農(nóng)田溝渠濕地面積計(jì)算方法研究

徐 球

(南京市水利工程建設(shè)管理中心，南京210004)

農(nóng)田排水溝渠系統(tǒng)一般包括田間出水溝渠、田間匯水溝渠以及附帶的一些水塘和季節(jié)性小河流，其作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具備有排水和濕地系統(tǒng)的雙重功效[1]。隨著非點(diǎn)源污染的加劇以及流域水資源的短缺，農(nóng)田排水溝渠作為農(nóng)田流失氮、磷進(jìn)入收納水體前的運(yùn)輸通道，其對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制作用的研究越來越受到重視。

影響溝渠濕地去除氮、磷的因素包括農(nóng)田溝渠淹水程度，水生植物，季節(jié)、溫度，溝渠面積，溝渠底泥的類型等。在用地日益緊張的形勢下，溝渠濕地方案設(shè)計(jì)越來越重視濕地面積計(jì)算的科學(xué)合理性，在實(shí)現(xiàn)溝渠濕地效應(yīng)的同時(shí)能夠做到保護(hù)和合理利用土地。

農(nóng)田排水溝渠相當(dāng)于農(nóng)田溝渠濕地系統(tǒng)，它可以是天然的濕地，也可以是人工濕地的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。目前國內(nèi)對人工濕地面積計(jì)算研究比較多，但對農(nóng)田溝渠濕地面積計(jì)算研究相對較少。劉文祥[2]對人工濕地在農(nóng)業(yè)面源污染控制中的應(yīng)用研究中提出，年降雨量在800～1 100 mm地區(qū)，濕地面積約為控制面積的1%，降水量小，濕地面積減少，降水量大，濕地面積增加；胡浩云[3]等在實(shí)例研究中提出人工溝渠濕地水面積與受控面積配比模型。本文在借鑒學(xué)習(xí)熊家晴[4]等根據(jù)質(zhì)量守恒定律提出雨水處理自然流人工濕地面積計(jì)算方法基礎(chǔ)上，結(jié)合溝渠濕地具體特性對計(jì)算參數(shù)進(jìn)行分析，提出適合溝渠濕地面積的計(jì)算方法。

1 溝渠濕地面積計(jì)算的理論基礎(chǔ)

由于有充沛的降雨和適宜的氣候條件，農(nóng)田排水溝渠內(nèi)周期性地生長著濃密的水生植物、底層會(huì)被周期性淹沒同時(shí)含有提供生物生長的底泥，作為農(nóng)田與水體之間的一個(gè)過渡帶，能夠通過土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用，降低進(jìn)入地表水中的氮、磷化合物的含量。這樣一個(gè)濕地系統(tǒng)可以看作是人工濕地的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。

研究溝渠濕地面積計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，人工濕地面積計(jì)算常用的經(jīng)驗(yàn)公式法在運(yùn)用過程中遇到設(shè)計(jì)參數(shù)難以合理選取，且由于自然環(huán)境條件、污染物濃度等差異，計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際有較大出入。熊家晴等在分析雨水處理自然流人工濕地理論時(shí)指出,大面積濕地基質(zhì)更換很難實(shí)現(xiàn)，而從可持續(xù)的觀點(diǎn)來看，氮磷的去除主要通過水生植物的收割來實(shí)現(xiàn)，為了充分保證氮磷的去除率，根據(jù)物質(zhì)平衡原理確定水生植物的種植面積具有一定的科學(xué)合理性，即根據(jù)進(jìn)、出水量和氮磷含量的差值確定水生植物需吸收的營養(yǎng)物的量，由營養(yǎng)物量與水生植物生物量的增值的比例關(guān)系確定植物的種植量，其面積可按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：As為人工濕地床表面積，m2；Q1為年進(jìn)水量，m3/a；Ce為系統(tǒng)入口處的污染物濃度，mg/L；Co為系統(tǒng)出口處的污染物濃度，mg/L；M為植物生長率，t/(hm2·a)；α為組織的氮(或磷)含量(干重)，g/kg；β為植物含水率。

溝渠濕地氮磷污染物截留與去除機(jī)理與自然流人工濕地相似，且大面積溝渠濕地基質(zhì)更換也很難實(shí)現(xiàn)，需要通過對渠內(nèi)水生植物及時(shí)回收以減少二次污染，氮磷的去除可以由水生植物需吸收的營養(yǎng)物的量來反映。因此，結(jié)合公式(1)分析得出溝渠濕地面積計(jì)算可表示為溝渠濕地污染負(fù)荷與溝渠水生植物生物量的增值比例，即：

(2)

式中：Ac為溝渠濕地面積，m2；W為溝渠濕地受納的年氮(或磷)負(fù)荷，kg/a；L為水生植物年生物量增量，kg/(m2·a)。

2 溝渠濕地設(shè)計(jì)參數(shù)分析

公式(1)中濕地年進(jìn)水量及系統(tǒng)進(jìn)出口的污染物濃度是計(jì)算模型的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。然而由于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染遷移規(guī)律的特殊性，即農(nóng)田氮磷遷移受到降雨徑流、灌溉制度、施肥量、施肥時(shí)間等因素影響，存在一定的時(shí)間和空間分布特征，簡單地選取年平均溝渠排水量或溝渠濕地進(jìn)出口年平均污染物濃度值代入公式計(jì)算，不能真正反映溝渠濕地對農(nóng)業(yè)污染物凈化過程，且濕地面積計(jì)算可能與工程實(shí)際不符。因此需要對公式(1)中主要參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。

2.1 溝渠濕地污染負(fù)荷計(jì)算

研究表明，農(nóng)業(yè)面源氮素負(fù)荷量隨年降水量和灌溉量增加而增大。因此，在討論溝渠年進(jìn)水量時(shí)不僅考慮溝渠濕地受控面積的降雨徑流與污染物濃度關(guān)系，還應(yīng)分析灌溉對污染負(fù)荷的影響。

(1)降水-徑流影響。降水的年內(nèi)分配不均導(dǎo)致徑流在年內(nèi)分配不均勻，進(jìn)入溝渠濕地的農(nóng)田污染物濃度會(huì)因降雨量及降雨強(qiáng)度不同而變化，排出溝渠濕地的污染物濃度也會(huì)因?yàn)闈竦厮h(huán)境容量、濕地水生植物生長和微生物繁殖情況差異明顯。因此，根據(jù)研究區(qū)域多年降雨-徑流資料和排澇計(jì)算，得出溝渠濕地典型年內(nèi)排水過程，則徑流量和由降雨-徑流形成的營養(yǎng)物累積量可以用式(3)、(4)表示。

Qi=10μPiF

(3)

Wr=∑ni=1(Cei-Coi)Qi/1 000T

(4)

式中：Qi為某次降雨形成的溝渠排水量，m3；Pi為形成徑流的次降雨量，mm；μ為徑流系數(shù)；F為溝渠濕地受控面積，hm2；Wr為年內(nèi)由降雨-徑流形成的氮(磷)營養(yǎng)物累積量，kg/a；Cei、Coi分別對應(yīng)形成Qi的時(shí)段內(nèi)溝渠首、渠末氮(磷)平均濃度，mg/L；n為年內(nèi)形成降雨徑流的次數(shù)；T為計(jì)算時(shí)段，取T=1 a。

(2)農(nóng)田灌溉退水影響。農(nóng)田退水量的多少直接影響著農(nóng)田灌區(qū)污染物源強(qiáng)度大小。經(jīng)過大量研究表明，退水量與灌溉量有顯著的相關(guān)關(guān)系。灌溉量較大時(shí)，田面水會(huì)溢過田埂進(jìn)行排水，這種異常退水情況會(huì)改變正常退水量，使退水量增加，其中攜帶著農(nóng)田中的農(nóng)藥化肥及其他污染物量也隨之增加，這些退水排入河流中后，會(huì)影響受納水體中總氮、總磷的比負(fù)荷量。

因此，可以通過建立農(nóng)田灌溉量與農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷兩者的關(guān)系函數(shù)來定量分析兩者的相關(guān)性[5],見式(5)。

N=f(R)

(5)

式中：N為灌區(qū)輸出的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物負(fù)荷，kg/a；R為灌區(qū)灌溉量，萬m3。

根據(jù)水資源平衡原理，在灌區(qū)農(nóng)作物不變情況下，降雨徑流不同的年份對應(yīng)的農(nóng)田灌溉量不同，灌溉退水量及其對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響也不同。為了反映不同年份灌溉量(或不同灌溉強(qiáng)度)對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物負(fù)荷的影響程度，提出了灌溉影響因子,可用下式表示：

(6)

(3)溝渠濕地氮(磷)負(fù)荷。為簡單計(jì)算，本文在由降雨-徑流計(jì)算出溝渠濕地污染負(fù)荷的基礎(chǔ)上，借鑒灌溉影響因子的概念反映灌溉對污染物負(fù)荷的影響，溝渠濕地氮(磷)總負(fù)荷按式(7)計(jì)算。

W=γWr

(7)

式中：W為溝渠濕地受納的年氮(磷)負(fù)荷，kg/a；γ為灌溉影響因子；Wr為年內(nèi)由降雨-徑流形成的氮(磷)營養(yǎng)物累積量，kg/a。

2.2 溝渠濕地植物選擇

不同的水生植物對污染物的凈化能力是不同的，姜翠玲[6]等在研究溝渠濕地對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物的凈化能力中發(fā)現(xiàn)，長江下游地區(qū)溝渠中自然生長的兩種主要挺水植物，蘆葦和茭草，能有效吸收營養(yǎng)成分，且茭草對非點(diǎn)源污染物的截留和凈化能力比蘆葦高，每年秋季蘆葦和茭草收割以后，可帶走463～515 kg/hm2的氮、127～149 kg/hm2的磷。因此，本文建議在長江下游溝渠濕地方案設(shè)計(jì)時(shí)可選取蘆葦和茭草作為主要納污凈化植物，主要計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 蘆葦和茭草的氮、磷含量和生長率取值[6]Tab.1 Content of N,P and growth rate in phragmitescommunis and Zizania latifolia

對于選用多種水生植物進(jìn)行搭配的溝渠濕地，可根據(jù)植物間不同的氮、磷含量及生長率進(jìn)行折算，將單純蘆葦(或茭草)濕地面積折算成不同植物的配置面積。

3 溝渠濕地面積計(jì)算

溝渠濕地面積計(jì)算表示為溝渠濕地年污染負(fù)荷與溝渠水生植物生物量的增值比例，結(jié)合公式(2)、(4)、(7)，得出溝渠濕地面積計(jì)算公式：

(8)

式中：Ac為溝渠濕地面積，m2；W為溝渠濕地受納的年氮(磷)負(fù)荷，kg/a；L為水生植物年生物量增量，kg/(m2·a)；γ為灌溉影響因子；Qi為某次降雨形成的溝渠排水量，m3；Cei、Coi分別對應(yīng)形成 的時(shí)段內(nèi)溝渠首、渠末水中氮(磷)平均濃度，mg/L；M為植物生長率，t/(hm2·a)；α為組織的氮(或磷)含量(干重)，g/kg；β為植物含水率；n為年內(nèi)形成降雨徑流的次數(shù)；T為計(jì)算時(shí)段，取T=1 a。

4 結(jié) 語

農(nóng)田溝渠濕地對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物有很好的凈化作用。根據(jù)研究地區(qū)水資源概況以及農(nóng)業(yè)污染特性，進(jìn)行溝渠濕地方案設(shè)計(jì)，其中濕地面積計(jì)算是影響濕地規(guī)模和濕地凈化效果的關(guān)鍵因素。經(jīng)分析，本文優(yōu)化得出溝渠濕地面積計(jì)算方法，但今后還需要在多方面進(jìn)一步研究，如在缺少逐年灌溉面積與灌溉水量數(shù)據(jù)的情況下如何確定灌溉影響因子經(jīng)驗(yàn)值；結(jié)合目前農(nóng)田徑流生態(tài)攔截溝渠塘建設(shè)的推行，如何結(jié)合原有溝渠濕地進(jìn)行工程改造，濕地面積計(jì)算除了考慮對污染物的凈化效應(yīng)，還需要考慮雨水調(diào)蓄、水資源利用等問題。

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[1] 徐紅燈.農(nóng)田排水溝渠對流失氮磷的截留和去除效應(yīng)[D].北京：北京化工大學(xué)，2007.

[2] 劉文祥.人工濕地在農(nóng)業(yè)面源污染控制中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，1997，10(4)：15-19.

[3] 胡浩云，高 巍，朱 磊，等.邯鄲地區(qū)建設(shè)溝渠濕地可行性研究[J].人民長江，2009，40(20)：76-78.

[4] 熊家晴，高延雄，劉 瑞.雨水處理自然流人工濕地面積計(jì)算方法[J/OL].中國科技論文在線，2010，5(7)：505-508.

[5] 李佳琪.農(nóng)業(yè)灌溉退水環(huán)境影響評價(jià)方法及案例應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[6] 姜翠玲，崔廣柏，范曉秋，等.溝渠濕地對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物的凈化作用[J].環(huán)境科學(xué)，2004，25(2)：125-128.