基于層次分析法的建筑再生骨料人工濕地植物評(píng)價(jià)模型構(gòu)建與應(yīng)用

馬 越,姬國(guó)強(qiáng),胡藝泓,楊亞歐,王 輝,李家科,李亞嬌,*

(1.陜西省西咸新區(qū)灃西新城開(kāi)發(fā)建設(shè)<集團(tuán)>有限公司海綿城市技術(shù)中心,陜西西安 712000;2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西西安 710054;3.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710048;4.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,陜西西安 710048)

植物對(duì)人工濕地凈化水質(zhì)有重要作用。 在人工濕地中,不同植物其耐污性與抗逆性有所區(qū)別,通常在選擇濕地植物時(shí),人們會(huì)根據(jù)污水水質(zhì)、景觀、成本、凈水效果進(jìn)行合理選擇,盡可能地在保證系統(tǒng)生物多樣性的同時(shí),提高污水凈化效率。 研究[1-2]發(fā)現(xiàn),有植物的濕地系統(tǒng)對(duì)氮、磷等去除率要明顯高于無(wú)植物的濕地系統(tǒng)。 對(duì)于季節(jié)來(lái)說(shuō),春季期間,美人蕉、蘆葦對(duì)氮的去除率小于60%,而生長(zhǎng)旺盛的夏季對(duì)氮的去除率超過(guò)85%[3]。 翟旭等[4]研究發(fā)現(xiàn),蘆葦、水蔥、香蒲和千屈菜4 種濕地植物對(duì)氨氮、TN、TP 的平均去除率分別約為50%、40%、25%,出水pH 值為7 左右,4 種濕地植物的選擇順序?yàn)橄闫?蘆葦>水蔥>千屈菜。 Reddy 等[5]研究了鳳眼蓮等8 種水生植物凈化污水的能力,結(jié)果發(fā)現(xiàn),夏季和冬季8 種水生植物去氮效果的優(yōu)劣次序有所不同。陳永華等[6]根據(jù)濕地植物的適應(yīng)能力和生理特性、耐污去污能力進(jìn)行聚類分析,最終將17 種濕地植物分為了3 類。 可以發(fā)現(xiàn),不同的濕地植物對(duì)污水的凈化效果不同,而且這些研究多集中于以礫石為填料的濕地植物篩選,同時(shí)對(duì)濕地植物的篩選和評(píng)價(jià)多局限于水質(zhì)凈化效果,缺乏從植物、填料、水質(zhì)等多方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的體系,而且未出現(xiàn)定量的植物評(píng)價(jià)結(jié)果。

隨著資源化利用的提出,建筑再生骨料開(kāi)始成為一種新型的人工濕地填料。 研究[7-10]結(jié)果表明,廢磚塊、混凝土等建筑再生骨料具有較高的孔隙率和比表面積,對(duì)氮磷有較好的吸附效果;從生物附著性能來(lái)看,建筑再生骨料適于濕地微生物的富集和植物的生長(zhǎng)。 田偉等[11]以混凝土塊和碎磚為人工濕地的填料,發(fā)現(xiàn)這兩種建筑垃圾對(duì)污水中SS、CODCr、TP、TN、氨氮等指標(biāo)有很好處理的效果。 但是基于建筑再生骨料的人工濕地植物篩選及其綜合評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建仍需深入研究。

層次分析法(analysis of hierarchy process,AHP)是一種確定目標(biāo)權(quán)重的方法,常用于多目標(biāo)決策系統(tǒng)中[12]。 運(yùn)用AHP 時(shí),將評(píng)價(jià)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層與方案層3 個(gè)層面,各準(zhǔn)則在目標(biāo)層中的相對(duì)重要性不同,因此,需要建立包含所有準(zhǔn)則相對(duì)重要性的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行兩兩比較,從而將定性問(wèn)題轉(zhuǎn)為定量問(wèn)題解決[13]。 在評(píng)價(jià)植物時(shí),AHP 多用于城市生態(tài)公園的景觀美感評(píng)價(jià)以及海綿城市建設(shè)中景觀植物的配置設(shè)計(jì)[14-15]。 然而這些評(píng)價(jià)體系無(wú)法滿足基于特殊填料的人工濕地植物篩選。 因此,本研究以混合建筑再生骨料、紅磚和礫石為人工濕地填料,以風(fēng)車草、美人蕉、蘆葦、菖蒲、香蒲、再力花、鳶尾為人工濕地植物,采用AHP 從植物的生長(zhǎng)特性、生理特性、水質(zhì)凈化效果以及經(jīng)濟(jì)成本4 個(gè)準(zhǔn)則層對(duì)7 種人工濕地植物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),并給出植物的優(yōu)先次序,篩選出基于建筑再生骨料的人工濕地植物。

1 AHP 構(gòu)建的過(guò)程與步驟

1.1 綜合層次評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)建立

本研究所構(gòu)建植物評(píng)價(jià)體系的準(zhǔn)則層包括生長(zhǎng)特性、生理特性、水質(zhì)凈化效果、經(jīng)濟(jì)成本。 具體而言,包含了植物株高、分株數(shù)、生物量、花果期、聚集度,葉綠素、類胡蘿卜素、化學(xué)需氧量(CODCr)、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP),具體層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 植物篩選層次分析結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hierarchical Structure Diagram of Plants Screening

目標(biāo)層(A):將植物篩選作為總目標(biāo),并將目標(biāo)分解為四大要素,以此為出發(fā)點(diǎn),通過(guò)計(jì)算衡量相對(duì)重要性,得出評(píng)價(jià)的最終結(jié)果。

準(zhǔn)則層(B):將植物篩選分解為生長(zhǎng)特性(B1)、生理特性(B2)、水質(zhì)凈化效果(B3)、經(jīng)濟(jì)成本(B4)4 個(gè)指標(biāo),應(yīng)用計(jì)算方法分別得出各指標(biāo)的權(quán)重,得出對(duì)總目標(biāo)的影響程度。

指標(biāo)層(C):對(duì)準(zhǔn)則層的4 個(gè)指標(biāo)繼續(xù)進(jìn)行劃分,其中生長(zhǎng)特性(B1)劃分為植物株高(C1)、分株數(shù)(C2)、生物量(C3)、花果期(C4)和聚集度(C5);生理指標(biāo)(B1)劃分為葉綠素a(C6)、葉綠素b(C7)和類胡蘿卜素(C8);水質(zhì)凈化效果(B3)劃分為CODCr(C9)、氨氮(C10)、TN(C11)和TP(C12);經(jīng)濟(jì)成本(B4)劃分為購(gòu)買成本(C13)、維護(hù)成本(C14)和投資回報(bào)(C15)。 各指標(biāo)之間兩兩對(duì)比得出權(quán)重。

1.2 判斷矩陣的構(gòu)造

一般認(rèn)為成對(duì)比較因素的每層不宜超過(guò)9 個(gè),故常用1～9 及其倒數(shù)的標(biāo)度法判斷兩因素的重要性(表1)。 兩兩比較判斷矩陣的標(biāo)度通過(guò)數(shù)字來(lái)定義:1、3、5、7、9 分別代表一個(gè)因素i與另一個(gè)因素j相比同樣重要、稍微重要、明顯重要、強(qiáng)烈重要、極端重要;2、4、6、8 表示相鄰兩種重要性的中值。 其中aij為i對(duì)j的重要性,aji為j對(duì)i的重要性,aji=1/aij。

表1 不同階數(shù)的RI 取值Tab.1 RI Values for Different Orders

假定Bn為準(zhǔn)則,下一層的元素C1、C2、…、Cn可被Bn支配,則需要針對(duì)Bn下Ci、Cn的重要性進(jìn)行數(shù)量化比較,建立兩兩比較判斷矩陣,如式(1)。

1.3 計(jì)算相對(duì)權(quán)重

在準(zhǔn)則Bn下,計(jì)算元素C1,C2,…,Cn權(quán)重,得到判斷矩陣C 的最大特征根λmax,以符合公式(2)。

其中:A——n階矩陣;

X——λmax特 征 向量,分量Xi(i= 1,2,…,n) 為對(duì)應(yīng)元素C1,C2,…,Cn在準(zhǔn)則下單排序的權(quán)值。

本文求解判斷矩陣采用方根法[式(3)]。

其中:Xi——對(duì)應(yīng)元素歸一化后的特征向量。

1.4 一致性檢驗(yàn)

n階判斷矩陣,它的最大特征根為單根,并且λmax≥n。 當(dāng)λmax=n,其他特征根等于0 時(shí),Bn具有完全一致性。λmax>n,其他特征根接近等于0,Bn具有滿意一致性。 一致性檢驗(yàn)公式為式(4)～式(5)。

其中:CI——一致性指標(biāo);

CR——一致性比率;

RI——隨機(jī)一致性指標(biāo)。

CI=0 時(shí),矩陣是完全一致性,CI值愈大,矩陣的一致性愈差。 考慮到隨機(jī)性誤差,最后一致性指標(biāo)應(yīng)加上RI,RI的取值如表1 所示(準(zhǔn)則層的元素一般不超過(guò)9 個(gè),因此,判斷矩陣的階數(shù)一般不超過(guò)9)。

當(dāng)CR< 0.10 時(shí),認(rèn)為具有一致性,否則需一直調(diào)整判斷矩陣各因素的取值直到符合要求為止。

1.5 計(jì)算各因子層各項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重

綜合權(quán)重值是準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重值,計(jì)算如式(6)。

其中:XBj——Bj對(duì)于A 的權(quán)重值;

QM——綜合權(quán)重值;

XCij——Cij相對(duì)Bj的權(quán)重值。

2 各指標(biāo)體系的構(gòu)建

2.1 植物篩選模型建立

根據(jù)15 項(xiàng)評(píng)價(jià)因子構(gòu)建了多層次評(píng)價(jià)模型,如表2 所示。

表2 植物多層次評(píng)價(jià)模型Tab.2 Multi-Level Evaluation Model of Plants

2.2 數(shù)據(jù)歸一化處理

以風(fēng)車草、美人蕉、蘆葦、香蒲、菖蒲、再力花、鳶尾7 種植物作為評(píng)價(jià)對(duì)象,準(zhǔn)則層下各指標(biāo)作為評(píng)價(jià)內(nèi)容,將指標(biāo)層不同評(píng)價(jià)體系的數(shù)據(jù)(表3)進(jìn)行歸一化處理使之統(tǒng)一無(wú)量綱化,各指標(biāo)歸一化數(shù)據(jù)如表4 所示。

表3 不同植物在各指標(biāo)層中的數(shù)據(jù)Tab.3 Data of Different Plants in Each Index Layer

表4 各指標(biāo)歸一化數(shù)據(jù)Tab.4 Normalized Data of Each Index

2.3 層次單排序及其一致性檢驗(yàn)

計(jì)算準(zhǔn)則層(生長(zhǎng)特性、生理特性、凈化效果和經(jīng)濟(jì)成本)下各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn),結(jié)果如表5～表9 所示。

表5 判斷矩陣(A-B)權(quán)重值及一致性檢驗(yàn)Tab.5 Weight Value of Judgment Matrix (A-B) and Consistency Test

如表5 所示,生長(zhǎng)特性權(quán)重值為0.172 7,生理指標(biāo)權(quán)重值為0.094 2,凈化效果權(quán)重值為0.614 4,經(jīng)濟(jì)成本權(quán)重值為0.118 7,可以看出在準(zhǔn)則層中凈化效果的影響最大,生理特性影響最小。

由表6 可知,植物株高在生長(zhǎng)特性層所占權(quán)重為0.178 0,植物分株數(shù)在生長(zhǎng)特性層所占權(quán)重為0.226 0,生物量在生長(zhǎng)特性層所占權(quán)重為0.331 8,花果期在生長(zhǎng)特性層所占權(quán)重為0.183 0,聚集度在生長(zhǎng)特性層所占權(quán)重為0.081 1。

表6 判斷矩陣(B1-C)權(quán)重值及一致性檢驗(yàn)Tab.6 Weight Value of Judgment Matrix (B1-C) and Consistency Test

由表7 可知,葉綠素a 在生理特性層所占權(quán)重為0.319 6,葉綠素b 在生理特性層所占權(quán)重為0.558 4,類胡蘿卜素在生理特性層所占權(quán)重為0.122 0。

表7 判斷矩陣(B2-C)權(quán)重值及一致性檢驗(yàn)Tab.7 Weight Value of Judgment Matrix (B2-C) and Consistency Test

由表8 可知,CODCr在凈化效果層所占權(quán)重為0.113 1,氨氮在凈化效果層所占權(quán)重為0.276 9,TN在凈化效果層所占權(quán)重為0.305 0,TP 在凈化效果層所占權(quán)重為0.305 0。

表8 判斷矩陣(B3-C)權(quán)重值及一致性檢驗(yàn)Tab.8 Weight Value of Judgment Matrix (B3-C) and Consistency Test

由表9 可知,購(gòu)買成本在經(jīng)濟(jì)成本層所占權(quán)重為0.319 6,維護(hù)成本在經(jīng)濟(jì)成本層所占權(quán)重為0.558 4,投資回報(bào)在經(jīng)濟(jì)成本層所占權(quán)重為0.122 0。

表9 判斷矩陣(B4-C)權(quán)重值及一致性檢驗(yàn)Tab.9 Weight Value of Judgment Matrix (B4-C) and Consistency Test

層次總排序的權(quán)值經(jīng)式(6)計(jì)算,結(jié)果如表10所示。

表10 植物篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)總權(quán)重Tab.10 Total Weight of Plant Screening Evaluation Index

由表10 可知,TN 與TP 的總權(quán)重最大,其次是氨氮。 CODCr、維護(hù)成本和生物量這3 個(gè)評(píng)價(jià)因子權(quán)重較為接近,接著是葉綠素b,其次是分株數(shù)、購(gòu)買成本、花果期、株高、葉綠素a,聚集度、投資回報(bào)、類胡蘿卜素3 個(gè)指標(biāo)權(quán)重最小。 因此,在對(duì)植物評(píng)價(jià)過(guò)程中,TN、TP、氨氮這3 個(gè)方面對(duì)植物篩選影響較大,而CODCr、維護(hù)成本、生物量、葉綠素b、分株數(shù)、購(gòu)買成本、花果期、株高、葉綠素a 的影響力相對(duì)較小,剩余3 個(gè)評(píng)價(jià)因子的影響度最低。

3 人工濕地植物篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)共構(gòu)建了24 個(gè)小型人工濕地植物篩選裝置,裝置如圖2 所示,上口徑尺寸為20 cm×20 cm,下口徑尺寸為11 cm×11 cm,高度為35 cm。裝置底部采用10～20 mm 礫石作為支撐介質(zhì),深度為3 cm,介質(zhì)上層為25 cm 不同填料,填料上預(yù)設(shè)5 cm 淹沒(méi)深度,在距箱底 3 cm 處設(shè)置出水口以收集水樣。

圖2 試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Schematic Diagram of Experimental Setup

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中所用填料為混合建筑再生骨料、紅磚、礫石。 其中混合建筑再生骨料由建筑場(chǎng)地的建筑垃圾經(jīng)過(guò)破碎、篩分等工藝簡(jiǎn)單加工而成,由瀝青混凝土、紅磚組成(兩者的質(zhì)量比例超過(guò)90%),含少部分碎玻璃、瓷磚等其他雜質(zhì)。

選取大小均勻、生長(zhǎng)較健壯的植株分別種植在裝有混合建筑再生骨料、紅磚、礫石的不同塑料桶中,每種填料設(shè)置8 個(gè)塑料桶,分別種植風(fēng)車草、美人蕉、蘆葦、菖蒲、香蒲、再力花、鳶尾、空白(無(wú)植物),共24 個(gè)。 進(jìn)水濃度按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)配制,采用一次性進(jìn)水方式,每次進(jìn)水3 L,排水時(shí)直接由閥門放空。 水力停留時(shí)間設(shè)置為3 d,共運(yùn)行45 d(表11)。

表11 人工濕地植物篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.11 Experimental Design for Screening Constructed Wetlands

4 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

根據(jù)表2 對(duì)植物進(jìn)行打分,每個(gè)指標(biāo)分為5 個(gè)等級(jí):0 ～0.2、0.2 ～0.4、0.4 ～0.6、0.6 ～0.8、0.8 ～1.0,每個(gè)等級(jí)1 分。 葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素是以冬季下降百分比作為評(píng)價(jià)指標(biāo),故下降越多,分值越低,其余指標(biāo)均為數(shù)據(jù)越高,分值越高,鳶尾后期死亡沒(méi)有生理特性分值以0 計(jì)算。 7 種植物詳細(xì)得分如表12 所示。 每種植物的最后得分由評(píng)分乘以權(quán)重獲得。

表12 植物評(píng)價(jià)因子得分Tab.12 Scores of Plant Evaluation Factor

由表12 可知,植物株高中評(píng)分最高的是香蒲,程憲偉等[16]在研究蘆葦、香蒲、美人蕉等6 種植物對(duì)鹽分脅迫的生理生態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),香蒲株高增長(zhǎng)量最大;風(fēng)車草的植物分株數(shù)得分最高,賴聞玲等[17]在研究風(fēng)車草、蘆葦?shù)? 種濕地植物在人工濕地的生長(zhǎng)特性時(shí)也發(fā)現(xiàn)風(fēng)車草分株數(shù)最多;植物花果期中評(píng)分最高的是美人蕉,美人蕉、菖蒲、香蒲、鳶尾的聚集度得分最高,葉綠素a 得分最高的是菖蒲,葉綠素b 得分最高的是蘆葦,類胡蘿卜素中蘆葦和菖蒲得分最高,CODCr中鳶尾得分最高,氨氮中風(fēng)車草和鳶尾得分最高,TN 中風(fēng)車草、香蒲和再力花得分最高,TP 中風(fēng)車草、蘆葦、香蒲和鳶尾得分較高,風(fēng)車草、香蒲、再力花的維護(hù)成本得分最高,蘆葦?shù)馁?gòu)買成本和投資回報(bào)均最高而鳶尾、風(fēng)車草均最低。

如表13 所示,生長(zhǎng)特性中風(fēng)車草得分最高(0.585),鳶尾得分最低(0.229);生理特性中蘆葦?shù)梅肿罡?0.410),鳶尾得分最低,后期死亡沒(méi)有使用,故得分為0;凈化效果中風(fēng)車草得分最高(2.858),菖蒲和再力花得分最低,得分為1.361,李慧敏等[13]采用AHP 對(duì)菖蒲、美人蕉、風(fēng)車草、水蔥進(jìn)行評(píng)價(jià)篩選,4 種植物凈化效果依次為風(fēng)車草、美人蕉、水蔥、菖蒲;經(jīng)濟(jì)成本中香蒲得分最高(0.534),鳶尾得分最低(0.250)。 根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,7種植物的綜合排序依次為風(fēng)車草、香蒲、蘆葦、美人蕉、鳶尾、菖蒲、再力花。 為充分發(fā)揮植物在濕地中的作用,可選取綜合排序前3 的植物用于影響因素的研究。

表13 評(píng)價(jià)因子綜合得分Tab.13 Comprehensive Scores of Evaluation Factors

5 結(jié)論

本研究以混合建筑再生骨料、紅磚和礫石為填料,菖蒲、香蒲、鳶尾、蘆葦、美人蕉、再力花、風(fēng)車草為供試植物,利用AHP,構(gòu)建了基于植物的生長(zhǎng)特性、生理特性、水質(zhì)凈化效果和經(jīng)濟(jì)成本的人工濕地植物評(píng)價(jià)體系。

(1)4 個(gè)準(zhǔn)則層權(quán)重得分依次為凈化效果(0.614 4)、生長(zhǎng)特性(0.172 7)、經(jīng)濟(jì)成本(0.118 7)、生理指標(biāo)(0.094 2)。

(2)7 種植物的水質(zhì)凈化效果(得分)依次為風(fēng)車草(2.858)>香蒲(2.639)>鳶尾(2.130)>蘆葦(1.974)>美人蕉(1.871)>再力花(1.361)=菖蒲(1.361)。

(3)采用AHP 對(duì)植物的生長(zhǎng)生理特性、水質(zhì)凈化效果和經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行評(píng)價(jià),7 種植物的綜合排序(得分)為風(fēng)車草(3.971) >香蒲(3.774) >蘆葦(2.984) >美人蕉(2.850) >鳶尾(2.609)、菖蒲(2.409)>再力花(2.246)。