城市污水處理廠尾水濕地生態(tài)消納安全評價模型構(gòu)建及應用

摘要：城市污水處理廠尾水主要采用人工濕地生態(tài)消納排放，針對這種尾水排放方式的生態(tài)安全性問題，以層次分析法和壓力狀態(tài)響應（PSR）理論為依據(jù)，構(gòu)建基于城市資源環(huán)境壓力、人工濕地狀態(tài)和人文環(huán)境響應3個類別的尾水濕地生態(tài)消納安全評價模型。以中國長三角地區(qū)的江蘇省常州市城市污水處理廠的尾水濕地消納為例，以該市資源環(huán)境壓力、人工濕地狀態(tài)和人文環(huán)境響應等指標為權(quán)重，得到人工濕地安全值S=2.179 6，屬于安全狀態(tài)，即采用人工濕地消納該市污水處理廠尾水，從生態(tài)學角度是安全的，但仍然需要持續(xù)追加環(huán)保設施的投資，提高污水處理運行效率，強化對人工濕地的日常管護水平，確保人工濕地運行的穩(wěn)定性與可靠性。

關鍵詞：城市污水處理廠尾水；人工濕地；生態(tài)消納；生態(tài)安全評價模型；P-S-R理論

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4491-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.034

Abstract： The current majority of our city， the main way of urban sewage treatment plant tail water discharge is the use of constructed wetland eco-consumption emissions. Aiming at the ecological security of the tail water discharge way，according to analytic hierarchy process and pressure-state-response（PSR），an urban water environment ecological security assessment system including resources environment pressure，constructed wetland pressure and humanities environment response was constructed. Taking the urban sewage treatment plant tail water wetland consumption of the Yangtze River Delta region of Changzhou city in Jiangsu province as an example，by the weight of the city resources environment pressure，constructed wetland pressure and humanities environment response，the safety value of constructed wetland is S=2.179 6，which belongs to the safety state，the ecological safety evaluation was safe，but still need to continue to additional environmental protection facilities of the investment，improve the sewage treatment efficiency，strengthen constructed wetland daily level of management and protection， ensure the stability and reliability of constructed wetland operation.

Key words：urban sewage treatment plant tail water； constructed wetland； eco-consumption； ecological security assessment model； P-S-R principle

隨著中國城市經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，城市污水量大大提高，城市尾水排放量增大。特別是在長江中下游蘇南水網(wǎng)地區(qū)，城市污水處理廠尾水回用率小，絕大部分尾水直排入附近河道，且水流速度慢，在河道中停留時間較長；而且大多數(shù)城市污水處理廠尾水能夠達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A或一級B排放標準，但并未達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅴ類質(zhì)量標準，所以會造成河道湖泊水體富營養(yǎng)化等，對水環(huán)境生態(tài)安全構(gòu)成威脅。

生態(tài)安全評價是對生態(tài)系統(tǒng)完整性以及對各種風險下維持其健康的可持續(xù)能力的識別與判斷研究[1-4]。生態(tài)安全性的評價方法主要有以下3種：①因子分析法。因子分析法包括單因子分析法、多因子分析法以及復合因子分析法等，但分析過程中往往各因子之間相互關聯(lián)。李萬蓮等[5]采用因子分析法對蚌埠段淮河水生態(tài)安全變化進行了定量評價分析，并提出了生態(tài)安全預警體系和保障城市水生態(tài)安全的措施。②層次分析法。層次分析法是將一個復雜的被評價系統(tǒng)，按照其內(nèi)在的邏輯關系，以評價指標為代表，構(gòu)成一個有序的層次結(jié)構(gòu)，然后針對每一層的指標，運用專家的知識、經(jīng)驗、信息和價值觀，對同一層次的多個指標進行兩兩比較，建立判斷矩陣。如鐘振宇等[6]采用層次分析法對洞庭湖生態(tài)安全評估，確定總磷和葉綠素a為洞庭湖水生生態(tài)狀況惡化的主要原因。③模型分析法。生態(tài)安全評價模型是近年來生態(tài)安全評價最常用的評價手段之一。目前最為常見的“壓力-狀態(tài)-響應”（PSR）模型被廣泛地應用于各生態(tài)領域安全評價。張文藝等[7]采用PSR模型對常州市的生態(tài)安全進行評價，表明常州市的城市生態(tài)安全總體水平在中等偏下。本研究主要基于層次分析法和壓力狀態(tài)響應（PSR）理論，構(gòu)建基于城市資源環(huán)境壓力、人工濕地狀態(tài)和人文環(huán)境響應3個類別的尾水濕地生態(tài)消納安全評價模型，對尾水排放方式的生態(tài)安全性問題進行評價。人工濕地尾水生態(tài)消納系統(tǒng)是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，包括人工濕地生態(tài)系統(tǒng)自身及其所服務的生態(tài)系統(tǒng)[8，9]。通過評價可以確定該生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，及其是否有利于城市水環(huán)境的健康發(fā)展，從而為城市污水處理廠尾水采用濕地生態(tài)消納處理提供理論依據(jù)。

1 生態(tài)安全評價

1.1 評價模型的選擇

濕地生態(tài)安全性評價是一項復雜的系統(tǒng)工程，本研究采用由世界經(jīng)濟合作和發(fā)展組織（OECD）提出的一種反映自然狀況指標體系的壓力-狀態(tài)-響應模型（pressure-state-response，簡稱PSR模型）[10-12]。按照層次分析法，將人工濕地生態(tài)安全評價系統(tǒng)分為3個子系統(tǒng)層次，也就是壓力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)、響應子系統(tǒng)，再根據(jù)各個子系統(tǒng)確定評價因子[13-16]。壓力評價因子主要選擇人工濕地面對的技術(shù)經(jīng)濟等問題，狀態(tài)評價因子主要選擇人工濕地系統(tǒng)對尾水的處理效果，響應評價因子主要選擇人工濕地系統(tǒng)問題的應對[17-20]。三者之間存在制約和影響。

結(jié)合相關研究，本研究擬采用4個等級來評價人工濕地的生態(tài)安全性，分別為“較不安全”、“不安全”、“安全”、“較為安全”。通過各指標權(quán)重Wi和指標得分Ii，累積求和得到濕地的安全值S，安全值由公式（1）求得，安全值的大小直接影響了人工濕地的生態(tài)安全性，安全值越高，說明人工濕地的生態(tài)安全性越大，同時也反映出人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高和可持續(xù)性越強。

安全值的計算公式：

S=∑Wi×Ti（1）

其中：Wi為各指標層所對應的權(quán)重，Ii為指標層所對應的得分。

1.2 評價因子的篩選

1.2.1 環(huán)境資源壓力指標的確定 隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境污染問題越來越突出，威脅了人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的安全性。

1）人口自然增長率。人口自然增長率是一個城市的發(fā)展動力，但是人口自然增長過快或者過慢都不利于經(jīng)濟的增長，常州市2013年的人口自然增長率為1.4‰[21]。

2）一個地區(qū)的國民生產(chǎn)總值（GDP）。一個地區(qū)的GDP反映了一個地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)達程度，經(jīng)濟越發(fā)達，往往造成的環(huán)境負面因素更多，結(jié)合中國大陸人均GDP和世界人均水平，考察常州市的經(jīng)濟狀況，2013年常州市常住人口的人均生產(chǎn)總值達 85 039元，按平均匯率折算達13 472美元[21]。

3）污水處理達標率。污水處理達標率反映了一個地區(qū)對水污染的治理情況，處理率越高，說明該地區(qū)對環(huán)境污染的重視度越高，保障了人工濕地生態(tài)的安全性。2013年，常州城區(qū)生活污水日產(chǎn)生量為112萬m3，日處理量為106萬m3，生活污水處理率達94.4%，處理達標率為100%[21]。

4）城市人均尾水受納面積。城市人均尾水受納面積反映出該地政府和群眾對尾水排放的重視程度，人工濕地的建設同樣是城市綠化的一部分，因此該數(shù)據(jù)也可以反映出人工濕地的生態(tài)安全性。2013年常州市城區(qū)人均尾水受納水體面積達到12.83 m2[21]。

1.2.2 人文環(huán)境響應指標的確定 人文環(huán)境響應主要從尾水回用率、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益、社會效益、濕地管理水平5個方面進行評價。尾水人工濕地生態(tài)處理最終目的是其所產(chǎn)生的環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益，通過對公眾的調(diào)查，確定人工濕地生態(tài)安全的人文環(huán)境響應。

1.2.3 人工濕地狀態(tài)指標的確定 人工濕地的狀態(tài)指標主要選擇濕地的運行效果指標，選取COD、TP、TN和NH3-N作為濕地的狀態(tài)性指標，人工濕地的凈化效果直接影響濕地的生態(tài)安全性，是人工濕地生態(tài)安全性的核心，因此其權(quán)重最大。該數(shù)據(jù)評價采用城北污水處理廠連續(xù)運行10個月的平均數(shù)據(jù)，并以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）為參考依據(jù)。

人工濕地生態(tài)安全性評價等級標準具體見表2。

2 評價權(quán)重的計算及人工濕地的安全性判定

2.1 評價權(quán)重的計算

指標體系權(quán)重采用層次分析法確定。根據(jù)各指標要素之間的重要性構(gòu)造判斷矩陣，用Cij表示元素i和元素j的重要程度，重要性標度含義見表3。

通過判斷，對系統(tǒng)層和指標層分別進行比較，列出判斷矩陣，通過yaahp軟件（層次分析法軟件）7.5版本計算權(quán)重，分別見表4、表5、表6、表7、表8。

2.2 人工濕地的安全性判定

根據(jù)公式（1）和表8計算人工濕地的安全值 S=2.179 6，根據(jù)表1其值在[2，3]之間，屬于“安全狀態(tài)”。

3 尾水排放人工濕地生態(tài)安全性對策及建議

通過采用壓力狀態(tài)響應（PSR）模型和層次分析法對常州市尾水采用人工濕地處理的生態(tài)安全性進行評價，結(jié)果表明人工濕地處理尾水的生態(tài)是安全的。但人工濕地的生態(tài)安全性水平較低，因此，仍然需要持續(xù)追加環(huán)保設施的投資，提高污水處理運行效率，強化對人工濕地的日常管護水平，確保人工濕地運行的穩(wěn)定性與可靠性。根據(jù)生態(tài)安全性評價結(jié)果，常州市尾水采用人工濕地的生態(tài)安全性屬于安全狀態(tài)，但是其安全值處于臨界值附近，安全性較弱，因此，對于尾水濕地生態(tài)安全性仍需引起關注。針對常州市尾水的生態(tài)安全性評價結(jié)果，提出以下3點建議。

1）常州市需進一步加強對環(huán)保的投入。環(huán)境資源對人工濕地安全性的權(quán)重占1/4左右，對人工濕地的安全性影響較大，提高對環(huán)境保護的投資，有利于保護常州的環(huán)境資源，減少對環(huán)境資源的污染。

2）提高人工濕地處理的穩(wěn)定性。人工濕地的處理效果直接影響著其生態(tài)安全性，人工濕地的狀態(tài)在人工濕地生態(tài)安全性中占據(jù)最重要的位置，確保人工濕地的穩(wěn)定，有效調(diào)控進水的水質(zhì)和水量，制定有效的應急預案，保證人工濕地出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。

3）加強對人工濕地的日常運行管理。人工濕地的穩(wěn)定運行離不開濕地的管護，提高濕地的管護水平在人工濕地的生態(tài)安全性中非常重要，因此可以從提高人工濕地管理人員的素質(zhì)入手，選擇素質(zhì)高、技術(shù)好、經(jīng)驗豐富的管理人員，建立良性的濕地管護機制。

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