劉 雷，袁秀澤，李元鵬，張克峰，李 梅

(1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟南 250101；2．山東同圓集團設(shè)計有限公司，山東濟南 250101)

人工濕地作為保障水質(zhì)的重要工程措施在流域水生態(tài)保護中得到廣泛應(yīng)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(tài)不佳，直接導(dǎo)致出水水質(zhì)不達標。

人工濕地運行狀態(tài)是人工濕地在運行過程中的管理狀況、凈化水質(zhì)效果和對周圍生態(tài)環(huán)境所做貢獻的一系列狀態(tài)的綜合體現(xiàn)，包括管理狀況、出水水質(zhì)、運行處理成本和生態(tài)服務(wù)價值等方面。目前，我國對于人工濕地運行狀態(tài)評價更多的是側(cè)重于濕地所產(chǎn)效益的評價[4-7]，而對于人工濕地運行狀態(tài)的綜合評估較少。面對當前人工濕地領(lǐng)域重建設(shè)、輕管理的現(xiàn)狀，亟待建立一套完善的人工濕地運行狀態(tài)綜合評價體系，以實現(xiàn)對已建成運行人工濕地的科學(xué)管理和優(yōu)化指導(dǎo)。

1 人工濕地運行狀態(tài)綜合評價指標體系構(gòu)建

1.1評價指標體系的建立人工濕地運行狀態(tài)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(xiàn)程度。因此，根據(jù)上述評價目的，建立涵蓋管理狀況、水質(zhì)狀況、運行處理成本和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值4個方面的人工濕地運行狀態(tài)綜合評價指標體系，設(shè)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(zhì)穩(wěn)定性、植物管理、水質(zhì)檢測、堵塞管理、設(shè)備管理和冬季保溫等方面。

表1人工濕地運行狀態(tài)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(tài)綜合評價指標體系A(chǔ)Comprehensive e-valuation index system of con-structed wetland operation state管理狀況B1進水水質(zhì)穩(wěn)定性C1%植物管理C2—水質(zhì)監(jiān)測C3—堵塞管理C4—設(shè)備管理C5—冬季保溫C6%水質(zhì)狀況B2出水水質(zhì)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值B4產(chǎn)品服務(wù)C10萬元/hm2調(diào)節(jié)與維護服務(wù)價值C11萬元/hm2休閑與科研教育C12—

1.2.1.1進水水質(zhì)穩(wěn)定性。進水水質(zhì)穩(wěn)定性對人工濕地出水穩(wěn)定達標有重要影響。人工濕地實際運行過程中出水水質(zhì)不達標很多是由于進水水質(zhì)超出設(shè)計進水標準所導(dǎo)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(zhì)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(jù)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(zhì)檢測。人工濕地水質(zhì)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(jù)檢測項目數(shù)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(nèi)部顆粒間隙的沉積、生物的生長和分解等會造成基質(zhì)堵塞，堵塞后將降低污染物的去除效果，影響出水水質(zhì)。堵塞管理主要考慮廢水的預(yù)處理、基質(zhì)選擇與級配、間歇運行、水位的調(diào)節(jié)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(xiàn)程度評判。

1.2.1.5設(shè)備管理。設(shè)備管理指標包括有無專業(yè)的設(shè)備管理人員、合理使用設(shè)備、定期巡檢、定期養(yǎng)護4個方面，此指標分值由這四部分實現(xiàn)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(shù)。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(zhì)狀況。人工濕地的主要功能是凈化水質(zhì)，出水水質(zhì)狀況采用出水水質(zhì)達標率和污染物削減率來表征。

出水達標率為一年內(nèi)人工濕地出水水質(zhì)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(zhì)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(shè)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(guī)模。

1.2.4生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)價值。濕地功能的服務(wù)類型按照人類對濕地功能需求的不同，包括產(chǎn)品服務(wù)、調(diào)節(jié)與維護服務(wù)、休閑旅游和科研教育等。

1.2.4.1產(chǎn)品服務(wù)價值。采用市場價格法對產(chǎn)品服務(wù)價值[7]，包括物質(zhì)產(chǎn)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(yè)用水價格計算。產(chǎn)品服務(wù)價值計算公式如下：

T=T1+T2

(3)

式中，T1表示物質(zhì)產(chǎn)品價值；T2表示水源供給價值。

1.2.4.2調(diào)節(jié)與維護服務(wù)價值。主要包括氣候調(diào)節(jié)、蓄水調(diào)洪調(diào)節(jié)、降解污染物和生存棲息地等。

調(diào)節(jié)氣候價值采用效益轉(zhuǎn)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(diào)全天工作制冷效果，發(fā)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?shù)仉娰M，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(shù)，這里采用100 d。

蓄水調(diào)洪調(diào)節(jié)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(diào)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(shè)成本。全國水庫1 m3庫容需投入成本約為1.03元，目前國內(nèi)在此方面的研究多采用此數(shù)據(jù)。

降解污染物價值采用中國陸地濕地生態(tài)系統(tǒng)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(jù)每年游客和科研人員的來訪人數(shù)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(jù)見表3。

2 人工濕地運行狀態(tài)綜合評估方法

2.1指標權(quán)重確定層次分析法是一種常用的指標賦權(quán)方法，它可以將復(fù)雜系統(tǒng)的決策問題轉(zhuǎn)化為簡單數(shù)量化，為管理者提供依據(jù)。采用層次分析法對人工濕地運行狀態(tài)各指標進行賦權(quán)，結(jié)果見表4。

2.2綜合評價指數(shù)采用線性加權(quán)的方法設(shè)計人工濕地運行狀態(tài)綜合評價指數(shù)，具體計算公式如下：

(6)

式中，S表示人工濕地運行狀態(tài)綜合評價指數(shù)；Wi表示各項指標層指標的權(quán)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(yōu)、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(quán)重

3 典型人工濕地運行狀態(tài)綜合評估應(yīng)用

3.1人工濕地簡介該人工濕地水質(zhì)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(zhì)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(yù)強化處理床、 1個潛流池、2個表流池組成的。經(jīng)強化濕地處理水和縣城生態(tài)景觀用水匯集進入366.7 hm2表面流濕地，經(jīng)濕地自然凈化處理后，就地資源化利用和供濕地周圍生態(tài)用水。另外表面流濕地在旱季起到儲水作用，為周圍農(nóng)田提供灌溉。在洪澇季節(jié)表流濕地能夠蓄水，起到防洪排洪作用。設(shè)計出水水質(zhì)為國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類。

3.2評估原始數(shù)據(jù)及指標計算結(jié)果該次實例研究的數(shù)據(jù)來源于該人工濕地工程設(shè)計說明書、對人工濕地進出水質(zhì)實測數(shù)據(jù)以及調(diào)查問卷資料等，評價指標數(shù)據(jù)經(jīng)處理后各指標值、綜合指數(shù)值見表5。

3.3評估結(jié)果分析該人工濕地運行狀態(tài)綜合評價得分為80.84，處于優(yōu)級狀態(tài)，說明該人工濕地綜合運行狀態(tài)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(xiàn)為：①人工濕地進水波動大，導(dǎo)致人工濕地出水水質(zhì)達標率較低，沒有達到預(yù)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(dǎo)致出水水質(zhì)變差。 優(yōu)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(yīng)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(nèi)部冷熱氣體的交換。

表5 人工濕地各評價指標值

4 結(jié)論

從人工濕地運行管理水平和功能實現(xiàn)程度方面分析影響和反映人工濕地運行狀態(tài)的相關(guān)因素，提出人工濕地運行狀態(tài)綜合評價指標體系，采用線性加權(quán)法構(gòu)建綜合評價指數(shù)。通過在山東某人工濕地應(yīng)用，評估結(jié)果能夠科學(xué)客觀地反映人工濕地運行狀態(tài)，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(yōu)化提升運行水平提供決策依據(jù)。