洱海流域多塘湿地工程综合效果评价

李丹 郑丙辉 储昭升 汪星 黄民生

摘要： 为建立集成化多塘湿地（Multi-pond Constructed Wetlands， MPCWs）多维度评价体系， 选取污染物净化能力、污水蓄积性能、植被生态修复效果及经济成本为指标， 采用等级评价方法评估了多塘湿地工程的综合效果. 结果表明： 大规模集成化多塘湿地应用于面源污染控制， 有助于污染物的截留. 净化后的中水便于农村农业就近用水， 可实现节水减污、水资源调配及污水回用； 多塘湿地植被配置有助于植被生态修复， 有助于污水净化. 基于多塘湿地不同功能需求， 综合考虑经济成本及深水湿地安全隐患大等因素， 提出了不同类型多塘湿地的应用建议. 水量小、污染重、人口多的区域可匹配浅水表流湿地； 水量大、污染重、人口少的區域可匹配生态浮床湿地. 兼顾土地资源禀赋、污染源结构、农村农业用水资源分配等多种因素可实现不同类型多塘湿地的科学应用.

关键词： 多塘湿地； 等级评价； 多重功能； 工程效果

中图分类号： X522 文献标志码： A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.04.002

Comprehensive evaluation of engineering applications for multi-pond constructed wetlands in Erhai Lake Basin

LI Dan1，2， ZHENG Binghui1，2， CHU Zhaosheng2， WANG Xing2， HUANG Minsheng1

（1. School of Ecological and Environmental Sciences， East China Normal University， Shanghai 200241， China； 2. National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration， Chinese Research Academy of Environmental Science， Beijing 100012， China）

Abstract： In this study， the rank evaluation method was used to comprehensively assess engineering applications for integrated multi-pond constructed wetlands （MPCWs） using a multi-dimensional evaluation system. We used pollutant purification performance， sewage storage capacity， vegetation ecological restoration， and economic investment as indicators for the evaluation. The results showed that the application of large-scale integrated MPCWs for controlling non-point source pollution was helpful for intercepting pollutants. Accumulated and purified reclaimed water was available for nearby rural agricultural water use. The implementation of MPCWs can result in water savings， pollution reduction， water resource allocation， and sewage reuse. The inclusion of vegetation within MPCWs was beneficial for ecological vegetation restoration and sewage purification. Given the economic investment requirement for MPCWs and the high potential security risks of deep-water MPCWs， we proposed application suggestions for different groups of MPCWs based on functional requirements. Shallow free water surface flow constructed wetlands could be used in populous areas with small volumes of highly polluted water， and ecofloating treatment wetlands could be used in sparsely populated areas with large volumes of highly polluted water. The scientific application of different groups of MPCWs also requires consideration of other factors， such as local special land resource endowments， pollution source structures， and the allocation of rural agricultural water resources.

Keywords： multiple-pond constructed wetlands； rank evaluation； multiple functions； engineering application

0 引 言

洱海流域农业占比大， 面源污染突出， 严重制约了洱海水环境健康和水生态的可持续发展[1-2]. 2017年， 洱海流域首次将大规模集成化多塘湿地用于面源污染治理， 旨在削减入湖污染负荷， 提高入湖水质[3-6]. 集成化多塘湿地围湖高密度建设， 采用“网络星状”分散布点逐一治理， 改变面源污水的汇流过程， 将面源污水从源效应转变为汇效应， 有效截蓄净化面源污染物， 成为缓冲带体系的重要组成部分， 有助于洱海生态屏障的构建.

多塘湿地利用生化、非生化协同作用实现污水的净化， 具有净污、调蓄、观赏、保育和储碳等多重功能， 被广泛用于面源污染的控制与治理[7-9]. 以往研究多集中于单个案例， 或对污水处理效果的强化提升、经济成本的控制及净化机理的探索[10-12]， 鲜有对大规模集成化多塘湿地工程评价的研究， 尤其是兼顾多塘湿地多重功能的多维度评价体系的建立.

洱海是典型的缺水性流域， 也是我国云贵地区的旅游胜地. 多塘湿地的建设可以减少入湖污染负荷并补充入湖水量， 一部分净化后的中水便于农村农业就近取水， 减少从洱海和十八溪的清水调用，实现污水资源的回收利用. 多塘湿地中生态景观效益与当地农业景观旅游产业相容， 成为具有农业特色、多重功能联动的复合体系. 然而， 如何实现集成化多塘湿地综合性能的评价为其建设运维提供工程技术支持和决策依据成为本研究所关注的焦点.

本研究采用等级评价方法， 综合考察洱海流域63个多塘湿地污染物净化能力、污水的蓄水性能、植被生态修复性能及经济成本， 构建多塘湿地综合性能评价方法， 提出合理的优化对策， 以期为流域多塘湿地在面源污染治理与环境生态修复领域提供可靠的案例支持， 为其多重功能评价提供科学支持.

1 材料和方法

1.1 研究区域简介

洱海地处云贵高原， 是典型的亚热带季风气候， 年均气温15.7℃， 年降雨量1 048 mm， 多集中于7—10月. 2017年， 大理州全面开启了洱海保护治理抢救模式， 首次尝试性地将大规模集成化多塘湿地应用于流域面源污染控制与治理， 旨在削减流域入湖污染负荷， 实现洱海的“清水”行动.

1.2 样品采集及监测

2017年7月—2018年6月， 逐月对63个多塘湿地进出口的表层水样进行采集， 总计12批次. 水样装入PVC塑料瓶中低温保存， 立即运回实验室， 5 d内依据《水和废水监测分析方法》（第4版）中碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、过硫酸钾消解钼锑抗紫外分光光度法和重铬酸钾快速消解法进行r（TN）、r（TP）和r（CODCr）水质指标的测定. 无特别说明外， 所有试剂均为分析纯， 实验用新鲜制备的去离子水. 多塘湿地类型有4种， 浅水表流湿地（SFCW）、中水深表流湿地（MFCW）、深水塘湿地（DPCW）和生态浮床湿地（EFTW）， 其点位图及地理信息见图1.

1.3 评价体系建立

流域集成化多塘湿地综合性能评价体系主要包含4部分： 污染物净化能力、污水的蓄水性能、植被生态修复性能及经济成本. 污染物净化性能表征因子为单位容积TN、TP和CODCr去除量； 污水的蓄水性能用多塘湿地的运行容积表征， 也作为水资源循环利用的评价指标； 植被生态修复性能采用植被覆盖率表征； 经济成本包括建设成本和运行维护成本.

由于不同指标的单位及其数量级存在差异， 采用等级赋值法对各指标进行归一化处理（见表1和表2）. 污染物去除率（RRE， %）、容积和植被覆盖率采用经验赋值和专家评分进行赋值； 单位面积污染物去除量（MMRR， mg·m–2·d–1）和单位容积污染物去除量（MMRRV， mg·m–3·d–1）根据各组初始数值的比例数进行等比赋值. 建设成本和运维成本均采用等差法进行赋值. MMRR、MMRRV、建设成本和运维成本等指标的赋值区间仅适用于该研究， 本文采用等级评价法与热图分析结合， 旨在为湿地评价管理提供可视化的科学支撑.

1.4 数据分析

采用origin 9.0軟件绘制含有聚类分析的热图， 聚类分析中采用离差平方和ward算法， 采用欧氏距离函数进行聚类.

2 结果与讨论

2.1 污染物净化性能评价

63个多塘湿地TN、TP和CODCr净化性能特征分布如图2所示， 不同类型的多塘湿地污染物去除率和去除量差异显著. 污染物去除率总体相对优越， 其污染物去除量差异显著， 说明洱海流域集成化多塘湿地污染物的去除量更能区分不同多塘湿地污染物净化性能. 深水塘湿地污染净化效果最差，主要由于其植被覆盖度低， 不利于微生物群落的生长富集， 影响污染净化效果. 湾桥1、湾桥2、水井、江上、上登和大竹园等多塘湿地污染物去除率优越， 污染物去除量较差， 这与其进水量小相关： 进水量少， 停留时间长， 污染物去除率较高， 水量小， 污染负荷小， 污染物去除量低[3，5]. 黑龙南、黑龙北、古生等多塘湿地污染物去除率低， 污染物去除量优越， 这些多塘湿地进水量较大， 进水负荷大， 影响了污染物去除率， 然而深水湿地可提供给污水充分的消纳空间， 有助于确保足够的停留时间， 利于污染物去除量的提高. 白塔河多塘湿地的污染物去除率和去除量俱佳， 说明该多塘污染物净化性能优越. 不同类型多塘湿地中或同一类型湿地中污染物去除性能存在差异， 这是由于不同多塘湿地中生化和非生化过程的差异[13-14].

2.2 蓄水性能评价

多塘湿地蓄水性能用运行容积表征， 评价结果见图3. 不同类型多塘湿地的蓄水性能差异显著， 浅水湿地蓄水性能弱， 深水型湿地有助于对面源来水的蓄存. 白塔河和河矣多塘湿地蓄水量大， 主要由于这两个湿地面积大， 有助于增强湿地的蓄水性. 新小邑庄、仁里南北和美坝多塘湿地水深适中， 但面积大， 使得蓄水量较好. 太二、德和、黑龙南北和光邑等多塘湿地， 水深深， 面积小， 蓄水量也小. 根据现场调研， 洱海流域多塘湿地蓄水性主要受到水域面积的影响， 这是由于该流域多塘湿地水深多集中于1.5 ～ 3.5 m， 差异不显著. 而多塘湿地水域面积差异明显， 造成多塘湿地蓄水量的显著差异. 特别地， 大的多塘湿地丰水期时能够缓冲较大的来水负荷， 消纳面源污染带来的污染物； 枯水期， 净化后中水便于周边农村农业就近取水， 有助于缓解洱海流域枯水期干旱的情形， 利于实现水资源的回用[15-16].

2.3 植被生态修复性能评价

植被覆盖率用于表征植物生态修复性能， 也可用于景观评价， 错落有致的植物配置与景色宜人的洱海田园风光交相辉映. 不同类型多塘湿地中植被覆盖度差异显著. 63个多塘湿地植被生态修复性能评价结果见图4. 深水塘湿地中植被覆盖度较差， 其次为中水深型表流湿地. 当植被覆盖度较高， 茂盛的植物生长及丰富的植被群落有助于多塘湿地生态系统的稳定性， 利于多塘湿地中微生物群落的生长富集， 有助于污染物的去除[4，17-18]. 植被生长受到水深影响， 水深较深时， 不利于挺水植物的生长及存活， 造成深水多塘湿地植被覆盖率较差[19-20]. 浅水表流湿地中水深较浅， 不影响挺水植物的生长， 因此均能获得较高的植被覆盖率. 生态浮床湿地植物生长于浮床上， 可随水深变化上下浮动， 其生长不受水深变化影响， 且浮床植物有助于微生物膜的附着， 浮床湿地较高的植被覆盖度， 具有良好的遮荫效果， 形成水体的梯级氧环境， 有利于不同功能菌群的生长， 其植物根际的分泌作用能够为反硝化过程提供良好的可利用生物碳源， 有助于浮床湿地中的物理、化学及生物反应过程， 有利于营养盐的去除[19].深水型湿地中植被覆盖率普遍较低， 这与上述其污染物去除效果最差一致. 这是由于较低的植被覆盖度不利于丰富微生境的形成， 影响功能微生物群落的分布， 进而影响湿地对污染物的去除， 这一结论在Li等[4]研究中也被证实. 白塔、下兴和光邑等深水塘湿地的植被覆盖度较高主要由于其多采用高大型挺水植物、浮水及漂浮植物， 如芦苇、水葱、睡莲、水葫芦等. 另外， 部分深水塘湿地中， 采用深水塘湿地和表流湿地耦合联用， 如白塔和下兴湿地， 也有助于植被覆盖度的增加.

2.4 经济成本评价

多塘湿地的经济成本包括建设成本和运维成本， 评价结果见图5. 洱海流域多塘湿地多基于低洼改建， 采用塘和表流湿地的组合形式， 以近自然的功能实现污水的生态治理. 湿地建设初期种有当地常见的挺水植物和水葫芦. 挺水植物从早年建设的不同区域的多塘湿地和湖滨带中移栽； 生态浮床湿地中种植经济植物， 如空心菜、水芹等经济农作物， 多购买幼苗进行培植， 浮床湿地总体造价偏高. 浅水表流湿地建设成本相对较低. 部分深水塘和中水深型湿地建设成本较高， 主要由于这些多塘湿地面积大， 征地成本和土建成本均较高， 且面积较大的多塘湿地运维成本也相对较高. 较为特殊的多塘湿地， 如中龙龛、下鸡邑1、湾桥2、白马等， 多采用水泥混凝土， 增加了建设成本[21]. 以往研究表明， 生态浮床多塘湿地运维成本较大， 而洱海当地生态浮床运维成本与其他多塘湿地差异不显著， 这是由于当地生态浮床均是简易浮床， 主要是为了水培经济农作物， 以期实现农业经济的转型， 而经济农作物在研究期间虽然长势良好， 但市场销售额为零， 无需额外成本投资， 也不产生经济效益. 此外， 仁里南、北多塘湿地面积适中， 但运维成本较高， 这是由于这两个湿地临近洱海， 景观需求高， 从而当地行政村对其管理运维投入大. 综上， 运维成本主要与湿地面积及区域管理需求密切相关， 面积越大、功能需求越高， 运维成本越高.

2.5 工程综合效果评价

多塘湿地工程综合效果的评价指标包括污染物去除性能、蓄水性能、植被覆盖率和经济成本. 63个多塘湿地综合评价聚类热图结果如图6所示. 污染物去除性能与植被覆盖率呈现不同趋势， 说明植物生长状况影响多塘湿地的净化性能， 植物覆盖度越高， 利于形成不同的微生境， 利于微生物群落的繁衍， 利于污染物去除， 这一结论与Li等[4]的研究结果相似. 蓄水量和经济成本相关度高， 这是由于蓄水性能受到湿地面积影响较大， 且该流域多塘湿地经济成本与面积也密切相关， 因此这两个指标具有一致性. 聚类结果表明洱海流域多塘湿地主要分为四大簇. 第一簇是鹤上—神通北， 这类多塘湿地污染物去除性能适中， 蓄水性能低， 经济成本低， 但植被覆盖率佳， 多为面积小且水深在1.5 m的多塘湿地. 第二簇是寺上—小邑庄， 这类多塘湿地去除性能优越， 植被覆盖率高， 蓄水性能佳， 经济成本也高， 多为浮床湿地或面积大的湿地. 第三簇是上阳溪1—上登， 这类多塘湿地经济成本低， 其他指标差异显著， 其中上阳溪1—黑龙北， 这类多塘湿地植被覆蓋度高， 净化效果好， 但面积较小， 且这类多塘来水量较大， 当停留时间足够， 较大的负荷量有利于污物的去除， 然而其对冲击负荷的应对性较差. 第四簇是大庄—文阁， 这类多塘湿地蓄水量佳， 经济成本高， 去除性能一般， 植被覆盖度差异显著. 主要由于深水湿地的工艺差异造成植被覆盖度的不同. 上述评价结果不仅证实了洱海流域多塘湿地在实际运行中存在的问题， 也为其运行提效和科学管理提供了有力的实证支撑.

2.6 优化管理对策

多塘湿地具有“调、蓄、节、用、净”等多重功能， 分类研究是其高效运行的重要措施. Li等[3-4]对洱海流域63个多塘湿地的分类结果也证实了洱海流域集成化多塘湿地运行特点的共性. 根据RHLR和tHRT的计算公式， RHLR与水深正相关. 结合以往研究优化的RHLR不能超过0.6 m3·m–2·d–1及63个多塘湿地运行特点： 浅水表流湿地（水深<0.8 m） RHLR均值为0.16 m3·m–2·d–1； 生态浮床湿地（水深> 1.5 m）平均水深为1.77 m， 水力负荷率为0.36 m3·m–2·d–1， 及Wu等[22]研究建议水深为0.3 ～ 0.5 m， RHLR建议不大于0.1 m3·m–2·d–1， 将4类多塘湿地的RHLR可以进一步优化（见表3）： 水深<0.8 m， RHLR< 0.2 m3·m–2·d–1； 水深0.8 ～ 1.5 m， RHLR<0.4 m3·m–2·d–1； 水深≥1.5 m， RHLR<0.6 m3·m–2·d–1.

为实现不同类型多塘湿地的高效运行， 综合考虑深水湿地安全风险大， 浮床湿地造价高， 不易运维等特点[23-25]， 针对不同类型多塘湿地提出了以下的管理建议（见表3）. 浅水表流湿地一般水深小于0.8 m， 高大型和矮小型挺水植物均能良好生长， 可采用混合或单一种植方式， 获得较好的植被覆盖率，有助于生态修复效果及景观效果的营造. 然而由于水深浅， 当湿地面积较小时， 蓄水量较小， 宜用在水量较小、污染较为严重、人口密度高的区域， 以净污为主， 蓄水为辅， 且可种植不同的水生植物， 充分发挥其生态修复和保育作用[26-28]. 中水深表流湿地水深一般为0.8 ～ 1.5 m， 建议采用混合种植方式，多选用高大型挺水植物有助于实现植被覆盖率的提高， 其对污染物净化效果中等. 宜用在中等水量，污染程度适中、人群密集度中等的区域. 深水塘湿地水深均大于1.5 m， 建议种植漂浮植物以增大植被覆盖率. 水深增大， 危险性加剧， 污染物净化性能弱， 但蓄水性较好， 宜用在水量大、污染轻、人口密度低的区域， 以蓄水为主， 净化为辅， 方便农村农业就近用水， 实现中水回用于田， 减少从十八溪和洱海清水资源的调用， 有利于流域节水， 缓解缺水现状， 也有助于流域水资源的调配和循环利用. 生态浮床湿地水深多大于1.5 m， 蓄水量佳， 净污效果好， 经济成本高， 建议生态浮床耦合绿色水培技术， 利用绿色水培经济农作物， 实现过量营养资源的再利用， 增强浮床湿地的经济效益， 有助于推进新型农业的转型， 建议其在水量大、污染较重、人口密度低的区域使用. 因此， 兼顾土地资源禀赋、污染源结构、农村农业用水资源分配等多种因素可实现不同类型多塘湿地的合理选址及科学应用.

3 结 论

本研究以63个多塘湿地的净污性能、蓄水性能、植被修复性能以及经济成本为指标， 构建了洱海流域大规模集成化多塘湿地工程综合效果的评价体系. 多塘湿地应用于面源污染控制， 有助于污染物的截留， 凈化后的中水便于农村农业就近用水， 可实现多塘湿地的节水减污、水资源调配及污水回用，植被生态修复， 能够提供观赏效应， 具有良好的“调、蓄、节、用、美、净”多重功能.

多塘湿地经济成本差异大， 且深水湿地存在安全隐患， 根据不同需求提出了不同类型多塘湿地的应用建议. 水量小、污染重、人口多的区域可匹配浅水表流湿地， 水量大、污染重、人口少的区域可匹配生态浮床湿地. 兼顾土地资源禀赋、污染源结构、农村农业用水资源分配等多种因素可实现不同类型多塘湿地的合理选址及科学应用.

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（責任编辑： 张 晶）