住 · 是人工湿地还是人工“失”地？(1)
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人工湿地原理及环境价值
2.1 水平潜流型湿地净水原理
我们以同济大学工程试验馆前的人工湿地为例，了解了人工湿地的运行原理及种类。狭义上的人工湿地则被定义为从生态学原理出发，模仿自然生态系统，人为将土壤、沙、石等材料按一定比例组成基质，并栽种经过选择的耐污植物，组成类似于自然湿地的新型污水净化系统 [1]。现在引用最广泛的还是按水流方式所进行分类的人工湿地的叫法，它将人工湿地处理系统分为表面流湿地（Surface Flow Wetlands, SFW）和潜流湿地（Subsurface Flow Wetlands, SSFW）两类。潜流湿地还根据水流方向分为水平潜流湿地和垂直潜流湿地两类 [1]。一个完整的人工湿地污水处理系统其实是由消化池、人工湿地和净化水再利用池三个基本部分构成 [1]。图1 潜流型人工湿地工艺流程[注1](作者自绘)
同济大学工程试验馆前的生态水池湿地属于水平潜流湿地。我们从学校绿化科处得到了该湿地 2007 年竣工时的工程图纸，了解到该生态水池湿地的净水流程为：首先由学苑食堂处水泵抽取，通过管道输送至人工湿地配水槽处，在配水槽中对抽取的水进行缓冲并分配水流，同时可以投放净化剂进行初步预处理。随后水流入滤料层，在湿地中进行净化，其中主要通过陶粒的吸附作用和鹅卵石的过滤作用，表层种植的草本植物也有辅助作用，最后净化完毕，水流回校园水系。
图2 同济大学人工湿地净水原理表示（作者自绘）
2.2 同济大学人工湿地的投资回收期
通常认为，人工湿地具有能耗低、出水水质好、经济成本和运行与维护费用低、景观价值高等优点，在我国特别是广大农村、中小型城镇的污水处理时，具有非常广阔的应用前景。但是从可持续发展的观念来思考，我们对人工湿地的优点持怀疑态度，毕竟一个人工湿地从设计、材料到建造和维护是一笔浩大的工程费用。于是我们尝试从 LCA 生命周期成本评估方面考虑，进行了估算工作。在简单估算这一步，我们选择了「价值量核算」来估计同济大学校园内该人工湿地的投资回收期。
图 3 对于人工湿地得失的怀疑与估算方法选用表示（作者自绘）
实物量核算具体包括数量上自然资源的的存量核算和耗减量核算，质量上排入自然环境的气水固污染物核算即排放量核算。环境价值量核算即是对自然资源和环境价值进行核算，将环境价值 量化进一步核算环境成本，价值量核算是在实物量核算的基础上，估算各种环境污染造成的环境退化价值或生态破坏造成的生态破坏价值 [2]。
欧美等国家有一种较为成熟的人工湿地经济评估方法之一——参数法，通过成本与设计参数之间的关系来进行经济评估。通常这种关系是通过对过去大量工程数据进行统计而确定，并根据场地特有的情况进行校正。这里我们组参考欧美人工湿地系统的生命周期成本评估的主要参数及计算公式 [3]，及学校提供的湿地数据资料 [4] 进行估算，如表所示。
表 1 人工湿地系统的生命周期成本评估计算表（作者自绘）
上海居民用水类的污水处理费为 1.7 元 / 立方米 [6]。由学校提供的资料显示，该人工湿地的水力负荷按 0.6m³/ m²·d ，则其处理流量为 216m³/d。那么该人工湿地 2016 年可以节省污水处理费大约为 1.7*216*365=134028 元。
若以 2007 年美元对人民币汇率为 7.3，且以维护费用的最大值 1169.28 美元 / 年计算，则当 y ≥ 2 时 ,
也就是说，在校园这个公益用地内，不考虑景观性的附加成本，该人工湿地若能保持处理废水能力不衰退、稳定运行 2 年，即可收回其环境经济成本。
图 4 若同济大学人工湿地能高效净水两年的收益与成本对比（作者自绘）
2.3 真的能高效持续两年吗？
从我们的搜集到的资料记录来看，学校的人工生态湿地始建于2007 年同济大学百年校庆，是三好坞生态环境水系统整治项目中的一个部分。下一次资料记载是在 2017 年，学校绿化科重新布置了该人工湿地的植物和简单维护。但从绿化科工作人员方面得到的信息，可以判断该生态湿地的污水处理系统早在几年前就已经废弃了。直到当下 2020 年，短短三年时间，该人工生态湿地又是植物丛生一团糟。
照片组 1 从左往右分别是 2007 改造前、2007 改造后、2017 重建后、2020 现状（（照片来源：学校绿化科提供或作者自摄））
图 5 同济大学人工湿地景观性于净水能力随时间变化模拟图示（作者自绘）
在上一段落的估算中我们得到：若人工湿地能持续 2 年处理废水，则能够达到良好的环境经济收益，但是事实上，目前的湿地净水能力下降水平十分迅速，因此要想真正达成人工湿地的 “收益”需要远大于 2 年的时间。
图 6 若同济大学人工湿地性能衰减两年中净水的收益与成本对比（作者自绘）
根据更多的资讯我们得知，一旦人工湿地失去它处理废水的功能收益后，每年的维护和土地费用将造成巨大的环境经济赤字。在拆除还是维护之间，往往选择既不维护也不拆除、任它废弃，是建设方在成本上最佳的收益方式。
早在 20 世纪 90 年代，人工湿地技术就在全世界开始快速的传播。经过 30 余年的试验和发展，人工湿地的设计发展方向应当落到更加实际的长期运维上。
-未完待续-
2020年秋季本科可持续设计理念课程
教学团队 | 朱小村、姚雪艳、曹静、刘洋、莫娇、龚万彬、周玲玲、郭光普
助教 | 唐小娟、朱梦婵、姚佳艳、顾乃全、周怡
编辑 | 朱梦婵
校对 | 朱梦婵