現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排模式的建立與應(yīng)用

王羽輝,謝三桃,駱克斌,3,閆志為,余　婷

(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林　541004; 2.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,安徽 合肥　230088;

3.安徽省水資源利用與水環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)研究中心,安徽 合肥　230088)

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現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排模式的建立與應(yīng)用

王羽輝1,2,謝三桃2,駱克斌2,3,閆志為1,余婷2

(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林541004; 2.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,安徽 合肥230088;

3.安徽省水資源利用與水環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)研究中心,安徽 合肥230088)

摘要：基于我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果,分析了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染的產(chǎn)生原因及其特征。從“源頭控制、過程攔截、末端處理、灌溉回用、分區(qū)治理”等角度,提出了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排模式(MARIM)的構(gòu)建方法,并通過環(huán)巢湖西北角的東大圩現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)工程進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。結(jié)果表明:MARIM模式可使上、中、下圩尾水中TN、TP的含量分別減少88.2%、89.6%、80.6%和89.1%、88.4%、82.6%,對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染控制與農(nóng)業(yè)尾水再生利用具有顯著的效果。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染;現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排模式;生態(tài)攔截溝;灌溉回用

21世紀(jì)以來,隨著農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)發(fā)展,農(nóng)業(yè)面源污染已威脅著地球大部分地表水環(huán)境,引起了世界各國(guó)的普遍關(guān)注。20世紀(jì)90年代,全球約30%～50%的地表水受到農(nóng)業(yè)面源污染的影響[1]。而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的一種新型模式,其面源污染具有復(fù)雜性、隨機(jī)性、廣泛性等特點(diǎn),控制難度很大。近年來,我國(guó)多數(shù)地區(qū)農(nóng)業(yè)種植正由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變,尤其是城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域及城市經(jīng)濟(jì)圈周邊[2]。以巢湖為例,截至2013年底,環(huán)湖周邊累計(jì)退出傳統(tǒng)種植面積20 267.7 hm2,新增蔬菜瓜果面積7 200.4 hm2、苗木花卉面積1 733.4 hm2、生態(tài)林面積11 333.9 hm2、水生蔬菜面積2 733.5 hm2,據(jù)統(tǒng)計(jì),若不采取有效面源污染防治措施,每年將新增TN 190.9 t、TP 51.8 t入湖污染負(fù)荷[3]。

當(dāng)前,我國(guó)農(nóng)村部分地區(qū)改革處于一個(gè)混沌期,由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)主體錯(cuò)位、經(jīng)濟(jì)利益不均衡、管理機(jī)制不到位等原因,農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在調(diào)整過程中,仍存在諸多方面的問題,其中現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染問題尤為突出。多元化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)模式造成農(nóng)田灌排水體系紊亂、污染物成分復(fù)雜、農(nóng)業(yè)尾水污染無(wú)序排放等現(xiàn)象,導(dǎo)致周邊河湖水環(huán)境日趨惡化?；诖?本文在分析我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染形勢(shì)下,探討現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染的構(gòu)成及其特點(diǎn),提出現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排模式理論及其技術(shù)方法,以期為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染治理提供技術(shù)指導(dǎo)與參考。

1現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染特征及問題識(shí)別

1.1　現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染的特點(diǎn)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染是指在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi),不同農(nóng)作物田間的顆粒、氮、磷、農(nóng)藥及其他有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物質(zhì),畜禽糞便,水產(chǎn)養(yǎng)殖以及鄉(xiāng)村生活與旅游污染源等,在降水或灌溉過程中,通過區(qū)域地表徑流、農(nóng)田排水或地下滲漏,大量污染物質(zhì)進(jìn)入水體,造成的地表水和地下水的污染[4]。

一般研究認(rèn)為,面源污染主要特征是以擴(kuò)散的方式發(fā)生,時(shí)斷時(shí)續(xù),絕大部分與氣象水文有關(guān),在進(jìn)入地表水之前,發(fā)生在大面積的土地上[5]。通常情況下,污染源難以或無(wú)法跟蹤,不能在發(fā)生之處進(jìn)行監(jiān)測(cè),即面源具有發(fā)生時(shí)間、發(fā)生源、污染物濃度3個(gè)不確定因素[6]。與點(diǎn)源污染相比,面源污染的時(shí)空范圍更廣,不確定性更大,污染成分與過程更復(fù)雜[7]。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是一種集約化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)模式,其面源污染不僅具有傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面源污染典型特征,同時(shí)還有一些自身的特點(diǎn),主要表現(xiàn)為[8-10]:①由于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的不同,面源污染時(shí)空分布不均勻;②由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的多元化,面源污染成分較為復(fù)雜;③受集約化和市場(chǎng)化的利益驅(qū)動(dòng),經(jīng)濟(jì)作物的化肥、農(nóng)藥過量使用,面源污染物質(zhì)濃度超標(biāo)嚴(yán)重。

1.2　現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染防治問題識(shí)別

目前,針對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染的防治,國(guó)內(nèi)外的系統(tǒng)研究較為缺乏。而對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面源的治理,相關(guān)學(xué)者開展了大量的研究工作,如:WRSIS系統(tǒng)、“減源-攔截-修復(fù)”(3R)理論、“四道防線”工程體系等[11-14],為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染控制提供一定的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。但這些研究成果多是基于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)與污染類型相對(duì)單一的前提下進(jìn)行探討的,技術(shù)的應(yīng)用推廣存在一定的局限性,不完全適應(yīng)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染的治理。針對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源時(shí)空分布不均、污染成分復(fù)雜、污染負(fù)荷過大的自身特點(diǎn),需結(jié)合前人的研究,對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源進(jìn)行分類分區(qū),探索一套新型的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染防治系統(tǒng)。

2現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排模式

2.1　基本概念與內(nèi)涵

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染控制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,基于國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染控制的研究成果,針對(duì)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)排污特點(diǎn)、工程技術(shù)條件及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求等,筆者提出一套“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排模式”(modern agricultural reduction irrigation model, MARIM),該模式是以“源頭控制,過程攔截,末端處理,灌溉回用,分區(qū)治理”為指導(dǎo)思想,將區(qū)域不同種植與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的單元排水,按照污染物類型進(jìn)行分區(qū)收集,導(dǎo)入周邊的生態(tài)溝,分別匯入末端人工濕地,經(jīng)濕地凈化、調(diào)蓄后,再用于農(nóng)業(yè)灌溉。各單元分區(qū)系統(tǒng)相統(tǒng)一,形成完整的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排模式(圖1)。

2.2　工作原理

MARIM模式是在消化、吸收和改進(jìn)WRSIS系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出的一套切合我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染治理的應(yīng)用方案和設(shè)計(jì)方法。該模式主要包括3個(gè)子系統(tǒng),即生態(tài)攔截溝子系統(tǒng)、人工濕地子系統(tǒng)、調(diào)蓄-灌溉子系統(tǒng)。其工作原理如下。

a. 源頭控制?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的源頭主要來源于農(nóng)作物施用的化肥農(nóng)藥、畜禽糞便、水產(chǎn)養(yǎng)殖投放的餌料及鄉(xiāng)村旅游與農(nóng)村生活污水等?？卦词乾F(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染治理的根本,主要的工程和非工程措施包括:①優(yōu)化調(diào)整現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu),測(cè)土配方,科學(xué)施肥,減少農(nóng)藥的施用,推行減氮、控磷、增鉀、緩釋肥等技術(shù)。在北方地區(qū)可采用“薄、淺、濕、曬”[15]節(jié)水灌溉方式,減少灌溉尾水的排放;②集中畜禽養(yǎng)殖散戶,分區(qū)形成規(guī)?；o(wú)害化的養(yǎng)殖場(chǎng),并對(duì)畜禽糞便進(jìn)行合理化利用,為農(nóng)作物提供有機(jī)肥。調(diào)整水產(chǎn)養(yǎng)殖結(jié)構(gòu),推行生態(tài)養(yǎng)魚模式,減少飼料的投放;③加強(qiáng)鄉(xiāng)村旅游產(chǎn)業(yè)的科學(xué)管理,建立游客服務(wù)中心,減少旅游產(chǎn)生的二次污染,對(duì)區(qū)域內(nèi)農(nóng)村居民點(diǎn)生活污水采取庭院式處理工藝進(jìn)行分散處理,對(duì)固體廢棄物進(jìn)行收集、轉(zhuǎn)運(yùn)、集中處置等。

圖1　現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排模式工作原理

b. 過程攔截。針對(duì)隨地表徑流或灌溉尾水遷移的污染物質(zhì),利用生態(tài)攔截和原位凈化的技術(shù),消減污染物質(zhì)的濃度或延長(zhǎng)污染物質(zhì)的遷移路徑,從而實(shí)現(xiàn)污染物遷移與擴(kuò)散量的最小化。主要是在現(xiàn)有的溝渠塘堰基礎(chǔ)上,通過適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?對(duì)田間草溝與灌/排水干溝進(jìn)行生態(tài)化改造,形成兩級(jí)生態(tài)攔截,并利用生態(tài)溝周邊的塘堰對(duì)區(qū)間尾水進(jìn)行原位生態(tài)凈化處理,形成“長(zhǎng)藤結(jié)瓜”的處理模式,達(dá)到面源污染遷移過程攔截的效果。

c. 末端處理。過程攔截環(huán)節(jié)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)去除能力有限,在此基礎(chǔ)上,仍需對(duì)其尾水進(jìn)行深度處理。通常情況下,可利用系統(tǒng)末端的低洼地構(gòu)建復(fù)合型人工濕地,根據(jù)不同區(qū)塊的面源污染特征,確定人工濕地的工藝與規(guī)模,將尾水引入人工濕地系統(tǒng),通過濕地濾料和植物對(duì)污染物質(zhì)進(jìn)行吸收、降解,使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)尾水達(dá)標(biāo)排放或再生利用。

d. 灌溉回用。經(jīng)末端人工濕地凈化處理后的出水水質(zhì)基本達(dá)到地表Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),符合一般農(nóng)作物灌溉用水的要求。為有效利用區(qū)域水資源,減少對(duì)下游河湖水體污染負(fù)荷總量的貢獻(xiàn),需建立尾水灌溉回用系統(tǒng)。即在人工濕地出水處,構(gòu)建生態(tài)調(diào)蓄塘,根據(jù)上下溝渠水系水位差,增設(shè)提升泵站,并結(jié)合現(xiàn)有的生態(tài)溝渠,形成灌排一體的循環(huán)體系。

e. 分區(qū)治理。系統(tǒng)建立過程中,結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu),土地利用類型,灌排渠道分布等因素,在不破壞當(dāng)?shù)卣＾r(nóng)業(yè)活動(dòng)和盡量保證原有景觀格局的基礎(chǔ)上,進(jìn)行合理規(guī)劃分區(qū),形成區(qū)域內(nèi)閉合完整系統(tǒng)單元,以不同區(qū)域單元系統(tǒng)串聯(lián)形成整體,以分區(qū)分塊處理并聯(lián)達(dá)到對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染的控制,塊區(qū)系統(tǒng)看似相同卻有所差異,可以針對(duì)小區(qū)域特點(diǎn)設(shè)置獨(dú)立控制及管護(hù),對(duì)污染嚴(yán)重區(qū)塊系統(tǒng)中添加適當(dāng)?shù)墓こ炭刂拼胧?并設(shè)置水質(zhì)或環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備,對(duì)區(qū)塊的處理效果研究分析。

3MARIM在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)的應(yīng)用

巢湖是我國(guó)水污染重點(diǎn)防治的“三河三湖”之一,根據(jù)巢湖周邊地區(qū)氣象、地形、農(nóng)業(yè)灌排系統(tǒng)及種植結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),選取合肥市東大圩現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)應(yīng)用MARIM模式具有一定的示范作用。

東大圩位于合肥市包河區(qū)大圩鎮(zhèn)東部,瀕臨巢湖的西北岸,占地面積約24 km2。區(qū)域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)性氣候,多年平均降雨量為1 057.2 mm,適于多種農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育。該地區(qū)屬巢湖湖盆圩區(qū),圩區(qū)內(nèi)溝渠縱橫,水網(wǎng)密布,水面率達(dá)25.8%,其中南北向灌排干溝1條,東西向灌排干溝3條,將東大圩分為上、中、下圩3個(gè)部分,田間毛細(xì)草溝眾多。圩區(qū)地勢(shì)平坦,總體呈現(xiàn)北高南低,東西高中間低,地面高程分布在7.0～9.0 m之間,示范區(qū)布局見圖2。

3.1　源頭控制—優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排模式的設(shè)計(jì)理念,首先需進(jìn)行源頭控制,主要從優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推行測(cè)土施肥及節(jié)水減排等方面,并以政府層面加大宣傳力度,建立有效的獎(jiǎng)懲機(jī)制。針對(duì)圩區(qū)上、中、下圩水系與地形的特點(diǎn),在工程上示范區(qū)主要從調(diào)整圩區(qū)種植結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行源頭控制,對(duì)一些高污染、高消耗的經(jīng)濟(jì)作物種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整(表1)。根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查—農(nóng)業(yè)污染源肥料流失系數(shù)手冊(cè)》計(jì)算分析,示范區(qū)年農(nóng)藥使用量減少10%～15%,化肥使用量減少15%～20%。

表1　示范區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整統(tǒng)計(jì)

注:示范區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的溝塘濕地未列入本次調(diào)整范疇。

圖2　東大圩現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排系統(tǒng)平面布局

3.2　生態(tài)攔截溝系統(tǒng)

秉著“因地制宜,生物降解”的設(shè)計(jì)理念,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形及溝塘水系分布情況,盡量保留田間毛細(xì)草溝,重點(diǎn)對(duì)排灌溝渠采取生態(tài)化改造,溝渠斷面以維持現(xiàn)狀為主,常水位以上的兩側(cè)邊坡構(gòu)建植被緩沖帶,以下的部分可采用蜂窩狀的預(yù)制塊進(jìn)行襯砌,主要對(duì)坡面的污染物進(jìn)行攔截。沿溝渠水流方向需設(shè)置一些生態(tài)攔水堰和攔截網(wǎng)箱[16],一方面控制相鄰區(qū)塊的水位,另一方面可通過網(wǎng)箱內(nèi)填料對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸附。水面上以種植水生植物為主,栽種面積按水面的30%來控制,水面較為開闊的區(qū)域可構(gòu)建一些生態(tài)浮床,水生植物主要選用一些容易成活、吸收能力強(qiáng)的土著物種。設(shè)計(jì)共對(duì)53.5 km長(zhǎng)田間草溝進(jìn)行清基清障,將南北中心溝、上新埂與下新埂排水溝長(zhǎng)約14.8 km的溝渠按照骨干生態(tài)攔截溝進(jìn)行改造,構(gòu)建生態(tài)浮床6 300 m2,控制閘2座(主要控制上、中、下圩溝渠水位),生態(tài)網(wǎng)箱8座。

表2　上、中、下圩雨季溝渠排水污染物參數(shù)值　mg/L

注:以上、中、下圩中心溝進(jìn)行分段取樣。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染物濃度主要受經(jīng)濟(jì)作物施肥量及雨季降雨徑流量的影響,試驗(yàn)對(duì)生態(tài)溝渠進(jìn)行分段采樣,進(jìn)行水質(zhì)分析。上、中、下圩雨季溝渠排水污染物參數(shù)值見表2。溝渠作為自然生態(tài)系統(tǒng)中的一部分,本身具有土壤凈化功能,溝渠中水生植物根系周圍的微厭—好氧環(huán)境為反硝化脫氮提供必要條件,有效削減了污染物質(zhì)。經(jīng)過改造的生態(tài)溝渠較傳統(tǒng)溝渠,凈化效果有明顯提高,TN、NH3-N和TP平均削減率分別為47%、35%和49%,溝渠出水水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn),同時(shí)由于受降雨影響,不同的降雨強(qiáng)度及歷時(shí)，徑流污水濃度差異很大,對(duì)污染物去除效果也有一些差異。

3.3　人工濕地凈化系統(tǒng)

人工濕地的規(guī)模與工藝主要由各農(nóng)作物單元尾水排放量和污染物濃度決定。目前普遍使用“KA-ρ*”模型[17]來初步估算濕地面積,即

式中,A為所需人工濕地面積,hm2;Q為污水流量,m3/d;ρe為目標(biāo)出水質(zhì)量濃度,mg/L(地表Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn));ρi為進(jìn)水質(zhì)量濃度,mg/L(生態(tài)攔截溝末端出水水質(zhì));ρ*為背景質(zhì)量濃度值,mg/L(地表Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn));k為一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù),m/a。

由于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)區(qū)排水受各種植結(jié)構(gòu)水肥管理方式、氣象條件等因素影響,且排水產(chǎn)生具有隨機(jī)性,因此按照現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉排水標(biāo)準(zhǔn)采用“平均排除法”和“降雨-徑流”相關(guān)關(guān)系法[18]分別計(jì)算排水量,取兩者中的較大值作為設(shè)計(jì)排水流量,以TN和TP作為水質(zhì)控制指標(biāo)。根據(jù)圩內(nèi)各片區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、多年平均降雨徑流量及污染物質(zhì)濃度特征,并根據(jù)地形條件、擬選用濕地工藝及濕地運(yùn)行管理費(fèi)用等相關(guān)因素,綜合確定人工濕地面積。通過理論計(jì)算并結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際情況,上圩、中圩、下圩構(gòu)建的“潛流+表流”復(fù)合型人工濕地實(shí)際面積分別為21.1 hm2、12.9 hm2、11.1 hm2,由于示范區(qū)現(xiàn)狀用地受限,實(shí)際面積均比理論計(jì)算值小,中圩面積差值較為明顯,計(jì)算分析結(jié)果見表3。表流濕地主要是利用南淝河右側(cè)現(xiàn)有的塘洼濕地,對(duì)其進(jìn)行功能化和生態(tài)化改造。

根據(jù)各片區(qū)農(nóng)作物灌溉需求,結(jié)合表流濕地與圩內(nèi)溝塘水系的調(diào)蓄容量及水力停留時(shí)間綜合分析,各片區(qū)“調(diào)蓄—灌溉”子系統(tǒng)的調(diào)蓄塘容積可消化在這些水系中統(tǒng)籌調(diào)配,該子系統(tǒng)需新建提升泵站2座,灌溉渠道生態(tài)改造8.3 km,控制涵閘3座。

通過復(fù)合人工濕地對(duì)污染物進(jìn)水和出水質(zhì)量濃

表3　上、中、下圩復(fù)合型人工濕地規(guī)模計(jì)算分析

表4　上、中、下圩復(fù)合型人工濕地凈化效果及去除率

表5　MARIM模式進(jìn)出口TN、TP指標(biāo)總量值及凈化效果

度(表4)監(jiān)測(cè)顯示,人工濕地凈化系統(tǒng)對(duì)污染物質(zhì)有一定的去除效果,上、中、下圩復(fù)合型人工濕地對(duì)于TN、NH3-N、TP去除效率的范圍分別在57.7%～76.3%、21.0%～26.9%、19.4%～37.3%?？傮w上來看,人工濕地對(duì)TN的去除效果明顯,對(duì)NH3-N的去除效果相對(duì)較差。就上、中、下圩復(fù)合型人工濕地凈化效果橫向比較來看,中圩對(duì)于污染物去除效果最低。分析認(rèn)為,一方面中圩種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且經(jīng)濟(jì)作物使用率高,污染物排放濃度較其他兩圩的大1～2倍;另一方面由于受用地面積的限制,中圩復(fù)合人工濕地凈化系統(tǒng)的實(shí)際面積未達(dá)到計(jì)算的理論值,后期在工程優(yōu)化過程中可對(duì)其工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,提高濕地的脫氮除磷效果。由表4可以看出,下圩污染物濃度相對(duì)較低,主要是其種植結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,且多為生態(tài)林與藕塘,經(jīng)濕地處理基本上能達(dá)到地表水Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。

3.4　MARIM應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

根據(jù)水量平衡計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)進(jìn)出口水水質(zhì)指標(biāo),上中下圩各主要排水節(jié)點(diǎn)、生態(tài)溝、復(fù)合人工濕地和典型塘堰進(jìn)出口處TN、TP指標(biāo)值總量及凈化效果如表5所示。

表5數(shù)據(jù)表明在東大圩現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū),生態(tài)攔截溝與復(fù)合型人工濕地對(duì)農(nóng)作物尾水具有明顯的凈化效果,MARIM模式使上、中、下圩尾水中TN、TP的含量分別減少88.2%、89.6%、80.6%和89.1%、88.4%、82.6%。據(jù)統(tǒng)計(jì),每年可消減入河TN和TP總量分別為26.5t/a、3.1t/a。上、中圩與下圩處理效果產(chǎn)生差異的原因主要是由于各片區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)不同。

相比較楊林章等[10]結(jié)合太湖地區(qū)實(shí)際情況提出的生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng), 它主要由工程部分和植物部分組成,能減緩流速,促進(jìn)流水?dāng)y帶顆粒物質(zhì)的沉淀,有利于構(gòu)建植物對(duì)溝壁、水體和溝底中逸出養(yǎng)分的立體式吸收和攔截,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田排出養(yǎng)分的控制。溝渠系統(tǒng)對(duì)農(nóng)田徑流中TN、TP的去除效果分別達(dá)到48.1%和40.2%。而MARIM模式在此基礎(chǔ)上,增加了末端復(fù)合人工濕地子系統(tǒng),將TN、TP的去除效果均提高40%以上,同時(shí)利用調(diào)蓄濕塘,進(jìn)行灌溉回用,從而減少污染物對(duì)外河的排放。

4結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)步伐的加快,農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)與農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)已成為農(nóng)村改革的一個(gè)重大方向,而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致城鎮(zhèn)河湖水體富營(yíng)養(yǎng)化最主要誘因之一,進(jìn)行現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染控制工程建設(shè)已經(jīng)成為我國(guó)地表水環(huán)境保護(hù)工作的當(dāng)務(wù)之急。根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染的特點(diǎn),提出以處理面源為主的脫氮除磷目標(biāo),構(gòu)建了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉減排模式,通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與測(cè)土施肥等政府引導(dǎo)方式進(jìn)行源頭控制、過程削減的生態(tài)溝渠沿程凈化,末端強(qiáng)化凈化的復(fù)合人工濕地構(gòu)建和尾水凈化處理后灌溉回用,有效削減了排放到外河的污染負(fù)荷,污染物總?cè)コ蔬_(dá)到了80%以上,系統(tǒng)末端出水水質(zhì)得到顯著改善,基本達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

MARIM模式以“源頭控制、過程攔截、末端處理、灌溉回用、分區(qū)治理”理論為指導(dǎo),在綜合利用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的農(nóng)業(yè)面源污染控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)從現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源的識(shí)別和歸類出發(fā),分區(qū)采取污染處理措施,并通過農(nóng)業(yè)尾水凈化處理后再生利用,最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)與健康發(fā)展,為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境改善提供資源保障。MARIM模式實(shí)施后的維護(hù)管理非常關(guān)鍵,政府部門須主導(dǎo)建立相應(yīng)的運(yùn)管機(jī)制,確保系統(tǒng)的長(zhǎng)效運(yùn)行。

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Establishment and application of modern agricultural irrigation reduction model

WANG Yuhui1,2, XIE Santao2, LUO Kebin2,3, YAN Zhiwei1,YU Ting2

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China;

2.AnhuiSurveyandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Hefei230088,China;

3.AnhuiEngineeringTechnologyResearchCenterofWaterResourcesUtilizationand

WaterEnvironmentalProtection,Hefei230088,China)

Abstract：Based on the development pattern of modern agriculture in China, referring to relevant research conclusions from home and abroad, the cause and characteristic of modern agricultural non-point source pollution are analyzed. From the angles of “controlling at source, intercepting at process, disposing at end, recycling for irrigation, partition management”, the construction method of modern agricultural irrigation reduction model (MARIM) is proposed. Moreover, an engineering example of Dongdawei modern agricultural demonstration zone around Chaohu Lake is observed to validating the system. The results indicate that the content of TN and TP in the tail water near top, middle and bottom of the dam is reduced by 88.2%, 89.6%, 80.6% and 88.2%, 88.4%, 82.6%, respectively, which is highly efficient in controlling modern agricultural non-point source pollution and reusing agriculture tail water.

Key words：modern agricultural non-point source pollution; modern agricultural irrigation reduction model; ecological ditch with interception function; irrigation reuse

(收稿日期：2015-06-17編輯：徐娟)

中圖分類號(hào)：X506;S274.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)01-0161-06

作者簡(jiǎn)介:王羽輝(1990—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樗c農(nóng)業(yè)面源污染防治。E-mail:391516635@qq.com通信作者:謝三桃,高級(jí)工程師。E-mail:416946371@qq.com

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.028