夢清園景觀水體生態(tài)凈化系統(tǒng)模糊綜合評價

肖冰 楊銀川 陸昕渝 李欣然 黃民生 尹超 何巖

摘要：夢清園景觀水體生態(tài)凈化系統(tǒng)對蘇州河河水進行處理后排放，根據(jù)2017年3月 11月的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用單因子評價法以及模糊綜合評價法分別對蘇州河河水和景觀水體生態(tài)凈化系統(tǒng)的水質(zhì)類別進行評估.結(jié)果表明，該處理工藝對NH3-N、TN和TP等指標有一定的去除率，分別為29.7%、55.2%和24.3%，溶氧濃度有很大提升，但各單元水質(zhì)波動較大，其中由于植物堆積、內(nèi)源釋放、基質(zhì)飽和等原因，蘆葦濕地的水質(zhì)最差（劣V類），需要加強管理維護以恢復(fù)水體凈化效能.

關(guān)鍵詞：夢清園; 景觀水體生態(tài)凈化; 單因子評價法; 模糊綜合評價

中圖分類號：X824

文獻標志碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1000-5641.2019.04.014

0 引 言

夢清園（見圖1）位于上海市中心城區(qū)，蘇州河南側(cè)，是一個通過舊區(qū)改造而建設(shè)的生態(tài)環(huán)境綜合體，包括綠地、景觀水系體以及地下合流污水溢流調(diào)蓄池等[1].其中，景觀水系統(tǒng)是蘇州河水質(zhì)生態(tài)凈化等展示平臺.

蘇州河河水經(jīng)過泵提升后進入夢清園景觀水體生態(tài)凈化系統(tǒng)，原設(shè)計流量為50 m³/h，而實際運行進水流量為100 m³/h，每天進水時間為10 h[l].該系統(tǒng)主要包括水質(zhì)強化凈化部分和水質(zhì)穩(wěn)定部分.水質(zhì)強化凈化部分（見表1）由折水澗、蘆葦濕地、下湖和中湖組成;水質(zhì)穩(wěn)定部分由上湖、空中水渠、蝴蝶泉、虎爪灣溪、清漪湖和星月灣組成[5].經(jīng)過景觀水體生態(tài)凈化系統(tǒng)后又排入蘇州河.

本研究根據(jù)夢清園景觀水體生態(tài)凈化系統(tǒng)工藝流程，以折水澗、蘆葦濕地、下湖、蝴蝶泉和出水臺地星月灣中的水質(zhì)作為研究對象，首先分析單因子沿程變化趨勢，評價各水質(zhì)指標，與地表水質(zhì)量標準相比較，同時將熵權(quán)法和層次分析法組合對各污染因子的權(quán)重進行賦值，通過模糊綜合評價對夢清園生態(tài)凈化系統(tǒng)中的水質(zhì)進行綜合評價，并將模糊綜合評價的等級結(jié)果與單因子評價結(jié)果進行比較.

1 評價方法

針對水質(zhì)的評價方法有很多，本研究分別采用單因子評價法和模糊綜合評價法對夢清園景觀水體生態(tài)凈化系統(tǒng)的水質(zhì)進行評估.

單因子評價法將污染最重的因子賦以100%權(quán)重，該方法評價過程簡單，不需要復(fù)雜計算，因此在水質(zhì)評價中最常用也最成熟，但該法未考慮水質(zhì)評價全部因子的貢獻，得到的結(jié)果過于保守[6].

由于水體污染程度是一個模糊概念，水環(huán)境質(zhì)量分級具有模糊特征，因此模糊綜合評價（Fuzzy comprehensive assessment，F(xiàn)CA）被廣泛用于水質(zhì)狀況的評價[7].模糊綜合評價法適合情況較為復(fù)雜的水體，而夢清園作為景觀水體，其生態(tài)凈化系統(tǒng)接收蘇州河來水，且園內(nèi)人員活動頻繁，因此夢清園內(nèi)水質(zhì)受到多種影響.

2 夢清園景觀水體生態(tài)凈化系統(tǒng)評價

夢清園設(shè)立了7個采樣點，分別為蘇州河、水質(zhì)強化凈化部分的折水澗、蘆葦濕地、擋水板槽、下湖、水質(zhì)穩(wěn)定部分的蝴蝶泉和星月灣.評價采用的監(jiān)測數(shù)據(jù)為7個樣點于2017年3月11月的溶解氧、氨氮、總氮、總磷、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素a數(shù)據(jù)，每個采樣點每月采樣1次.本研究對比了不同賦權(quán)法得到的模糊綜合評價結(jié)果及單因子評價法結(jié)果.

2.1 單因子沿程變化趨勢分析

2.1.1 溶解氧（DO）

根據(jù)DO濃度在各采樣點分布的情況（見圖2）可知，6個采樣點的DO濃度均優(yōu)于V類水標準.蘇州河水經(jīng)泵提升，在折水澗的跌水復(fù)氧和人工曝氣后，其DO濃度明顯升高，達到了Ⅲ類水標準.下湖、蝴蝶泉和星月灣的DO濃度明顯高于折水澗、蘆葦濕地和擋水板槽，DO濃度進一步提高，星月灣DO濃度指標達到了地表水I類標準.

2.1.2 氨氮和總氮（NH4-N和TN）

各采樣點的氨氮濃度（見圖3）除蘇州河外均達到或高于Ⅲ類水標準，其中下湖氨氮平均濃度達到了I類水標準.氨氮濃度在各采樣點的分布整體呈U型，即在下湖氨氮濃度最低，后濃度回升，由于星月灣點位于蘇州河河岸，因此水質(zhì)受蘇州河影響較大.系統(tǒng)對氨氮具有較好的去除效果，總體去除率為29.7%，其中折水澗對氨氮的去除率高達55.2%.

根據(jù)各采樣點總氮濃度的變化（見圖3）可知，折水澗和蝴蝶泉的總氮濃度較高，基本在3.0mg/L以上，而蘆葦濕地的最低.總氮濃度隨著凈化系統(tǒng)呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢，生態(tài)凈化系統(tǒng)整體的總氮去除率為55.2%，優(yōu)于徐亞同等研究中的平均去除率23%[1]說明生態(tài)凈化系統(tǒng)依舊保持良好的總氮去除效果.

2.1.3 總磷（TP）

根據(jù)各采樣點總磷的變化趨勢（見圖4）可知，除蘆葦濕地外，其他各點的總磷濃度均達到V類水質(zhì)標準，其中下湖的達到Ⅲ類水標準.總磷濃度沿程變化趨勢為先上升后下降再略微上升.蘆葦濕地的總磷濃度最高，且波動大.整個系統(tǒng)對總磷具有一定的去除效果，去除率為24.3%，低于徐亞同等研究中的總磷去除率38%[1]

2.1.4 五日生化需氧量（BODs）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）

根據(jù)五日生化需氧量沿程變化（見圖5）可知，蘇州河最大，平均濃度為4.11 mg/L，屬地表水環(huán)境Ⅳ類標準.折水澗、擋水板槽、下湖和蝴蝶泉五日生化需氧量均達到I-II類水標準，蘆葦濕地和星月灣五日生化需氧量也達到III類水標準，五日生化需氧量的污染較小.

根據(jù)高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢可知，星月灣該指標劣于V類標準，表明出水處受有機污染很嚴重，推測是由于星月灣是硬質(zhì)的出水臺地，水體較小，水深很淺（通常為15 cm），基本無流動性，夏季易爆發(fā)藻類，水生動物易擱淺死亡（采樣期間觀察到魚類擱淺），使得水質(zhì)惡化.其他采樣點高錳酸鹽指數(shù)均達Ⅳ類和V類標準，蘇州河的高錳酸鹽指數(shù)達到Ⅲ類水標準.

2.1.5 葉綠素a（Chla）

根據(jù)葉綠素a沿程變化趨勢（見圖6）可知，葉綠素a平均濃度為22.81μg/L.其中蘆葦濕地年內(nèi)變化較大，其中10月份葉綠素a濃度可高達110.15 μg/L.折水澗及下湖葉綠素a濃度較小，平均為12.16 μg/L和8.31 μg/L，折水澗設(shè)置的跌水，不利于藻類生長，而下湖中放養(yǎng)的魚類等水生生物對藻類具有捕食作用，且沉水植物生長狀況較好，因此葉綠素a濃度較小.

2.2 單因子評價

利用實測數(shù)據(jù)，與《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》 （GB3838-2002）標準限值進行對比分類，選取水質(zhì)最差的因子類別作為評價結(jié)果，見表6.

2.3 模糊綜合評價

2.3.1 選取評價因子，建立評價標準集

水質(zhì)指標是評價水質(zhì)受污染程度及反映水質(zhì)特征的重要參數(shù)，本研究選取溶解氧（DO）、氨氮（NH4-N）、總磷（TP）、五日生化需氧量（BODs）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）作為評價指標.因此得到評價因子集U={DO，NH4-N，TP，BODs，CODM。>.

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB38382002）將水質(zhì)級別分為6級，因此確定評價集V={I，II，Ⅲ，Ⅳ，V，劣V}.

2.3.2 建立隸屬函數(shù)與隸屬矩陣

傳統(tǒng)的模糊綜合評價模型一般將各類水質(zhì)標準的上下界限值帶入隸屬函數(shù)中，計算得到因子在I-V類的隸屬度，本研究將水質(zhì)標準上下限的中間值作為隸屬函數(shù)的界限值，可以得到6個隸屬度，從而實現(xiàn)對劣V類水質(zhì)的評價[14].

對于數(shù)值越小越優(yōu)型的指標，如氨氮（NH4-N）、總磷（TP）、五日生化需氧量（BODs）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn），采用“降半梯形”函數(shù)表示，而對于DO數(shù)值越大水質(zhì)越好的指標采用“升半梯形”函數(shù).

因此DO的6級隸屬函數(shù)如下，

根據(jù)該法依次計算NH4-N、TP、BODs和CODMn的6級隸屬函數(shù)，并將各采樣點的監(jiān)測數(shù)據(jù)帶入函數(shù)中，得到隸屬度和隸屬矩陣R.

（3）組合賦權(quán)

本研究采用算術(shù)平均法進行權(quán)重的組合，得到各評價指標污染權(quán)重值，如表4所示.

2.3.4 綜合評價

將組合賦權(quán)計算的權(quán)重值與各采樣點的隸屬矩陣R相乘，合成模糊評價綜合指標，見表5.

分別對單獨使用層次分析法及熵權(quán)法得到的權(quán)重進行模糊綜合評價，得到的結(jié)果對比見表6.

3 結(jié)果與討論

根據(jù)徐亞同等研究[1]夢清園景觀水體生態(tài)凈化系統(tǒng)運行初期，對氨氮、總氮和總磷均有良好的去除效果（去除率為70%、23%和38%），且水質(zhì)隨著凈化工藝呈現(xiàn)上升趨勢，DO和透明度也有一定改善，但從本研究結(jié)果中可以看出，生態(tài)凈化系統(tǒng)整體雖然保持對氨氮、總氮和總磷較好的去除率（分別為29.7%、55.2%和24.3%），且提高了水體的溶解氧，但水質(zhì)沿凈化工藝流程波動較大.

層次分析法中權(quán)重值最大的因子對水質(zhì)評價結(jié)果影響過大，而熵權(quán)法中最大污染因子對權(quán)重賦值變小，使水質(zhì)評價結(jié)果偏好，因此本文將兩種方法綜合，避免了單一方法產(chǎn)生的偏差，結(jié)果更加準確有效.

評價結(jié)果（見表6）表明折水澗的水質(zhì)為IV類水，主要污染因子為TP.其水體TN/TP值為11.61，說明在春夏季存在藻類生長的潛在風險[15]，但由于折水澗設(shè)置了6級跌水曝氣，其水流速度較快，因此未發(fā)現(xiàn)藻類爆發(fā)現(xiàn)象，葉綠素a濃度較小.

蘆葦濕地的水質(zhì)較差，屬劣V類水質(zhì).蘆葦濕地是核心單元，應(yīng)發(fā)揮攔截吸附懸浮污染物、吸收氮磷等作用.蘆葦濕地主要參數(shù)見表1，運行初期根據(jù)吳淑杭等的研究[16]，蘆葦?shù)厣喜糠值牡追e累量在秋季達到最高（151.7 g/m²和32.5 g/m²），在10月底收割能較好發(fā)揮去除氮磷的功能，但由于蘆葦未及時收割堆積，導(dǎo)致流態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生偏流和短流，且在秋季葉綠素a濃度較高，說明單細胞和多細胞藻類快速繁殖，超過環(huán)境容納，加上濕地運行十多年，基質(zhì)吸附飽和、沉積物內(nèi)源性釋放，使其總磷和有機物污染非常嚴重，CODMn指標劣于V類標準.但比較折水澗和蘆葦濕地的氨氮濃度，發(fā)現(xiàn)蘆葦濕地對氨氮有較大去除率，這是由于蘆葦濕地植物光合作用，溶解氧濃度高，發(fā)生硝化作用.蘆葦濕地中的有機碳雖然有一部分用于脫氮，但其積累濃度已超過環(huán)境容量，因此蘆葦濕地的管理中既要注意維持一定濃度的有機碳用于脫氮，又不能使其積累過量成為污染.

下湖設(shè)置了4m寬的氧屏障區(qū)，加上堆石溢流堰跌水曝氣作用，使得其DO濃度達到I類標準，下湖中不僅放生了魚類和底棲生物，還種有較多沉水植物，且生長發(fā)育良好，雖然是硬質(zhì)駁岸，其生物量大，物種多樣性豐富，因此通過水生植物、魚類和微生物的生物過程，能發(fā)揮較好的水質(zhì)凈化穩(wěn)定作用，且下湖水體較大，對面源污染具有稀釋作用，因此其水質(zhì)較好，為IV類.

蝴蝶泉的水質(zhì)評價結(jié)果為IV類.蝴蝶泉為小型景觀水體，對外來污染稀釋作用較小，周圍有綠化帶，降雨徑流易將施肥產(chǎn)生的污染沖刷進水體，因此需要嚴格控制周圍綠化施肥的使用，降低水體富營養(yǎng)化的可能.蝴蝶泉為開闊淺水體，光照強，夏季葉綠素a濃度較高，有絲狀藻生長，但水體中有景觀噴泉，可對水體造成一定擾動.

星月灣的評價結(jié)果表明其屬劣V類水質(zhì).星月灣位于蘇州河河岸，是夢清園水體生態(tài)凈化系統(tǒng)的出水臺地.由于其水深極淺（<5 cm），因此DO濃度很高，同時氮、磷營養(yǎng)鹽和BODs均達到IV類和ni類標準，但高錳酸鹽指數(shù)高達22.21 mg/L，遠遠低于V類標準，由于蘇州河河水漲潮時或行船波浪，河水倒灌入星月灣，將蘇州河中魚類等水生動物沖上臺地，水生生物的生長及其死亡會影響水質(zhì)，且該處無建筑物或綠蔭遮擋，陽光直射，藻類繁殖過盛造成污染.

由于夢清園景觀水體生態(tài)凈化系統(tǒng)設(shè)置在開放公園中，因此其凈化效能不免會受到人為干擾.公園中垃圾投入、游憩活動是主要干擾，同時為保證公園內(nèi)植物生長需求，進行人工施肥，降雨時徑流會將污染帶入水體凈化系統(tǒng)中，因此為避免造成水體污染，應(yīng)嚴格規(guī)劃控制施肥量.為確保生態(tài)凈化系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮，應(yīng)對系統(tǒng)進行長期的管理維護，比如水生植物的養(yǎng)護與及時收割清理、進水速度和水位的控制以及泵和水車等的正常運行.

4 結(jié)論

（1）層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)能夠使結(jié)果無偏差.單因子評價法和模糊綜合評價法所得的結(jié)果有異同，兩種評價方法具有一定關(guān)聯(lián).總體來說單因子評價法得到的等級較差，評價結(jié)果過于保守，只考慮污染最嚴重的因子的影響，比較片面.而模糊綜合評價考慮多指標綜合結(jié)果，結(jié)果較為準確，最終表達方式也簡單.

（2）蘇州河水進入夢清園生態(tài)凈化系統(tǒng)后，水體的溶解氧濃度有較大提高，達到I類標準，并且對NH4-N、TN和TP等指標有良好的去除作用，去除率分別為29.7%、55.2%和24.3%.

（3）由于相應(yīng)后續(xù)維護管理不佳、水生植物的殘體堆積、公園綠化施肥等原因，水質(zhì)在各處理單元中波動較大，有些核心處理單元比如蘆葦濕地，未發(fā)揮其功能，反而使得水質(zhì)變差.因此為了確保景觀水體生態(tài)凈化系統(tǒng)水質(zhì)改善與水體修復(fù)功能的發(fā)揮，應(yīng)加強凈化系統(tǒng)各單元的管理維護，及時清理污染物及水生植物殘體，恢復(fù)其正向水體自凈效能.

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