哈爾濱松北濕地對農(nóng)業(yè)非點源污染截留和去除效應(yīng)研究

王忠良　陳丹娃　王樹力

摘要 哈爾濱松北濕地位于松花江北岸，屬于典型的農(nóng)田與地表水體中間緩沖地帶，通過選取有代表性的地點進行監(jiān)測試驗，運用SCS模型和溶解態(tài)氮磷污染負荷模型進行徑流量和污染負荷估算，并進行相關(guān)數(shù)據(jù)的實驗和分析，結(jié)果表明：（1）哈爾濱松北濕地地表徑流中非點源污染負荷：TN的平均濃度11.56 mg/L、NO3--N平均濃度3.68 mg/L、NH4--N平均濃度2.02 mg/L、TP平均濃度0.99 mg/L；（2）降雨徑流形成初期，TN、硝態(tài)氮、氨氮的濃度較高， 1個小時后，濃度開始下降。TN峰值出現(xiàn)在徑流形成后55 min，TP峰值出現(xiàn)在徑流形成25 min，呈波浪型下降；（3）降雨兩日后濕地水體中的TN、NO3--N、NH4+-N、TP濃度均有大幅度的下降，且濃度均低于農(nóng)田徑流中污染物的濃度，其中，TN減少了74.22%、NO3--N減少了50.38%、NH4+-N減少了77.94%、TP減少了17.91%。說明松北濕地對農(nóng)業(yè)非點源污染物有很好的截留和去除效果。

關(guān)鍵詞 哈爾濱；濕地；農(nóng)業(yè)非點源；污染負荷；去除效應(yīng)

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）03-00844-03

Abstract Harbin Songbei wetland is located in north bank of Songhuajiang River， belong to the buffer zone between farmland and surface water. Through selecting representative sites to conduct monitoring tests， SCS model and dissolved nitrogen and phosphorus pollution load models were adopted to estimate runoff and pollution load， experiment and analysis were conducted on relevant data. The results showed that （1） Harbin Songbei wetland surface runoff non-point source pollution load： the average concentration of TN 11.56 mg/L， NO3--N average concentration 3.68 mg/L， NH4--N average concentration 2.02 mg/L， TP average concentration 0.99 mg/L； （2） the early formation of rainfall and runoff， the concentration of TN， nitrate， ammonia is high， one hour later， the concentration began to decline. TN peak appeared at 55 minutes after the runoff， TP peak appeared at 25 minutes， forming a wavy decline in runoff； （3） rain water for two days wetlands TN， NO3--N， NH4+-N， TP concentrations were significantly decreased， and the concentrations were lower than the concentration of pollutants in agricultural runoff. Among which， TN reduced 74.22%， NO3- -N decreased by 50.38%， NH4+-N decreased by 77.94%， TP reduced by 17.91%. It was indicated that Songbei wetland has good retention and removal effect on agricultural non-point source pollutants.

Key words Harbin； Wetland； Agricultural non-point source； Pollution load； Removal effect

濕地作為降雨徑流和農(nóng)田排水的最初匯集地，通過增加徑流下滲量、延長徑流流速、增加停留時間等，可以更有效的將污染物滯留在濕地系統(tǒng)內(nèi)，并將其降解、轉(zhuǎn)化，從而減少進入受納水體的污染物負荷量[1-2]。

農(nóng)業(yè)非點源污染最終主要以雨水徑流的形式產(chǎn)生。農(nóng)田地表降雨產(chǎn)流過程是非點源污染過程中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，但是量化地表徑流量是件非常困難的事情，從開始降雨到形成地表徑流進入地表水體，中間環(huán)節(jié)較多，受到影響的條件比較復(fù)雜[3-4]。

哈爾濱松北濕地位于松花江北岸哈爾濱段農(nóng)田與地表水體松花江中間，是農(nóng)田和地表水體中間的緩沖地帶。通過選取有代表性的地點進行監(jiān)測試驗，并進行相關(guān)數(shù)據(jù)的實驗和分析，旨在搞清楚哈爾濱松北濕地對農(nóng)業(yè)非點源的截留和去除效應(yīng)，為進一步控制揭示農(nóng)田非點源污染與松花江水環(huán)境的關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 徑流量和非點源污染負荷的確定

為確定某次典型降雨流入濕地的量，即濕地對徑流的截留能力，以2013年5月29日為典型降雨日，確定此次降雨徑流匯入濕地的量。降雨于2013年5月29日約13：25開始，降雨強度較大，屬中到大雨，13：35產(chǎn)流，約14：20降雨強度變小，14：39轉(zhuǎn)為細雨狀態(tài)，15：49降雨基本停止，歷時2小時24分鐘。

降雨結(jié)束后，現(xiàn)場分別稱量出兩處農(nóng)田實驗區(qū)的2個匯水收集池內(nèi)的徑流量，根據(jù)1 m×5 m實驗小區(qū)的徑流收集量，估算出2塊農(nóng)田實驗區(qū)在此次降雨中產(chǎn)生的徑流量。因為兩處農(nóng)田實驗地塊特性變化不大，而且每個實驗小區(qū)一次降雨產(chǎn)流量也不是很大，所以，該實驗采用產(chǎn)生的2個收集池的徑流水樣混合后所得的濃度作為平均濃度計算，現(xiàn)場取部分農(nóng)田徑流樣與濕地水樣一并送至哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測中心站。

對降雨徑流過程的研究，大多是以水文學(xué)為基礎(chǔ)，重點研究作為非點源污染動力的徑流的產(chǎn)流匯流特性[5-7]。在非點源污染研究中，重點考慮產(chǎn)流條件的空間差異，有助于深刻揭示農(nóng)業(yè)非點源污染的形成。代表性的有美國水土保持局提出的SCS模型，該模型綜合考慮了流域降雨、土壤類型、土地利用方式及管理水平，前期土壤濕潤狀況（AMC）與徑流間的關(guān)系，建立了產(chǎn)流計算公式[8-9]：

2 結(jié)果與分析

2.1 哈爾濱松北濕地的降雨徑流非點源污染負荷

農(nóng)田的施肥量和施肥時間對非點源污染負荷有重要影響。除了農(nóng)田的施肥狀況對非點源污染負荷有重要影響外，農(nóng)業(yè)非點源污染的發(fā)生伴隨流域暴雨過程產(chǎn)生，豐水年污染負荷較大，枯水年相對較小，污染負荷主要集中在年內(nèi)的暴雨期。徑流量大小取決于降雨量、降雨強度、降雨歷時、流域下滲和蓄水特征等因素。

降雨徑流過程的研究，大多以水文學(xué)為基礎(chǔ)，重點研究農(nóng)業(yè)非點源污染的產(chǎn)流、匯流特性。農(nóng)田實驗區(qū)徑流量的具體采樣結(jié)果見表1。

降雨停止后，根據(jù)收集到的徑流量和農(nóng)田實驗區(qū)的面積相乘，估算出整個實驗區(qū)地塊的徑流量，再根據(jù)測得的污染物的濃度，與徑流量相乘，得到農(nóng)田實驗區(qū)地塊產(chǎn)生的污染物的總質(zhì)量。利用以上方法可以估算出某次降雨松北濕地對周圍匯水面積內(nèi)產(chǎn)生的污染物的總截留量。但松北濕地屬于河漫灘濕地，面積較大，為88 km2，匯水面積相應(yīng)的大，實地測量可行性很小，需借助3S手段作為技術(shù)支持，且松北濕地距離村莊較近，地形受人為影響較大。由于受實驗條件和手段所限，該實驗無法確定松北濕地的匯水面積，進而沒能對整片濕地此次降雨的總結(jié)流量進行估算。但通過以上實驗方法對實驗區(qū)進行長期的跟蹤監(jiān)測可以較為準確的估算出在一年內(nèi)松北濕地對周圍農(nóng)田產(chǎn)生的非點源污染物的截留量。

2.2 哈爾濱松北濕地對降雨徑流中污染物的去除效果

通過對降雨徑流過程的監(jiān)測和模型分析發(fā)現(xiàn)，濕地對周圍農(nóng)田地塊氮、磷的截留量和截留率與農(nóng)田的施肥水平、濕地植物種類和生長情況、濕地蓄水量、濕地面積和降雨強度都密切相關(guān)[13-15]。

降雨徑流形成初期，TN、硝態(tài)氮、氨氮的濃度較高， 1 h后，濃度開始下降。TN峰值出現(xiàn)在徑流形成后55 min；TP峰值出現(xiàn)在徑流形成后25 min，之后呈波浪型下降。徑流輸出濃度隨時間變化（圖1、2）。

由圖1可見，農(nóng)田地塊總氮初始濃度為10.23 mg/L，在降雨徑流產(chǎn)流后約50 min，總氮輸出濃度達到最大值15.81 mg/L，之后成波浪形變化，總體呈下降趨勢，到降雨快要結(jié)束時，總氮的輸出濃度已降至6.87 mg/L。

由圖2可見，農(nóng)田地塊總磷初始濃度為0.88 mg/L，產(chǎn)流約20 min后，總磷輸出濃度達到最大值1.14 mg/L，之后呈波浪形下降趨勢變化，降雨徑流停止后，總磷的輸出濃度為0.28 mg/L，較徑流剛剛產(chǎn)生時濃度降低顯著。

降雨停止后對濕地水體進行了采樣和監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)降雨剛剛停止后濕地水體污染物濃度高于降雨徑流中污染物的濃度，分析其原因，可能有一下幾個方面：

①5月份為哈爾濱的春雨期，降雨頻繁。5月29日之前的1周左右小雨不斷，進入濕地中的污染物未來得及處理，部分存留與本次降雨徑流混合；

②實驗區(qū)局部的農(nóng)田化肥施用量較其他農(nóng)田少；

③除了農(nóng)田徑流排入濕地內(nèi)，松北濕地周圍村莊的家禽飼養(yǎng)產(chǎn)生的非點源污染隨降雨徑流進入濕地系統(tǒng)。

此次降雨發(fā)生后2 d即2013年5月31日（2 d內(nèi)無降雨發(fā)生），再次對濕地水體進行了采樣監(jiān)測，濕地水體污染物濃度大幅度下降（圖3、4）。

3 結(jié)論

（1）哈爾濱松北濕地地表徑流中非點源污染負荷：平均濃度TN 11.56 mg/L、NO3--N 3.68 mg/L、NH4--N 2.02 mg/L、TP 0.99 mg/L。

（2）降雨徑流形成初期，TN、硝態(tài)氮、氨氮的濃度較高， 1 h后，濃度開始下降。TN峰值出現(xiàn)在徑流形成后55 min，TP峰值出現(xiàn)在徑流形成后25 min，之后呈波浪型下降。

（3）降雨兩日后濕地水體中的TN、NO3--N、NH4+-N、TP濃度均有大幅度的下降，且濃度均低于農(nóng)田徑流中污染物的濃度，其中，TN減少了74.22%、NO3--N減少了50.38%、NH4+-N減少了77.94%、TP減少了17.91%。說明松北濕地對農(nóng)業(yè)非點源污染物有很好的截留和去除效果。

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