人工湿地运行状态综合评估研究

刘 雷，袁秀泽，李元鹏，张克峰，李 梅

(1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南 250101；2．山东同圆集团设计有限公司，山东济南 250101)

人工湿地作为保障水质的重要工程措施在流域水生态保护中得到广泛应用[1-3]。随着湿地运行时间的增加，湿地运行管理方面的问题日益突出，人工湿地运行状态不佳，直接导致出水水质不达标。

人工湿地运行状态是人工湿地在运行过程中的管理状况、净化水质效果和对周围生态环境所做贡献的一系列状态的综合体现，包括管理状况、出水水质、运行处理成本和生态服务价值等方面。目前，我国对于人工湿地运行状态评价更多的是侧重于湿地所产效益的评价[4-7]，而对于人工湿地运行状态的综合评估较少。面对当前人工湿地领域重建设、轻管理的现状，亟待建立一套完善的人工湿地运行状态综合评价体系，以实现对已建成运行人工湿地的科学管理和优化指导。

1 人工湿地运行状态综合评价指标体系构建

1.1评价指标体系的建立人工湿地运行状态综合评价是对人工湿地运行管理和运行效果的综合分析，既包括人工湿地运行管理水平，又包括这种管理水平下人工湿地各种功能的实现程度。因此，根据上述评价目的，建立涵盖管理状况、水质状况、运行处理成本和生态系统服务价值4个方面的人工湿地运行状态综合评价指标体系，设置目标层、准则层和指标层3个层次，如表1所示。

1.2评价指标含义

1.2.1管理状况。人工湿地管理水平直接决定湿地的整体运行效果和湿地寿命，具体涉及湿地的进水水质稳定性、植物管理、水质检测、堵塞管理、设备管理和冬季保温等方面。

表1人工湿地运行状态综合评价指标体系

Table1Comprehensiveevaluationindexsystemofoperatingstateofconstructedwetlands

目标层Target layer准则层Criterion layer指标层Indicators layer单位Unit人工湿地运行状态综合评价指标体系AComprehensive e-valuation index system of con-structed wetland operation state管理状况B1进水水质稳定性C1%植物管理C2—水质监测C3—堵塞管理C4—设备管理C5—冬季保温C6%水质状况B2出水水质达标率C7%污染物削减率C8%运行处理成本B3运营成本C9元/m3生态系统服务价值B4产品服务C10万元/hm2调节与维护服务价值C11万元/hm2休闲与科研教育C12—

1.2.1.1进水水质稳定性。进水水质稳定性对人工湿地出水稳定达标有重要影响。人工湿地实际运行过程中出水水质不达标很多是由于进水水质超出设计进水标准所导致的。

1.2.1.2植物管理。植物是人工湿地的重要组成部分，是净化水质的核心单元。人工湿地植物的管理包括定期巡检、水位控制、除杂草情况、补植、修剪和冬季收割等6个具体因素，各因素赋分依据如表2所示。植物管理指标分值为6个因素赋分的平均值。

1.2.1.3水质检测。人工湿地水质检测指标主要包括水量、温度、溶解氧、pH、COD、氨氮、总氮、总磷、硝酸盐、重金属等，此指标赋值根据检测项目数量确定。

表2 湿地植物管理评价指标赋分标准

1.2.1.4堵塞管理。湿地运行过程中，有机固体物在填料内部颗粒间隙的沉积、生物的生长和分解等会造成基质堵塞，堵塞后将降低污染物的去除效果，影响出水水质。堵塞管理主要考虑废水的预处理、基质选择与级配、间歇运行、水位的调节控制、植物的定期收割以及定期反冲洗等因素，此指标分值由上述因素的实现程度评判。

1.2.1.5设备管理。设备管理指标包括有无专业的设备管理人员、合理使用设备、定期巡检、定期养护4个方面，此指标分值由这四部分实现程度评判。

1.2.1.6冬季保温。温度是影响人工湿地运行效率的重要参数。冬季温度低，微生物活性下降，植物生物量减少，会大大降低人工湿地的净化效果。常用的保温措施包括植物保温隔离措施、冰雪覆盖组合保温隔离措施、地膜保温隔离措施等。

1.2.2水质状况。人工湿地的主要功能是净化水质，出水水质状况采用出水水质达标率和污染物削减率来表征。

出水达标率为一年内人工湿地出水水质满足排放要求的比例。

污染物削减率为COD、氨氮、总氮、总磷4个污染物削减的比例，最后分值是4个因子得分的平均值，当污染物削减率分别为≥80、60～80、40～60、20～40、<20时，水质的分值分别为100、80、60、40、20分。

1.2.3运行处理成本。人工湿地的运行处理成本主要包括运行过程中的设备检修费用、管理人员薪资费用、潜流湿地清淤治堵费和电费等，此指标以吨水运行处理费用来判断，计算公式如下：

(1)

C=R/Q

(2)

式中，R为运行处理成本，Ri为i项的费用，Q表示人工湿地处理规模。

1.2.4生态服务系统价值。湿地功能的服务类型按照人类对湿地功能需求的不同，包括产品服务、调节与维护服务、休闲旅游和科研教育等。

1.2.4.1产品服务价值。采用市场价格法对产品服务价值[7]，包括物质产品价值和水源供给价值进行估算。水源供给价值按照山东省工业用水价格计算。产品服务价值计算公式如下：

T=T1+T2

(3)

式中，T1表示物质产品价值；T2表示水源供给价值。

1.2.4.2调节与维护服务价值。主要包括气候调节、蓄水调洪调节、降解污染物和生存栖息地等。

调节气候价值采用效益转移测算。1 hm2湿地植被在夏季吸收的热量相当于189台1 kW的空调全天工作制冷效果，发挥作用时间一般为100 d，具体计算公式如下[8]：

V=189×24×A×S×D

(4)

式中，A表示当地电费，单位为元/(kW·h)；S表示人工湿地的面积，单位为1 hm2；D表示工作天数，这里采用100 d。

蓄水调洪调节采用影子工程法测算，即用建造相同库容的水库工程费用来作为湿地调洪蓄水的价值。计算公式如下：

Q=V×P

(5)

式中，V为蓄水体积，P为单位库容建设成本。全国水库1 m3库容需投入成本约为1.03元，目前国内在此方面的研究多采用此数据。

降解污染物价值采用中国陆地湿地生态系统废物处理功能的单位面积价值16 086.60元/(hm2·a)测算[9]。

生存栖息地价值采用全球湿地生物多样性价值估算标准2 056.83元/hm2计算[10]。

1.2.4.3旅游休闲和科研教育价值。人工湿地具有一定的休闲旅游和科研教育价值，可根据每年游客和科研人员的来访人数多少确定。

1.3评价指标赋分标准各评价指标具体赋分依据见表3。

2 人工湿地运行状态综合评估方法

2.1指标权重确定层次分析法是一种常用的指标赋权方法，它可以将复杂系统的决策问题转化为简单数量化，为管理者提供依据。采用层次分析法对人工湿地运行状态各指标进行赋权，结果见表4。

2.2综合评价指数采用线性加权的方法设计人工湿地运行状态综合评价指数，具体计算公式如下：

(6)

式中，S表示人工湿地运行状态综合评价指数；Wi表示各项指标层指标的权重；ai表示各项指标层指标评分。

人工湿地综合评价分级分别为优、良、中等、差、极差，其评分分析为80≤S≤100、60≤S<80、40≤S<60、20≤S<40、S<20。

表3 评价指标赋分标准

表4 人工湿地综合评价体系各指标权重

3 典型人工湿地运行状态综合评估应用

3.1人工湿地简介该人工湿地水质净化工程日处理污水量10万m3，是将上游河水和县城污水处理厂出水进一步净化处理，该人工湿地水质净化工程由16.0 hm2强化处理湿地和366.7 hm2表流湿地两部分组成。其中强化处理湿地是由5个单元预强化处理床、 1个潜流池、2个表流池组成的。经强化湿地处理水和县城生态景观用水汇集进入366.7 hm2表面流湿地，经湿地自然净化处理后，就地资源化利用和供湿地周围生态用水。另外表面流湿地在旱季起到储水作用，为周围农田提供灌溉。在洪涝季节表流湿地能够蓄水，起到防洪排洪作用。设计出水水质为国家《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类。

3.2评估原始数据及指标计算结果该次实例研究的数据来源于该人工湿地工程设计说明书、对人工湿地进出水质实测数据以及调查问卷资料等，评价指标数据经处理后各指标值、综合指数值见表5。

3.3评估结果分析该人工湿地运行状态综合评价得分为80.84，处于优级状态，说明该人工湿地综合运行状态良好。但对各评价指标分析可知，该人工湿地在运行过程中仍存在一定问题，主要表现为：①人工湿地进水波动大，导致人工湿地出水水质达标率较低，没有达到预期的处理效果。②人工湿地在冬季运行的保温措施单一，且有部分的湿地保温措施不到位，导致出水水质变差。 优化措施如下：①严格控制进水污染物的浓度，此湿地水源为上游河流及污水厂出水，应加强河流的治理工作和河流沿岸污染防治和控制；②采取多种保温措施，如可以利用冬天的积雪，覆盖在湿地表面，达到保温效果；也可以人为在人工湿地表面覆盖薄膜，减少湿地内部冷热气体的交换。

表5 人工湿地各评价指标值

4 结论

从人工湿地运行管理水平和功能实现程度方面分析影响和反映人工湿地运行状态的相关因素，提出人工湿地运行状态综合评价指标体系，采用线性加权法构建综合评价指数。通过在山东某人工湿地应用，评估结果能够科学客观地反映人工湿地运行状态，并揭示人工湿地运行过程中存在的主要问题，为人工湿地综合管理和优化提升运行水平提供决策依据。