沙河人工湿地生态安全评价研究

查瑞翔

摘要：天津于桥水库作为引滦输水水源地，一直都是天津市及相关管理部门的重视对象。了解沙河人工湿地生态环境现状，对沙河人工湿地进行生态安全评估，可以为湿地安全运营与管控提供科学依据和实践指导。本文对压力-状态-响应（PSR）框架理论进行分析，结合沙河人工湿地工程概况，从压力要素、状态要素、响应要素三个方面筛选评价指标。最终确定了年均气温、工农业排污、出水达标率、吨水年运行成本、生态监测等16基础评价指标。依据问卷调查法、标准法、参考法确定定量及定性指标各等级标准，为后续构建生态安全评价模型奠定基础。

Abstract： Tianjin Yuqiao Reservoir， as a water source for water supply， has always been the focus of Tianjin and related management departments. To understand the current ecological environment of Shahe artificial wetland and conduct ecological safety assessment of Shahe artificial wetland， it can provide scientific basis and practical guidance for wetland safe operation and control. This paper analyzes the theory of pressure-state-response （PSR） framework， and combines the general situation of Shahe constructed wetland project to screen the evaluation indicators from three aspects： pressure factor， state element and response element. Finally， 16 basic evaluation indicators such as annual average temperature， industrial and agricultural sewage discharge， effluent compliance rate， ton water year operating cost， and ecological monitoring were determined. According to the questionnaire survey method， the standard method and the reference method， the quantitative and qualitative indicators are determined to lay the foundation for the subsequent construction of the ecological security evaluation model.

關键词：安全评价;人工湿地;生态环境;压力-状态-响应

Key words： safety assessment;constructed wetland;ecological environment;pressure-state-response

中图分类号：X171.1                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）01-0082-03

0  引言

在人工湿地的全寿命周期管理过程中，管理重点是早期的建设过程，而对后期的运营管理并不够重视，也就出现了后期运行安全、效率等评价不足等缺点。所以，对水质保障的效果明显提升的同时，如何保证人工湿地健康运行管理成为了关注重点。着重关注人工湿地建成后的运行管控中所暴露的缺陷，并借鉴其他人工湿地的成功调控经验，从三个大框架下评价沙河人工湿地生态安全水平，并依据评价结果对沙河人工湿地的安全运营管理策略进行升级，是实现沙河人工湿地地区生态系统的可持续发展和保证于桥水库水生态质量的重要管理手段。

相当早的时候国际上就有人研究人工湿地污水处理技术，在英国约克郡Earby的建立的最早的湿地系统可以追溯到1903年，它到1992年才停止使用;1953年，德国MaxPlanck研究所Seidel博士[1]第一次表达出选择出一些合适的植物在人工湿地中来有效抑制水体污染，在试验中他寻找对去除有机和无机污染物的植物发现芦苇不错，而且在以后利用种植芦苇来改变各种各样的水质情况，我们说是Seidel博士首先运用植物方法来改良人工湿地。后来，按照Seidel的想法，荷兰建立了叫做Lelystad Process的人工湿地处理系统且规模很大，经过一段时间的使用之后，处理的效果很好，因此，荷兰开始大量的建设人工湿地。荷兰已经跑在其他国家前面在建设人工湿地的方面。其后，Seidel与ckuth合作并由Kickuth在1972年提出了“根区法理论”（The Root-Zone-Method）， 人工湿地设计建设在如选择植物方面的理论空白[2]由于“根区法理论”的提出得到了很大的补充。之后，人工湿地工程渐渐在国际上得到大量的关注和应用。国内外研究者研究人工湿地的方向一般都在功能评价、环境影响[3]和人工湿地对污染物的改良作用[4]三个方面。

对人工湿地进行内部评价是人工湿地功能评价的主要方式，并且用得到的结果来评定出沙河人工湿地的功能特征，基本上国外所有的人工湿地都是通过功能评价进行的评价。Larson和Moshiri在1980年提出了需要政府许可才能进行使用的人工湿地快速评价模型[5]。Gibbs创造的人工湿地功能评价方法名为“五步”，而且开始逐渐重视起来人工湿地评价模型和体系[6]。来评价出人工湿地的环境，即依据实际测量数据代入原始的算式中算出评价结果，运用算出的评价结果来评价人工湿地的状况还可以对未来的发展做出预测。Piatt想到了用海鸟的类型来评价出美国滨海人工湿地的现状，并对它未来的发展做出了预测性评价[7]。

目前，人工湿地作为一个为地球大生态圈提供额外保护的水域生态系统，其涉及的因素很多。鉴于每个人工湿地系统所面临的主、客观环境各不相同，以至于各个人工湿地的运行好坏状况、生态安全效度水平也是不尽相同的。所以，为每个人工湿地建立一套符合其主客观环境的、科学的生态安全评估体系是进行生态安全水平评价的重要基石。

1  研究方法

本文运用PSR生态评估框架理论与方法、系统工程理论学、复杂系统风险性分析、综合模糊评价理论体系等基本原理及方法，紧密联系沙河人工湿地现场的实际情况，通过理论与现场实验研究相结合，定性与定量研究相结合等多种方法和技术来完成沙河人工湿地生态安全风险评估研究。具体地说，有如下研究方法：

1.1 文献研究法

本课题紧紧抓住研究主题，阅读相关论文文献及历史资料，对以往关于生态安全评价的研究成果进行综述与回顾，便于全面准确地掌握所要研究的主要问题和内容。通过文献查阅（CNKI、ASCE、ICEA等数据库），分类总结，分析PSR框架模型、生态评价指标分析、模糊综合评价理论等方面的资料，选用相对成熟的理论、方法和实践成果作为本课题研究的主要素材和理论基础。

1.2 问卷调查法

在明确评价指标体系后，问卷调查法可以直接获取本研究依托工程的现场运行实际情况。虽然会存在一定主观性，但是问卷调查数量达到一定规模时，运用合理的数理分析方法，可以使其有效化，为生态安全评价提供合理的数据来源。

1.3 定性和定量评价法

依据环境工程相关理论，对生态安全评价体系指标中的年降雨量、吨水TP削减量等客观变量采取定量评价方法。对工农业排污、生态监测等主观变量采取定性评价方法。构建生态安全评价体系。运用模糊综合评价理论对其进行定量计算，确定沙河人工湿地生态安全风险等级。

2  研究实例

天津于桥水库沙河人工湿地工程所在的区域为暖温带半湿润大陆性季风型气候区，四季分明。年均气温长年稳定在11.5℃，年均风速也稳定在2.1m/s，平均无霜期180天，封冻期由11月至次年3月，最大冻土深度0.69m，平均降水量为678.6mm。

2.1 工程地质及水环境

工程区地处河北省遵化市境内，靠近天津市。工程区位于华北平原东北部，为构造剥蚀低山丘陵向山前倾斜平原的过渡地带，沟浅谷宽，山低坡缓，岩层风化剥蚀较剧，坡脚多坡洪积物覆盖，间歇性流水作用较强。属冲洪积平原山前地带，区域地形较为复杂，沟渠山坡纵横分布。工程区位于燕山山脉相关山系附近，具有平原山前地貌特征，局部地域具有类丘陵地貌特征，区内天然河流分布广泛、自然植被分布良好，林地、沟塘、湿地条件也有一定的分布，局部地区人工地貌明显。

依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）中水的腐蚀性评价标准，工程区地下水总硬度为15.83～171.07H°，部分区域的水质硬度甚至达到25.2H°，这片水质属于极硬水质;工程所在区域的地下水的矿物质含量在0.38～3.71g/L之间波动，处于淡水水质;pH值在6.60～7.39之间，为中性水。根据抽样检测报告得知该工程的几种水化学类型主要为：重Na2CO3型、重CaCO3型、重K-CaCO3型、K2SO4型、CaSO4型、重碳酸硫酸钙钾钠型水。

工程区地面河水的硬度波动幅度区间处于13.31～22.83H°之间，属于微硬水至硬水的范围内;矿物质含量处于在0.35～0.68g/L之间，为淡水;水质酸碱性处在6.99～9.09pH，整体呈现弱碱性水质，少部分区域呈现碱性水，具有腐蚀性。水化学类型主要为，硫酸重碳酸钙型水、重碳酸硫酸钙镁型水、硫酸重碳酸鈣钾钠镁型。

2.2 建设理念

于桥水库富营养化严重，造成这一问题的原因主要为营养盐的输入。而营养盐负荷绝大部分来自于主要处于河北省的上游地区，TN占入库总负荷的90%，TP占入库总负荷的92%。上游中又以引滦输水和入库河流的面源输入为主，其中引滦输水占上游入库负荷的51%（TN）、37%（TP），入库河流面源污染负荷汇入量占上游入库负荷的49 %（TN）、63%（TP）。相对于便于治理的点源来说，来自上述两部分水所携带的氮、磷负荷，治理起来难度较大，应用沙河人工湿地来治理于桥水库的富营养化，是最直接、最有效的措施。

随着地球生态圈内的污染日益严重，水质富营养化的治理问题早已被提上日程。诸多办法中，前置水库可以算的上是功能性最强的方法之一。该方法也有另一个名字——水库串对策，该方法的本质方法是：利用水库或河道的阶梯性质，把大型水库划分成两个或多个小型子水库，使上游入口的来水先流入第一个子水库，并延长水体停留时间，使得泥沙和其他悬浮污染物沉淀在此。此后利用第二个子库中的水生植物或有益浮游生物来吸收水体中的营养盐，让营养盐被植物吸收或者被合成为沉淀杂志，然后沉入库底，如此一来可以使得主库水中的污染营养盐含量被大大消弱，从而抑制主库上游变为沉淀池和生物反应器，使上游来水得以净化，从而保住下游水质的物理沉降与生物处理相结合的治理方法。

沙河人工濕地主要工程为拦污控制坝和湿地植物栽植。拦污坝的位置布设在与湖滨带相衔接的沟口处，坝顶高程考虑稍高于于桥水库汛期人工控制水位19.87m，定为20.0m。由于头百户沟和燕各庄沟汇流后进入主库区前已有闸门控制，因此不建设拦污控制坝，仅在叫山沟和清池沟建设拦污坝，叫山沟拦污控制坝的长度为282m，坝高2.0m;清池沟拦污控制坝的长度412m，坝高2.5m。拦污控制坝采用均质压实土坝，坝顶宽1m，边坡1：2。坝体表面采用M10浆砌石护砌，护砌厚度0.5m。非汛期拦污坝阻拦沟道来水，与植物措施一起形成湿地，净化入库水质;汛期雨洪水从坝顶漫流。在叫山沟、清池沟拦污控制坝内，头百户沟和燕各庄沟汇流口现有控制闸内布置湿地植物区，主要布置挺水植物。在水深0.2～1m的区域，选择香蒲和芦苇间植，种植密度4～8株/m2，在水深1～2m的区域，种植荷花，种植密度2～4株/m2。

3  沙河人工湿地生态安全评价体系

指标体系指的是所有的层次中全部层次的组合，它表明了沙河人工湿地生态系统普视性的发展趋势，不同的指标和其相应的数据联系起来，可判断沙河人工湿地生态系统的整体的发展状况。用因素体系表达沙河人工湿地生态环境的目标，它的目的即为利用一些具有代表性的体系来表示出所有沙河人工湿地系统环境生态的安全状况，同时也能都尽量表达出评价体系各地方的不一样的特征，通过建立因素体系对所有的沙河人工湿地系统环境的生态安全标准建立一个定量和定性的相关。建立评价因素标准的一般的方法就是开始将目标进行分层包括目标层、准则层、要素层和指标层。经过逐层分析，将一个很广泛的总目标详细分成很多个子系统的目标，然后建立层次分析的模型。对建立的评价因素模型中拥有的问题进行了说明，对数据怎么来的和哪里有的误差进行说明，最后对指标按先后顺序进行排列，然后得出每个指标的权重。选择压力、状态、响应（PSR）模型和以上指出的不同的指标，按照沙河人工湿地生态环境安全评价指标体系建立的基本准则，查询相关资料，将沙河人工湿地生态环境安全评价指标体系建立为递进层次的结构，划分为目标层、准则层、要素层和指标层。以PSR建立评价指标体系结构如图2所示。

4  结语

本文以天津于桥水库沙河人工湿地工程为依托，对压力-状态-响应（PSR）框架理论进行分析，结合沙河人工湿地工程概况，从压力要素、状态要素、响应要素三个方面筛选评价指标。依据问卷调查法、标准法、参考法确定定量及定性指标各等级标准，为构建生态安全评价模型奠定基础。本文已经建立了评价指标体系，接下来还有安全评估模型的构建就需要在这之后继续写作然后再加入到文章的后面。

参考文献：

[1]Brix， H. Do macrophytes play a role in constructed treatment wetlands. Water Research， 1997， 35（5）： 11-17.

[2]Kickuth， R. Degradation and incorporation of nutrients from rural waste waters by plant rhizosphere under limnic conditions，  1977.

[3]Tanner， C.C. Plants as ecosystem engineers in subsurface-flow treatment wetlands. Water Science & Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research， 2001， 44（11-12）： 9.

[4]Pelissari， C. Organic load and hydraulic regime influence over the bacterial community responsible for the nitrogen cycling in bed media of vertical subsurface flow constructed wetland. Ecological Engineering， 2016， 95： 180-188.

[5]Moshiri， G.A. Constructed wetlands for water quality improvement， 1993.

[6]Gibbs， J.P. Wetland Loss and Biodiversity Conservation. Conservation Biology， 2000， 14（1）： 314-317.

[7]Piatt， J.F， W.J. Sydeman， F. Wiese. Introduction： seabirds as indicators of marine ecosystems. Marine Ecology Progress， 2007， 352（352）.