人工濕地運行狀態綜合評估研究

劉 雷，袁秀澤，李元鵬，張克峰，李 梅

(1.山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南 250101；2．山東同圓集團設計有限公司，山東濟南 250101)

人工濕地作為保障水質的重要工程措施在流域水生態保護中得到廣泛應用[1-3]。隨著濕地運行時間的增加，濕地運行管理方面的問題日益突出，人工濕地運行狀態不佳，直接導致出水水質不達標。

人工濕地運行狀態是人工濕地在運行過程中的管理狀況、凈化水質效果和對周圍生態環境所做貢獻的一系列狀態的綜合體現，包括管理狀況、出水水質、運行處理成本和生態服務價值等方面。目前，我國對于人工濕地運行狀態評價更多的是側重于濕地所產效益的評價[4-7]，而對于人工濕地運行狀態的綜合評估較少。面對當前人工濕地領域重建設、輕管理的現狀，亟待建立一套完善的人工濕地運行狀態綜合評價體系，以實現對已建成運行人工濕地的科學管理和優化指導。

1 人工濕地運行狀態綜合評價指標體系構建

1.1評價指標體系的建立人工濕地運行狀態綜合評價是對人工濕地運行管理和運行效果的綜合分析，既包括人工濕地運行管理水平，又包括這種管理水平下人工濕地各種功能的實現程度。因此，根據上述評價目的，建立涵蓋管理狀況、水質狀況、運行處理成本和生態系統服務價值4個方面的人工濕地運行狀態綜合評價指標體系，設置目標層、準則層和指標層3個層次，如表1所示。

1.2評價指標含義

1.2.1管理狀況。人工濕地管理水平直接決定濕地的整體運行效果和濕地壽命，具體涉及濕地的進水水質穩定性、植物管理、水質檢測、堵塞管理、設備管理和冬季保溫等方面。

表1人工濕地運行狀態綜合評價指標體系

Table1Comprehensiveevaluationindexsystemofoperatingstateofconstructedwetlands

目標層Target layer準則層Criterion layer指標層Indicators layer單位Unit人工濕地運行狀態綜合評價指標體系AComprehensive e-valuation index system of con-structed wetland operation state管理狀況B1進水水質穩定性C1%植物管理C2—水質監測C3—堵塞管理C4—設備管理C5—冬季保溫C6%水質狀況B2出水水質達標率C7%污染物削減率C8%運行處理成本B3運營成本C9元/m3生態系統服務價值B4產品服務C10萬元/hm2調節與維護服務價值C11萬元/hm2休閑與科研教育C12—

1.2.1.1進水水質穩定性。進水水質穩定性對人工濕地出水穩定達標有重要影響。人工濕地實際運行過程中出水水質不達標很多是由于進水水質超出設計進水標準所導致的。

1.2.1.2植物管理。植物是人工濕地的重要組成部分，是凈化水質的核心單元。人工濕地植物的管理包括定期巡檢、水位控制、除雜草情況、補植、修剪和冬季收割等6個具體因素，各因素賦分依據如表2所示。植物管理指標分值為6個因素賦分的平均值。

1.2.1.3水質檢測。人工濕地水質檢測指標主要包括水量、溫度、溶解氧、pH、COD、氨氮、總氮、總磷、硝酸鹽、重金屬等，此指標賦值根據檢測項目數量確定。

表2 濕地植物管理評價指標賦分標準

1.2.1.4堵塞管理。濕地運行過程中，有機固體物在填料內部顆粒間隙的沉積、生物的生長和分解等會造成基質堵塞，堵塞后將降低污染物的去除效果，影響出水水質。堵塞管理主要考慮廢水的預處理、基質選擇與級配、間歇運行、水位的調節控制、植物的定期收割以及定期反沖洗等因素，此指標分值由上述因素的實現程度評判。

1.2.1.5設備管理。設備管理指標包括有無專業的設備管理人員、合理使用設備、定期巡檢、定期養護4個方面，此指標分值由這四部分實現程度評判。

1.2.1.6冬季保溫。溫度是影響人工濕地運行效率的重要參數。冬季溫度低，微生物活性下降，植物生物量減少，會大大降低人工濕地的凈化效果。常用的保溫措施包括植物保溫隔離措施、冰雪覆蓋組合保溫隔離措施、地膜保溫隔離措施等。

1.2.2水質狀況。人工濕地的主要功能是凈化水質，出水水質狀況采用出水水質達標率和污染物削減率來表征。

出水達標率為一年內人工濕地出水水質滿足排放要求的比例。

污染物削減率為COD、氨氮、總氮、總磷4個污染物削減的比例，最后分值是4個因子得分的平均值，當污染物削減率分別為≥80、60～80、40～60、20～40、<20時，水質的分值分別為100、80、60、40、20分。

1.2.3運行處理成本。人工濕地的運行處理成本主要包括運行過程中的設備檢修費用、管理人員薪資費用、潛流濕地清淤治堵費和電費等，此指標以噸水運行處理費用來判斷，計算公式如下：

(1)

C=R/Q

(2)

式中，R為運行處理成本，Ri為i項的費用，Q表示人工濕地處理規模。

1.2.4生態服務系統價值。濕地功能的服務類型按照人類對濕地功能需求的不同，包括產品服務、調節與維護服務、休閑旅游和科研教育等。

1.2.4.1產品服務價值。采用市場價格法對產品服務價值[7]，包括物質產品價值和水源供給價值進行估算。水源供給價值按照山東省工業用水價格計算。產品服務價值計算公式如下：

T=T1+T2

(3)

式中，T1表示物質產品價值；T2表示水源供給價值。

1.2.4.2調節與維護服務價值。主要包括氣候調節、蓄水調洪調節、降解污染物和生存棲息地等。

調節氣候價值采用效益轉移測算。1 hm2濕地植被在夏季吸收的熱量相當于189臺1 kW的空調全天工作制冷效果，發揮作用時間一般為100 d，具體計算公式如下[8]：

V=189×24×A×S×D

(4)

式中，A表示當地電費，單位為元/(kW·h)；S表示人工濕地的面積，單位為1 hm2；D表示工作天數，這里采用100 d。

蓄水調洪調節采用影子工程法測算，即用建造相同庫容的水庫工程費用來作為濕地調洪蓄水的價值。計算公式如下：

Q=V×P

(5)

式中，V為蓄水體積，P為單位庫容建設成本。全國水庫1 m3庫容需投入成本約為1.03元，目前國內在此方面的研究多采用此數據。

降解污染物價值采用中國陸地濕地生態系統廢物處理功能的單位面積價值16 086.60元/(hm2·a)測算[9]。

生存棲息地價值采用全球濕地生物多樣性價值估算標準2 056.83元/hm2計算[10]。

1.2.4.3旅游休閑和科研教育價值。人工濕地具有一定的休閑旅游和科研教育價值，可根據每年游客和科研人員的來訪人數多少確定。

1.3評價指標賦分標準各評價指標具體賦分依據見表3。

2 人工濕地運行狀態綜合評估方法

2.1指標權重確定層次分析法是一種常用的指標賦權方法，它可以將復雜系統的決策問題轉化為簡單數量化，為管理者提供依據。采用層次分析法對人工濕地運行狀態各指標進行賦權，結果見表4。

2.2綜合評價指數采用線性加權的方法設計人工濕地運行狀態綜合評價指數，具體計算公式如下：

(6)

式中，S表示人工濕地運行狀態綜合評價指數；Wi表示各項指標層指標的權重；ai表示各項指標層指標評分。

人工濕地綜合評價分級分別為優、良、中等、差、極差，其評分分析為80≤S≤100、60≤S<80、40≤S<60、20≤S<40、S<20。

表3 評價指標賦分標準

表4 人工濕地綜合評價體系各指標權重

3 典型人工濕地運行狀態綜合評估應用

3.1人工濕地簡介該人工濕地水質凈化工程日處理污水量10萬m3，是將上游河水和縣城污水處理廠出水進一步凈化處理，該人工濕地水質凈化工程由16.0 hm2強化處理濕地和366.7 hm2表流濕地兩部分組成。其中強化處理濕地是由5個單元預強化處理床、 1個潛流池、2個表流池組成的。經強化濕地處理水和縣城生態景觀用水匯集進入366.7 hm2表面流濕地，經濕地自然凈化處理后，就地資源化利用和供濕地周圍生態用水。另外表面流濕地在旱季起到儲水作用，為周圍農田提供灌溉。在洪澇季節表流濕地能夠蓄水，起到防洪排洪作用。設計出水水質為國家《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類。

3.2評估原始數據及指標計算結果該次實例研究的數據來源于該人工濕地工程設計說明書、對人工濕地進出水質實測數據以及調查問卷資料等，評價指標數據經處理后各指標值、綜合指數值見表5。

3.3評估結果分析該人工濕地運行狀態綜合評價得分為80.84，處于優級狀態，說明該人工濕地綜合運行狀態良好。但對各評價指標分析可知，該人工濕地在運行過程中仍存在一定問題，主要表現為：①人工濕地進水波動大，導致人工濕地出水水質達標率較低，沒有達到預期的處理效果。②人工濕地在冬季運行的保溫措施單一，且有部分的濕地保溫措施不到位，導致出水水質變差。 優化措施如下：①嚴格控制進水污染物的濃度，此濕地水源為上游河流及污水廠出水，應加強河流的治理工作和河流沿岸污染防治和控制；②采取多種保溫措施，如可以利用冬天的積雪，覆蓋在濕地表面，達到保溫效果；也可以人為在人工濕地表面覆蓋薄膜，減少濕地內部冷熱氣體的交換。

表5 人工濕地各評價指標值

4 結論

從人工濕地運行管理水平和功能實現程度方面分析影響和反映人工濕地運行狀態的相關因素，提出人工濕地運行狀態綜合評價指標體系，采用線性加權法構建綜合評價指數。通過在山東某人工濕地應用，評估結果能夠科學客觀地反映人工濕地運行狀態，并揭示人工濕地運行過程中存在的主要問題，為人工濕地綜合管理和優化提升運行水平提供決策依據。