人工湿地综合评价指标体系❋

徐慧娴， 李锋民， 卢　伦， 伍　淼

(中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)



人工湿地综合评价指标体系❋

徐慧娴， 李锋民❋❋， 卢伦， 伍淼

(中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

为了将污水处理和环境生态有机地结合起来，在有效处理污水的同时美化环境，创造生态景观，带来环境效益和经济效益，本文运用综合指标评价及层次分析法，根据人工湿地的特点，提出并建立了适合评价人工湿地综合指标体系。建立的评价指标包括选址适宜性、构建、运行效果与管理、成本费用分析、生态系统服务价值、社会效益6项一级指标，及对应的20个二级指标。并按5分制标准，制定了综合打分的原则，从而构建了人工湿地评价指标体系。

人工湿地； 综合评价； 指标体系； 层次分析法； 生态系统服务价值

引用格式：徐慧娴， 李锋民， 卢伦， 等. 人工湿地综合评价指标体系[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2016, 46(10)： 106-115.

XU Hui-Xian, LI Feng-Min, LU Lun, et al. Comprehensible evaluation index system of constructed wetlands[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(10)： 106-115.

人工湿地是指人为构筑的、具有可控制性和工程化特点的主要用于污水处理的湿地系统。它是模拟自然湿地结构与功能的复合体，利用系统中基质-水生植物-微生物的物理、化学、生物三重协同作用，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解对污水进行高效净化[1]。人工湿地是1970年代发展起来的一种新型污水处理技术，与传统的二级处理技术相比，具有建设运行费用低、耗能少、出水水质好、运行管理方便、有较高的氮、磷去除能力以及生态环境效益显著并实现废水资源化等特点[2]。同时，人工湿地将废水净化和生态环境保护有机地结合起来，在有效净化废水的同时也美化了生态环境，创造了独特的生态景观，带来了生态效益和一定的经济效益。人工湿地以特有的优势受到人们的关注，并广泛地应用于处理生活污水、工业污水、矿山及石油开采废水等行业中。

人工湿地评价是一个非常复杂的问题，涉及地理、生物、水文、气候、地质等许多学科，不同的评价要求，衡量指标和标准也不尽相同。美国、欧盟与有关国际机构在湿地功能评价方面开展了许多研究工作，开发了诸如水文地貌法、生境评估法、快速评价法等湿地功能评价方法[3-6]，但迄今为止并未建立一种得到大家广泛认可的评价指标、理论和方法体系。中国湿地功能评价研究尚在起步阶段，湿地评价开展得较少，且多为定性评价[7-9]。由于人工湿地应用初期主要用于污水处理，因此对人工湿地的评价大多局限于对其少数功能的研究[10]，而对人工湿地综合评价的研究很少。中国学者董金凯等[11]认为，人工湿地具有净化污水、物质资料生产、调节微气候、降低噪音、休闲娱乐、文化科研教育等生态系统服务功能；王淑军等人[12]将临沂市武河人工湿地生态系统服务价值分为设计价值和非设计价值，并得出武河湿地每年贡献的总价值为11 424万元。沈万斌等人[13]提出人工湿地价值体系，认为人工湿地价值由环境经济价值和成本价值组成，环境经济价值由环境容量价值、资源价值和社会价值组成，成本价值由维护价值和人工改造价值组成，以沈阳马官桥人工湿地为例，计算其总价值与总效益，并得到部分学者的认可。Z.M.Chen等[14]对北京长岛人工湿地的生态系统服务净值做了评估，认为生态系统服务净值等于生态系统服务价值与生态系统服务价值之差。张依然等人[15]从生态特征与功能、水质净化功能及经济社会功能三个方面对新薛河人工湿地进行评价，得出新薛河人工湿地可持续指数为“良”。由此看来，国内学者对人工湿地的评价主要侧重于人工湿地工程的经济效益，对人工湿地的综合状况评价鲜有报道。建立一套较全面的适合人工湿地的综合评价指标体系，对于评价人工湿地建设、运行、管理具有重要意义，对于人工湿地的管理和长期可持续运行也具有重要意义。

目前针对湿地评价的方法包括层次分析法和综合评价法，层次分析法是一种有效的系统分析和决策分析方法，在湿地评价过程中得到广泛应用[16]。综合评价法可以综合大量的复杂因素进行综合分析，运用不同尺度信息的多项指标对生态系统进行综合评价，从生态系统结构和功能度量建立指标体系[17]。针对中国人工湿地不同的特征和管理的不同标准要求，基于文献查阅与总结的基础上，借鉴了国内外相关湿地评价研究的指标，从人工湿地的选址适宜性、构建、运行效果和管理、成本费用分析、生态系统服务价值、社会效益等多个方面进行分析，初步提出一个客观和综合的指标体系。

1　评价指标体系建立及标准化处理

构建指标体系的基本原则包括综合性原则、整体性原则、可操作性原则、个性化原则、定量与定性相结合的原则。根据此原则，参考国内外对相关案例评价的各种方法，结合人工湿地建设的自然生态环境和社会经济状况，将人工湿地综合评价指标体系分为三层：第一层是目标层，即人工湿地综合评价；第二层是一级指标，分为选址适宜性、构建、运行效果与管理、成本费用分析、生态系统服务价值和社会效益；第三层是二级指标，即每个一级指标由哪些具体指标来表达，共分为20项(见图1)。

图1　人工湿地评价指标体系结构图Fig.1　System structure of constructed wetland comprehensible assessment index

1.1 选址适宜性

人工湿地所在地址的物理、化学和生物环境条件对湿地系统影响巨大。当建设人工湿地时，诸多条件如气候、地理、地表水、土壤、降雨、生物、社会经济因素都应该被考虑进去[18]。若缺乏对建设人工湿地的适宜性分析和区域规划，不适宜地段盲目的建立人工湿地系统，则会出现较多的问题，尤其是因选址不当使得湿地的处理效果不好，以至于废弃等问题。这些问题制约了人工湿地系统的推广和应用，因此对地人工湿地进行选址适宜性分析是十分有必要的。影响人工湿地的选址的因素主要包括地形坡度、土壤、年均温度、年降雨量，与污水处理厂和河道的位置关系[19-22]。地形坡度、土壤、年均温度、年降雨量使用定量评价方法，与污水处理厂和河道的位置关系使用定性评价法。评分梯度根据经验数据划分，具体评分如表1所示，评分结果在某个范围内时候，取值不含最高值。

1.2 构建

人工湿地的构建应考虑池体、植物、填料、防渗和通气、集配水系统等方面的内容。对人工湿地构建方面的评价包括四个部分，分别是池体设计、植物设计、填料设计、工程完备性。

池体设计主要包括单元面积、长宽比、水力坡度、水深的设计[23]。该指标评价标准的划分依据单元面积、长宽比，水力坡度、水深4个因素的实现程度，参数见表2[24]。

植物是人工湿地的重要组成部分，对人工湿地的净化能起到重要作用[25]。人工湿地植物的选择应考虑植物的适应性、耐污能力、净化能力、根系、经济和观赏价值以及物种间的合理搭配等原则[26]。常见的可以作为人工湿地植物如表3所示。该项评分包括适配植物、种植密度、植物盖度，种植密度指标分级标准按照实际情况中处于种植密度要求范围的植物种类占所有种类植物的比重确定。具体评分如表4所示，最后分值由3个因素平均所得。

表1　人工湿地评价指标分级标准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　人工湿地池体几何尺寸设计Table 2　Constructed wetland pond design

表3　人工湿地适配植物Table 3　Plants in constructed wetland

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

表4　人工湿地植物设计评价指标分级标准Table 4　Rating system of constructed wetland plant assessment index　/%

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

填料是人工湿地废水处理系统的重要组成成分之一，对去除污水中的污染物起着非常重要的作用[18]。人工湿地填料一般由土壤、细砂、粗砂、砾石、碎瓦片、粉煤灰、泥炭、页岩、铝矾土、膨润土、沸石等介质的一种或几种所构成，多种材料包括土壤、砂子、矿物、有机物料以及工业副产品如炉渣、钢渣和粉煤灰等都可作为人工湿地基质。在选择填料的过程中应该充分考虑其微观特性及物化性质，如矿物组分、吸附性、微生物附着性、经济性等方面[27]。该项评分包括填料种类、有效粒径、填料厚度、孔隙率，具体评分标准如表5所示，最终分值由四个因素加权平均所得。

表5　人工湿地填料设计评价指标分级标准Table 5　Rating system of constructed wetlandmatrix design assessment index

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

人工湿地构建还包括辅助工程、附属设施、集配水装置、防渗层，通气装置。该项评分主要使用的方法是根据人工湿地含有这些设施的健全程度来判断(见表1)。

1.3 运行效果与管理

人工湿地设计的首要目的是处理各种来源的污水，达到标准或者规范要求的水质而排放。而管理对保障人工湿地的正常运行具有重要意义。人工湿地运行效果和管理主要包括水力停留时间，出水水质、管理运行体系完备性。

水力停留时间是人工湿地污水处理系统重要的设计参数之一，直接影响处理效果。从总处理效果出发，不同的污染物和具体条件，停留时间有最佳的选择[28]。该项指标由理论水力停留时间与实际停留时间的比值的绝对值确定。该项指标计算公式如下：

式中：R为比值；t1为设计水力停留时间；t2实际停留时间。

人工湿地对有机污染物以及SS均有较好的净化效果，同时，对于N、P也有较大的去除率，能满足地表水环境质量标准。本文采用综合污染指数法进行计算[29]，选取5项指标作为评价因子，即：化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、溶解氧(DO)，计算依据是《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅳ类标准，其计算公式如下：

式中：P为综合污染指数；Pi为i项污染物的污染指数；n为选取污染指标的项数，本文中选取5项；Ci为i项污染指标的年平均浓度值；Si为i项污染指标的评价标准值。具体指标分级如表1所示。

科学的运行管理不仅可以保证人工湿地工程对污染物高效、稳定的去除效果，增加人工湿地的使用寿命，同时通过适当的管理维护措施，可以解决人工湿地带来的一些生态问题，充分发挥其美化生态环境、丰富动植物种的作用[30]。人工湿地完整的运行体系包括4个重要的内容，管理体制、进行管理事项(水位控制、日常监测、填料堵塞管理、植物收割、蚊蝇控制、冬季保温等)、充足管理人员、充足运行资金。此项分值由这四部分实现程度评判。

1.4 生态系统服务价值

人工湿地废水处理效果好，将整个污水处理过程融入到周围生态环境之中[31]。除此之外，人工湿地还能固碳释氧，调节微气候，能滞沙阻尘、净化空气，能降低噪音、杀灭病菌，从而为居民提供更舒适的生活环境[32-33]。人工湿地生态系统服务价值包括使用价值和非使用价值，文献总结人工湿地使用价值包括物质生产、水质净化、调蓄洪水、调节大气组分、调节气候、休闲娱乐、文化科研等价值。每种生态系统服务价值计算方法如表6所示，使用价值为七项价值之和，非使用价值利用条件价值法计算。陈仲新等在2000年等估算中国单位面积湿地生态系统的平均价值为168 754元/hm2[34]，与2000年相比，2014年全国居民消费价格指数为139.8元[35]，因此得出目前湿地生态系统平均价值为235 969元/hm2，为方便操作，本文人工湿地生态系统服务价值取240 000元/hm2进行比较。

表6　人工湿地生态系统服务价值评估方法Table 6　Economic valuation methods of constructed wetlandecosystem services

1.5 成本费用分析

人们在选择和设计污水处理工艺时必须考虑工程造价和运行费用等问题，目前在中国有关人工湿地建设费用方面的实际数据或报道较少。在国外，已投入运行的人工湿地工程造价和运行费用由于各系统因地而异而导致差别较大，但总体上人工湿地处理系统运行的平均费用仅为传统二级污水处理厂的1/10～1/2[36]。人工湿地工程费用包括土地征用费、人工湿地处理设施建设费用、截污管渠建设费用、植物种植与系统调试费用；人工湿地运行与维护费用包括常年维护人工费(C1)、常年维护的材料消耗和植物种苗补充费(C2)、检修、事故处理和不可预见费(C3)。

V=TV/Q,

C=(C1+C2+C3)/Q。

式中:V表示吨水投资；TV表示总投资；Q表示人工湿地处理规模；C表示运行费用。吨水投资、运行费用都取污水处理厂的1/10和1/2作为梯度值，建设费用、运行费用公式参照2010年刘杰得出的公式[37]，其中吨水处理规模取5万t，与2010年相比，2015年固定资产投资价格指数约为108.6元[35]，计算得出吨水投资应在150和800元/m3之间。运行费用应在0.06和0.3元/m3之间。具体评分范围如表1所示。

1.6 社会影响

人工湿地处理系统要求自然、经济和社会3个方面因素相平衡，除要考虑其生态效益外，还应满足市民一定的社会需求。人工湿地处理系统的建设增加了城市的景观面积，使自然水景与人工水景相互交融，让更多当地居民亲近自然，享受自然，所以它在美化生态环境、提供休闲娱乐场所方面有着不可取代的社会效益[38]。另外，人工湿地处理系统还可以为教育和科研提供对象、材料和试验基地，从而在教育和科研中发挥相当重要的作用。人工湿地建设可以提高居民的湿地保护意识，公众满意度，这部分可以采用问卷调查或者访谈法。人工湿地建设运行过程中也带来了大量的就业机会，该项使用定性评价方法(见表1)。

2　评价方法

2.1 评价指标权重

评价指标权重反映了各个因子对整体评价对象的贡献大小。为了避免评价过程出现的主观性和片面性等问题，应该选择科学方法来确定各个指标的权重，如采用因子分析法、实证权重法或者层次分析法等方法。本研究中将采用层次分析法[34]。

设计调查问卷，本文一份问卷中一共包括7个表格，用1～9等数字来表示各个指标间的相对重要程度，专家填写问卷，对同一级的指标进行两两比较，构造判断矩阵B，共7个，对矩阵进行计算，矩阵B的最大特征根所对应的特征向量即为各指标的权重向量，对特征向量中各值进行归一化处理后即得各指标的权重，最后进行一致性检验，一致性比例小于0.1时，认为结果是可以接受的，否则对判断矩阵进行适当修正。最后建立一级指标的权重集Wi和二级指标的层次总权重集W总。

Wi= (w1,w2,…,wm)，W总= (w1,w2, …,wn)。

式中：i为一级指标的序号；m表示各项一级指标中二级指标的总数；n为二级指标总数。鉴于层次分析法计算时的庞大计算量，本次研究中采用了专业的层次分析法计算软件yaahp 7.0，计算得出人工湿地指标体系各指标权重如表7所示。

表7　人工湿地评价指标体系各指标权重Table 7　Index weight of constructed wetland assessment system

2.2 综合评价

将各二级指标实际值乘以各自的权重，所有的项相加再乘以20即是所评价的人工湿地的最后得分值，计算公式如下。

其中：S表示评价最后得分；Wi表示各项二级指标的权重；a表示各项二级指标评分。也可用同样方法计算一级指标得分，以便对人工湿地一级指标得分情况进行内部比较或者交叉比较。依据得分高低来综合考评人工湿地。因此得出人工湿地评价分数在0～100之间，将分值分为优、良、中、差、极差5种情况(见表8)。

表8　人工湿地综合评价分级Table 8　Classification of constructed wetlands comprehensible evaluation

2.3 实例研究

应用本次建立的人工湿地评价指标体系对赵牛河人工湿地进行评价，工程位于齐河县晏黄沟入赵牛河东岸及西岸规划用地，总投资为6 800万，日处理量为40 000 m3/d。总规划面积333hm2，其中核心区域占地68hm2，包括潜流湿地规划面积9hm2，表面流湿地规划占地面积21hm2，沿赵牛河两岸生态带修复规划占地面积39hm2。作为海河流域重要支流的赵牛河入水水质应严格控制，进水水质应满足地表水环境质量V类水质要求。本实证评价的主要数据来源于赵牛河人工湿地环境影响报告书、赵牛河人工湿地工艺方案、验收材料，德州统计年鉴及赵牛河人工湿地的有关统计和观测数据资料，以及包括笔者对赵牛河人工湿地的进出水实测数据和调查问卷资料。评价指标数据经处理后各指标值、综合指数值见表9。根据表9评价结果以及表7的权重，综合计算赵牛河人工湿地得分是72.0，整体评价处于“良”的，说明其综合状态良好，应继续保持。

表9　赵牛河人工湿地评价结果Table 9　Evaluation result of Zhaoniu River constructed wetland

4　结语

本研究在湿地评价指标体系的基础上，综合人工湿地处理系统的特点，提出了基于层次分析法和综合指数法的定性与定量相结合的人工湿地综合评价指标体系，在设定各级评价指标和权重时，还需要特别考虑人工湿地的不同类型和主要功能。此外评价体系中各指标数据比较容易获得，例如位置、地形坡度、年均温度、池体设计、填料、吨水投资、运行费用都可以通过查阅文献或者现场观测直接获得，水质净化数据是人工湿地运行的基础数据，也可通过水质实验直接获得。该指标体系能使评价结果量化，所得的评价结果更为直观，评价结果低于“中”级的人工湿地都应对不足之处进行改善。最后根据构造的指标体系，选择赵牛河人工湿地作为研究对象，计算了综合指数，计算结果表明，赵牛河人工湿地综合得分为“良”，应继续保持良好状态。

致谢:感谢德州环保局工作人员和赵牛河人工湿地管理处提供的帮助。

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责任编辑庞旻

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

国家水体污染控制与治理重大科技专项(2012ZX07203004)资助

2016-01-28；

2016-04-23

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

❋❋通讯作者：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)