石佛寺人工濕地水體富營養化評價與分析

周林飛，鐘 倩，董福君

（1.沈陽農業大學 水利學院，沈陽110866；2.遼寧石佛寺水庫管理局，沈陽120003）

濕地是位于陸生和水生生態系統之間的過渡性地帶，是地球生態環境的重要組成部分，具有強大的沉積和凈化作用，因此被譽為“地球之腎”。當水流入濕地之后，水中的部分污染物會隨著泥沙的沉積而沉積，濕地植物也能有效吸收水中的污染物質，達到凈化水質的目的。人工濕地是人工建造并控制其運行的濕地，與天然濕地相比，更有利于管理和控制。人工濕地不僅對有機物有較強的降解能力，對水中的富營養物質也有一定的去除效果［1］。但由于人工濕地內部水流緩慢、輸入水流營養鹽過剩、沉積到底泥中的營養鹽向水體中的再釋放、水生植物不適當管理以致腐解后釋放營養鹽等原因，容易引起濕地內水體富營養化，使其各種功能下降。因此，對人工濕地內水體富營養化狀況進行監測、評價至關重要。水體富營養化評價是建立在對水質監測基礎上的，目前水體富營養化的主要評價方法有：單一參數法、綜合指數法、普通概率統計法、主成分分析法、模糊評價法、灰色評價法和熱力學分析法等［2］。由于水質監測數據都是在有限的時間和空間范圍內得到的，具有不完全性和不確定性，符合灰色系統的特征［3－4］，因此本文采用灰色聚類法對石佛寺人工濕地進行水體富營養化評價。

1 研究區概況

石佛寺水庫位于沈陽市沈北新區黃家鄉和法庫縣依牛堡鄉境內，距沈陽市區47km，是遼河干流上唯一的一座大型控制水利工程。石佛寺人工濕地建于2009年5月，位于庫區內遼河的左岸，種植的水生植物主要包括蘆葦、蒲草和荷花。經過幾年的發展，新的水生植物不斷出現，已經形成了一個較為完善的濕地生態系統，水生植物與整個庫區水面共同構成了東北地區大型的表面流人工濕地，總面積25.05 km2。石佛寺人工濕地處于遼河沖積平原北部，其主要來水為上游的遼河水，由于遼河匯集了周邊地區排放的大量生活用水及工業廢水，當河水流經水庫后，易導致污染物在濕地內富集，造成水體富營養化。而且水生植物年復一年的腐解、釋放氮、磷等營養物質，也有可能引起水體的富營養化。

2 研究方法

2.1 監測點的布設與監測指標

濕地內共布設4個監測點，監測點1位于濕地末端的控制性建筑物泄洪閘處，屬于濕地的末端，是2009年人工濕地修建前設立的；監測點2，3，4是2009年人工濕地建成后，為監測濕地內的水質變化而設立的，分別位于濕地的進口、中間和出口，如圖1所示。監測指標包括溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、化學需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3－N）、總磷（TN）和總氮（TP）等。

圖1 石佛寺人工濕地水質監測點布置

2.2 按聚類指標所屬灰類確定白化權函數

本文將水體富營養化程度劃分為6個等級，則有6個灰類。記函數為第j個污染指標對于第k個灰類的白化權函數，（x）∈［0，1］；x為各水體富營養化指標的實測值；為白化權函數的閾值，由各級水體富營養化標準值確定。則第j個污染指標對第1級水的白化函數（x）見式（1），第j個污染指標對第k級水的白化函數（x）見式（2），第j個污染指標對第6級水的白化函數（x）見式（3）。由于DO與其他富營養指標不同，數值越大，水體富營養化程度越低。其白化函數見式（4）—（6）。

2.3 數據的量綱一化處理

在水質富營養化評價中，由于各聚類指標量級不同，單位不同，因此不能直接進行計算，必須事先對其進行量綱一化處理［5］。設為第j個污染指標對第k個灰類的無量綱數，其計算公式為：

2.4 確定聚類權

聚類權是衡量各聚類指標對同一灰類的權重。本文采用倒數法計算聚類權［6］。設為第j個污染指標對第k個灰類的權重，為第j個污染指標對第k個灰類的閥值，其計算公式為：

2.5 確定聚類系數

聚類系數是由白化函數生成得到的，反映了聚類樣本與灰類間的相關程度［7］。設為第i個聚類樣本對第k個灰類的聚類系數，其計算公式為：

2.6 構造聚類向量并確定所屬灰類

3 人工濕地水體富營養化評價

3.1 監測數據與富營養化分級標準

監測點1位于整個濕地的末端，將其2005—2008年的評價結果與2009—2012年的評價結果進行對比，分析濕地建成前后水體富營養化的變化情況。監測點2，3，4分別位于濕地的進口、中間和出口處，對2009—2012年濕地進口、中間、出口的水質進行富營養化評價，為濕地的管理與建設提供科學的依據。

選取的水體富營養監測指標有溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3－N）、總磷（TN）和總氮（TP）。參考湖泊富營養化分級標準［9］并結合濕地實際情況，將水體富營養化程度分為6個等級，具體見表1。各級的用水障礙情況如下：1級為貧營養，2級為貧中營養，3級為中營養，此三種營養狀態不會引起用水障礙情況的出現；4級為中富營養，此營養狀態下局部出現水花，對供水產生影響；5級為富營養，此營養狀態下會出現大面積水花，導致供水障礙，魚類缺氧死亡，嚴重影響觀瞻；6級為重富營養，此營養狀態下全水面出現水花，大量死魚出現，嚴重影響養殖，以及觀瞻。

3.2 數據的量綱一化處理

為了消除量綱對評價結果的影響，利用公式（7）對各項分級標準及各項監測結果進行量綱一化處理，結果見表2—4。

3.3 確定聚類權

在灰色聚類評價中，考慮到各指標的高低不同，以及在總評價中所起到的作用不同，因此需要對各評價指標給予聚類權重［10］。本文所采用的方法是倒數法，該方法所確定的聚類權為變權重，即不同的營養級別對應不同的聚類權。將表2中數據代入式（8），計算得到各指標所對應的各級的聚類權，如表5所示。

表1 石佛寺人工濕地富營養化分級標準

表2 量綱一化石佛寺人工濕地富營養化分級標準

表4 2009－2012年監測點2，3，4量綱一化富營養化監測數據 mg／L

表5 各灰類中各項評價指標的聚類權(）

表5 各灰類中各項評價指標的聚類權(）

評價指標 1級 2級 3級 4級 5級 6級DO 0.001 0.006 0.044 0.198 0.490 0.891 CODMn0.095 0.163 0.141 0.128 0.095 0.023 BOD50.121 0.069 0.127 0.098 0.100 0.024 NH3－N 0.339 0.210 0.250 0.140 0.113 0.021 TN 0.203 0.277 0.200 0.218 0.101 0.020 TP 0.242 0.275 0.238 0.217 0.101 0.020

3.4 確定聚類系數

將表3和表4中量綱一化后的富營養化監測數據代入各自的白化函數中，得出白化函數值。將表5中各項評價指標的聚類權以及得出的白化函數值代入公式（9）得出聚類系數。由于最大隸屬原則存在不適用性，因此利用式（10）分別計算級別特征值H，根據級別特征值，確定各評價對象所屬的評價級別，并對各評價對象水體是否存在用水障礙進行判定，如表6和表7所示。

4 評價結果分析

4.1 濕地水體整體富營養化狀況分析

由表6可以看出，監測點1的最終評價結果除2005年和2011年汛期級別特征值分別為3.699和3.414，屬于中偏中富營養之外，其余均為2級（貧中營養）和3級（中營養），以及1級（貧營養）和2級（貧中營養）之間、2級（貧中營養）和3級（中營養）之間；由表7可以看出，監測點2，3，4的最終評價結果，除2011年汛期出口處級別特征值為3.414，屬于中偏中富營養之外，其余均為1級（貧營養）—3級（中營養）。由此看來，石佛寺人工濕地水質狀況較好，對供水無影響，可保證安全供水，對生存于其中的魚類亦無影響，這與石佛寺人工濕地的實地調查結果及以往相關資料是一致的。

4.2 濕地對水體富營養化的影響分析

從表6監測點1的評價結果來看，濕地建成后與濕地建成前相比水體富營養化程度有所降低，但并不明顯。從監測點2（濕地進口）、監測點3（濕地中部）、監測點4（濕地出口）的水體富營養化評價結果來看，差別并不大，一方面說明水體富營養化程度低，另一方面說明這種綜合評價方法反映的是水體富營養化的綜合情況，并不能反映對單個營養物質的去除程度。要想明確石佛寺人工濕地對各營養鹽的去除效果，還須對其進行具體分析。

4.3 汛期與非汛期水體富營養化狀況比較

從4個監測點的評價結果總體看來，汛期的水體富營養級別高于非汛期，一方面是因為汛期來水量大，所帶入的營養物質多，另一方面是因為汛期也是農作物生長的季節，化肥、農藥等的施用使流域內大量的氮、磷等營養鹽隨地表徑流匯入濕地內，提高了濕地內氮、磷等的含量。

表6 2005－2012年監測點1水體富營養化評價結果

表7 2009－2012年監測點2，3，4水體富營養化評價結果

4.4 水體富營養化防治分析

在監測點1的評價結果中，處于中偏中富營養的有2個，處于3級（中營養）的有6個；在監測點2，3，4的評價結果中，處于中偏中富營養的有1個，處于3級（中營養）的有12個。雖然整體水質較好，不會出現供水障礙、影響魚類生存等現象，但也應密切關注濕地內水體營養鹽的變化情況，防止其富營養等級向4級（中營養）過渡，以確保用水安全，保證濕地生態系統的健康發展。

人工濕地對營養鹽具有去除效果，主要是因為濕地內水生植物對營養物質的吸附作用，但水生植物生長期過后腐解也會導致營養物質的再釋放，即二次污染。如表7所示，2011年汛期出口處營養級別比進口處稍有提高，可能是由二次污染引起的。因此應加強對水生植物的管理，秋季要對其進行收割，帶走營養物質。此外，要控制點源污染及面源污染。

5 結 論

合理的水體富營養化評價是對石佛寺人工濕地進行管理與治理的前提條件。將灰色聚類法應用于濕地水體富營養化評價中，建立濕地水環境綜合評價模型，不僅考慮到了水體富營養化程度的灰色性，也考慮到了系統的白化性。評價結果科學、客觀地反映了石佛寺人工濕地水體富營養化程度。

從監測點1，2，3，4的評價結果來看，除有3個處于中偏中富營養之外，其他均處于1—3級，說明水質狀況良好，不影響供水及魚類生存。灰色聚類法反映的是水體富營養化的綜合情況，并不能反映濕地對氮、磷等營養鹽去除效果的細節，明晰細節變化還需對各指標做單獨分析。對于汛期水體富營養級別高于非汛期，是因為農田施肥后，營養物質隨徑流進入濕地內部引起的。防止石佛寺人工濕地水體富營養化措施：及時對水生植物進行收割防止二次污染；控制流域內面源及點源污染。

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