农村生活污水近自然人工湿地深度处理系统构建模式分析

近年来农村生活污水备受环境管理部门和相关学者的关注，目前国内外治理农村污水的处理技术从工艺原理的角度分析主要为生物处理系统和生态处理系统。生态处理系统主要表现为人工生态湿地工艺，本文将从人工湿地水文条件、污染物迁移转化规律、植被群落选择方式和与区域生态系统相容性方面对近自然人工湿地污水深度处理系统构建模式进行探讨，并对未来的研究发展方向提出展望，以期为人工湿地的构建使用提供理论依据和技术支撑。

人工湿地系统的构建模式

作为联系生境生态过程与降水、径流、渗流等水文过程的核心因子，生境的湿度因子对人工湿地生态系统群落的构建起决定性作用。湿地水文特征对生境湿度的影响是一个极为复杂的过程，宏观上，区域降水、蒸散和地表径流既直接影响生境的湿度，也通过影响地貌地形间接影响区域湿度特征，地质条件决定湿地水文的垂向连通形式；微观上，更有随生态过程进行的水文交换。

生境湿度连接水文与生态过程

传统的湿地水文模型构建方法是基于数理统计的方法，常见的两种方法均是以植被指数与环境因子间的交互为模型体系建立基础。第一种方式是建立植被相关指数与地质、人文和气候等模型系统并通过空间差值的方式反演至面上，但由于模型系统及数据量较为简单，常影响分析得到的结论。第二种方式是建立植被相关指数与区域所有因子间的关系，但变量、模型体系和数据量较多容易产生许多模拟上的质量问题，因此降低了模型系统的可靠性和可信度。现今较为先进的方式是在传统方式上，引入地理信息技术的支持，将空间异质性、环境因子和人文因子应用于区域尺度的研究区域和区域内其他因子耦合建立模型体系。

湿地生态水文模型

人工湿地处理单元常占有较大的地表面积且较适宜低纬度地区，在整个工程范围内水量的确定过程中，蒸散量、渗流量、入流量和出流量均是影响极为显著的不可忽略环节。其中，蒸散量作为湿地生态系统与外界进行能量流动和水分交换的最主要途径直接影响周围生态系统的生态过程，这一影响在人工湿度为无出流型时表现得更加显著。

潜流人工湿地凭依较为复杂的结构换取较好的污水深度处理效果和可控的废气体系，但其工程建设需要硬化区域整个垫面层，割裂水文生物连通。诚然，这种以混凝土硬质分划区域的方式为工程建设提供了可靠的基础，但这种将生境撕裂碎片化的方式背离了近自然建设的初衷，甚至较大的占地面积可能带来对较大区域范围气候的不可预见的影响。

水量及流动控制模型在构建人工湿地时应耦合使用作为人工湿地建立的基础，由二者建立的模型集反映的生境水文条件直接影响洪水脉冲、淹没域和水源补给方式等，间接影响生境地形地貌及生境湿度，从而决定整个人工湿地生态系统的建群种和优势种。

人工湿地表面流作为掺杂生物化学和环境化学的系统具有高度复杂性和丰富的非线性结构，但其在景观尺度下可视为一个污染物浓度空间差异可忽略的模型，其内部溶质视为瞬时匀布到整个空间的连续流完全混合反应器。这种非线性零维理想系统内部水团间不存在性质上的差异，在讨论人工湿地作为污水深度处理污染物的归趋定量关系时影响不显著。

现今通用的人工湿地污染物迁移转化规律方程描述了一个黑箱系统对随地表流输入的污染物在植被、微生物群落处理及底泥交换下的浓度变化情况。这种混沌的描述方式对于生态过程的覆盖较为片面，例如对环境氮的描述存在较大误差，如下图所示，湿地生态系统环境氮元素的生态行为应当是包含大气沉降、源头输入、流出、有机质矿化、植物枯落等过程的复杂生物地球化学行为。我国近些年兴建了许多人工湿地工程，研究重心大多侧重于环境治理角度的污水处理效果，尚缺乏长时间尺度下对如今人工湿地建立模式的生态性、系统性、科学性方向的探索。

环境氮迁移简图

湿地植被群落的构建应遵循适地适种原则，所构建的群落应适应区域气候条件、地形地貌地质条件和人文景观条件，同时保证种群多样性，群落有较强的稳定性。

挺水植物根、根茎生长在湿地底泥中，分布于水淹深度不超过0.15m的浅水位，这类植物有较强的适应性、强抗逆性、高生态服务价值和强效的水体净化能力。芦苇、伞草、灯芯草、黄菖蒲、美人蕉、芦竹等均是人工湿地建立常选用的挺水植物层级的优势种，该层级决定了人工湿地的整体结构和环境条件，是人工湿地植物群落建立的重要选配品种，可依当地本土种的种群结构确定挺水植物群落的种植密度等构建参数，既保证人工湿地的水体净化、生态服务能力，又不造成种间过度竞争、抗病害能力低下。浮水、潜水植物常选用如浮萍、金鱼藻、大茨藻、角茨藻、轮叶黑藻等国内广布种。

人工湿地植物的选择要注重植物的净化效果和抗逆性，净化效果方面要保证所构建的植物群落单位面积有较高的污染物去除能力，抗逆性表现在所构建的植物群落有较强的稳定性、耐盐、耐寒、耐旱、耐污、抗病虫害能力。人工湿地用于污水处理的植物其叶绿素含量、生物增长量等生理参数污水提供的氮磷营养元素而明显高于清水生长植物，综合COD、总磷、氨氮的去除效果看，当地气候环境条件许可时，可优先选择长苞香蒲、水葱和芦苇。湿地植物群落常面临着病虫害、污水污染、年际极端水热条件和土壤环境或水环境高盐碱等环境胁迫因子的侵扰，这就要求人工湿地植被群落具备在这样的环境下仍可全年生长并保持生态服务能力。水葫芦、鸢尾、菖蒲3种植物对水中铅污染有一定的富集能力，其中水葫芦富集能力最强，菖蒲对铅胁迫抗逆性最强。美人蕉、菖蒲、水葱、芦苇4种受试植物面对干旱胁迫有着较好表现，且抗干旱胁迫能力逐渐降低。淹水和盐碱环境对植物生理结构、种子萌发、无性繁殖和营养物质吸收均有一定的影响，美人蕉、芦竹会在较高生境盐碱含量情况下降低对氮磷的吸收能力，影响水体净化效果和以二者为生态修复群落的构建，菖蒲在一定程度的盐胁迫下通过加强对营养元素的吸收来对抗生境盐碱条件。

人工湿地景观是周围景观环境的一个组成部分，设计时便需统归考虑使其融入其中。探究人工湿地景观与周围环境景观的融合协调性的基础是比量二者在土地利用方式、土壤、植被、地质、地貌、水文、生物相容性等多维度指标体系上的时空分异性，这种指标覆盖多维度且存在权重层次差异的评价可选用层次分析法(AHP分析)，其指标体系构建逻辑如下图所示。

人工湿地生态相容性框架

人工构建的湿地生态系统和周围环境组成的复合生态系统有多层次复杂体系和开放的结构，采用定量与定性相结合的相容性识别模型可以将复杂决策数据化、模型化。为这些定性、定量或模糊的指标构建统一的比量标度，即重要性标度为1、3、5、7、9级，分别对应同等重要、稍显重要、明显重要、强烈重要、绝对重要。在确定各项因子重要性权重后，参照各国家标准进行指标赋值，并对照下表进行结论判别。

人工湿地与区域环境生态相容性综合判别

在自然资源可持续利用和尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明建设的大背景下，秉承生态系统性理念，构建近自然人工湿地系统改善来水水质，提升区域生态系统综合服务能力和促进生态系统结构、功能良性发展是人工湿地技术理念发展的必然趋势。

来源：安徽农业科学 期刊