昆山地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染區(qū)域性“零排放”模式研究

虞英杰 張凌玲 何 巖

（昆山市水利局，江蘇 蘇州 215300）

昆山地處太湖流域，境內(nèi)土地肥沃，氣候溫和，雨量充沛，河道縱橫交錯(cuò)，湖蕩眾多。作為典型的蘇南平原河網(wǎng)地區(qū)，昆山自古就蘊(yùn)育了發(fā)達(dá)的農(nóng)耕和漁業(yè)文化。其中，以錦溪大米為代表的生態(tài)農(nóng)業(yè)和巴城陽(yáng)澄湖大閘蟹為特色的水產(chǎn)養(yǎng)殖，已經(jīng)成為昆山現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的響亮名片。隨著區(qū)域內(nèi)工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水得到有效控制，農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)取代點(diǎn)源污染成為水環(huán)境污染的最重要來(lái)源。據(jù)研究顯示，即使在點(diǎn)源污染被全面控制之后，江河、湖泊、海洋的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率也僅為65%、42%和78%［1］。楊林章等對(duì)上海淀山湖、安徽巢湖、云南洱海等湖泊的調(diào)查表明，農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水環(huán)境污染的貢獻(xiàn)率已經(jīng)全面超過(guò)點(diǎn)源污染，成為水環(huán)境污染控制的重要內(nèi)容［2］。

1 昆山農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀

昆山農(nóng)業(yè)面源污染主要由水稻種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水造成，由于昆山市本地水資源充沛，水稻種植方式傳統(tǒng)，灌排方式較為粗放，以及規(guī)模龐大的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，造成農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖尾水直接排入就近河湖的現(xiàn)象十分突出，不斷透支區(qū)域水環(huán)境容量，對(duì)全市水環(huán)境質(zhì)量造成了較大影響。根據(jù)2013年昆山市水功能區(qū)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，全年監(jiān)測(cè)未達(dá)標(biāo)次數(shù)中，超標(biāo)因子中氨氮的占比高達(dá)82%，特別是作為水稻主產(chǎn)區(qū)的昆南和水產(chǎn)養(yǎng)殖集中區(qū)的昆北，這一比例更是接近100%?？紤]到全市污水管網(wǎng)在城區(qū)、鎮(zhèn)區(qū)和鄉(xiāng)村覆蓋率已分別達(dá)96%、90%和100%（截至2013年底），截污措施已逐步完善，因此，基本可以推斷超標(biāo)的氨氮大部分來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的復(fù)合肥使用和水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼料投放。

2 應(yīng)對(duì)措施及存在的問(wèn)題

近年來(lái)，為控制全市農(nóng)村面源污染，提高區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量，昆山市通過(guò)建設(shè)農(nóng)村污水收集處理設(shè)施，推廣使用商品有機(jī)肥和實(shí)行大宗農(nóng)藥補(bǔ)貼，有效減少了N、P 投放總量。通過(guò)利用稻田高效水肥、節(jié)水灌溉和減污技術(shù)，結(jié)合灌區(qū)更新改造、河湖生態(tài)修復(fù)工程以及人工濕地構(gòu)建，系統(tǒng)地控制了農(nóng)業(yè)面源污染擴(kuò)散。2007-2013年期間，累計(jì)改造生態(tài)灌區(qū)275個(gè)，改造面積0.43萬(wàn)hm2，構(gòu)建各類(lèi)濕地50 余處，改造生態(tài)排水骨干河道31.3 km。累計(jì)節(jié)約灌溉用水4326.2萬(wàn)m3，減少氮肥使用量2669.2 t，并大幅削減了稻田排水及其氮磷輸出量，其中，TN 和TP 輸出量分別減少1472 t和420.8 t。

雖然通過(guò)現(xiàn)有的節(jié)水灌溉控污減排工程模式實(shí)現(xiàn)了對(duì)N、P 等污染物的削減，但經(jīng)處理之后的尾水實(shí)際進(jìn)入自然水體的污染物總量仍然較大。根據(jù)2011-2013年度昆山市水功能區(qū)監(jiān)測(cè)年報(bào)數(shù)據(jù)顯示，3年內(nèi)氨氮的超標(biāo)率分別為：55.3%、52.7%、44.1%，超標(biāo)率雖有逐年降低趨勢(shì)，但比例仍然較高。究其原因，一是現(xiàn)有的節(jié)水控污工程采取的都是單向處理模式，即：生態(tài)排水溝凈化—人工濕地處理—生態(tài)河道排放，并未實(shí)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)部的水循環(huán)處理，導(dǎo)致仍有大量污染物外排；二是區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)尾水污染物總量早已超出水環(huán)境承載力，雖實(shí)現(xiàn)了總量的削減，但仍然無(wú)法完全將其控制在區(qū)域水環(huán)境承載力范圍內(nèi)，因此，對(duì)整體的水環(huán)境質(zhì)量的提升貢獻(xiàn)有限。

3 水循環(huán)“零排放”模式探討

昆山是太湖流域典型的低洼圩田平原，對(duì)圩區(qū)和灌區(qū)的劃分十分清晰，灌排水利工程設(shè)施相對(duì)完備，為灌區(qū)的水循環(huán)生態(tài)處理提供了有利條件。針對(duì)全市圩內(nèi)低田（半高田）封閉和圩外高田開(kāi)放兩種類(lèi)型的灌區(qū)，筆者提出利用昆山發(fā)達(dá)的河湖水系以及數(shù)量眾多的溝渠塘堰，構(gòu)建兩種生態(tài)處理水循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)模式，通過(guò)灌溉站的水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，持續(xù)削減區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)尾水中的N、P 等污染物，并將凈化處理后的水作為灌溉用水和養(yǎng)殖補(bǔ)水，完成對(duì)水資源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)利用，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)污染物“零排放”提供可能。

3.1 圩內(nèi)低田（半高田）封閉型灌區(qū)水循環(huán)模式構(gòu)建

圩內(nèi)低田（半高田）封閉型灌區(qū)地處低洼地帶，為保障區(qū)域防洪排澇安全和正常農(nóng)業(yè)耕作，全年排澇站的進(jìn)水閘門(mén)和出水閘門(mén)基本處于關(guān)閉狀態(tài)，為水循環(huán)創(chuàng)造了先天優(yōu)勢(shì)。通過(guò)構(gòu)建“灌溉站—農(nóng)田—田間排水溝—尾水小型濕地—圩內(nèi)生態(tài)河道—灌溉站”的水循環(huán)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），使灌溉用水通過(guò)農(nóng)田作物吸收和田間排水溝自然吸收，再經(jīng)尾水小型濕地二級(jí)凈化，最后排入封閉圩區(qū)內(nèi)的生態(tài)河道進(jìn)行深度處理，而河道各處的灌溉站則利用凈化后的尾水循環(huán)灌溉農(nóng)田，從而實(shí)現(xiàn)水資源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)利用和污染物“零排放”。

“田間排水溝+尾水小型濕地+圩內(nèi)生態(tài)河道”組成的凈化系統(tǒng)具有節(jié)水、防污雙重功能，對(duì)灌區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)十分必要。系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建三級(jí)凈化，分層次消減以N、P 為代表的農(nóng)田面源污染：第一級(jí)凈化——田間排水溝的節(jié)水減污作用。由于滲漏與地表排出的水量減少，隨水流出的污染物量減少，可削減N、P 約15%～25%。第二級(jí)凈化——尾水濕地。通過(guò)水生動(dòng)植物、微生物的轉(zhuǎn)化和生物吸收等作用，可削減N、P 約40%～60%。第三級(jí)凈化——圩內(nèi)生態(tài)河道。也可將其視為另一種帶狀形式的濕地，可削減N、P 約15%～25%。通過(guò)以上三級(jí)凈化處理，N、P 污染物總量可減少70%以上［3］。

3.2 圩外高田開(kāi)放灌區(qū)水循環(huán)模式構(gòu)建

圩外高田開(kāi)放灌區(qū)由于地勢(shì)較高，區(qū)域內(nèi)防洪排澇壓力較小，為保障水系暢通，排澇站的進(jìn)水閘門(mén)和出水閘門(mén)一般保持開(kāi)啟狀態(tài)，相比圩內(nèi)封閉型灌區(qū)，開(kāi)放型灌區(qū)構(gòu)建水循環(huán)系統(tǒng)的難度較大。因此，筆者提出在排水支溝末端設(shè)置防污型溢流閘門(mén)，將尾水濕地出水引入灌區(qū)內(nèi)改造后的溝渠塘堰，使其成為尾水濕地出水的“蓄水池”和“凈化池”，替代完成封閉型灌區(qū)圩內(nèi)生態(tài)河道的功能，以形成封閉水環(huán)境，從而構(gòu)建“灌溉站—農(nóng)田—生態(tài)排水溝—尾水濕地—溝塘濕地—灌溉站”的水循環(huán)處理模式，見(jiàn)圖2。通過(guò)人工生態(tài)改造，使溝渠塘堰變?yōu)閮艋芰?qiáng)、蓄水容量大的溝塘濕地，同時(shí)，利用灌區(qū)各個(gè)位置、不同方位的溝渠塘堰，可以搭配改造成多種形式、多樣水生植物優(yōu)勢(shì)種的溝塘濕地，有條件的灌區(qū)還可把各個(gè)溝塘濕地疏通連接起來(lái)，形成生物豐富多樣的區(qū)域性人工濕地，進(jìn)一步增強(qiáng)蓄水調(diào)節(jié)和生態(tài)凈化功能。

“田間排水溝+尾水小型濕地+溝塘濕地”組成的凈化系統(tǒng)同樣具有節(jié)水、防污雙重功能，其通過(guò)構(gòu)建三級(jí)凈化，對(duì)N、P 污染物總量的削減效果明顯。另外，在溝塘濕地構(gòu)建時(shí)可以考慮結(jié)合當(dāng)?shù)厮a(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，通過(guò)引入周?chē)a(chǎn)養(yǎng)殖尾水，豐富水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)種類(lèi)，使水生動(dòng)植物形成一個(gè)完整的食物鏈，也為農(nóng)業(yè)尾水和養(yǎng)殖尾水治理創(chuàng)建一個(gè)完整的具有經(jīng)濟(jì)效益的循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 圩內(nèi)低田（半高田）封閉灌區(qū)水循環(huán)模式

圖2 圩外高田開(kāi)放灌區(qū)水循環(huán)模式

3.3 灌溉站水動(dòng)力循環(huán)

封閉灌區(qū)和開(kāi)放灌區(qū)內(nèi)的水循環(huán)驅(qū)動(dòng)都依賴(lài)于灌溉站的動(dòng)力輸出，即利用水泵沿水流方向輸出動(dòng)力，形成水動(dòng)力循環(huán)，持續(xù)對(duì)灌區(qū)內(nèi)的污染物進(jìn)行凈化處理。針對(duì)灌溉期和非灌溉期，水循環(huán)方式分成兩種。在農(nóng)田灌水期間的路徑為：灌溉站——農(nóng)田——田間排水溝——尾水濕地——圩內(nèi)生態(tài)河道（或溝塘濕地）——灌溉站；在非灌溉期間的路徑為：灌溉站——尾水濕地——圩內(nèi)生態(tài)河道（或溝塘濕地）——灌溉站。因此，要求灌溉站除了具有日常直接向農(nóng)田灌水的功能外，還需具備向尾水濕地排水的能力，這也是保持整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行、高效發(fā)揮生態(tài)凈化功能的必備條件。

為了探究灌溉站輸出動(dòng)力、循環(huán)周期與凈化效率的最適比，根據(jù)昆山市水利局聯(lián)合河海大學(xué)在花橋天福灌區(qū)開(kāi)展的《高效節(jié)水灌溉關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范》研究得知，農(nóng)田排水在田間排水溝、尾水濕地和圩內(nèi)生態(tài)河道的最適水力停留時(shí)間分別為田間施肥后的第4 d、第5 d 和第6 d，三者對(duì)TN 的降解率分別能夠達(dá)到83.7%、77.2%、86.1%。因此可以推斷，封閉型灌區(qū)內(nèi)水循環(huán)周期大致在15 d左右，即在灌溉站輸出動(dòng)力時(shí)，保持尾水在15 d 內(nèi)完成一個(gè)周期的運(yùn)轉(zhuǎn)，理論上能夠發(fā)揮出整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的最高凈化效率。另外，在開(kāi)放型灌區(qū)內(nèi)，因溝塘濕地存在構(gòu)建形式和改造數(shù)量的差異，最佳水循環(huán)周期需根據(jù)實(shí)際情況具體分析。

4 組合模式各單元環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

4.1 田間排水溝

昆山地區(qū)一般為小型灌區(qū)，田間排水溝尺寸較小，寬度較窄，排澇降漬為其首要功能，因此，不宜人為種植各類(lèi)植物，可在格賓網(wǎng)、三維植被網(wǎng)或蜂窩狀水泥板基礎(chǔ)上保持原生態(tài)面貌，有選擇性地在溝中水體污染嚴(yán)重地段或溝渠系統(tǒng)末端擺放攔截箱，以加強(qiáng)溝渠系統(tǒng)去除污染物的功能［4］。在部分排水降漬要求較低的灌區(qū)，可適當(dāng)考慮低密度栽種酸模、莎草等體積小、凈水效率高、土保持能力強(qiáng)的植物。

4.2 尾水小型濕地

尾水小型濕地是指對(duì)圍繞灌區(qū)四周的排水支溝進(jìn)行適當(dāng)拓寬和生態(tài)改造，使其成為具備抗污染沖擊負(fù)荷的封閉式小型人工濕地。經(jīng)改造后的尾水小型濕地作為承納尾水的第一個(gè)蓄水池和凈化池，是田間排水溝與生態(tài)河道或溝塘濕地之間的一個(gè)緩沖帶，其既可以利用農(nóng)田尾水在濕地中相對(duì)較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間，通過(guò)植物吸收和濕地內(nèi)部微生物作用，消減農(nóng)田面源污染，又能夠在降雨時(shí)吸納短時(shí)激增的農(nóng)田面源徑流，減輕下級(jí)凈化系統(tǒng)的抗污染壓力，提高系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。由于小型尾水濕地仍然要承擔(dān)排澇降漬的功能，故在有限的空間中同樣應(yīng)布置體積小、密度適中、抗污能力強(qiáng)、耐受性高的水生植物。

4.3 圩內(nèi)生態(tài)河道

具有減污功能的圩內(nèi)生態(tài)河道主要包括生態(tài)護(hù)岸及護(hù)底工程，生態(tài)護(hù)岸、護(hù)底可采取網(wǎng)墊植被復(fù)合型、水生植物護(hù)岸等技術(shù)，護(hù)底可采用植物型防滲砌塊等［5］。昆山的圩內(nèi)生態(tài)河道總長(zhǎng)約2800 km，普遍在河岸上栽種了香樟、柳樹(shù)等，在常水位以上堤防上設(shè)置了草皮（高羊毛草或結(jié)縷草）覆蓋，在河道中選擇種植了蘆葦、再力花、菖蒲等。需要注意的是，圩內(nèi)生態(tài)河道首先應(yīng)具備的功能是滿(mǎn)足其水利工程屬性，并滿(mǎn)足排滯排澇及水流的不沖不淤要求［3］，在降雨時(shí)還應(yīng)具有行洪的作用，因此，圩內(nèi)生態(tài)河道的挺水植物種植面積要適中，以平衡生態(tài)需要和行洪要求。

4.4 溝塘人工濕地

溝塘濕地的功能是通過(guò)土壤吸附、植物吸收、生物降解等作用，降低進(jìn)入地表水的氮磷化合物含量［6］。昆山地區(qū)溝渠塘堰眾多，為構(gòu)建溝塘濕地提供了天然資源。作為處理農(nóng)田面源污染的主要工程單元，濕地的工藝設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)凈化能力的發(fā)揮非常重要。根據(jù)研究顯示，下行流濕地、推流床濕地、氧化塘和兼性塘等處理工藝以及其組合模式對(duì)N、P 去除效果顯著，其中，下行流濕地+氧化塘工藝組合還具備較好的充氧效果［7］。因此，在溝渠塘堰較多的灌區(qū)可根據(jù)具體需要，科學(xué)設(shè)計(jì)多層次、多形式的組合工藝。而在溝渠塘堰較少、改造成本較大的灌區(qū)，可優(yōu)先考慮氧化塘工藝。在水生植物的選擇上，可搭配種植凈化能力強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)效益高的本地優(yōu)勢(shì)種。如：根據(jù)李蒙英等對(duì)昆山陽(yáng)澄湖東湖沉水植物的調(diào)查，本地種中馬來(lái)眼子菜、金魚(yú)藻和黑藻有較強(qiáng)的水體凈化能力，而茭白、菱角、藕、芡實(shí)等具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，將其搭配種植可實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)圩內(nèi)低田（半高田）封閉和圩外高田開(kāi)放灌區(qū)的特征，構(gòu)建了兩種典型的水循環(huán)生態(tài)運(yùn)行模式，通過(guò)對(duì)田間排水溝、圩內(nèi)河道以及溝渠塘堰實(shí)施生態(tài)改造，加以灌溉站的水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)循環(huán)，可持續(xù)性地消減農(nóng)業(yè)面源污染，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域“零排放”提供可能。圩內(nèi)低田（半高田）封閉灌區(qū)在實(shí)現(xiàn)區(qū)域水動(dòng)力循環(huán)和污染物“零排放”上條件更為優(yōu)越，可行性更高；圩外高田開(kāi)放灌區(qū)在溝渠塘堰較多的灌區(qū)同樣具備實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)污染物“零排放”的可行性，針對(duì)部分條件受限灌區(qū)，可利用周?chē)邆涓脑鞐l件的灌區(qū)，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)籌考慮。

灌區(qū)各級(jí)濕地的規(guī)劃和布置還應(yīng)充分考慮濕地面積與其所承受排水的農(nóng)田面積比，其值太大則占用過(guò)多農(nóng)田，太小則又對(duì)N、P 等污染物沒(méi)有去除效果或去除效果不明顯。特別是尾水小型濕地，在不具備拓寬改造條件時(shí)，應(yīng)首先保證其作為生態(tài)型支溝的排澇降漬功能。

昆山境內(nèi)溝渠塘堰星羅棋布，加上眾多改造完成的景觀濕地，如在生態(tài)灌區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，一并將其納入生態(tài)水循環(huán)體系，不僅可節(jié)約土地占用面積，而且還能充分發(fā)揮現(xiàn)有景觀濕地的生態(tài)功能。

［1］朱兆良，David，孫波.中國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染控制對(duì)策［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2006.

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