摘  要：本文聚焦北方地区极寒天气下人工湿地冬季保温问题展开研究。低温环境严重影响人工湿地微生物活性、植物生长及物理结构，导致污水处理效果不佳。目前常见的保温措施包括覆盖保温法、温室保温法、水位调控保温法、复合保温系统构建，以及新材料与新设备应用等。研究表明，各保温措施在水质净化上均能提升污染物去除率，但效果存在差异。在生态系统方面，湿地的平稳运行能有效保障动植物栖息地的稳定性和生物多样性。北方人工湿地冬季保温措施多样且各有利弊，因此，合理选择和应用这些措施对其正常运行及实现综合效益至关重要。

关键词：北方；人工湿地；保温措施；效益评估

随着环境问题日益受到关注，人工湿地作为一种生态友好型的污水处理和生态修复技术，得到了广泛的应用。然而，在冬季，人工湿地面临着严峻的保温难题。由于低温环境的影响，人工湿地中的植物生长变得缓慢甚至停滞，微生物的活性也会显著降低，进而影响到整个湿地系统对污染物的去除效果[1]，因此开展人工湿地冬季保温措施的应用与优化研究具有重要意义。

1极寒天气对人工湿地产生的影响

在北方极寒天气下，低温环境会对人工湿地的生物处理过程产生显著影响。微生物在人工湿地的污染物分解与转化过程中起着关键作用[2]。然而，低温会极大地抑制微生物的活性。当温度降低至一定程度时，微生物体内参与代谢反应的酶活性会随之下降，使其分解污染物的速率显著降低。此外，低温不利于植物的生长代谢。正常情况下，植物根系可以通过向周围环境释放氧气[3]，为微生物创造良好的好氧环境，促进其对污染物的分解。但在极寒条件下，植物生长缓慢甚至进入休眠状态，根系泌氧能力下降，微生物的好氧代谢过程也随之受限，进而影响整个人工湿地对污染物的去除能力[4]。

低温环境会对人工湿地的物理结构也会产生诸多不利影响。在北方极寒天气下，湿地填料容易出现冻结现象，进而影响湿地水流的正常流动。部分北方湿地在冬季时，由于填料冻结，使得水流通道变窄甚至堵塞，导致湿地内部的水力停留时间等参数发生改变，无法达到预期的污水处理效果。此外，低温还可能导致湿地内的输水管道破裂。一旦管道破裂，不仅需要耗费大量人力、物力进行维修，还可能污染周边的土壤和水体，增加维护成本与环境风险，影响人工湿地系统运行的稳定性与持续性。

2覆盖保温法

2.1冰雪覆盖

在北方地区的冬季，冰雪覆盖是一种常见且利用自然条件进行人工湿地保温的方法。当冬季气温降低时，自然降雪在湿地表面堆积，随着气温进一步下降，积雪结冰形成覆盖层，如同给人工湿地穿上了一件“天然棉衣”。这种方法的优势在于成本较低，无需购置大量的保温材料，仅仅依靠自然降雪结冰即可在一定程度上实现保温效果。

2.2保温材料覆盖

常见的保温材料包括碳化芦苇碎屑、塑料薄膜等，它们各自拥有独特的保温性能和实际应用效果。以碳化芦苇碎屑为例，沈阳浑南人工湿地就曾采用其作为覆盖物进行保温[5]。在环境温度下降至-17℃~ 26℃时，人工湿地水温可保持在11℃~14℃，且上、中、下层水温没有显著差异，这表明碳化芦苇碎屑在一定程度上能够有效阻隔外界低温，维持湿地内部相对适宜的水温环境，保障微生物和植物可以在相对稳定的温度条件下发挥作用。

3温室保温法

3.1普通温室搭建

在北方极寒天气下，在人工湿地上搭建温室大棚是一种常见的保温模式。通过搭建温室大棚，能够在一定程度上减少外界冷空气与湿地内部的热量交换，形成相对独立且温度稳定的空间，从而维持湿地内部的温度，保障人工湿地在低温环境下依然可以正常运行[6]，有效提升各类污染物的处理效果。微生物在相对温暖的温室环境中，其活性受低温的抑制作用会减弱，能够更好地发挥分解污染物的作用；植物根系泌氧功能也能在适宜温度下，为微生物创造良好的好氧环境，促进整个湿地生态系统对污染物的分解与转化。

3.2景观暖房结合

景观暖房与潜流湿地相结合，不仅能够起到保温的作用，还可以兼顾景观功能，提升区域的整体美观度和生态价值。景观暖房在构造和设计上，注重与周边环境的融合以及对内部湿地的热量保持，利用暖房的封闭或半封闭空间，阻挡外界寒冷空气的侵袭，同时巧妙地利用阳光照射等自然条件，实现内部热量的积聚，为潜流湿地营造相对温暖的环境。

4水位调控保温法

4.1冰盖与空气层形成

水位调控保温法是北方地区极寒天气下人工湿地冬季保温的有效手段之一，其中通过调节水位形成冰盖与空气层的方式应用较为广泛。其原理在于，先将湿地水位提升至较高位置，在寒冷气温作用下，湿地表面的水会逐渐冻结形成一定厚度的冰盖，而冰盖具有较低的导热性，能够阻隔外界冷空气与湿地内部水体的热量交换，起到初步的保温作用。然后适当降低水位，使得冰盖与下方的水体之间形成一个空气层，空气作为热的不良导体，进一步增强了保温效果。

4.2连续水位稳定

保持稳定的水位对于维持人工湿地内部温度也有着重要意义，尤其在北方冬季抗低温方面有着独特的优势。在人工湿地的运行过程中，进水方式包括连续进水、脉冲进水和间隙进水等多种形式。连续进水虽然存在氧气条件较差的问题，但其进水流量相对稳定，有助于维持人工湿地内部的温度稳定，进而在冬季发挥一定的抗低温作用。

5复合保温系统构建

5.1多种保温措施联用

在北方极寒天气下，将多种保温方法结合使用，能够发挥出更好的保温效果，提高人工湿地冬季运行的稳定性与处理能力。综合应用多种保温手段，例如，在湿地表面，先铺设一定厚度的碳化芦苇碎屑作为基础保温层，利用其良好的保温特性阻隔外界低温，随后在上方覆盖塑料薄膜，进一步减少热量散失，同时避免碳化芦苇碎屑被风吹散等情况发生；在湿地周边，搭建简易的温室大棚，形成相对独立且温度较为稳定的空间，阻挡外界冷空气的大规模侵袭；通过水位调控的方式，先提升水位以使湿地表面形成冰盖，再适当降低水位以创建一个空气层，从而增强保温效果。

5.2与其他技术协同

将保温措施与曝气复氧、工艺组合等技术配合应用，进一步提升人工湿地在北方极寒天气下的运行性能。以保温措施与间歇曝气技术结合为例，间歇曝气不仅能够向湿地水体中补充氧气，解决低温条件下因植物衰败导致的溶氧量下降问题，提高湿地中溶解氧的浓度，而且在曝气过程中还能去除有机物并进行硝化反应，非曝气过程又能进行反硝化反应，有效提高人工湿地系统对有机物和氨氮的去除效率。同时，结合保温措施，维持了相对稳定且适宜的水温环境，使得微生物的活性不会因低温而受到严重抑制，进一步强化了人工湿地对污染物的去除效果[7]。

6新材料与新设备应用

6.1新型保温材料

随着材料科学的不断发展，诸多新型高效保温隔热材料在人工湿地保温方面展现出了较大的应用潜力。例如，气凝胶材料，其具有极低的导热系数，能够有效地阻隔热量的传递，在保温性能方面表现卓越。从耐用性来看，气凝胶具备良好的化学稳定性和物理结构稳定性，不易在长期使用过程中出现性能衰减情况。在成本方面，尽管目前其初始成本相对较高，但考虑其优异的保温效果以及较长的使用寿命，分摊到整个使用周期后的成本效益逐渐凸显。

6.2智能温控设备

智能温控设备的应用为人工湿地冬季保温提供了更为精准和高效的解决方案。通过利用智能温度传感器、加热或制冷设备等，可以构建起一套完善的智能温控系统，实现对湿地水温的精准调控。智能温度传感器能够实时监测湿地内部以及外界环境的温度变化情况，并将数据准确地传输至控制系统。例如，高精度的热敏电阻温度传感器，其具备响应速度快、测量精度高的特点，能够精确感知水温的细微变化，为后续的调控措施提供可靠依据。

7不同保温措施的综合效益评估

7.1对水质净化的影响

实施不同保温措施后，人工湿地对污染物的去除效果均有不同程度的提升，这在出水水质指标的变化中得以体现。例如，采用薄膜法保温措施的处理系统，化学需氧量（COD）、总氮（TN）和氨氮（NH₄⁺-N）的去除率分别能达到30%~45%、40%~60%和35%~60%，相较于温棚法和冰封法，其出水中这些污染物的去除率可高出10%~20%。总磷（TP）在出水中含量波动较大，去除率为19%~70%，并伴有磷释放现象，但薄膜保温下TP的去除效果同样优于温棚和冰封法。经过SPSS16.0分析，薄膜保温的人工湿地出水水质与冰封和温棚法相比具有显著性差异[8]。

7.2对生态系统的影响

保温措施保障了人工湿地冬季正常运行，对周边生态系统有着多方面的积极意义。首先，维持了湿地动植物栖息地的稳定，在寒冷的冬季为动植物提供了相对适宜的生存环境。对于湿地植物而言，合适的保温措施能避免其遭受严重冻害，保障其在来年春季可以正常萌发、生长，继续发挥生态功能。其次，有助于维持生物多样性。众多微生物、水生动物、两栖动物等都依赖湿地的稳定环境进行生存和繁衍，科学的保温措施可为整个生态系统的物质循环和能量流动奠定基础。

8结语

在保温措施方面，覆盖保温法、温室保温法、水位调控保温法、复合保温系统构建，以及新材料与新设备应用等各种措施各有优缺点，合理选择和应用保温措施对人工湿地冬季的正常运行、污染物处理以及生态发展都有着至关重要的作用。在水质净化方面，各保温措施均能提升人工湿地对污染物的去除率，改善冬季水体水质状况，满足生态及用水需求。对生态系统的影响上，保温措施保障了湿地动植物栖息地的稳定并维持生物多样性，推动生态文明建设，实现生态、社会等综合效益提升。未来还需进一步探索更为优化、高效且经济的保温方案与技术组合，以推动人工湿地技术在北方更广泛的应用与发展。

参考文献

[1]左驰.改良人工湿地技术处理农村生活污水试验研究[D].西南交通大学,2021.

[2]杨月琴.人工湿地去除污水中PPCPs的现状及研究进展[J].应用化工,2018,47(09):1996-2000.

[3]杨秀敏.丛枝菌根对重金属污染土壤中玉米生长及养分吸收的影响[J].金属矿山,2016(11):173-176.

[4]仵丽洋,郝阳,温学友,等.生物脱氮新途径在人工湿地中的应用前景展望[J].河北工业科技,2021,38(06):476-485.

[5]陈心仪,吴娟,陈月,等.低温人工湿地水质净化技术研究进展[J].水处理技术,2022,48(01):7-12.

[6]景茜,国洁,罗晓,等.低温环境对人工湿地污水处理的影响与强化措施[J].煤炭与化工,2023,46(11):157-160.

[7]刘春杰.论环境工程水处理中对曝气设备的应用[J].城市建设理论研究(电子版),2017(35):192.

[8]谭月臣,姜冰冰,洪剑明.北方地区潜流人工湿地冬季保温措施的研究[J].环境科学学报,2012,32(07):1653-1661.

作者简介：龚晓倩（1996-），女，汉族，安徽六安人，硕士，初级环境工程师，研究方向：生态规划、环境咨询评估。