周林飛，鐘 倩，董福君

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽(yáng)110866；2.遼寧石佛寺水庫(kù)管理局，沈陽(yáng)120003）

濕地是位于陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡性地帶，是地球生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，具有強(qiáng)大的沉積和凈化作用，因此被譽(yù)為“地球之腎”。當(dāng)水流入濕地之后，水中的部分污染物會(huì)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(zhì)，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。人工濕地是人工建造并控制其運(yùn)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(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的降解能力，對(duì)水中的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也有一定的去除效果［1］。但由于人工濕地內(nèi)部水流緩慢、輸入水流營(yíng)養(yǎng)鹽過剩、沉積到底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽向水體中的再釋放、水生植物不適當(dāng)管理以致腐解后釋放營(yíng)養(yǎng)鹽等原因，容易引起濕地內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化，使其各種功能下降。因此，對(duì)人工濕地內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)至關(guān)重要。水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)是建立在對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上的，目前水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要評(píng)價(jià)方法有：?jiǎn)我粎?shù)法、綜合指數(shù)法、普通概率統(tǒng)計(jì)法、主成分分析法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色評(píng)價(jià)法和熱力學(xué)分析法等［2］。由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都是在有限的時(shí)間和空間范圍內(nèi)得到的，具有不完全性和不確定性，符合灰色系統(tǒng)的特征［3－4］，因此本文采用灰色聚類法對(duì)石佛寺人工濕地進(jìn)行水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

石佛寺水庫(kù)位于沈陽(yáng)市沈北新區(qū)黃家鄉(xiāng)和法庫(kù)縣依牛堡鄉(xiāng)境內(nèi)，距沈陽(yáng)市區(qū)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(kù)區(qū)內(nèi)遼河的左岸，種植的水生植物主要包括蘆葦、蒲草和荷花。經(jīng)過幾年的發(fā)展，新的水生植物不斷出現(xiàn)，已經(jīng)形成了一個(gè)較為完善的濕地生態(tài)系統(tǒng)，水生植物與整個(gè)庫(kù)區(qū)水面共同構(gòu)成了東北地區(qū)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(lái)水為上游的遼河水，由于遼河匯集了周邊地區(qū)排放的大量生活用水及工業(yè)廢水，當(dāng)河水流經(jīng)水庫(kù)后，易導(dǎo)致污染物在濕地內(nèi)富集，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。而且水生植物年復(fù)一年的腐解、釋放氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也有可能引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化。

2 研究方法

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)與監(jiān)測(cè)指標(biāo)

濕地內(nèi)共布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shè)立的；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，3，4是2009年人工濕地建成后，為監(jiān)測(cè)濕地內(nèi)的水質(zhì)變化而設(shè)立的，分別位于濕地的進(jìn)口、中間和出口，如圖1所示。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學(xué)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(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 按聚類指標(biāo)所屬灰類確定白化權(quán)函數(shù)

本文將水體富營(yíng)養(yǎng)化程度劃分為6個(gè)等級(jí)，則有6個(gè)灰類。記函數(shù)為第j個(gè)污染指標(biāo)對(duì)于第k個(gè)灰類的白化權(quán)函數(shù)，（x）∈［0，1］；x為各水體富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；為白化權(quán)函數(shù)的閾值，由各級(jí)水體富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)值確定。則第j個(gè)污染指標(biāo)對(duì)第1級(jí)水的白化函數(shù)（x）見式（1），第j個(gè)污染指標(biāo)對(duì)第k級(jí)水的白化函數(shù)（x）見式（2），第j個(gè)污染指標(biāo)對(duì)第6級(jí)水的白化函數(shù)（x）見式（3）。由于DO與其他富營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)不同，數(shù)值越大，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度越低。其白化函數(shù)見式（4）—（6）。

2.3 數(shù)據(jù)的量綱一化處理

在水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中，由于各聚類指標(biāo)量級(jí)不同，單位不同，因此不能直接進(jìn)行計(jì)算，必須事先對(duì)其進(jìn)行量綱一化處理［5］。設(shè)為第j個(gè)污染指標(biāo)對(duì)第k個(gè)灰類的無(wú)量綱數(shù)，其計(jì)算公式為：

2.4 確定聚類權(quán)

聚類權(quán)是衡量各聚類指標(biāo)對(duì)同一灰類的權(quán)重。本文采用倒數(shù)法計(jì)算聚類權(quán)［6］。設(shè)為第j個(gè)污染指標(biāo)對(duì)第k個(gè)灰類的權(quán)重，為第j個(gè)污染指標(biāo)對(duì)第k個(gè)灰類的閥值，其計(jì)算公式為：

2.5 確定聚類系數(shù)

聚類系數(shù)是由白化函數(shù)生成得到的，反映了聚類樣本與灰類間的相關(guān)程度［7］。設(shè)為第i個(gè)聚類樣本對(duì)第k個(gè)灰類的聚類系數(shù)，其計(jì)算公式為：

2.6 構(gòu)造聚類向量并確定所屬灰類

3 人工濕地水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位于整個(gè)濕地的末端，將其2005—2008年的評(píng)價(jià)結(jié)果與2009—2012年的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析濕地建成前后水體富營(yíng)養(yǎng)化的變化情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，3，4分別位于濕地的進(jìn)口、中間和出口處，對(duì)2009—2012年濕地進(jìn)口、中間、出口的水質(zhì)進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，為濕地的管理與建設(shè)提供科學(xué)的依據(jù)。

選取的水體富營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)有溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（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(yíng)養(yǎng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［9］并結(jié)合濕地實(shí)際情況，將水體富營(yíng)養(yǎng)化程度分為6個(gè)等級(jí)，具體見表1。各級(jí)的用水障礙情況如下：1級(jí)為貧營(yíng)養(yǎng)，2級(jí)為貧中營(yíng)養(yǎng)，3級(jí)為中營(yíng)養(yǎng)，此三種營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)不會(huì)引起用水障礙情況的出現(xiàn)；4級(jí)為中富營(yíng)養(yǎng)，此營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下局部出現(xiàn)水花，對(duì)供水產(chǎn)生影響；5級(jí)為富營(yíng)養(yǎng)，此營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)大面積水花，導(dǎo)致供水障礙，魚類缺氧死亡，嚴(yán)重影響觀瞻；6級(jí)為重富營(yíng)養(yǎng)，此營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下全水面出現(xiàn)水花，大量死魚出現(xiàn)，嚴(yán)重影響?zhàn)B殖，以及觀瞻。

3.2 數(shù)據(jù)的量綱一化處理

為了消除量綱對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，利用公式（7）對(duì)各項(xiàng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及各項(xiàng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行量綱一化處理，結(jié)果見表2—4。

3.3 確定聚類權(quán)

在灰色聚類評(píng)價(jià)中，考慮到各指標(biāo)的高低不同，以及在總評(píng)價(jià)中所起到的作用不同，因此需要對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)給予聚類權(quán)重［10］。本文所采用的方法是倒數(shù)法，該方法所確定的聚類權(quán)為變權(quán)重，即不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)別對(duì)應(yīng)不同的聚類權(quán)。將表2中數(shù)據(jù)代入式（8），計(jì)算得到各指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的各級(jí)的聚類權(quán)，如表5所示。

表1 石佛寺人工濕地富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 量綱一化石佛寺人工濕地富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 2009－2012年監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，3，4量綱一化富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mg／L

表5 各灰類中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的聚類權(quán)(）

表5 各灰類中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的聚類權(quán)(）

評(píng)價(jià)指標(biāo) 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) 5級(jí) 6級(jí)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(shù)

將表3和表4中量綱一化后的富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代入各自的白化函數(shù)中，得出白化函數(shù)值。將表5中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的聚類權(quán)以及得出的白化函數(shù)值代入公式（9）得出聚類系數(shù)。由于最大隸屬原則存在不適用性，因此利用式（10）分別計(jì)算級(jí)別特征值H，根據(jù)級(jí)別特征值，確定各評(píng)價(jià)對(duì)象所屬的評(píng)價(jià)級(jí)別，并對(duì)各評(píng)價(jià)對(duì)象水體是否存在用水障礙進(jìn)行判定，如表6和表7所示。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

4.1 濕地水體整體富營(yíng)養(yǎng)化狀況分析

由表6可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的最終評(píng)價(jià)結(jié)果除2005年和2011年汛期級(jí)別特征值分別為3.699和3.414，屬于中偏中富營(yíng)養(yǎng)之外，其余均為2級(jí)（貧中營(yíng)養(yǎng)）和3級(jí)（中營(yíng)養(yǎng)），以及1級(jí)（貧營(yíng)養(yǎng)）和2級(jí)（貧中營(yíng)養(yǎng)）之間、2級(jí)（貧中營(yíng)養(yǎng)）和3級(jí)（中營(yíng)養(yǎng)）之間；由表7可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，3，4的最終評(píng)價(jià)結(jié)果，除2011年汛期出口處級(jí)別特征值為3.414，屬于中偏中富營(yíng)養(yǎng)之外，其余均為1級(jí)（貧營(yíng)養(yǎng)）—3級(jí)（中營(yíng)養(yǎng)）。由此看來(lái)，石佛寺人工濕地水質(zhì)狀況較好，對(duì)供水無(wú)影響，可保證安全供水，對(duì)生存于其中的魚類亦無(wú)影響，這與石佛寺人工濕地的實(shí)地調(diào)查結(jié)果及以往相關(guān)資料是一致的。

4.2 濕地對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響分析

從表6監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，濕地建成后與濕地建成前相比水體富營(yíng)養(yǎng)化程度有所降低，但并不明顯。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)2（濕地進(jìn)口）、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3（濕地中部）、監(jiān)測(cè)點(diǎn)4（濕地出口）的水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，差別并不大，一方面說(shuō)明水體富營(yíng)養(yǎng)化程度低，另一方面說(shuō)明這種綜合評(píng)價(jià)方法反映的是水體富營(yíng)養(yǎng)化的綜合情況，并不能反映對(duì)單個(gè)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除程度。要想明確石佛寺人工濕地對(duì)各營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果，還須對(duì)其進(jìn)行具體分析。

4.3 汛期與非汛期水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況比較

從4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果總體看來(lái)，汛期的水體富營(yíng)養(yǎng)級(jí)別高于非汛期，一方面是因?yàn)檠雌趤?lái)水量大，所帶入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)多，另一方面是因?yàn)檠雌谝彩寝r(nóng)作物生長(zhǎng)的季節(jié)，化肥、農(nóng)藥等的施用使流域內(nèi)大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽隨地表徑流匯入濕地內(nèi)，提高了濕地內(nèi)氮、磷等的含量。

表6 2005－2012年監(jiān)測(cè)點(diǎn)1水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果

表7 2009－2012年監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，3，4水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果

4.4 水體富營(yíng)養(yǎng)化防治分析

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的評(píng)價(jià)結(jié)果中，處于中偏中富營(yíng)養(yǎng)的有2個(gè)，處于3級(jí)（中營(yíng)養(yǎng)）的有6個(gè)；在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，3，4的評(píng)價(jià)結(jié)果中，處于中偏中富營(yíng)養(yǎng)的有1個(gè)，處于3級(jí)（中營(yíng)養(yǎng)）的有12個(gè)。雖然整體水質(zhì)較好，不會(huì)出現(xiàn)供水障礙、影響魚類生存等現(xiàn)象，但也應(yīng)密切關(guān)注濕地內(nèi)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的變化情況，防止其富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)向4級(jí)（中營(yíng)養(yǎng)）過渡，以確保用水安全，保證濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

人工濕地對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽具有去除效果，主要是因?yàn)闈竦貎?nèi)水生植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸附作用，但水生植物生長(zhǎng)期過后腐解也會(huì)導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的再釋放，即二次污染。如表7所示，2011年汛期出口處營(yíng)養(yǎng)級(jí)別比進(jìn)口處稍有提高，可能是由二次污染引起的。因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水生植物的管理，秋季要對(duì)其進(jìn)行收割，帶走營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外，要控制點(diǎn)源污染及面源污染。

5 結(jié) 論

合理的水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)是對(duì)石佛寺人工濕地進(jìn)行管理與治理的前提條件。將灰色聚類法應(yīng)用于濕地水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中，建立濕地水環(huán)境綜合評(píng)價(jià)模型，不僅考慮到了水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的灰色性，也考慮到了系統(tǒng)的白化性。評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)、客觀地反映了石佛寺人工濕地水體富營(yíng)養(yǎng)化程度。

從監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，2，3，4的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，除有3個(gè)處于中偏中富營(yíng)養(yǎng)之外，其他均處于1—3級(jí)，說(shuō)明水質(zhì)狀況良好，不影響供水及魚類生存?；疑垲惙ǚ从车氖撬w富營(yíng)養(yǎng)化的綜合情況，并不能反映濕地對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽去除效果的細(xì)節(jié)，明晰細(xì)節(jié)變化還需對(duì)各指標(biāo)做單獨(dú)分析。對(duì)于汛期水體富營(yíng)養(yǎng)級(jí)別高于非汛期，是因?yàn)檗r(nóng)田施肥后，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨徑流進(jìn)入濕地內(nèi)部引起的。防止石佛寺人工濕地水體富營(yíng)養(yǎng)化措施：及時(shí)對(duì)水生植物進(jìn)行收割防止二次污染；控制流域內(nèi)面源及點(diǎn)源污染。

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