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(jì)南 250101；2．山東同圓集團(tuán)設(shè)計(jì)有限公司，山東濟(jì)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(hù)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著濕地運(yùn)行時(shí)間的增加，濕地運(yùn)行管理方面的問題日益突出，人工濕地運(yùn)行狀態(tài)不佳，直接導(dǎo)致出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。

人工濕地運(yùn)行狀態(tài)是人工濕地在運(yùn)行過程中的管理狀況、凈化水質(zhì)效果和對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境所做貢獻(xiàn)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(yùn)行處理成本和生態(tài)服務(wù)價(jià)值等方面。目前，我國(guó)對(duì)于人工濕地運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)更多的是側(cè)重于濕地所產(chǎn)效益的評(píng)價(jià)[4-7]，而對(duì)于人工濕地運(yùn)行狀態(tài)的綜合評(píng)估較少。面對(duì)當(dāng)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(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)體系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)已建成運(yùn)行人工濕地的科學(xué)管理和優(yōu)化指導(dǎo)。

1 人工濕地運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立人工濕地運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)是對(duì)人工濕地運(yùn)行管理和運(yùn)行效果的綜合分析，既包括人工濕地運(yùn)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(shí)現(xiàn)程度。因此，根據(jù)上述評(píng)價(jià)目的，建立涵蓋管理狀況、水質(zhì)狀況、運(yùn)行處理成本和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值4個(gè)方面的人工濕地運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，設(shè)置目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次，如表1所示。

1.2評(píng)價(jià)指標(biāo)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(yùn)行效果和濕地壽命，具體涉及濕地的進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定性、植物管理、水質(zhì)檢測(cè)、堵塞管理、設(shè)備管理和冬季保溫等方面。

表1人工濕地運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

Table1Comprehensiveevaluationindexsystemofoperatingstateofconstructedwetlands

目標(biāo)層Target layer準(zhǔn)則層Criterion layer指標(biāo)層Indicators layer單位Unit人工濕地運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系A(chǔ)Comprehensive e-valuation index system of con-structed wetland operation state管理狀況B1進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定性C1%植物管理C2—水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(dá)標(biāo)率C7%污染物削減率C8%運(yùn)行處理成本B3運(yùn)營(yíng)成本C9元/m3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值B4產(chǎn)品服務(wù)C10萬(wàn)元/hm2調(diào)節(jié)與維護(hù)服務(wù)價(jià)值C11萬(wàn)元/hm2休閑與科研教育C12—

1.2.1.1進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定性。進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定性對(duì)人工濕地出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)有重要影響。人工濕地實(shí)際運(yùn)行過程中出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)很多是由于進(jìn)水水質(zhì)超出設(shè)計(jì)進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)植、修剪和冬季收割等6個(gè)具體因素，各因素賦分依據(jù)如表2所示。植物管理指標(biāo)分值為6個(gè)因素賦分的平均值。

1.2.1.3水質(zhì)檢測(cè)。人工濕地水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)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(biāo)賦值根據(jù)檢測(cè)項(xiàng)目數(shù)量確定。

表2 濕地植物管理評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1.4堵塞管理。濕地運(yùn)行過程中，有機(jī)固體物在填料內(nèi)部顆粒間隙的沉積、生物的生長(zhǎng)和分解等會(huì)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(jí)配、間歇運(yùn)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(biāo)分值由上述因素的實(shí)現(xiàn)程度評(píng)判。

1.2.1.5設(shè)備管理。設(shè)備管理指標(biāo)包括有無(wú)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(hù)4個(gè)方面，此指標(biāo)分值由這四部分實(shí)現(xiàn)程度評(píng)判。

1.2.1.6冬季保溫。溫度是影響人工濕地運(yùn)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(huì)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(dá)標(biāo)率和污染物削減率來(lái)表征。

出水達(dá)標(biāo)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(gè)污染物削減的比例，最后分值是4個(gè)因子得分的平均值，當(dāng)污染物削減率分別為≥80、60～80、40～60、20～40、<20時(shí)，水質(zhì)的分值分別為100、80、60、40、20分。

1.2.3運(yùn)行處理成本。人工濕地的運(yùn)行處理成本主要包括運(yùn)行過程中的設(shè)備檢修費(fèi)用、管理人員薪資費(fèi)用、潛流濕地清淤治堵費(fèi)和電費(fèi)等，此指標(biāo)以噸水運(yùn)行處理費(fèi)用來(lái)判斷，計(jì)算公式如下：

(1)

C=R/Q

(2)

式中，R為運(yùn)行處理成本，Ri為i項(xiàng)的費(fèi)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(jià)值。濕地功能的服務(wù)類型按照人類對(duì)濕地功能需求的不同，包括產(chǎn)品服務(wù)、調(diào)節(jié)與維護(hù)服務(wù)、休閑旅游和科研教育等。

1.2.4.1產(chǎn)品服務(wù)價(jià)值。采用市場(chǎng)價(jià)格法對(duì)產(chǎn)品服務(wù)價(jià)值[7]，包括物質(zhì)產(chǎn)品價(jià)值和水源供給價(jià)值進(jìn)行估算。水源供給價(jià)值按照山東省工業(yè)用水價(jià)格計(jì)算。產(chǎn)品服務(wù)價(jià)值計(jì)算公式如下：

T=T1+T2

(3)

式中，T1表示物質(zhì)產(chǎn)品價(jià)值；T2表示水源供給價(jià)值。

1.2.4.2調(diào)節(jié)與維護(hù)服務(wù)價(jià)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(jià)值采用效益轉(zhuǎn)移測(cè)算。1 hm2濕地植被在夏季吸收的熱量相當(dāng)于189臺(tái)1 kW的空調(diào)全天工作制冷效果，發(fā)揮作用時(shí)間一般為100 d，具體計(jì)算公式如下[8]：

V=189×24×A×S×D

(4)

式中，A表示當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)，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(cè)算，即用建造相同庫(kù)容的水庫(kù)工程費(fèi)用來(lái)作為濕地調(diào)洪蓄水的價(jià)值。計(jì)算公式如下：

Q=V×P

(5)

式中，V為蓄水體積，P為單位庫(kù)容建設(shè)成本。全國(guó)水庫(kù)1 m3庫(kù)容需投入成本約為1.03元，目前國(guó)內(nèi)在此方面的研究多采用此數(shù)據(jù)。

降解污染物價(jià)值采用中國(guó)陸地濕地生態(tài)系統(tǒng)廢物處理功能的單位面積價(jià)值16 086.60元/(hm2·a)測(cè)算[9]。

生存棲息地價(jià)值采用全球濕地生物多樣性價(jià)值估算標(biāo)準(zhǔn)2 056.83元/hm2計(jì)算[10]。

1.2.4.3旅游休閑和科研教育價(jià)值。人工濕地具有一定的休閑旅游和科研教育價(jià)值，可根據(jù)每年游客和科研人員的來(lái)訪人數(shù)多少確定。

1.3評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)具體賦分依據(jù)見表3。

2 人工濕地運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)估方法

2.1指標(biāo)權(quán)重確定層次分析法是一種常用的指標(biāo)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(jiǎn)單數(shù)量化，為管理者提供依據(jù)。采用層次分析法對(duì)人工濕地運(yùn)行狀態(tài)各指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，結(jié)果見表4。

2.2綜合評(píng)價(jià)指數(shù)采用線性加權(quán)的方法設(shè)計(jì)人工濕地運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，具體計(jì)算公式如下：

(6)

式中，S表示人工濕地運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；Wi表示各項(xiàng)指標(biāo)層指標(biāo)的權(quán)重；ai表示各項(xiàng)指標(biāo)層指標(biāo)評(píng)分。

人工濕地綜合評(píng)價(jià)分級(jí)分別為優(yōu)、良、中等、差、極差，其評(píng)分分析為80≤S≤100、60≤S<80、40≤S<60、20≤S<40、S<20。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

表4 人工濕地綜合評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)權(quán)重

3 典型人工濕地運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)估應(yīng)用

3.1人工濕地簡(jiǎn)介該人工濕地水質(zhì)凈化工程日處理污水量10萬(wàn)m3，是將上游河水和縣城污水處理廠出水進(jìn)一步凈化處理，該人工濕地水質(zhì)凈化工程由16.0 hm2強(qiáng)化處理濕地和366.7 hm2表流濕地兩部分組成。其中強(qiáng)化處理濕地是由5個(gè)單元預(yù)強(qiáng)化處理床、 1個(gè)潛流池、2個(gè)表流池組成的。經(jīng)強(qiáng)化濕地處理水和縣城生態(tài)景觀用水匯集進(jìn)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(chǔ)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(jì)出水水質(zhì)為國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類。

3.2評(píng)估原始數(shù)據(jù)及指標(biāo)計(jì)算結(jié)果該次實(shí)例研究的數(shù)據(jù)來(lái)源于該人工濕地工程設(shè)計(jì)說(shuō)明書、對(duì)人工濕地進(jìn)出水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及調(diào)查問卷資料等，評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后各指標(biāo)值、綜合指數(shù)值見表5。

3.3評(píng)估結(jié)果分析該人工濕地運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)得分為80.84，處于優(yōu)級(jí)狀態(tài)，說(shuō)明該人工濕地綜合運(yùn)行狀態(tài)良好。但對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)分析可知，該人工濕地在運(yùn)行過程中仍存在一定問題，主要表現(xiàn)為：①人工濕地進(jìn)水波動(dòng)大，導(dǎo)致人工濕地出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低，沒有達(dá)到預(yù)期的處理效果。②人工濕地在冬季運(yùn)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(yán)格控制進(jìn)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(qiáng)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(dá)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(píng)價(jià)指標(biāo)值

4 結(jié)論

從人工濕地運(yùn)行管理水平和功能實(shí)現(xiàn)程度方面分析影響和反映人工濕地運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)因素，提出人工濕地運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用線性加權(quán)法構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。通過在山東某人工濕地應(yīng)用，評(píng)估結(jié)果能夠科學(xué)客觀地反映人工濕地運(yùn)行狀態(tài)，并揭示人工濕地運(yùn)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(yùn)行水平提供決策依據(jù)。