外,透水铺装基层材料中的Fe、Al等物质可以与磷酸盐相互作用,从而达到去磷的下效果。
 
3、建筑的雨水利用
 
建筑雨水利用就是以建筑为基点,运用工程技术,减少土壤入渗,增加雨水径流量,并将其按照所设计的方式收集起来。
 
3.1建筑雨水收集
 
3.1.1屋顶花园设计
 
屋顶花园在德国、法国等澳洲国家相当于流行,日本、新加坡等国家已经将屋顶花园作为建筑设计的一部分,甚至针对屋顶花园制定了相关法规。我国对这方面的研究起步较晚,从20世纪80年代开始尝试,随着经济的发展和房地产的进步,屋顶花园的建设也随着逐步发展。北京在2004年颁发的《北京市城市环境建设规划》中要求北京市区的低层建筑屋顶绿化率需要达到60%,高层建筑的屋顶绿化率不能低于30%,2005年上海也在绿化管理条例中加入屋顶绿化的内容,要求之后新建的商务楼和住宅都要进行屋顶绿化。
 
屋顶花园是指在各类建筑物、构筑物、桥梁等的屋顶、露台、阳台或大型人工假山山体进行造园和种植花草树木的统称。一般而言,屋顶花园的面积较小,同时建筑物的承载能力是设计屋顶花园之前需要考虑的主要因素,承载能力高低会直接影响到屋顶花园植物景观的营造。
屋顶花园的植物有汇集雨水的作用,可以增加工业园的的雨水利用,减少雨水径流量。除此以外,屋顶上种植的植物还可以截留雨水,减少雨水对屋面的冲刷。但是我们对屋顶花园进行植物种植设计时必须要考虑到它的承载能力。
 
对于荷载较小的屋顶花园,无法设置较厚的土壤层,也不适宜种植乔、灌木,因而只能以地被植物和草坪为主,形成开敞的植物景观,在美化屋顶的同时对雨水进行收集与利用,荷载达到350kg/m²以上的屋顶花园可以设置40cm以上覆土层,可以种植中小型的乔木,因而在种植形式上可以用小乔木跟地被和草坪相搭配,营造出疏朗型景观,雨水在下落的过程中可以被乔木的树叶所截留,从而减少对地表的冲刷和增强对雨水的利用:当屋顶荷载满足更高的要求时,就可以采用乔灌草想结合的密集型种植,来尽可能的增强对雨水的利用。
 
由于工业园的性质不同往往会有不同的污染物,因而我们可以针对园区的污染物种类来种植特定的植物,从而起到净化雨水,消除污染的作用。
 
3.1.2垂直绿化设计
 
除了对屋顶的雨水进行收集利用,我们还可以通过垂直绿化的凡是来加强对墙面雨水的利用。墙面作为建筑的立面,在下雨时由于风向问题,雨水也会落在墙面上。
 
垂直绿化是指将植物材料攀扶、贴植、固定、垂吊在建筑的立面整体上形成垂直的绿化带,是景观绿化的新形式。过多垂直绿化的设置,可能会引来蚊虫,因此无法在居住区、广场绿地等公共区域中使用,在工业园中设置垂直绿化,不仅可以加强雨水利用,还可以改善厂房微环境,在夏天降低厂房温度,为工人创造良好的工作环境。
同样的,在工业园中,我们可以根据园区污染物种类的不同来选择种植相应的藤本植物,这样可以达到有效消除园区污染,净化雨水的作用。
 
3.2建筑雨水净化
 
3.3.1弃流装置
 
雨水弃流装置是雨水收集利用系统中的常用设备,由于雨水污染主要集中在初期降雨的时候,当雨量增大后,在雨水的压力下排污管将会关闭,在经过了水平的过滤网后雨水将从出水口流出到其它的雨水利用设备或者被排入周边绿地。
 
初期雨水弃流可以有效控制雨水的水质,缓解后续工序的压力。否则,会让大量的杂质流入雨水井和储水箱,还会增加过滤器的工作强度使过滤器堵塞,时间一久,会因为池底沉积的杂质太多而导致整个系统瘫痪。
3.3.2重力管道过滤
 
过滤器是输送介质管道上不可缺少的一种装置,按照获得过滤推动力的方法不同,可以分为重力过滤器、真空过滤器加压过滤器三种。其中重力过滤器被广泛应用到建筑的雨水收集中,一般是屋顶收集的雨水通过重力管道过滤后输送到储水池,再把处理后的雨水用泵输送到用水点。
4、水体的雨水利用
 
工业园的水体除了可以增强园区的景观效果外,还可以承担排洪蓄水、净化雨水的作用。暴雨季节来临时,可以利用水体将雨水集蓄起来,减少地表径流,雨季过去后再将收集的雨水合理的进行利用。
 
目前国内人工构筑的水体与自然水体相比往往缺乏完善的生态系统,导致水体缺少因有的自净能力,往往在后期会发生一些水质浑浊的问题。因此,在进行工业园的水体设计时,要整合水生态系统的功能,建设自然生态的水体。
 
4.1水体的雨水收集
 
4.1.1人工湖
 
人工湖作为一种综合的雨水利用系统,在工业园中兼顾了汇集雨水、净化雨水和利用雨水的功能。除此以外还可以拦洪调蓄,提升工业园景观环境。工业园由于使用人群较单一、人流量少,因此在水体的维护上面不会像居住区、商业街绿地等那样复杂。
 
一般的人工湖的补水都是依靠抽取地下水或者从周围河流、湖泊引水,长久以来不可避免的会产生工程耗资过大和水资源浪费等问题。所以在对工业园内人工湖进行设计时就要重视雨水利用的问题,采用从生态补水的方式来补充人工湖水源。
 
作为低廉,易得的自然资源,雨水的引入应该作为人工湖水源补给的重要来源,为了增强雨水补给的效果,往往在人工湖建造前就要设计合理的补给方案。一般来说,可以利用雨水口来收集道路、广场和绿地的雨水,通过管渠将雨水输送到人工湖内,或者通过建筑边缘的水渠将雨水引入人工湖。
4.1.2蓄水池
 
蓄水池是一种平地上开挖的具有防渗作用的蓄水设施,在工业园设置蓄水池可以平时蓄水,供旱时生产生活实用。按照作用、结构的不同。
 
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4.2水体的雨水净化
 
4.2.1人工湖
 
(1)生态驳岸设计
 
生态驳岸是指恢复为自然河岸或具有自然河流特点的可渗透性的人工驳岸,可以维持河岸和河流水体之间的物质循环和能量流动,最大限度的维护河流的生态环境,并且还具备一定的抗洪功效。
 
生态驳岸不光具备护堤、防洪、涵养水源、增强水体自净能力等多种功能,还可以为动植物提供良好的生长环境,提高该区域的生态效益,同时植物的生长可以减少水体对土壤的冲刷、枝叶可以截留雨水,从而起到保护驳岸,涵养水源的作用,茂密的植物根系为微生物的生长提供了良好的环境,因此可以有效的去除水中的污染物。
(2)人工湖水质净化
 
对于人工湖水质的处理往往是简单的引水、换水,或者使用一些高昂的雨水净化设备,但事实证明这些措施并不可取。不仅要耗费大量的人力、物力和淡水资源,而且容易破坏湖泊自身的生态性,引发一系列的生态问题。随着相关研究的深入,“生物-生态水体自净新技术”作为一种新的思路被学者所提出。
 
“生物-生态水体自净技术”就是人为的在水域中建立起一个动态的平衡系统,系统内的能量流动和物质转移形成一种动态循环,不需要人类干涉,整个水系生态系统就能适应外界环境的影响,处在相对稳定的动态平衡,因此通过建立生物-生态水体自净系统来进行人工湖的水体净化,是目前最科学、最生态的方式。
 
4.2.2人工湿地
 
人工湿地是通过人为的设计与建造,将饱和基质、水生植物、动物和水体相结合组成一个完整的生态复合体,来模拟自然湿地。人工湿地可以通过物理、生物、化学三重作用来有效的净化雨水,具体方式包括植被过滤、吸附、植物吸收、沉淀和微生物分解等。不像居住区、公园有着较高的景观要求,工业园中的水体可以以生态湿地为主,这样更有利用雨水的收集和净化。
(1)人工湿地植物
 
植物是人工湿地重要的组成要素,在水质净化中发挥着至关重要的作用,植物的生长状况以及植物的选择与搭配都会影响到植物的净化功能。植物在湿地中的作用主要是通过根系来吸附、吸收和利用湿地中的营养物质,在去除氮磷方面发挥重要的作用。由于很多生产性的工业园,在工业生产的过程中免不了产生相应的大气污染和水污染,因此在人工湿地植物选择时,可以根据不同工业园的污染物种类来选择相应的植物来消除污染,在下表中列举出了常见的工业污染种类以及相应的吸收污染的植物,可供借鉴。
(2)人工湿地基质
 
基质一般由土壤、细沙、沙土、砾石、石块、矿渣、煤渣和活性炭等介质中的一种或几种所组成。基质可以为植物和微生物提供良好的生长介质,通过沉淀、过滤和吸附等作用来去除污染物,除此以外,基质还可以截留污染使得植物和微生物的净化作用可以充分的发挥。不同基质的理化状态不同汇导致人工湿地的净化能力和运行的稳定性有所别,所以我们在进行人工湿地设计时要选择合理的基质,这样才能将人工湿地的净化能力尽可能的发挥出来。