人工濕地的可持續(xù)發(fā)展模式研究
——以洱源縣海菜花濕地為例

蔣詩怡，毛佩強，繆 偉，楊正龍，楊春冰，劉建文，鐘邦耀，王林霞

(1.云南兆泓環(huán)境工程有限公司，云南 大理 671000；2.中鐵十局集團第五工程有限公司，江蘇 蘇州 215000；3.洱源縣濕地保護管理中心，云南 大理 672000)

1 引言

隨著社會經濟的發(fā)展，人工濕地污水處理技術得到快速發(fā)展。該技術在世界各地廣泛應用[1～6]于農業(yè)面源、污水處理廠尾水、暴雨徑流[1]、農田尾水回用、禽畜廢水、礦山廢水、造紙廢水、河湖富營養(yǎng)化水體[2]等高、低濃度的污水處理。與傳統(tǒng)污水處理工藝相比較，人工濕地具有工藝簡單、操作簡單、處理效果好、管理簡單等優(yōu)點，運行費用是常規(guī)二級處理廠的1/5～2/3[7，8]，這也是人工濕地得到廣泛應用的主要原因。實踐證明，人工濕地污水處理技術對于城市節(jié)能減排、廢水利用、江河湖庫污染水體修復、改善生態(tài)環(huán)境，促進可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[9～11]。目前，人工濕地的研究主要集中在工藝選擇、處理機理、植物配置等方面，隨著現(xiàn)在大規(guī)模人工濕地建設和恢復工程開展，人工濕地的可持續(xù)運行與管理成為其發(fā)揮污染治理功能的一個重要因素[12]。通常人工濕地建設完成后還需要合理的運行維護，避免人為干擾，保持濕地自然狀態(tài)；但是現(xiàn)實中很多濕地建設與恢復后因管理經費不足、運維欠缺，致使?jié)竦夭荒苓_到設計的處理能力，喪失原有濕地水污染處理功能，出現(xiàn)“建一個、荒一個”的不利局面。隨著濕地可持續(xù)運行管理的問題的突出，人工濕地的去除污染物功能降低和使用壽命縮短，濕地可持續(xù)發(fā)展問題逐漸成為濕地建設與健康運行的一個難點。截至2020年，洱源縣濕地面積累計4586.24 hm2，占國土面積的1.81%，其中人工濕地1646.49 hm2，占濕地面積35.9%。本研究以洱源縣海菜花濕地為例，在保障人工濕地污水處理能力和生態(tài)修復效果的同時，形成良好的濕地經濟效益，與傳統(tǒng)的全靠政府投資來開展?jié)竦亍敖ā⒐堋B(yǎng)”的運行模式相比，探索出一條濕地恢復、建設和管理的可持續(xù)發(fā)展模式道路，實現(xiàn)人工濕地環(huán)境效益、社會效益、經濟效益“三豐收”。

2 人工濕地現(xiàn)狀

2.1 人工濕地建設現(xiàn)狀

隨著國家的重視程度不斷提高，各地不斷積極開展人工濕地工作，我國各地區(qū)濕地面積有效擴大。“十三五”期間，我國實施濕地保護與恢復項目53個，實施濕地生態(tài)效益補償補助、退耕還濕、濕地保護與恢復補助項目2000余個[13]，到2020年，人工濕地面積約1億畝[14]。

人工濕地按照填料和水位的關系，可分為表流人工濕地和潛流人工濕地，潛流濕地按照水流流向，可分為水平流人工濕地和垂直流人工濕地。人工濕地系統(tǒng)的應用具有多種形式，既有單一型濕地，又有復合型人工濕地，如植物氧化塘+潛流濕地工藝組合、植物氧化塘+潛流濕地+表流濕地、植物氧化塘+多級表流濕地等。近年來，為強化濕地處理效果，研究者提出強化型人工濕地，即在人工濕地的前端或末端增加強處理單元，如微生物燃料電池人工濕地、接觸氧化型濕地、折流人工濕地、微電解人工濕地、光伏電解強化人工濕地[15]等。經過這幾十年的發(fā)展，人工濕地研究主要集中在如何提高脫氮除磷效率、對重金屬物質等新型物質的去除、濕地植物高效配置、基質選擇、水力條件研究等方面。

2.2 人工濕地運維現(xiàn)狀

科學合理的運行維護是保障人工濕地處理系統(tǒng)穩(wěn)定的污染物去除率、延長濕地壽命的主要措施，能避免濕地生物多樣性單一、外來物種入侵等生態(tài)問題，使人工濕地充分發(fā)揮凈化水質、蓄水防洪、美化環(huán)境等效益。目前人工濕地運行管理主要考慮進出水位控制、裝置維護、水生植物管理、氣味的控制、野生動物控制、濕地堵塞、淤泥清掏、蚊蠅控制等[16]。我國人工濕地運行管理以政府主導為主，政府參與人工濕地投資、建設、運營和管理全過程，但政府由于精力、財力、人力、物力有限，因此，很多人工濕地恢復與建設出現(xiàn)“建一處，閑置一處”的狀態(tài)，逐漸成為政府不可避免的難題[17]。

3 人工濕地應用存在的問題：以洱源縣為例

3.1 濕地經濟不顯著，難以反哺濕地生態(tài)環(huán)境效益

當前，我國人工濕地經濟效益不明顯，缺乏完整的產業(yè)及品牌，生產方式簡單，標準化程度低。雖然個別人工濕地建設與科普宣教和生態(tài)旅游相結合[18，19]，或者種植水生經濟作物如有機水稻[20]，或者與漁業(yè)相結合養(yǎng)殖不同種類的魚類，這些措施都能實現(xiàn)一定的濕地經濟效益。但是由于缺少縱、橫兩方面的產業(yè)鏈延長，且流通業(yè)相對滯后[21]，產品不能很好地銷售出去，帶來的經濟效益一般。因此，需要進一步提升濕地經濟，研究出多樣、綜合性高的濕地經濟發(fā)展模式。

3.2 濕地運行管理成本高，資金不足

人工濕地建設后濕地植物管理、基質疏通、淤泥的清除、濕地監(jiān)測設備管理、水量管理等都需要專業(yè)人才來進行科學的管理，這些都需要大量的資金支出；目前除了個別人工濕地有政府配套的市場激勵政策及措施的扶持外，大部分的人工濕地運行維護費用仍不足，出現(xiàn)很多“曬太陽”人工濕地工程，逐漸失去自身的效能[17]。由于資金不足，導致濕地運行缺乏有效的管理，濕地中出現(xiàn)基質堵塞、生物多樣性降低、濕地淤積嚴重、濕地面積萎縮、蓄洪能力減弱、污染物去除能力降低等問題。

根據(jù)大理州生態(tài)環(huán)境局洱源分局提供2017～2019年部分濕地水質監(jiān)測數(shù)據(jù)。洱源縣大樹營濕地和鄧北橋一期濕地的進出水濃度可知，這2個濕地由于建設時間較長，長期缺乏有效管理，造成兩個濕地的污染物能力嚴重下降(表1和圖1)。

3.3 缺乏全面、長期、連續(xù)的生態(tài)和水質監(jiān)測系統(tǒng)，人工濕地應用層面與研究層面存在差異

人工濕地建設與恢復是一個完整的系統(tǒng)，需要進行全面綜合考慮，為了更好地在建設項目中實現(xiàn)實驗室預期效果，需要將建設項目實踐數(shù)據(jù)反饋給人工濕地科學研究過程，以此縮短人工濕地的污染物除去效果在應用層面和研究層面出現(xiàn)差距。

4 人工濕地可持續(xù)發(fā)展模式設計

4.1 洱源海菜花濕地概況

洱源縣作為洱海源頭，其縣域內有彌苴河、羅時江、永安江3條河流及與之相連通的西湖、東湖、海西海、茈碧湖等湖泊和水庫，3條江河呈“川”字形注入洱海，每年為洱海提供總入湖水量2/3 以上的清潔水源[22]。海菜花濕地屬于洱源縣東湖濕地的一部分，位于洱源縣右所鎮(zhèn)。海菜花濕地于2015年建成，建設范圍約2200畝，采用的表流濕地工藝對農田灌溉尾水處理，經過濕地處理出水一部分進入旁側的團山溝，一部分進入下游的庫塘，最后進入永安江(圖2、3)。

圖2 海菜花濕地水系

海菜花(Otteliaacuminata( Gagnep．) Dandy) 屬水鱉科(Hydrocharitaceae)沉水植物，作為我國特有的珍稀瀕危水生植物，屬于云南省三級瀕危保護植物，它營養(yǎng)豐富、外形優(yōu)美，具有較高的食用、藥用和觀賞價值，市場潛力較大[23]。在海菜花濕地中實現(xiàn)脫氮除磷主要是通過海菜花生長期吸收、微生物硝化反硝化、基質吸附作用[24～26]。目前海菜花濕地共連片種植海菜780多畝，每畝海菜每年可產出3000～4000元的純利潤。經過多年濕地運行，目前海菜花濕地存在以下問題：第一，由于管理資金缺乏，濕地運行后缺乏有效監(jiān)管，外來物種入侵加劇，植物瘋長，濕地植物殘體堆積，濕地透明度下降，影響海菜花成活率，降低濕地去除率；第二，前期主要以恢復和凈化水質為主，基本未考慮濕地的經濟效益，規(guī)模較小，不足以維持濕地的正常運行；第三，海菜花種植過程施肥以及采摘過程中對水體擾動都會帶來水體二次污染，出水直接進入下級庫塘，最終匯入老永安江，會導致老永安江污染負荷增加；第四，濕地水質監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏科學性、長期性和連續(xù)性，不能及時準確的反應濕地長期的水質情況和水質變化特點。

4.2 模式設計

人工濕地的構建應從長遠運行出發(fā)，設計“以濕養(yǎng)濕”“人工濕地可持續(xù)發(fā)展”新模式，實現(xiàn)濕地生態(tài)功能與濕地經濟之間的良性循環(huán)，提升濕地的水質凈化能力同時發(fā)展?jié)竦亟洕瑴p少濕地運行維護成本。目前云南高原湖泊污染防治中的人工濕地均采用攔污柵—氧化沉淀塘—潛流、表流或復合型濕地的工藝流程[27]。本模式設計以“強化濕地處理能力和突出濕地經濟”為核心，遵循濕地保護優(yōu)先原則，采用“淺表濕地+強化潛流濕地”水質凈化工藝，實現(xiàn)“清水入河、尾水處理、價值實現(xiàn)、尾水回用”目標，建立濕地監(jiān)測體系，推動海菜花濕地可持續(xù)發(fā)展模式，形成“兩核心、四目標、一體系”的設計思路(圖4)，探索瀕危物種保護、恢復和利用的一舉三得的有益嘗試。

圖3 海菜花濕地運行流程現(xiàn)狀

圖4 海菜花濕地可持續(xù)發(fā)展模式設計思路

4.2.1 強化濕地處理能力，實現(xiàn)清水入河和農田尾水高效處理

(1)清水入河。將農田尾水通過農田截污溝直接引入海菜花濕地，源頭阻斷進入團山溝污染源路徑，保證團山溝的清水、好水進入老永安江。

(2)尾水處理。上游的農業(yè)面源的低污染水經過截污溝引入海菜花濕地，在海菜花濕地前端設置攔污柵去除大粒徑的懸浮物，以保證后續(xù)工藝的正常運行，其后設置沉淀塘，通過塘內微生物的代謝活動，使污水中的有機污染物降解污水得到凈化。在沉淀塘后設置強化潛流濕地，以火山石、沸石、砂石、硅藻土、紅土為主的原料的高效填料作為強化人工濕地的基質；這樣做一方面能提高人工濕地的污染物去除效能，另一方面為海菜花的生長提供良好的水環(huán)境，海菜花作為濕地的優(yōu)良的環(huán)境指示植物需要良好的水質和較高的透明度[27]。再經海菜花種植區(qū)淺表濕地處理后進入下一級的復合型人工濕地深度凈化，削減海菜花種植和采摘過程分別因施肥和水體擾動產生的二次污染，滿足區(qū)域水功能區(qū)劃水質目標后，清水進入老永安江。

4.2.2 發(fā)展?jié)竦亟洕瑵竦爻鏊赜谟棉r田灌溉，實現(xiàn)濕地生態(tài)價值

(1)價值實現(xiàn)。濕地經濟是指以優(yōu)先保護濕地生態(tài)系統(tǒng)為原則，在不破壞濕地生態(tài)功能前提下，充分發(fā)揮濕地生物資源優(yōu)勢，科學合理地開展生態(tài)旅游、濕地農業(yè)、特色種植、漁業(yè)養(yǎng)殖等項目，以此來獲得一定的經濟收益的新型濕地可持續(xù)發(fā)展利用模式。人工濕地的建設及運行不僅僅是技術問題，還需要充分考慮當?shù)氐膶嶋H，挖掘其資源(植物產品)價值[28]。海菜花是云南湖泊的旗艦種，具有重要的生態(tài)指示意義。根據(jù)相關研究，海菜花具有清熱止咳，利水消腫的藥效，含有豐富的蛋白質纖維和人體必須的微量元素，營養(yǎng)價值豐富，脂肪含量低，具有較高的食用價值。因此，海菜花具有極高的經濟價值，在人工種植條件下，海菜花產量高而施肥量少，種植成本低[29]。海菜花種植每年產量可達22500 kg/hm2，按高產期市場最低價5.00元/kg計算，每年每公頃水田產值達11萬元，除去種植和管理成本約6000元，經濟收入可達到5萬元以上。將海菜花水生植物應用到濕地凈化系統(tǒng)中，即可作為水生植物來凈化水質，還可利用其“生態(tài)環(huán)保型”“濕地指示性植物”等特征而獲得較高的品牌溢價，建立海菜花的產業(yè)鏈，利用海菜花盈利用可彌補濕地運維費用，形成濕地的建設和運維的可持續(xù)模式(圖5)。

圖5 海菜花生態(tài)價值實現(xiàn)模式探索

(2)尾水回用。通過海菜花濕地末端的強化處理潛流濕地，一部分水直接進入永安江補充河道水量，一部分水還可回用于周邊農田灌溉用水，節(jié)約水資源，實現(xiàn)濕地生態(tài)效益的最大化。

4.2.3 建立濕地監(jiān)測體系縮短濕地應用層面與研究層面的差異

濕地監(jiān)測是濕地建設的重要內容之一，該體系包括濕地水質監(jiān)測、動植物觀測、安全監(jiān)控、濕地水位監(jiān)測等內容，是揭示濕地生態(tài)系統(tǒng)結構與功能變化規(guī)律的重要手段，是驗證濕地健康運行的數(shù)據(jù)論證基礎，也是濕地科學研究和濕地管理的重要理論和數(shù)據(jù)基礎[30]，有利于濕地保護主管部門決策提供依據(jù)。濕地的監(jiān)測是了解濕地動植物資源、生態(tài)景觀、生態(tài)系統(tǒng)結構變化的窗口，通過監(jiān)測可以起到認識濕地生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其演化規(guī)律、了解外來物種入侵情況、判斷濕地是否正常運行情況等作用，為濕地的開發(fā)利用、保護管理提供科學依據(jù)和決策支持。多樣化的濕地監(jiān)測數(shù)據(jù)，是濕地資源進一步開發(fā)利用、恢復和重建、濕地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展和保護的依據(jù)，是濕地良好可持續(xù)發(fā)展的實踐驗證。

5 實施成效展望

洱源海菜花濕地通過新建立一種濕地可持續(xù)發(fā)展利用模式，充分發(fā)揮海菜花濕地的環(huán)境、經濟和社會的高效結合，研究解決濕地保護與財政壓力、地區(qū)經濟發(fā)展之間存在的矛盾，推進“以濕養(yǎng)濕”新模式，為實現(xiàn)濕地可持續(xù)全面發(fā)展提供典型案例[22]。而洱源縣海菜花濕地正處于提升改造階段，具體實施成效需要待濕地提升改造完成后，定期跟蹤濕地水質、生態(tài)監(jiān)測和經濟價值等綜合分析評估該模式的效果。除此之外，對濕地經濟價值認識仍存在不足，需要結合濕地產品、濕地品牌的產業(yè)鏈延長的可行性進一步論證，需要從濕地動植物資源、生態(tài)旅游資源、再生水資源、科普教育、信息化管理等角度多途徑實現(xiàn)濕地經濟進行深入探索，需要對濕地運維多樣化模式進行深入研究，從市場、資金的其他扶持措施等角度進行深度剖析，解決濕地運維費高的難題。

6 結論

目前，我國濕地建設、運行和管理仍是以政府為主導。人工濕地運營階段要進行水生植物管理、淤泥清除、監(jiān)測體系建立等管理內容，這些都需要大量的資金支持，僅依賴政府資金扶持不足維持這一大筆的運行管理成本。在此情況下，人工濕地如何正常且穩(wěn)定的運行，避免出現(xiàn)“曬太陽”工程，成為當?shù)厝斯竦亟ㄔO和運行管理的難點。本研究以洱源縣海菜花濕地為例，將濕地作為一個綜合系統(tǒng)，全面考慮，以強化濕地處理能力和發(fā)展?jié)竦亟洕鸀楹诵模浴扒逅牒印⑽菜幚怼r值實現(xiàn)、尾水回用”為目標，建立濕地監(jiān)測體系，充分發(fā)揮濕地的生態(tài)效益、經濟效益和社會效益，完善海菜花產業(yè)鏈，實現(xiàn)濕地的最大的生態(tài)價值，反哺濕地運行管理，減輕政府壓力，實現(xiàn)濕地的可持續(xù)發(fā)展模式。