沙河人工濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究

查瑞翔

摘要：天津于橋水庫作為引灤輸水水源地，一直都是天津市及相關(guān)管理部門的重視對(duì)象。了解沙河人工濕地生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，對(duì)沙河人工濕地進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)估，可以為濕地安全運(yùn)營與管控提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。本文對(duì)壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）框架理論進(jìn)行分析，結(jié)合沙河人工濕地工程概況，從壓力要素、狀態(tài)要素、響應(yīng)要素三個(gè)方面篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)。最終確定了年均氣溫、工農(nóng)業(yè)排污、出水達(dá)標(biāo)率、噸水年運(yùn)行成本、生態(tài)監(jiān)測(cè)等16基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)。依據(jù)問卷調(diào)查法、標(biāo)準(zhǔn)法、參考法確定定量及定性指標(biāo)各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)構(gòu)建生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型奠定基礎(chǔ)。

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(guān)鍵詞：安全評(píng)價(jià);人工濕地;生態(tài)環(huán)境;壓力-狀態(tài)-響應(yīng)

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

中圖分類號(hào)：X171.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）01-0082-03

0 ?引言

在人工濕地的全壽命周期管理過程中，管理重點(diǎn)是早期的建設(shè)過程，而對(duì)后期的運(yùn)營管理并不夠重視，也就出現(xiàn)了后期運(yùn)行安全、效率等評(píng)價(jià)不足等缺點(diǎn)。所以，對(duì)水質(zhì)保障的效果明顯提升的同時(shí)，如何保證人工濕地健康運(yùn)行管理成為了關(guān)注重點(diǎn)。著重關(guān)注人工濕地建成后的運(yùn)行管控中所暴露的缺陷，并借鑒其他人工濕地的成功調(diào)控經(jīng)驗(yàn)，從三個(gè)大框架下評(píng)價(jià)沙河人工濕地生態(tài)安全水平，并依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)沙河人工濕地的安全運(yùn)營管理策略進(jìn)行升級(jí)，是實(shí)現(xiàn)沙河人工濕地地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和保證于橋水庫水生態(tài)質(zhì)量的重要管理手段。

相當(dāng)早的時(shí)候國際上就有人研究人工濕地污水處理技術(shù)，在英國約克郡Earby的建立的最早的濕地系統(tǒng)可以追溯到1903年，它到1992年才停止使用;1953年，德國MaxPlanck研究所Seidel博士[1]第一次表達(dá)出選擇出一些合適的植物在人工濕地中來有效抑制水體污染，在試驗(yàn)中他尋找對(duì)去除有機(jī)和無機(jī)污染物的植物發(fā)現(xiàn)蘆葦不錯(cuò)，而且在以后利用種植蘆葦來改變各種各樣的水質(zhì)情況，我們說是Seidel博士首先運(yùn)用植物方法來改良人工濕地。后來，按照Seidel的想法，荷蘭建立了叫做Lelystad Process的人工濕地處理系統(tǒng)且規(guī)模很大，經(jīng)過一段時(shí)間的使用之后，處理的效果很好，因此，荷蘭開始大量的建設(shè)人工濕地。荷蘭已經(jīng)跑在其他國家前面在建設(shè)人工濕地的方面。其后，Seidel與ckuth合作并由Kickuth在1972年提出了“根區(qū)法理論”（The Root-Zone-Method）， 人工濕地設(shè)計(jì)建設(shè)在如選擇植物方面的理論空白[2]由于“根區(qū)法理論”的提出得到了很大的補(bǔ)充。之后，人工濕地工程漸漸在國際上得到大量的關(guān)注和應(yīng)用。國內(nèi)外研究者研究人工濕地的方向一般都在功能評(píng)價(jià)、環(huán)境影響[3]和人工濕地對(duì)污染物的改良作用[4]三個(gè)方面。

對(duì)人工濕地進(jìn)行內(nèi)部評(píng)價(jià)是人工濕地功能評(píng)價(jià)的主要方式，并且用得到的結(jié)果來評(píng)定出沙河人工濕地的功能特征，基本上國外所有的人工濕地都是通過功能評(píng)價(jià)進(jìn)行的評(píng)價(jià)。Larson和Moshiri在1980年提出了需要政府許可才能進(jìn)行使用的人工濕地快速評(píng)價(jià)模型[5]。Gibbs創(chuàng)造的人工濕地功能評(píng)價(jià)方法名為“五步”，而且開始逐漸重視起來人工濕地評(píng)價(jià)模型和體系[6]。來評(píng)價(jià)出人工濕地的環(huán)境，即依據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)代入原始的算式中算出評(píng)價(jià)結(jié)果，運(yùn)用算出的評(píng)價(jià)結(jié)果來評(píng)價(jià)人工濕地的狀況還可以對(duì)未來的發(fā)展做出預(yù)測(cè)。Piatt想到了用海鳥的類型來評(píng)價(jià)出美國濱海人工濕地的現(xiàn)狀，并對(duì)它未來的發(fā)展做出了預(yù)測(cè)性評(píng)價(jià)[7]。

目前，人工濕地作為一個(gè)為地球大生態(tài)圈提供額外保護(hù)的水域生態(tài)系統(tǒng)，其涉及的因素很多。鑒于每個(gè)人工濕地系統(tǒng)所面臨的主、客觀環(huán)境各不相同，以至于各個(gè)人工濕地的運(yùn)行好壞狀況、生態(tài)安全效度水平也是不盡相同的。所以，為每個(gè)人工濕地建立一套符合其主客觀環(huán)境的、科學(xué)的生態(tài)安全評(píng)估體系是進(jìn)行生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)的重要基石。

1 ?研究方法

本文運(yùn)用PSR生態(tài)評(píng)估框架理論與方法、系統(tǒng)工程理論學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性分析、綜合模糊評(píng)價(jià)理論體系等基本原理及方法，緊密聯(lián)系沙河人工濕地現(xiàn)場的實(shí)際情況，通過理論與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，定性與定量研究相結(jié)合等多種方法和技術(shù)來完成沙河人工濕地生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。具體地說，有如下研究方法：

1.1 文獻(xiàn)研究法

本課題緊緊抓住研究主題，閱讀相關(guān)論文文獻(xiàn)及歷史資料，對(duì)以往關(guān)于生態(tài)安全評(píng)價(jià)的研究成果進(jìn)行綜述與回顧，便于全面準(zhǔn)確地掌握所要研究的主要問題和內(nèi)容。通過文獻(xiàn)查閱（CNKI、ASCE、ICEA等數(shù)據(jù)庫），分類總結(jié)，分析PSR框架模型、生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析、模糊綜合評(píng)價(jià)理論等方面的資料，選用相對(duì)成熟的理論、方法和實(shí)踐成果作為本課題研究的主要素材和理論基礎(chǔ)。

1.2 問卷調(diào)查法

在明確評(píng)價(jià)指標(biāo)體系后，問卷調(diào)查法可以直接獲取本研究依托工程的現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)際情況。雖然會(huì)存在一定主觀性，但是問卷調(diào)查數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，運(yùn)用合理的數(shù)理分析方法，可以使其有效化，為生態(tài)安全評(píng)價(jià)提供合理的數(shù)據(jù)來源。

1.3 定性和定量評(píng)價(jià)法

依據(jù)環(huán)境工程相關(guān)理論，對(duì)生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系指標(biāo)中的年降雨量、噸水TP削減量等客觀變量采取定量評(píng)價(jià)方法。對(duì)工農(nóng)業(yè)排污、生態(tài)監(jiān)測(cè)等主觀變量采取定性評(píng)價(jià)方法。構(gòu)建生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系。運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)理論對(duì)其進(jìn)行定量計(jì)算，確定沙河人工濕地生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2 ?研究實(shí)例

天津于橋水庫沙河人工濕地工程所在的區(qū)域?yàn)榕瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)型氣候區(qū)，四季分明。年均氣溫長年穩(wěn)定在11.5℃，年均風(fēng)速也穩(wěn)定在2.1m/s，平均無霜期180天，封凍期由11月至次年3月，最大凍土深度0.69m，平均降水量為678.6mm。

2.1 工程地質(zhì)及水環(huán)境

工程區(qū)地處河北省遵化市境內(nèi)，靠近天津市。工程區(qū)位于華北平原東北部，為構(gòu)造剝蝕低山丘陵向山前傾斜平原的過渡地帶，溝淺谷寬，山低坡緩，巖層風(fēng)化剝蝕較劇，坡腳多坡洪積物覆蓋，間歇性流水作用較強(qiáng)。屬?zèng)_洪積平原山前地帶，區(qū)域地形較為復(fù)雜，溝渠山坡縱橫分布。工程區(qū)位于燕山山脈相關(guān)山系附近，具有平原山前地貌特征，局部地域具有類丘陵地貌特征，區(qū)內(nèi)天然河流分布廣泛、自然植被分布良好，林地、溝塘、濕地條件也有一定的分布，局部地區(qū)人工地貌明顯。

依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）中水的腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，工程區(qū)地下水總硬度為15.83～171.07H°，部分區(qū)域的水質(zhì)硬度甚至達(dá)到25.2H°，這片水質(zhì)屬于極硬水質(zhì);工程所在區(qū)域的地下水的礦物質(zhì)含量在0.38～3.71g/L之間波動(dòng)，處于淡水水質(zhì);pH值在6.60～7.39之間，為中性水。根據(jù)抽樣檢測(cè)報(bào)告得知該工程的幾種水化學(xué)類型主要為：重Na2CO3型、重CaCO3型、重K-CaCO3型、K2SO4型、CaSO4型、重碳酸硫酸鈣鉀鈉型水。

工程區(qū)地面河水的硬度波動(dòng)幅度區(qū)間處于13.31～22.83H°之間，屬于微硬水至硬水的范圍內(nèi);礦物質(zhì)含量處于在0.35～0.68g/L之間，為淡水;水質(zhì)酸堿性處在6.99～9.09pH，整體呈現(xiàn)弱堿性水質(zhì)，少部分區(qū)域呈現(xiàn)堿性水，具有腐蝕性。水化學(xué)類型主要為，硫酸重碳酸鈣型水、重碳酸硫酸鈣鎂型水、硫酸重碳酸鈣鉀鈉鎂型。

2.2 建設(shè)理念

于橋水庫富營養(yǎng)化嚴(yán)重，造成這一問題的原因主要為營養(yǎng)鹽的輸入。而營養(yǎng)鹽負(fù)荷絕大部分來自于主要處于河北省的上游地區(qū)，TN占入庫總負(fù)荷的90%，TP占入庫總負(fù)荷的92%。上游中又以引灤輸水和入庫河流的面源輸入為主，其中引灤輸水占上游入庫負(fù)荷的51%（TN）、37%（TP），入庫河流面源污染負(fù)荷匯入量占上游入庫負(fù)荷的49 %（TN）、63%（TP）。相對(duì)于便于治理的點(diǎn)源來說，來自上述兩部分水所攜帶的氮、磷負(fù)荷，治理起來難度較大，應(yīng)用沙河人工濕地來治理于橋水庫的富營養(yǎng)化，是最直接、最有效的措施。

隨著地球生態(tài)圈內(nèi)的污染日益嚴(yán)重，水質(zhì)富營養(yǎng)化的治理問題早已被提上日程。諸多辦法中，前置水庫可以算的上是功能性最強(qiáng)的方法之一。該方法也有另一個(gè)名字——水庫串對(duì)策，該方法的本質(zhì)方法是：利用水庫或河道的階梯性質(zhì)，把大型水庫劃分成兩個(gè)或多個(gè)小型子水庫，使上游入口的來水先流入第一個(gè)子水庫，并延長水體停留時(shí)間，使得泥沙和其他懸浮污染物沉淀在此。此后利用第二個(gè)子庫中的水生植物或有益浮游生物來吸收水體中的營養(yǎng)鹽，讓營養(yǎng)鹽被植物吸收或者被合成為沉淀雜志，然后沉入庫底，如此一來可以使得主庫水中的污染營養(yǎng)鹽含量被大大消弱，從而抑制主庫上游變?yōu)槌恋沓睾蜕锓磻?yīng)器，使上游來水得以凈化，從而保住下游水質(zhì)的物理沉降與生物處理相結(jié)合的治理方法。

沙河人工濕地主要工程為攔污控制壩和濕地植物栽植。攔污壩的位置布設(shè)在與湖濱帶相銜接的溝口處，壩頂高程考慮稍高于于橋水庫汛期人工控制水位19.87m，定為20.0m。由于頭百戶溝和燕各莊溝匯流后進(jìn)入主庫區(qū)前已有閘門控制，因此不建設(shè)攔污控制壩，僅在叫山溝和清池溝建設(shè)攔污壩，叫山溝攔污控制壩的長度為282m，壩高2.0m;清池溝攔污控制壩的長度412m，壩高2.5m。攔污控制壩采用均質(zhì)壓實(shí)土壩，壩頂寬1m，邊坡1：2。壩體表面采用M10漿砌石護(hù)砌，護(hù)砌厚度0.5m。非汛期攔污壩阻攔溝道來水，與植物措施一起形成濕地，凈化入庫水質(zhì);汛期雨洪水從壩頂漫流。在叫山溝、清池溝攔污控制壩內(nèi)，頭百戶溝和燕各莊溝匯流口現(xiàn)有控制閘內(nèi)布置濕地植物區(qū)，主要布置挺水植物。在水深0.2～1m的區(qū)域，選擇香蒲和蘆葦間植，種植密度4～8株/m2，在水深1～2m的區(qū)域，種植荷花，種植密度2～4株/m2。

3 ?沙河人工濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系

指標(biāo)體系指的是所有的層次中全部層次的組合，它表明了沙河人工濕地生態(tài)系統(tǒng)普視性的發(fā)展趨勢(shì)，不同的指標(biāo)和其相應(yīng)的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，可判斷沙河人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的整體的發(fā)展?fàn)顩r。用因素體系表達(dá)沙河人工濕地生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)，它的目的即為利用一些具有代表性的體系來表示出所有沙河人工濕地系統(tǒng)環(huán)境生態(tài)的安全狀況，同時(shí)也能都盡量表達(dá)出評(píng)價(jià)體系各地方的不一樣的特征，通過建立因素體系對(duì)所有的沙河人工濕地系統(tǒng)環(huán)境的生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)建立一個(gè)定量和定性的相關(guān)。建立評(píng)價(jià)因素標(biāo)準(zhǔn)的一般的方法就是開始將目標(biāo)進(jìn)行分層包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、要素層和指標(biāo)層。經(jīng)過逐層分析，將一個(gè)很廣泛的總目標(biāo)詳細(xì)分成很多個(gè)子系統(tǒng)的目標(biāo)，然后建立層次分析的模型。對(duì)建立的評(píng)價(jià)因素模型中擁有的問題進(jìn)行了說明，對(duì)數(shù)據(jù)怎么來的和哪里有的誤差進(jìn)行說明，最后對(duì)指標(biāo)按先后順序進(jìn)行排列，然后得出每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。選擇壓力、狀態(tài)、響應(yīng)（PSR）模型和以上指出的不同的指標(biāo)，按照沙河人工濕地生態(tài)環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的基本準(zhǔn)則，查詢相關(guān)資料，將沙河人工濕地生態(tài)環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立為遞進(jìn)層次的結(jié)構(gòu)，劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、要素層和指標(biāo)層。以PSR建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 ?結(jié)語

本文以天津于橋水庫沙河人工濕地工程為依托，對(duì)壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）框架理論進(jìn)行分析，結(jié)合沙河人工濕地工程概況，從壓力要素、狀態(tài)要素、響應(yīng)要素三個(gè)方面篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)。依據(jù)問卷調(diào)查法、標(biāo)準(zhǔn)法、參考法確定定量及定性指標(biāo)各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為構(gòu)建生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型奠定基礎(chǔ)。本文已經(jīng)建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，接下來還有安全評(píng)估模型的構(gòu)建就需要在這之后繼續(xù)寫作然后再加入到文章的后面。

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