用于水質(zhì)保護(hù)的排水管理措施

［美國(guó)］J.S.斯特洛克 等

自殖民地時(shí)代以來(lái)，排水已成為北美發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。排水對(duì)改善公共交通、降低公眾健康風(fēng)險(xiǎn)、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等有重要意義。農(nóng)業(yè)排水系統(tǒng)正逐漸成為污染物的輸送管道，特別是營(yíng)養(yǎng)物污染。盡管擴(kuò)展排水系統(tǒng)對(duì)作物生產(chǎn)具有重要意義，但有些區(qū)域仍然存在阻力，在有些州至今仍超過(guò)50%的農(nóng)田是人工排水。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量和水質(zhì)保護(hù)雙贏目標(biāo)，排水管理應(yīng)運(yùn)而生。有效的排水管理戰(zhàn)略必須對(duì)當(dāng)今農(nóng)業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行較全面的考慮。沒(méi)有一項(xiàng)措施能夠獨(dú)自承擔(dān)排水管理，同樣也沒(méi)有一種策略可以適合所有的系統(tǒng)。

在某種程度上，聯(lián)合利用田間、邊緣和外圍管理，可以控制農(nóng)業(yè)排水的出水量和地表水的相關(guān)污染物。所有措施的適應(yīng)性和效果取決于執(zhí)行地點(diǎn)的狀況(包括地貌學(xué)、管理系統(tǒng)和關(guān)注的污染物)。以下是排水管理中有關(guān)水質(zhì)保護(hù)的幾個(gè)要素。

1 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)對(duì)舊排水系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造或更替、新建排水系統(tǒng)時(shí)，改善排水管理的最佳時(shí)期是在設(shè)計(jì)階段。影響排水設(shè)計(jì)的因素包括土壤排水特性(即動(dòng)態(tài)飽和程度)、成本(安裝、維護(hù))、田間管理(例如耕作方式、作物品種、養(yǎng)分管理)、現(xiàn)有排水設(shè)施(管道類型、現(xiàn)有間距、深度和排水口的位置)和環(huán)境因素(如棲息地、流域主要環(huán)境問(wèn)題)。與污染物排放有關(guān)聯(lián)的最直接的兩個(gè)設(shè)計(jì)變量是排放強(qiáng)度和排水口位置。

排水強(qiáng)度(深度和排水間距)決定了排水系統(tǒng)是否能夠在排水管線之間降低水位，以在雨后的24～48 h 內(nèi)達(dá)到最有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育的水位。典型的排水深度范圍是0.6～1.5 m，而間距范圍是10～100 m。排水強(qiáng)度對(duì)污染負(fù)荷起到?jīng)Q定性的作用，污染損失主要受排水量的影響。深度密集的設(shè)計(jì)比淺而稀疏的系統(tǒng)具有更大的輸送潛能。

為了保護(hù)水質(zhì)，排水系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有足夠的排水能力，并且要避免過(guò)度排水。農(nóng)田排水管理系統(tǒng)選址一般強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)因素，而不考慮水質(zhì)因素。然而，重要污染源地區(qū)水質(zhì)保護(hù)管理，即在污染源產(chǎn)生和遷移轉(zhuǎn)化沿程地區(qū)進(jìn)行修復(fù)實(shí)踐，為選址中考慮水質(zhì)因素提供了很好的機(jī)遇。因?yàn)榕潘到y(tǒng)將景觀中的污染源與接納水體聯(lián)系起來(lái)，在設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)時(shí)，必須考慮避免污染源。例如，在土壤磷含量高的地區(qū)，溶解性磷吸附到排水中的潛能高，排水會(huì)成為重要的磷污染源輸出途徑。從水質(zhì)考慮方面，應(yīng)用簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估指標(biāo)(磷指數(shù)、氮浸出指標(biāo))，能夠有助于決定安裝的人工排水設(shè)施是否會(huì)成為一重要的污染源。

2 控制排水

近年來(lái)，在國(guó)家和地區(qū)的倡導(dǎo)和推廣(例如農(nóng)田排水管理特別小組)下，控制排水得到廣泛關(guān)注?？刂婆潘O(shè)施既可以安裝在地下排水管道，也可以安裝在明渠，允許在地表和排水深度之間調(diào)整地下水位，防止過(guò)量排水(圖1)。

圖1 田間暗管控制排水系統(tǒng)中田間水位控制結(jié)構(gòu)原理(也適用于明渠)

理論上，不需要排水時(shí)，控制排水可以提高土壤含水量。通過(guò)控制土壤剖面的水分，為作物提供更好的生長(zhǎng)條件。但必須考慮水質(zhì)權(quán)衡，因?yàn)榭刂婆潘ㄟ^(guò)排水增加地表徑流，同時(shí)還存在氮元素留存的問(wèn)題。控制排水系統(tǒng)中關(guān)于氮元素命運(yùn)的幾個(gè)假說(shuō)已經(jīng)得到證實(shí)，但相應(yīng)的調(diào)查還不夠充分，包括深層滲透及之后的反硝化作用、提高的作物利用效率。

大量研究闡述了控制排水在不同條件下的優(yōu)勢(shì)。北卡羅來(lái)納州的重要研究表明，控制排水能夠降低排水量和硝態(tài)氮損失量，與傳統(tǒng)的非控制排水相比，硝態(tài)氮損失量降低了40%～50%，磷損失減少了25%～30%。這些研究成果也在其他地方得到了證實(shí)。

概括來(lái)講，與非控制排水相比，適當(dāng)?shù)倪x址和管理，控制排水可使排水量和污染物負(fù)荷量大約降低30%。控制排水在作物產(chǎn)量方面的作用很大程度上依賴于管理和土壤條件，一些研究表明，控制排水系統(tǒng)下的作物產(chǎn)量比傳統(tǒng)或非控制排水下高5%～10%。

雖然控制排水使用范圍很廣，但在美國(guó)的應(yīng)用仍受到限制，主要原因在于投資回報(bào)率的不確定性、對(duì)作物成苗和生長(zhǎng)的潛在負(fù)面影響以及系統(tǒng)維護(hù)。改進(jìn)目前的排水網(wǎng)絡(luò)以安裝流量控制系統(tǒng)取決于現(xiàn)有設(shè)計(jì)，對(duì)暗管來(lái)講，還包括使用時(shí)長(zhǎng)和管道類型。

理論上，現(xiàn)有的排水系統(tǒng)都可以改造并裝備控制結(jié)構(gòu)，然而影響區(qū)將受當(dāng)前設(shè)計(jì)和地形的限制。排水管理要求排水設(shè)計(jì)不僅要利用地形優(yōu)勢(shì)，還要考慮地形對(duì)控制排水影響景觀的程度。一般來(lái)說(shuō)，控制排水在平原地區(qū)具有最好的經(jīng)濟(jì)效益，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)即能影響較大范圍的區(qū)域。新技術(shù)的出現(xiàn)使必需通過(guò)地下排水的坡地采用控制排水成為可能。

3 排水渠道管理

排水明渠的特點(diǎn)各有不同，從而為保護(hù)水質(zhì)提供了機(jī)遇。在某些情況下，支流經(jīng)過(guò)渠道化、順直化或者新建溝渠來(lái)促進(jìn)田間排水。土壤滲透率低的地區(qū)，植被化明渠是典型的田間地下排水輸送系統(tǒng);在土壤滲透率和地下水位高的地區(qū)，通過(guò)明渠實(shí)現(xiàn)田間地下排水。在低流量條件下，從生物學(xué)和物理學(xué)考慮，溝渠類似一個(gè)線型的濕地，具有相對(duì)長(zhǎng)的水力滯時(shí);高流量條件下，溝渠類似流動(dòng)的河流，但不同于河流系統(tǒng)，定期的溝渠維護(hù)破壞了自然河道演變和濕地結(jié)構(gòu)。

大量的研究文獻(xiàn)概述了排水渠道在田間污染物輸出中所起的管道作用，并且能夠影響溝渠的例行維護(hù)活動(dòng)，例如清淤渠道以打破其自然緩沖能力。

然而，越來(lái)越多的研究表明，植被化明渠有潛力作為最好的管理措施來(lái)減輕潛在的農(nóng)業(yè)污染。在對(duì)兩條渠道進(jìn)行對(duì)比的研究中，利用水位控制結(jié)構(gòu)去限制水流以及改變明渠地下水位。增加溝渠里水的滯留時(shí)間將促進(jìn)顆粒物的沉降，并且相對(duì)于一個(gè)非控制的溝渠會(huì)降低硝態(tài)氮和總磷的輸出。在溝渠中使用水位控制結(jié)構(gòu)要注意一個(gè)問(wèn)題，即溝渠水位居高不下可能對(duì)田間排水系統(tǒng)的排水產(chǎn)生負(fù)面的影響?？梢匝販锨惭b多個(gè)保持低水位的結(jié)構(gòu)來(lái)補(bǔ)救。

在俄亥俄州，基本梯形排水渠道的設(shè)計(jì)被質(zhì)疑，研究人員在排水渠道的設(shè)計(jì)中借鑒了天然排水體系的關(guān)鍵特征(圖2)。兩級(jí)溝渠包括低徑流的渠道和洪泛平原地區(qū)，可提高河岸的穩(wěn)定性、降低溝渠水流的侵蝕以及增加沉積物的存儲(chǔ)能力。這種設(shè)計(jì)可降低維護(hù)成本(疏浚、穩(wěn)定河岸)，并且可以減少下游泥沙量。最初，兩級(jí)溝渠的開(kāi)挖成本大于傳統(tǒng)溝渠的成本，因?yàn)槠鋵挾韧ǔＪ?～6 m，這就會(huì)導(dǎo)致兩級(jí)溝渠沿程每英里的土地?fù)p失達(dá)0.4～1.2 hm2。另外，兩級(jí)溝渠由25% 的流量處理能力增加到100%，并且可能增加下游洪水發(fā)生的概率。

圖2 傳統(tǒng)的排水溝渠梯形設(shè)計(jì)和兩級(jí)設(shè)計(jì)的剖面

3.1 濕地

對(duì)于人工排水系統(tǒng)，許多排水管理活動(dòng)力求模擬或恢復(fù)一些濕地功能。沿渠建立濕地(袋狀污水處理濕地，滯留地)是改善水質(zhì)的有效措施。不管是地表水徑流還是地下排水，一直以來(lái)利用天然、修復(fù)和人工的濕地處理農(nóng)業(yè)排水。

在愛(ài)荷華州，一項(xiàng)創(chuàng)新示范項(xiàng)目(愛(ài)荷華州排水和濕地景觀系統(tǒng)創(chuàng)建)，集成田間養(yǎng)分管理、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及濕地戰(zhàn)略定位，在減少非點(diǎn)源的面源污染的同時(shí)，還提高了農(nóng)業(yè)盈利能力。通過(guò)該項(xiàng)目的技術(shù)集成，發(fā)現(xiàn)地面徑流、地下徑流污染共存，在參與運(yùn)行管理的過(guò)程中，可以減少?gòu)搅髁俊⒘魉?、洪峰流量，增加景觀的濕地服務(wù)功能，甚至可以減少溫室氣體的排放。

濕地處理排水的效率取決于很多因素，包括氣候、滯留時(shí)間和水力負(fù)荷，起作用的單元區(qū)域和排水特征，濕地生態(tài)群落。一般來(lái)說(shuō)，減少污染物最佳條件是，在經(jīng)過(guò)濕地時(shí)水力滯留時(shí)間長(zhǎng)，并且水力負(fù)荷率低。在合適的條件下，濕地促進(jìn)沉積、通過(guò)反硝化作用去除排水中的氮等方面是高效的。濕地可以去除排水中的溶解性磷。去除溶解性磷的能力也會(huì)隨著時(shí)間的推移，特別是排水中磷負(fù)荷高的時(shí)候會(huì)逐漸降低。當(dāng)濕地土壤對(duì)磷飽和時(shí)，它們可能會(huì)成為磷的污染源。

即使在排水系統(tǒng)中的濕地，例如，明渠中的濕地，在水質(zhì)改善方面可以發(fā)揮重要作用，盡管常常不對(duì)，但被認(rèn)為是排水系統(tǒng)能力下降的征兆。事實(shí)上，多數(shù)情況下過(guò)于強(qiáng)調(diào)疏浚渠道是不必要的，這樣一來(lái)反而破壞了已重建的濕地和濕地功能，甚至水動(dòng)力特征沒(méi)被天然濕地群落影響時(shí)。然而，真正的障礙存在于將濕地與排水系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。例如，即便是最優(yōu)的目標(biāo)過(guò)程，建設(shè)濕地因占用土地會(huì)破壞耕作的連續(xù)性，也許利用濕地處理污水最大的障礙是恢復(fù)、建設(shè)的成本和土地?fù)p失。

3.2 植被緩沖過(guò)濾帶

許多研究已經(jīng)量化了植被緩沖帶在減少?gòu)搅骱宛B(yǎng)分的能力。將緩沖過(guò)濾帶結(jié)合到排水系統(tǒng)中，不僅要能達(dá)到改善水質(zhì)的目的，而且還能夠長(zhǎng)期提高排水體系的效率。緩沖過(guò)濾帶主要用來(lái)攔截坡面徑流，在一些時(shí)候降低地下水位。其主要作用是通過(guò)緩沖帶密集的多年生植物產(chǎn)生的阻力而減少流速。流速的減少可能會(huì)導(dǎo)致更多的水滲透和懸浮固體顆粒物的沉淀。后一過(guò)程不但能保護(hù)下游的水體，而且也能保持排水系統(tǒng)的完整性和其功能。除此之外，緩沖帶還是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)同化和脫氮的作用區(qū)域。

植被緩沖帶性能關(guān)系到幾個(gè)因素，包括排水面積到緩沖區(qū)面積所占的比率、降水事件的特性(年代)、排水地區(qū)的狀況、地表徑流匯合的程度和物種組成。美國(guó)農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)局的保護(hù)實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)對(duì)緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)作了闡述，包括輪廓緩沖帶、河岸草本帶、河岸森林緩沖區(qū)、植草排水道以及植被障礙。而對(duì)傳統(tǒng)而言，緩沖帶寬度的需求可能會(huì)限制它的應(yīng)用。大量證據(jù)表明，有著戰(zhàn)略地位的緩沖帶，即使再小也可以有效地提高水質(zhì)。

3.3 側(cè)進(jìn)控制

無(wú)論是否有地表排水溝渠，側(cè)進(jìn)作為地表徑流從農(nóng)業(yè)用地進(jìn)入排水溝渠是很普遍的。在農(nóng)業(yè)人工排水景觀中，這些側(cè)入的泥沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一起進(jìn)入地表水。側(cè)進(jìn)控制如涵洞和地下埋管可以防止侵蝕，控制進(jìn)入溝渠的流量，增加沉淀區(qū)域進(jìn)而來(lái)改善水質(zhì)。當(dāng)前的設(shè)計(jì)未考慮水質(zhì)的影響?，F(xiàn)研究還處于起步階段，并且需要在懸浮物和營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷上去量化這些研究的實(shí)踐效益，進(jìn)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)指南以便側(cè)進(jìn)控制可以廣泛實(shí)施。

3.4 反應(yīng)墻

滲透性反應(yīng)墻在地下水污染修復(fù)方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在排水系統(tǒng)方面還處于初期探索階段。主要理念是攔截排水時(shí)要利用去除化學(xué)污染物的材料?？紤]排水系統(tǒng)中兩種主要養(yǎng)分需進(jìn)行處理，因而需要不同的材料和過(guò)程。建議減少幕墻及滲透材料，以降低進(jìn)入溝渠的氮負(fù)荷。用這些方法，填滿木屑或其他有機(jī)材料的溝槽，變成加強(qiáng)反硝化作用的生物反應(yīng)器。如果合理位置攔截地下或地表水，幕墻和滲透材料中的反硝化作用可去除大量進(jìn)入溝渠水中的硝酸鹽。

兩個(gè)不同的碳基礎(chǔ)(木屑)生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)已經(jīng)用于處理農(nóng)業(yè)地下排水:田間排水和田邊排水設(shè)計(jì)。木屑是細(xì)菌繁殖的碳源和基質(zhì)，通過(guò)微生物介導(dǎo)的反硝化過(guò)程，這些細(xì)菌將水中的氮從硝酸鹽形式轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮。

在愛(ài)荷華州，田間開(kāi)挖的溝渠與地下排水系統(tǒng)的地下管道臨近和平行，填充木屑并覆土以便耕種。當(dāng)水經(jīng)過(guò)生物反應(yīng)器濾墻時(shí)，水中的硝酸鹽在進(jìn)入排水管道之前被去除。伊利諾斯州大學(xué)的研究人員已經(jīng)研究出田邊生物反應(yīng)器的效能，并制定了設(shè)計(jì)規(guī)范。在這些生物反應(yīng)系統(tǒng)中，木屑層一直延伸到地表。這些系統(tǒng)包括兩個(gè)水位控制結(jié)構(gòu)、一個(gè)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和一個(gè)容量控制結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)控制在生物反應(yīng)器中轉(zhuǎn)移的水量，能量控制結(jié)構(gòu)控制水在生物反應(yīng)器中的停留時(shí)間。

在暗管排水區(qū)域，生物反應(yīng)器是潛在的降低氮負(fù)荷的最佳管理措施，因?yàn)楝F(xiàn)有的地下排水系統(tǒng)很容易被改建成生物反應(yīng)器，且占用較少耕地;通過(guò)設(shè)計(jì)可使排水系統(tǒng)效率、效益的減少降至最小，同時(shí)不需要太多維護(hù)管理。仍需要進(jìn)一步研究生物反應(yīng)器可能存在的負(fù)面影響，例如溫室氣體排放量和速率、甲基汞產(chǎn)生和釋放。

雖然提出了大量過(guò)濾磷的方法，但很少得到試驗(yàn)驗(yàn)證。影響明渠處理結(jié)構(gòu)、磷吸附材料最佳性能的因素和屏障建造方法一般有3 種:①土壤或應(yīng)用材料的田間處理;②田邊屏障;③渠道內(nèi)(明渠或暗管)過(guò)濾器。

從一項(xiàng)關(guān)于磷反應(yīng)墻的評(píng)估研究中可以看出，與傳統(tǒng)安裝工藝相比，在管道安裝時(shí)回填熔渣混合物，可使磷流失減少2/3，熔渣使用壽命超過(guò)25 a。磷吸附材料的水力特征——水力滯時(shí)和成本是影響這些過(guò)濾器應(yīng)用的主要障礙。

4 農(nóng)業(yè)管理

從水質(zhì)管理角度，排水系統(tǒng)的性能取決于通過(guò)排水阻止污染物轉(zhuǎn)移的農(nóng)業(yè)管理。農(nóng)業(yè)管理中必須將排水管理作為考慮的重要部分。農(nóng)業(yè)管理在大多數(shù)情況下影響?zhàn)B分、沉積物和排水系統(tǒng)中的其他污染物的傳輸擴(kuò)散。養(yǎng)分管理、灌溉管理，作物耕作、輪作(例如多年生植物和覆蓋作物)，害蟲(chóng)管理都起到一定作用。

改善水質(zhì)最重要的第一步是幫助生產(chǎn)者理解農(nóng)業(yè)活動(dòng)和排水水質(zhì)之間的聯(lián)系。例如覆蓋耕作或者對(duì)于生產(chǎn)者是不必要的、昂貴的措施，直到措施的采納和水質(zhì)之間的聯(lián)系確定。另一方面，免耕對(duì)地表徑流水質(zhì)有明顯的益處，但是對(duì)地下排水水質(zhì)卻有一定關(guān)系。一旦建立聯(lián)系，需要持之以恒努力使農(nóng)業(yè)污染物擴(kuò)散轉(zhuǎn)移量最小，但毫無(wú)疑問(wèn)，與傳統(tǒng)生產(chǎn)相比，生產(chǎn)者需要承受額外的成本。

5 結(jié) 語(yǔ)

2003 年，有學(xué)者提出精確保護(hù)的概念(也稱為目標(biāo)保護(hù))，即在提高區(qū)域和景觀保護(hù)效率時(shí)，要考慮空間和時(shí)間的變化。綜上所述，確定了一些能夠用于減少排水中污染物運(yùn)輸?shù)姆椒ù胧?排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制排水、排水渠道管理、蓄水、植被緩沖過(guò)濾帶、側(cè)進(jìn)控制、反應(yīng)墻、和農(nóng)業(yè)管理)。2008 年，有人指出，精確保護(hù)的概念可以策略性用于景觀和周圍區(qū)域的實(shí)踐活動(dòng)，以提高排水徑流和營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷水文特征方面的管理效率。