人工湿地的可持续发展模式研究——以洱源县海菜花湿地为例

蒋诗怡，毛佩强，缪 伟，杨正龙，杨春冰，刘建文，钟邦耀，王林霞

(1.云南兆泓环境工程有限公司，云南 大理 671000；2.中铁十局集团第五工程有限公司，江苏 苏州 215000；3.洱源县湿地保护管理中心，云南 大理 672000)

1 引言

随着社会经济的发展，人工湿地污水处理技术得到快速发展。该技术在世界各地广泛应用[1～6]于农业面源、污水处理厂尾水、暴雨径流[1]、农田尾水回用、禽畜废水、矿山废水、造纸废水、河湖富营养化水体[2]等高、低浓度的污水处理。与传统污水处理工艺相比较，人工湿地具有工艺简单、操作简单、处理效果好、管理简单等优点，运行费用是常规二级处理厂的1/5～2/3[7，8]，这也是人工湿地得到广泛应用的主要原因。实践证明，人工湿地污水处理技术对于城市节能减排、废水利用、江河湖库污染水体修复、改善生态环境，促进可持续发展具有十分重要的意义[9～11]。目前，人工湿地的研究主要集中在工艺选择、处理机理、植物配置等方面，随着现在大规模人工湿地建设和恢复工程开展，人工湿地的可持续运行与管理成为其发挥污染治理功能的一个重要因素[12]。通常人工湿地建设完成后还需要合理的运行维护，避免人为干扰，保持湿地自然状态；但是现实中很多湿地建设与恢复后因管理经费不足、运维欠缺，致使湿地不能达到设计的处理能力，丧失原有湿地水污染处理功能，出现“建一个、荒一个”的不利局面。随着湿地可持续运行管理的问题的突出，人工湿地的去除污染物功能降低和使用寿命缩短，湿地可持续发展问题逐渐成为湿地建设与健康运行的一个难点。截至2020年，洱源县湿地面积累计4586.24 hm2，占国土面积的1.81%，其中人工湿地1646.49 hm2，占湿地面积35.9%。本研究以洱源县海菜花湿地为例，在保障人工湿地污水处理能力和生态修复效果的同时，形成良好的湿地经济效益，与传统的全靠政府投资来开展湿地“建、管、养”的运行模式相比，探索出一条湿地恢复、建设和管理的可持续发展模式道路，实现人工湿地环境效益、社会效益、经济效益“三丰收”。

2 人工湿地现状

2.1 人工湿地建设现状

随着国家的重视程度不断提高，各地不断积极开展人工湿地工作，我国各地区湿地面积有效扩大。“十三五”期间，我国实施湿地保护与恢复项目53个，实施湿地生态效益补偿补助、退耕还湿、湿地保护与恢复补助项目2000余个[13]，到2020年，人工湿地面积约1亿亩[14]。

人工湿地按照填料和水位的关系，可分为表流人工湿地和潜流人工湿地，潜流湿地按照水流流向，可分为水平流人工湿地和垂直流人工湿地。人工湿地系统的应用具有多种形式，既有单一型湿地，又有复合型人工湿地，如植物氧化塘+潜流湿地工艺组合、植物氧化塘+潜流湿地+表流湿地、植物氧化塘+多级表流湿地等。近年来，为强化湿地处理效果，研究者提出强化型人工湿地，即在人工湿地的前端或末端增加强处理单元，如微生物燃料电池人工湿地、接触氧化型湿地、折流人工湿地、微电解人工湿地、光伏电解强化人工湿地[15]等。经过这几十年的发展，人工湿地研究主要集中在如何提高脱氮除磷效率、对重金属物质等新型物质的去除、湿地植物高效配置、基质选择、水力条件研究等方面。

2.2 人工湿地运维现状

科学合理的运行维护是保障人工湿地处理系统稳定的污染物去除率、延长湿地寿命的主要措施，能避免湿地生物多样性单一、外来物种入侵等生态问题，使人工湿地充分发挥净化水质、蓄水防洪、美化环境等效益。目前人工湿地运行管理主要考虑进出水位控制、装置维护、水生植物管理、气味的控制、野生动物控制、湿地堵塞、淤泥清掏、蚊蝇控制等[16]。我国人工湿地运行管理以政府主导为主，政府参与人工湿地投资、建设、运营和管理全过程，但政府由于精力、财力、人力、物力有限，因此，很多人工湿地恢复与建设出现“建一处，闲置一处”的状态，逐渐成为政府不可避免的难题[17]。

3 人工湿地应用存在的问题：以洱源县为例

3.1 湿地经济不显著，难以反哺湿地生态环境效益

当前，我国人工湿地经济效益不明显，缺乏完整的产业及品牌，生产方式简单，标准化程度低。虽然个别人工湿地建设与科普宣教和生态旅游相结合[18，19]，或者种植水生经济作物如有机水稻[20]，或者与渔业相结合养殖不同种类的鱼类，这些措施都能实现一定的湿地经济效益。但是由于缺少纵、横两方面的产业链延长，且流通业相对滞后[21]，产品不能很好地销售出去，带来的经济效益一般。因此，需要进一步提升湿地经济，研究出多样、综合性高的湿地经济发展模式。

3.2 湿地运行管理成本高，资金不足

人工湿地建设后湿地植物管理、基质疏通、淤泥的清除、湿地监测设备管理、水量管理等都需要专业人才来进行科学的管理，这些都需要大量的资金支出；目前除了个别人工湿地有政府配套的市场激励政策及措施的扶持外，大部分的人工湿地运行维护费用仍不足，出现很多“晒太阳”人工湿地工程，逐渐失去自身的效能[17]。由于资金不足，导致湿地运行缺乏有效的管理，湿地中出现基质堵塞、生物多样性降低、湿地淤积严重、湿地面积萎缩、蓄洪能力减弱、污染物去除能力降低等问题。

根据大理州生态环境局洱源分局提供2017～2019年部分湿地水质监测数据。洱源县大树营湿地和邓北桥一期湿地的进出水浓度可知，这2个湿地由于建设时间较长，长期缺乏有效管理，造成两个湿地的污染物能力严重下降(表1和图1)。

3.3 缺乏全面、长期、连续的生态和水质监测系统，人工湿地应用层面与研究层面存在差异

人工湿地建设与恢复是一个完整的系统，需要进行全面综合考虑，为了更好地在建设项目中实现实验室预期效果，需要将建设项目实践数据反馈给人工湿地科学研究过程，以此缩短人工湿地的污染物除去效果在应用层面和研究层面出现差距。

4 人工湿地可持续发展模式设计

4.1 洱源海菜花湿地概况

洱源县作为洱海源头，其县域内有弥苴河、罗时江、永安江3条河流及与之相连通的西湖、东湖、海西海、茈碧湖等湖泊和水库，3条江河呈“川”字形注入洱海，每年为洱海提供总入湖水量2/3 以上的清洁水源[22]。海菜花湿地属于洱源县东湖湿地的一部分，位于洱源县右所镇。海菜花湿地于2015年建成，建设范围约2200亩，采用的表流湿地工艺对农田灌溉尾水处理，经过湿地处理出水一部分进入旁侧的团山沟，一部分进入下游的库塘，最后进入永安江(图2、3)。

图2 海菜花湿地水系

海菜花(Otteliaacuminata( Gagnep．) Dandy) 属水鳖科(Hydrocharitaceae)沉水植物，作为我国特有的珍稀濒危水生植物，属于云南省三级濒危保护植物，它营养丰富、外形优美，具有较高的食用、药用和观赏价值，市场潜力较大[23]。在海菜花湿地中实现脱氮除磷主要是通过海菜花生长期吸收、微生物硝化反硝化、基质吸附作用[24～26]。目前海菜花湿地共连片种植海菜780多亩，每亩海菜每年可产出3000～4000元的纯利润。经过多年湿地运行，目前海菜花湿地存在以下问题：第一，由于管理资金缺乏，湿地运行后缺乏有效监管，外来物种入侵加剧，植物疯长，湿地植物残体堆积，湿地透明度下降，影响海菜花成活率，降低湿地去除率；第二，前期主要以恢复和净化水质为主，基本未考虑湿地的经济效益，规模较小，不足以维持湿地的正常运行；第三，海菜花种植过程施肥以及采摘过程中对水体扰动都会带来水体二次污染，出水直接进入下级库塘，最终汇入老永安江，会导致老永安江污染负荷增加；第四，湿地水质监测数据缺乏科学性、长期性和连续性，不能及时准确的反应湿地长期的水质情况和水质变化特点。

4.2 模式设计

人工湿地的构建应从长远运行出发，设计“以湿养湿”“人工湿地可持续发展”新模式，实现湿地生态功能与湿地经济之间的良性循环，提升湿地的水质净化能力同时发展湿地经济，减少湿地运行维护成本。目前云南高原湖泊污染防治中的人工湿地均采用拦污栅—氧化沉淀塘—潜流、表流或复合型湿地的工艺流程[27]。本模式设计以“强化湿地处理能力和突出湿地经济”为核心，遵循湿地保护优先原则，采用“浅表湿地+强化潜流湿地”水质净化工艺，实现“清水入河、尾水处理、价值实现、尾水回用”目标，建立湿地监测体系，推动海菜花湿地可持续发展模式，形成“两核心、四目标、一体系”的设计思路(图4)，探索濒危物种保护、恢复和利用的一举三得的有益尝试。

图3 海菜花湿地运行流程现状

图4 海菜花湿地可持续发展模式设计思路

4.2.1 强化湿地处理能力，实现清水入河和农田尾水高效处理

(1)清水入河。将农田尾水通过农田截污沟直接引入海菜花湿地，源头阻断进入团山沟污染源路径，保证团山沟的清水、好水进入老永安江。

(2)尾水处理。上游的农业面源的低污染水经过截污沟引入海菜花湿地，在海菜花湿地前端设置拦污栅去除大粒径的悬浮物，以保证后续工艺的正常运行，其后设置沉淀塘，通过塘内微生物的代谢活动，使污水中的有机污染物降解污水得到净化。在沉淀塘后设置强化潜流湿地，以火山石、沸石、砂石、硅藻土、红土为主的原料的高效填料作为强化人工湿地的基质；这样做一方面能提高人工湿地的污染物去除效能，另一方面为海菜花的生长提供良好的水环境，海菜花作为湿地的优良的环境指示植物需要良好的水质和较高的透明度[27]。再经海菜花种植区浅表湿地处理后进入下一级的复合型人工湿地深度净化，削减海菜花种植和采摘过程分别因施肥和水体扰动产生的二次污染，满足区域水功能区划水质目标后，清水进入老永安江。

4.2.2 发展湿地经济，湿地出水回于用农田灌溉，实现湿地生态价值

(1)价值实现。湿地经济是指以优先保护湿地生态系统为原则，在不破坏湿地生态功能前提下，充分发挥湿地生物资源优势，科学合理地开展生态旅游、湿地农业、特色种植、渔业养殖等项目，以此来获得一定的经济收益的新型湿地可持续发展利用模式。人工湿地的建设及运行不仅仅是技术问题，还需要充分考虑当地的实际，挖掘其资源(植物产品)价值[28]。海菜花是云南湖泊的旗舰种，具有重要的生态指示意义。根据相关研究，海菜花具有清热止咳，利水消肿的药效，含有丰富的蛋白质纤维和人体必须的微量元素，营养价值丰富，脂肪含量低，具有较高的食用价值。因此，海菜花具有极高的经济价值，在人工种植条件下，海菜花产量高而施肥量少，种植成本低[29]。海菜花种植每年产量可达22500 kg/hm2，按高产期市场最低价5.00元/kg计算，每年每公顷水田产值达11万元，除去种植和管理成本约6000元，经济收入可达到5万元以上。将海菜花水生植物应用到湿地净化系统中，即可作为水生植物来净化水质，还可利用其“生态环保型”“湿地指示性植物”等特征而获得较高的品牌溢价，建立海菜花的产业链，利用海菜花盈利用可弥补湿地运维费用，形成湿地的建设和运维的可持续模式(图5)。

图5 海菜花生态价值实现模式探索

(2)尾水回用。通过海菜花湿地末端的强化处理潜流湿地，一部分水直接进入永安江补充河道水量，一部分水还可回用于周边农田灌溉用水，节约水资源，实现湿地生态效益的最大化。

4.2.3 建立湿地监测体系缩短湿地应用层面与研究层面的差异

湿地监测是湿地建设的重要内容之一，该体系包括湿地水质监测、动植物观测、安全监控、湿地水位监测等内容，是揭示湿地生态系统结构与功能变化规律的重要手段，是验证湿地健康运行的数据论证基础，也是湿地科学研究和湿地管理的重要理论和数据基础[30]，有利于湿地保护主管部门决策提供依据。湿地的监测是了解湿地动植物资源、生态景观、生态系统结构变化的窗口，通过监测可以起到认识湿地生态系统的现状及其演化规律、了解外来物种入侵情况、判断湿地是否正常运行情况等作用，为湿地的开发利用、保护管理提供科学依据和决策支持。多样化的湿地监测数据，是湿地资源进一步开发利用、恢复和重建、湿地生态系统健康发展和保护的依据，是湿地良好可持续发展的实践验证。

5 实施成效展望

洱源海菜花湿地通过新建立一种湿地可持续发展利用模式，充分发挥海菜花湿地的环境、经济和社会的高效结合，研究解决湿地保护与财政压力、地区经济发展之间存在的矛盾，推进“以湿养湿”新模式，为实现湿地可持续全面发展提供典型案例[22]。而洱源县海菜花湿地正处于提升改造阶段，具体实施成效需要待湿地提升改造完成后，定期跟踪湿地水质、生态监测和经济价值等综合分析评估该模式的效果。除此之外，对湿地经济价值认识仍存在不足，需要结合湿地产品、湿地品牌的产业链延长的可行性进一步论证，需要从湿地动植物资源、生态旅游资源、再生水资源、科普教育、信息化管理等角度多途径实现湿地经济进行深入探索，需要对湿地运维多样化模式进行深入研究，从市场、资金的其他扶持措施等角度进行深度剖析，解决湿地运维费高的难题。

6 结论

目前，我国湿地建设、运行和管理仍是以政府为主导。人工湿地运营阶段要进行水生植物管理、淤泥清除、监测体系建立等管理内容，这些都需要大量的资金支持，仅依赖政府资金扶持不足维持这一大笔的运行管理成本。在此情况下，人工湿地如何正常且稳定的运行，避免出现“晒太阳”工程，成为当地人工湿地建设和运行管理的难点。本研究以洱源县海菜花湿地为例，将湿地作为一个综合系统，全面考虑，以强化湿地处理能力和发展湿地经济为核心，以“清水入河、尾水处理、价值实现、尾水回用”为目标，建立湿地监测体系，充分发挥湿地的生态效益、经济效益和社会效益，完善海菜花产业链，实现湿地的最大的生态价值，反哺湿地运行管理，减轻政府压力，实现湿地的可持续发展模式。