徐慧嫻， 李鋒民， 盧　倫， 伍　淼

(中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

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人工濕地綜合評價指標體系?

徐慧嫻， 李鋒民??， 盧倫， 伍淼

(中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

為了將污水處理和環(huán)境生態(tài)有機地結合起來，在有效處理污水的同時美化環(huán)境，創(chuàng)造生態(tài)景觀，帶來環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，本文運用綜合指標評價及層次分析法，根據(jù)人工濕地的特點，提出并建立了適合評價人工濕地綜合指標體系。建立的評價指標包括選址適宜性、構建、運行效果與管理、成本費用分析、生態(tài)系統(tǒng)服務價值、社會效益6項一級指標，及對應的20個二級指標。并按5分制標準，制定了綜合打分的原則，從而構建了人工濕地評價指標體系。

人工濕地； 綜合評價； 指標體系； 層次分析法； 生態(tài)系統(tǒng)服務價值

引用格式：徐慧嫻， 李鋒民， 盧倫， 等. 人工濕地綜合評價指標體系[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版), 2016, 46(10)： 106-115.

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人工濕地是指人為構筑的、具有可控制性和工程化特點的主要用于污水處理的濕地系統(tǒng)。它是模擬自然濕地結構與功能的復合體，利用系統(tǒng)中基質-水生植物-微生物的物理、化學、生物三重協(xié)同作用，通過基質過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解對污水進行高效凈化[1]。人工濕地是1970年代發(fā)展起來的一種新型污水處理技術，與傳統(tǒng)的二級處理技術相比，具有建設運行費用低、耗能少、出水水質好、運行管理方便、有較高的氮、磷去除能力以及生態(tài)環(huán)境效益顯著并實現(xiàn)廢水資源化等特點[2]。同時，人工濕地將廢水凈化和生態(tài)環(huán)境保護有機地結合起來，在有效凈化廢水的同時也美化了生態(tài)環(huán)境，創(chuàng)造了獨特的生態(tài)景觀，帶來了生態(tài)效益和一定的經(jīng)濟效益。人工濕地以特有的優(yōu)勢受到人們的關注，并廣泛地應用于處理生活污水、工業(yè)污水、礦山及石油開采廢水等行業(yè)中。

人工濕地評價是一個非常復雜的問題，涉及地理、生物、水文、氣候、地質等許多學科，不同的評價要求，衡量指標和標準也不盡相同。美國、歐盟與有關國際機構在濕地功能評價方面開展了許多研究工作，開發(fā)了諸如水文地貌法、生境評估法、快速評價法等濕地功能評價方法[3-6]，但迄今為止并未建立一種得到大家廣泛認可的評價指標、理論和方法體系。中國濕地功能評價研究尚在起步階段，濕地評價開展得較少，且多為定性評價[7-9]。由于人工濕地應用初期主要用于污水處理，因此對人工濕地的評價大多局限于對其少數(shù)功能的研究[10]，而對人工濕地綜合評價的研究很少。中國學者董金凱等[11]認為，人工濕地具有凈化污水、物質資料生產(chǎn)、調節(jié)微氣候、降低噪音、休閑娛樂、文化科研教育等生態(tài)系統(tǒng)服務功能；王淑軍等人[12]將臨沂市武河人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值分為設計價值和非設計價值，并得出武河濕地每年貢獻的總價值為11 424萬元。沈萬斌等人[13]提出人工濕地價值體系，認為人工濕地價值由環(huán)境經(jīng)濟價值和成本價值組成，環(huán)境經(jīng)濟價值由環(huán)境容量價值、資源價值和社會價值組成，成本價值由維護價值和人工改造價值組成，以沈陽馬官橋人工濕地為例，計算其總價值與總效益，并得到部分學者的認可。Z.M.Chen等[14]對北京長島人工濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務凈值做了評估，認為生態(tài)系統(tǒng)服務凈值等于生態(tài)系統(tǒng)服務價值與生態(tài)系統(tǒng)服務價值之差。張依然等人[15]從生態(tài)特征與功能、水質凈化功能及經(jīng)濟社會功能三個方面對新薛河人工濕地進行評價，得出新薛河人工濕地可持續(xù)指數(shù)為“良”。由此看來，國內學者對人工濕地的評價主要側重于人工濕地工程的經(jīng)濟效益，對人工濕地的綜合狀況評價鮮有報道。建立一套較全面的適合人工濕地的綜合評價指標體系，對于評價人工濕地建設、運行、管理具有重要意義，對于人工濕地的管理和長期可持續(xù)運行也具有重要意義。

目前針對濕地評價的方法包括層次分析法和綜合評價法，層次分析法是一種有效的系統(tǒng)分析和決策分析方法，在濕地評價過程中得到廣泛應用[16]。綜合評價法可以綜合大量的復雜因素進行綜合分析，運用不同尺度信息的多項指標對生態(tài)系統(tǒng)進行綜合評價，從生態(tài)系統(tǒng)結構和功能度量建立指標體系[17]。針對中國人工濕地不同的特征和管理的不同標準要求，基于文獻查閱與總結的基礎上，借鑒了國內外相關濕地評價研究的指標，從人工濕地的選址適宜性、構建、運行效果和管理、成本費用分析、生態(tài)系統(tǒng)服務價值、社會效益等多個方面進行分析，初步提出一個客觀和綜合的指標體系。

1　評價指標體系建立及標準化處理

構建指標體系的基本原則包括綜合性原則、整體性原則、可操作性原則、個性化原則、定量與定性相結合的原則。根據(jù)此原則，參考國內外對相關案例評價的各種方法，結合人工濕地建設的自然生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟狀況，將人工濕地綜合評價指標體系分為三層：第一層是目標層，即人工濕地綜合評價；第二層是一級指標，分為選址適宜性、構建、運行效果與管理、成本費用分析、生態(tài)系統(tǒng)服務價值和社會效益；第三層是二級指標，即每個一級指標由哪些具體指標來表達，共分為20項(見圖1)。

圖1　人工濕地評價指標體系結構圖Fig.1　System structure of constructed wetland comprehensible assessment index

1.1 選址適宜性

人工濕地所在地址的物理、化學和生物環(huán)境條件對濕地系統(tǒng)影響巨大。當建設人工濕地時，諸多條件如氣候、地理、地表水、土壤、降雨、生物、社會經(jīng)濟因素都應該被考慮進去[18]。若缺乏對建設人工濕地的適宜性分析和區(qū)域規(guī)劃，不適宜地段盲目的建立人工濕地系統(tǒng)，則會出現(xiàn)較多的問題，尤其是因選址不當使得濕地的處理效果不好，以至于廢棄等問題。這些問題制約了人工濕地系統(tǒng)的推廣和應用，因此對地人工濕地進行選址適宜性分析是十分有必要的。影響人工濕地的選址的因素主要包括地形坡度、土壤、年均溫度、年降雨量，與污水處理廠和河道的位置關系[19-22]。地形坡度、土壤、年均溫度、年降雨量使用定量評價方法，與污水處理廠和河道的位置關系使用定性評價法。評分梯度根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)劃分，具體評分如表1所示，評分結果在某個范圍內時候，取值不含最高值。

1.2 構建

人工濕地的構建應考慮池體、植物、填料、防滲和通氣、集配水系統(tǒng)等方面的內容。對人工濕地構建方面的評價包括四個部分，分別是池體設計、植物設計、填料設計、工程完備性。

池體設計主要包括單元面積、長寬比、水力坡度、水深的設計[23]。該指標評價標準的劃分依據(jù)單元面積、長寬比，水力坡度、水深4個因素的實現(xiàn)程度，參數(shù)見表2[24]。

植物是人工濕地的重要組成部分，對人工濕地的凈化能起到重要作用[25]。人工濕地植物的選擇應考慮植物的適應性、耐污能力、凈化能力、根系、經(jīng)濟和觀賞價值以及物種間的合理搭配等原則[26]。常見的可以作為人工濕地植物如表3所示。該項評分包括適配植物、種植密度、植物蓋度，種植密度指標分級標準按照實際情況中處于種植密度要求范圍的植物種類占所有種類植物的比重確定。具體評分如表4所示，最后分值由3個因素平均所得。

表1　人工濕地評價指標分級標準Table 1　Rating system of constructed wetland assessment index

Note:①Site selection;②Building;③Operation and management;④Cost analysis;⑤Ecosystem services value;⑥Social benefits

表2　人工濕地池體幾何尺寸設計Table 2　Constructed wetland pond design

表3　人工濕地適配植物Table 3　Plants in constructed wetland

Note：①Terrestrial plant；②Hygrophyte；③Emergent aquatic plant；④Submerged plant；⑤Floating-leaved macrophyte；⑥Floating plant

表4　人工濕地植物設計評價指標分級標準Table 4　Rating system of constructed wetland plant assessment index　/%

Note: ①Plants；②Pant density；③Plant coverage

填料是人工濕地廢水處理系統(tǒng)的重要組成成分之一，對去除污水中的污染物起著非常重要的作用[18]。人工濕地填料一般由土壤、細砂、粗砂、礫石、碎瓦片、粉煤灰、泥炭、頁巖、鋁礬土、膨潤土、沸石等介質的一種或幾種所構成，多種材料包括土壤、砂子、礦物、有機物料以及工業(yè)副產(chǎn)品如爐渣、鋼渣和粉煤灰等都可作為人工濕地基質。在選擇填料的過程中應該充分考慮其微觀特性及物化性質，如礦物組分、吸附性、微生物附著性、經(jīng)濟性等方面[27]。該項評分包括填料種類、有效粒徑、填料厚度、孔隙率，具體評分標準如表5所示，最終分值由四個因素加權平均所得。

表5　人工濕地填料設計評價指標分級標準Table 5　Rating system of constructed wetlandmatrix design assessment index

Note: ①Filter types；；②Effectivesize；③Matrixthickness；④Porosity

人工濕地構建還包括輔助工程、附屬設施、集配水裝置、防滲層，通氣裝置。該項評分主要使用的方法是根據(jù)人工濕地含有這些設施的健全程度來判斷(見表1)。

1.3 運行效果與管理

人工濕地設計的首要目的是處理各種來源的污水，達到標準或者規(guī)范要求的水質而排放。而管理對保障人工濕地的正常運行具有重要意義。人工濕地運行效果和管理主要包括水力停留時間，出水水質、管理運行體系完備性。

水力停留時間是人工濕地污水處理系統(tǒng)重要的設計參數(shù)之一，直接影響處理效果。從總處理效果出發(fā)，不同的污染物和具體條件，停留時間有最佳的選擇[28]。該項指標由理論水力停留時間與實際停留時間的比值的絕對值確定。該項指標計算公式如下：

式中：R為比值；t1為設計水力停留時間；t2實際停留時間。

人工濕地對有機污染物以及SS均有較好的凈化效果，同時，對于N、P也有較大的去除率，能滿足地表水環(huán)境質量標準。本文采用綜合污染指數(shù)法進行計算[29]，選取5項指標作為評價因子，即：化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、溶解氧(DO)，計算依據(jù)是《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)Ⅳ類標準，其計算公式如下：

式中：P為綜合污染指數(shù)；Pi為i項污染物的污染指數(shù)；n為選取污染指標的項數(shù)，本文中選取5項；Ci為i項污染指標的年平均濃度值；Si為i項污染指標的評價標準值。具體指標分級如表1所示。

科學的運行管理不僅可以保證人工濕地工程對污染物高效、穩(wěn)定的去除效果，增加人工濕地的使用壽命，同時通過適當?shù)墓芾砭S護措施，可以解決人工濕地帶來的一些生態(tài)問題，充分發(fā)揮其美化生態(tài)環(huán)境、豐富動植物種的作用[30]。人工濕地完整的運行體系包括4個重要的內容，管理體制、進行管理事項(水位控制、日常監(jiān)測、填料堵塞管理、植物收割、蚊蠅控制、冬季保溫等)、充足管理人員、充足運行資金。此項分值由這四部分實現(xiàn)程度評判。

1.4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值

人工濕地廢水處理效果好，將整個污水處理過程融入到周圍生態(tài)環(huán)境之中[31]。除此之外，人工濕地還能固碳釋氧，調節(jié)微氣候，能滯沙阻塵、凈化空氣，能降低噪音、殺滅病菌，從而為居民提供更舒適的生活環(huán)境[32-33]。人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值包括使用價值和非使用價值，文獻總結人工濕地使用價值包括物質生產(chǎn)、水質凈化、調蓄洪水、調節(jié)大氣組分、調節(jié)氣候、休閑娛樂、文化科研等價值。每種生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算方法如表6所示，使用價值為七項價值之和，非使用價值利用條件價值法計算。陳仲新等在2000年等估算中國單位面積濕地生態(tài)系統(tǒng)的平均價值為168 754元/hm2[34]，與2000年相比，2014年全國居民消費價格指數(shù)為139.8元[35]，因此得出目前濕地生態(tài)系統(tǒng)平均價值為235 969元/hm2，為方便操作，本文人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值取240 000元/hm2進行比較。

表6　人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估方法Table 6　Economic valuation methods of constructed wetlandecosystem services

1.5 成本費用分析

人們在選擇和設計污水處理工藝時必須考慮工程造價和運行費用等問題，目前在中國有關人工濕地建設費用方面的實際數(shù)據(jù)或報道較少。在國外，已投入運行的人工濕地工程造價和運行費用由于各系統(tǒng)因地而異而導致差別較大，但總體上人工濕地處理系統(tǒng)運行的平均費用僅為傳統(tǒng)二級污水處理廠的1/10～1/2[36]。人工濕地工程費用包括土地征用費、人工濕地處理設施建設費用、截污管渠建設費用、植物種植與系統(tǒng)調試費用；人工濕地運行與維護費用包括常年維護人工費(C1)、常年維護的材料消耗和植物種苗補充費(C2)、檢修、事故處理和不可預見費(C3)。

V=TV/Q,

C=(C1+C2+C3)/Q。

式中:V表示噸水投資；TV表示總投資；Q表示人工濕地處理規(guī)模；C表示運行費用。噸水投資、運行費用都取污水處理廠的1/10和1/2作為梯度值，建設費用、運行費用公式參照2010年劉杰得出的公式[37]，其中噸水處理規(guī)模取5萬t，與2010年相比，2015年固定資產(chǎn)投資價格指數(shù)約為108.6元[35]，計算得出噸水投資應在150和800元/m3之間。運行費用應在0.06和0.3元/m3之間。具體評分范圍如表1所示。

1.6 社會影響

人工濕地處理系統(tǒng)要求自然、經(jīng)濟和社會3個方面因素相平衡，除要考慮其生態(tài)效益外，還應滿足市民一定的社會需求。人工濕地處理系統(tǒng)的建設增加了城市的景觀面積，使自然水景與人工水景相互交融，讓更多當?shù)鼐用裼H近自然，享受自然，所以它在美化生態(tài)環(huán)境、提供休閑娛樂場所方面有著不可取代的社會效益[38]。另外，人工濕地處理系統(tǒng)還可以為教育和科研提供對象、材料和試驗基地，從而在教育和科研中發(fā)揮相當重要的作用。人工濕地建設可以提高居民的濕地保護意識，公眾滿意度，這部分可以采用問卷調查或者訪談法。人工濕地建設運行過程中也帶來了大量的就業(yè)機會，該項使用定性評價方法(見表1)。

2　評價方法

2.1 評價指標權重

評價指標權重反映了各個因子對整體評價對象的貢獻大小。為了避免評價過程出現(xiàn)的主觀性和片面性等問題，應該選擇科學方法來確定各個指標的權重，如采用因子分析法、實證權重法或者層次分析法等方法。本研究中將采用層次分析法[34]。

設計調查問卷，本文一份問卷中一共包括7個表格，用1～9等數(shù)字來表示各個指標間的相對重要程度，專家填寫問卷，對同一級的指標進行兩兩比較，構造判斷矩陣B，共7個，對矩陣進行計算，矩陣B的最大特征根所對應的特征向量即為各指標的權重向量，對特征向量中各值進行歸一化處理后即得各指標的權重，最后進行一致性檢驗，一致性比例小于0.1時，認為結果是可以接受的，否則對判斷矩陣進行適當修正。最后建立一級指標的權重集Wi和二級指標的層次總權重集W總。

Wi= (w1,w2,…,wm)，W總= (w1,w2, …,wn)。

式中：i為一級指標的序號；m表示各項一級指標中二級指標的總數(shù)；n為二級指標總數(shù)。鑒于層次分析法計算時的龐大計算量，本次研究中采用了專業(yè)的層次分析法計算軟件yaahp 7.0，計算得出人工濕地指標體系各指標權重如表7所示。

表7　人工濕地評價指標體系各指標權重Table 7　Index weight of constructed wetland assessment system

2.2 綜合評價

將各二級指標實際值乘以各自的權重，所有的項相加再乘以20即是所評價的人工濕地的最后得分值，計算公式如下。

其中：S表示評價最后得分；Wi表示各項二級指標的權重；a表示各項二級指標評分。也可用同樣方法計算一級指標得分，以便對人工濕地一級指標得分情況進行內部比較或者交叉比較。依據(jù)得分高低來綜合考評人工濕地。因此得出人工濕地評價分數(shù)在0～100之間，將分值分為優(yōu)、良、中、差、極差5種情況(見表8)。

表8　人工濕地綜合評價分級Table 8　Classification of constructed wetlands comprehensible evaluation

2.3 實例研究

應用本次建立的人工濕地評價指標體系對趙牛河人工濕地進行評價，工程位于齊河縣晏黃溝入趙牛河東岸及西岸規(guī)劃用地，總投資為6 800萬，日處理量為40 000 m3/d?？傄?guī)劃面積333hm2，其中核心區(qū)域占地68hm2，包括潛流濕地規(guī)劃面積9hm2，表面流濕地規(guī)劃占地面積21hm2，沿趙牛河兩岸生態(tài)帶修復規(guī)劃占地面積39hm2。作為海河流域重要支流的趙牛河入水水質應嚴格控制，進水水質應滿足地表水環(huán)境質量V類水質要求。本實證評價的主要數(shù)據(jù)來源于趙牛河人工濕地環(huán)境影響報告書、趙牛河人工濕地工藝方案、驗收材料，德州統(tǒng)計年鑒及趙牛河人工濕地的有關統(tǒng)計和觀測數(shù)據(jù)資料，以及包括筆者對趙牛河人工濕地的進出水實測數(shù)據(jù)和調查問卷資料。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9。根據(jù)表9評價結果以及表7的權重，綜合計算趙牛河人工濕地得分是72.0，整體評價處于“良”的，說明其綜合狀態(tài)良好，應繼續(xù)保持。

表9　趙牛河人工濕地評價結果Table 9　Evaluation result of Zhaoniu River constructed wetland

4　結語

本研究在濕地評價指標體系的基礎上，綜合人工濕地處理系統(tǒng)的特點，提出了基于層次分析法和綜合指數(shù)法的定性與定量相結合的人工濕地綜合評價指標體系，在設定各級評價指標和權重時，還需要特別考慮人工濕地的不同類型和主要功能。此外評價體系中各指標數(shù)據(jù)比較容易獲得，例如位置、地形坡度、年均溫度、池體設計、填料、噸水投資、運行費用都可以通過查閱文獻或者現(xiàn)場觀測直接獲得，水質凈化數(shù)據(jù)是人工濕地運行的基礎數(shù)據(jù)，也可通過水質實驗直接獲得。該指標體系能使評價結果量化，所得的評價結果更為直觀，評價結果低于“中”級的人工濕地都應對不足之處進行改善。最后根據(jù)構造的指標體系，選擇趙牛河人工濕地作為研究對象，計算了綜合指數(shù)，計算結果表明，趙牛河人工濕地綜合得分為“良”，應繼續(xù)保持良好狀態(tài)。

致謝:感謝德州環(huán)保局工作人員和趙牛河人工濕地管理處提供的幫助。

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責任編輯龐旻

Comprehensible Evaluation Index System of Constructed Wetlands

XU Hui-Xian, LI Feng-Min, LU Lun, WU Miao

(College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

In order to combine sewage treatment with the eco-environment in an efficient way, and treat the sewage effectively, and meanwhile beautifi the environment, create ecological landscape, and bring a lot of benefits to the environment and economics. The index the system of constructed wetlands established includes three parts: selecting indexes, confirming weights and integrated grade. In the beginning 6 criteria layers were searched by referring lots of literatures and visiting specialists, including site selection, building, operation and management, cost analysis, ecosystem services value and social benefits. Secondly weights of 6 criteria layers and 20 sub-criteria were calculated by Analytical Hierarchy Process, including their respective weights and the normalized weights. Eventually, the rule of integrated grade was made in accordance with the five-grade marking system. The comprehensible evaluation index system of constructed wetlands was established through these measures.

constructed wetlands; comprehensive evaluation; index system; analytic hierarchy process; ecosystem services value

國家水體污染控制與治理重大科技專項(2012ZX07203004)資助

2016-01-28；

2016-04-23

徐慧嫻(1991-)，女，碩士生.E-mail： xuhuixianmmd@163.com

??通訊作者：E-mail: lifengmin@onc.edu.cn

X32

A

1672-5174(2016)10-106-10

10.16441/j.cnki.hdxb.20160025

National Science and Technology Major Project on Water Poliation Control and Treatment(2012ZX07203004)