石佛寺人工湿地水体富营养化评价与分析

周林飞，钟 倩，董福君

（1.沈阳农业大学 水利学院，沈阳110866；2.辽宁石佛寺水库管理局，沈阳120003）

湿地是位于陆生和水生生态系统之间的过渡性地带，是地球生态环境的重要组成部分，具有强大的沉积和净化作用，因此被誉为“地球之肾”。当水流入湿地之后，水中的部分污染物会随着泥沙的沉积而沉积，湿地植物也能有效吸收水中的污染物质，达到净化水质的目的。人工湿地是人工建造并控制其运行的湿地，与天然湿地相比，更有利于管理和控制。人工湿地不仅对有机物有较强的降解能力，对水中的富营养物质也有一定的去除效果［1］。但由于人工湿地内部水流缓慢、输入水流营养盐过剩、沉积到底泥中的营养盐向水体中的再释放、水生植物不适当管理以致腐解后释放营养盐等原因，容易引起湿地内水体富营养化，使其各种功能下降。因此，对人工湿地内水体富营养化状况进行监测、评价至关重要。水体富营养化评价是建立在对水质监测基础上的，目前水体富营养化的主要评价方法有：单一参数法、综合指数法、普通概率统计法、主成分分析法、模糊评价法、灰色评价法和热力学分析法等［2］。由于水质监测数据都是在有限的时间和空间范围内得到的，具有不完全性和不确定性，符合灰色系统的特征［3－4］，因此本文采用灰色聚类法对石佛寺人工湿地进行水体富营养化评价。

1 研究区概况

石佛寺水库位于沈阳市沈北新区黄家乡和法库县依牛堡乡境内，距沈阳市区47km，是辽河干流上唯一的一座大型控制水利工程。石佛寺人工湿地建于2009年5月，位于库区内辽河的左岸，种植的水生植物主要包括芦苇、蒲草和荷花。经过几年的发展，新的水生植物不断出现，已经形成了一个较为完善的湿地生态系统，水生植物与整个库区水面共同构成了东北地区大型的表面流人工湿地，总面积25.05 km2。石佛寺人工湿地处于辽河冲积平原北部，其主要来水为上游的辽河水，由于辽河汇集了周边地区排放的大量生活用水及工业废水，当河水流经水库后，易导致污染物在湿地内富集，造成水体富营养化。而且水生植物年复一年的腐解、释放氮、磷等营养物质，也有可能引起水体的富营养化。

2 研究方法

2.1 监测点的布设与监测指标

湿地内共布设4个监测点，监测点1位于湿地末端的控制性建筑物泄洪闸处，属于湿地的末端，是2009年人工湿地修建前设立的；监测点2，3，4是2009年人工湿地建成后，为监测湿地内的水质变化而设立的，分别位于湿地的进口、中间和出口，如图1所示。监测指标包括溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、化学需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3－N）、总磷（TN）和总氮（TP）等。

图1 石佛寺人工湿地水质监测点布置

2.2 按聚类指标所属灰类确定白化权函数

本文将水体富营养化程度划分为6个等级，则有6个灰类。记函数为第j个污染指标对于第k个灰类的白化权函数，（x）∈［0，1］；x为各水体富营养化指标的实测值；为白化权函数的阈值，由各级水体富营养化标准值确定。则第j个污染指标对第1级水的白化函数（x）见式（1），第j个污染指标对第k级水的白化函数（x）见式（2），第j个污染指标对第6级水的白化函数（x）见式（3）。由于DO与其他富营养指标不同，数值越大，水体富营养化程度越低。其白化函数见式（4）—（6）。

2.3 数据的量纲一化处理

在水质富营养化评价中，由于各聚类指标量级不同，单位不同，因此不能直接进行计算，必须事先对其进行量纲一化处理［5］。设为第j个污染指标对第k个灰类的无量纲数，其计算公式为：

2.4 确定聚类权

聚类权是衡量各聚类指标对同一灰类的权重。本文采用倒数法计算聚类权［6］。设为第j个污染指标对第k个灰类的权重，为第j个污染指标对第k个灰类的阀值，其计算公式为：

2.5 确定聚类系数

聚类系数是由白化函数生成得到的，反映了聚类样本与灰类间的相关程度［7］。设为第i个聚类样本对第k个灰类的聚类系数，其计算公式为：

2.6 构造聚类向量并确定所属灰类

3 人工湿地水体富营养化评价

3.1 监测数据与富营养化分级标准

监测点1位于整个湿地的末端，将其2005—2008年的评价结果与2009—2012年的评价结果进行对比，分析湿地建成前后水体富营养化的变化情况。监测点2，3，4分别位于湿地的进口、中间和出口处，对2009—2012年湿地进口、中间、出口的水质进行富营养化评价，为湿地的管理与建设提供科学的依据。

选取的水体富营养监测指标有溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3－N）、总磷（TN）和总氮（TP）。参考湖泊富营养化分级标准［9］并结合湿地实际情况，将水体富营养化程度分为6个等级，具体见表1。各级的用水障碍情况如下：1级为贫营养，2级为贫中营养，3级为中营养，此三种营养状态不会引起用水障碍情况的出现；4级为中富营养，此营养状态下局部出现水花，对供水产生影响；5级为富营养，此营养状态下会出现大面积水花，导致供水障碍，鱼类缺氧死亡，严重影响观瞻；6级为重富营养，此营养状态下全水面出现水花，大量死鱼出现，严重影响养殖，以及观瞻。

3.2 数据的量纲一化处理

为了消除量纲对评价结果的影响，利用公式（7）对各项分级标准及各项监测结果进行量纲一化处理，结果见表2—4。

3.3 确定聚类权

在灰色聚类评价中，考虑到各指标的高低不同，以及在总评价中所起到的作用不同，因此需要对各评价指标给予聚类权重［10］。本文所采用的方法是倒数法，该方法所确定的聚类权为变权重，即不同的营养级别对应不同的聚类权。将表2中数据代入式（8），计算得到各指标所对应的各级的聚类权，如表5所示。

表1 石佛寺人工湿地富营养化分级标准

表2 量纲一化石佛寺人工湿地富营养化分级标准

表4 2009－2012年监测点2，3，4量纲一化富营养化监测数据 mg／L

表5 各灰类中各项评价指标的聚类权(）

表5 各灰类中各项评价指标的聚类权(）

评价指标 1级 2级 3级 4级 5级 6级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 确定聚类系数

将表3和表4中量纲一化后的富营养化监测数据代入各自的白化函数中，得出白化函数值。将表5中各项评价指标的聚类权以及得出的白化函数值代入公式（9）得出聚类系数。由于最大隶属原则存在不适用性，因此利用式（10）分别计算级别特征值H，根据级别特征值，确定各评价对象所属的评价级别，并对各评价对象水体是否存在用水障碍进行判定，如表6和表7所示。

4 评价结果分析

4.1 湿地水体整体富营养化状况分析

由表6可以看出，监测点1的最终评价结果除2005年和2011年汛期级别特征值分别为3.699和3.414，属于中偏中富营养之外，其余均为2级（贫中营养）和3级（中营养），以及1级（贫营养）和2级（贫中营养）之间、2级（贫中营养）和3级（中营养）之间；由表7可以看出，监测点2，3，4的最终评价结果，除2011年汛期出口处级别特征值为3.414，属于中偏中富营养之外，其余均为1级（贫营养）—3级（中营养）。由此看来，石佛寺人工湿地水质状况较好，对供水无影响，可保证安全供水，对生存于其中的鱼类亦无影响，这与石佛寺人工湿地的实地调查结果及以往相关资料是一致的。

4.2 湿地对水体富营养化的影响分析

从表6监测点1的评价结果来看，湿地建成后与湿地建成前相比水体富营养化程度有所降低，但并不明显。从监测点2（湿地进口）、监测点3（湿地中部）、监测点4（湿地出口）的水体富营养化评价结果来看，差别并不大，一方面说明水体富营养化程度低，另一方面说明这种综合评价方法反映的是水体富营养化的综合情况，并不能反映对单个营养物质的去除程度。要想明确石佛寺人工湿地对各营养盐的去除效果，还须对其进行具体分析。

4.3 汛期与非汛期水体富营养化状况比较

从4个监测点的评价结果总体看来，汛期的水体富营养级别高于非汛期，一方面是因为汛期来水量大，所带入的营养物质多，另一方面是因为汛期也是农作物生长的季节，化肥、农药等的施用使流域内大量的氮、磷等营养盐随地表径流汇入湿地内，提高了湿地内氮、磷等的含量。

表6 2005－2012年监测点1水体富营养化评价结果

表7 2009－2012年监测点2，3，4水体富营养化评价结果

4.4 水体富营养化防治分析

在监测点1的评价结果中，处于中偏中富营养的有2个，处于3级（中营养）的有6个；在监测点2，3，4的评价结果中，处于中偏中富营养的有1个，处于3级（中营养）的有12个。虽然整体水质较好，不会出现供水障碍、影响鱼类生存等现象，但也应密切关注湿地内水体营养盐的变化情况，防止其富营养等级向4级（中营养）过渡，以确保用水安全，保证湿地生态系统的健康发展。

人工湿地对营养盐具有去除效果，主要是因为湿地内水生植物对营养物质的吸附作用，但水生植物生长期过后腐解也会导致营养物质的再释放，即二次污染。如表7所示，2011年汛期出口处营养级别比进口处稍有提高，可能是由二次污染引起的。因此应加强对水生植物的管理，秋季要对其进行收割，带走营养物质。此外，要控制点源污染及面源污染。

5 结 论

合理的水体富营养化评价是对石佛寺人工湿地进行管理与治理的前提条件。将灰色聚类法应用于湿地水体富营养化评价中，建立湿地水环境综合评价模型，不仅考虑到了水体富营养化程度的灰色性，也考虑到了系统的白化性。评价结果科学、客观地反映了石佛寺人工湿地水体富营养化程度。

从监测点1，2，3，4的评价结果来看，除有3个处于中偏中富营养之外，其他均处于1—3级，说明水质状况良好，不影响供水及鱼类生存。灰色聚类法反映的是水体富营养化的综合情况，并不能反映湿地对氮、磷等营养盐去除效果的细节，明晰细节变化还需对各指标做单独分析。对于汛期水体富营养级别高于非汛期，是因为农田施肥后，营养物质随径流进入湿地内部引起的。防止石佛寺人工湿地水体富营养化措施：及时对水生植物进行收割防止二次污染；控制流域内面源及点源污染。

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