生態(tài)護(hù)岸對(duì)農(nóng)田徑流的綜合截污效率研究

胡曉東，劉勁松，朱 敏，翁松干

(1. 江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210017； 2.江蘇省水利廳，南京 210029)

0 引 言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，大量農(nóng)藥和化肥得到使用，在降雨過(guò)程中，土壤中的氮素和磷素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥以及其他污染物質(zhì)，通過(guò)地表徑流等形式流入水體，形成面源污染[1]。目前，針對(duì)地表徑流污染的研究也非常多，從徑流污染輸出特征[2]，到徑流污染的處理[3]，而通過(guò)生態(tài)護(hù)岸[4,5]對(duì)徑流污染截留也是相關(guān)研究熱點(diǎn)之一，該類成果主要集中在植物護(hù)坡對(duì)徑流的阻留效果研究[6,7]和植物對(duì)污染物的凈化效果研究[8,9]。

而且在凈化效果研究中，研究結(jié)果也不盡一致，各種生態(tài)護(hù)坡對(duì)過(guò)流水中營(yíng)養(yǎng)鹽的截留效率，TN從20%～90%、TP從40%～90%均有[10-12]報(bào)道，且這些數(shù)據(jù)都是按溶解態(tài)的營(yíng)養(yǎng)鹽計(jì)算。然而徑流中攜帶絕大部分污染物質(zhì)的載體是泥沙[13,14]，攜帶大量營(yíng)養(yǎng)鹽的泥沙進(jìn)入水體后將成為水體內(nèi)在污染源。

本文選擇常熟金涇塘地區(qū)的典型農(nóng)用地作為試驗(yàn)區(qū)域，并針對(duì)徑流污染輸出特征指導(dǎo)護(hù)岸設(shè)計(jì)的研究不足，通過(guò)模擬降雨，研究試驗(yàn)區(qū)降雨徑流中攜污介質(zhì)的攜污比例，指導(dǎo)護(hù)岸設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了護(hù)岸對(duì)污染物的截留效率，計(jì)算護(hù)岸綜合截污效率。

1 徑流中泥沙和水?dāng)y污能力研究

一般來(lái)說(shuō)徑流中污染物攜帶者主要包括水和泥沙，因此本研究在研究區(qū)域?qū)搅髦心嗌澈退臄y污能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

1.1 土壤溶出污染物含量

土壤溶出污染物含量指通過(guò)擾動(dòng)，讓土壤中可溶性污染物溶出到水體中的部分。利用棋盤式布點(diǎn)的方法取土壤樣品10份，測(cè)定其TP、TN含量。

每個(gè)樣品中稱取100 g待檢測(cè)土樣，分別加入500 mL超純水，用玻璃棒充分?jǐn)嚢瑁畲筢尫磐寥乐械目扇苄晕廴疚?，檢測(cè)水中的TP、TN含量；計(jì)算土壤溶出磷和土壤溶出氮，見(jiàn)表1。

表1 土壤污染物及溶出污染物含量Tab.1 The concentration of Pollutant and dissolved pollutant in soil

從表1中數(shù)據(jù)不難看出，土壤中溶出的磷占土壤總磷含量的0.47%～0.63%，土壤中溶出的氮占土壤總氮含量的1.31%～1.80%，說(shuō)明在自然擾動(dòng)條件下，從土壤中溶出的污染物質(zhì)較少，土壤中未溶出的污染物質(zhì)占到98%以上。在農(nóng)業(yè)面源徑流形成后，徑流中泥沙攜帶的污染物質(zhì)量不容忽視，基于此，在生態(tài)護(hù)岸截污設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮增加截雨溝沉沙對(duì)提高徑流污染處理效率是有指導(dǎo)意義的。接下來(lái)將研究徑流中泥沙和水?dāng)y帶污染物的比例。

1.2 泥沙和水的攜污比研究

農(nóng)業(yè)用地徑流中攜污介質(zhì)主要是水和泥沙，因此本研究通過(guò)人工降雨來(lái)分析水和泥沙的攜污能力。設(shè)置10、20、50 mm/h三種降雨強(qiáng)度，分別收集徑流產(chǎn)生后5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min的水樣，分析TP、TN和含沙量。

圖1～圖3分別表示徑流中水所攜帶TP、TN和泥沙含量隨時(shí)間變化過(guò)程。

圖1 不同降雨強(qiáng)度下徑流中TP濃度過(guò)程線Fig.1 Dynamic change of TP concentration in runoff with time

圖2 不同降雨強(qiáng)度下徑流中TN濃度過(guò)程線Fig.2 Dynamic change of TN concentration in runoff with time

圖3 不同降雨強(qiáng)度下徑流中含沙量Fig.3 Dynamic change of Sediment concentration in runoff with time

對(duì)照表1數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)區(qū)域土壤中溶解性污染物質(zhì)占1%左右，所以，忽略徑流中泥沙所攜帶的溶解性污染物，以簡(jiǎn)化本問(wèn)題的研究，是合適的，因此徑流中泥沙攜污量與水體攜污量的比例可按照下式來(lái)計(jì)算：

(1)

式中：V為徑流中泥沙與水?dāng)y帶的污染物比例；S泥沙為徑流泥沙含量，kg/m3，取值參考圖4；C土為土壤中某種污染物質(zhì)的含量，mg/kg，取值參考表1；C水為水中某種污染物質(zhì)的含量，mg/L，取值參考圖1和圖2；計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 各雨強(qiáng)條件下徑流泥沙和水的攜污比Tab.2 The ratio of pollutant carried by sediment and water in runoff

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，在農(nóng)用地降雨徑流中，污染主要來(lái)自于泥沙中污染物質(zhì)濃度。從本研究結(jié)果來(lái)看，污染物質(zhì)TP在降雨過(guò)程中比較難溶出，3種設(shè)計(jì)雨強(qiáng)下徑流中泥沙和水的攜污比介于7.9∶1～10.8∶1；TN相對(duì)易于溶出，三種設(shè)計(jì)雨強(qiáng)下徑流中泥沙和水的攜污比介于2.4∶1～2.9∶1之間。另外從各設(shè)計(jì)雨強(qiáng)間的差別來(lái)看，小雨強(qiáng)條件下泥沙中污染物溶出比例小于大雨強(qiáng)的溶出比例，這可能由于小雨強(qiáng)對(duì)土壤的擾動(dòng)相對(duì)較小引起的。

2 生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)及處理效率

2.1 生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)

生態(tài)護(hù)岸的形式多樣[15],但其設(shè)計(jì)和應(yīng)用主要考慮護(hù)岸穩(wěn)定性、景觀效果和污染吸附幾個(gè)方面[16]，而在河道污染凈化上，生態(tài)護(hù)岸無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)[17]，其在農(nóng)村面源污染處理上應(yīng)用較多，但主要以表面流為主，本文在護(hù)岸設(shè)計(jì)時(shí)，將潛流濕地的理念應(yīng)用到護(hù)岸設(shè)計(jì)中，并考慮到徑流中泥沙攜污能力遠(yuǎn)大于水體的攜污能力，增加截雨溝設(shè)計(jì)，使該護(hù)岸包括三部分：①截雨溝，截雨溝埋設(shè)進(jìn)水管，以方便降雨徑流進(jìn)入砂石填料，同時(shí)截雨溝還具有一定的深度，使其兼顧沉砂截污的作用；②構(gòu)建梯級(jí)跌水坎，并在內(nèi)部設(shè)置三層填料，上層為1～2 mm的粗砂、中層為10～30 mm的砂石、底層為30～50 mm的碎石。連續(xù)設(shè)置的跌水坎具有一定的阻水作用，增大了降雨徑流面源污染物在砂石填料中的水力停留時(shí)間(一般可增加1～5倍)，其次跌水坎坎槽具有一定的蓄水作用，能提供填料表面生長(zhǎng)生物膜所需的水體環(huán)境，進(jìn)一步增強(qiáng)砂石填料的去污效果；③坡面植被，可處理從截雨溝內(nèi)溢流污水，根系生長(zhǎng)后還可加強(qiáng)濾料截污效果。

結(jié)合金涇塘岸坡實(shí)際情況，設(shè)計(jì)如下新型生態(tài)護(hù)岸形式。

圖4 潛流式梯級(jí)生態(tài)護(hù)岸示意圖(單位：cm)Fig.4 The sketch of Multi-step Underflow Revetment

2.2 護(hù)岸對(duì)徑流水中TP、TN及泥沙的去除率

試驗(yàn)持續(xù)9周，其中第五周停止試驗(yàn)，采用不同的水力負(fù)荷，進(jìn)水TP、TN及泥沙含量控制在圖1～圖3中所示的TP、TN及泥沙含量范圍內(nèi)，具體進(jìn)水參數(shù)如見(jiàn)表3。

表3 生態(tài)護(hù)岸進(jìn)水參數(shù)Tab.3 The inflow parameters of ecological revetment

持續(xù)試驗(yàn)并對(duì)出水中的TP、TN進(jìn)行檢測(cè)，高低2種污染負(fù)荷條件下，梯級(jí)潛流式結(jié)構(gòu)對(duì)TP、TN以及泥沙的逐日去除率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 實(shí)驗(yàn)期TP逐日去除率Fig.5 The removal rate of TP

圖6 實(shí)驗(yàn)期TN逐日去除率Fig.6 The removal rate of TN

圖7 實(shí)驗(yàn)期泥沙含量去除率Fig.7 The removal rate of sediment

結(jié)果顯示：① TP、TN的去除率分別介于5.2%～54.6%和4.5%～33.4%，存在較大波動(dòng)，全試驗(yàn)周期內(nèi)平均去除率分別為26.6%和17.8%。②高低2種水力負(fù)荷的TP、TN去污效果不同，低負(fù)荷條件下平均去除率分別為28.3%和18.9%；高負(fù)荷條件下平均去除率為24.9%和16.8%。③泥沙的去除率介于96.0～99.9%之間，高低水力負(fù)荷對(duì)泥沙的去除影響不大，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的泥沙平均去除率為98.1%。

3 綜合截污效率計(jì)算

生態(tài)護(hù)岸對(duì)降雨徑流污染物質(zhì)的截留從本護(hù)岸設(shè)計(jì)思路上來(lái)說(shuō)主要包括截留攜污泥沙和護(hù)岸對(duì)徑流水中污染物質(zhì)的處理兩個(gè)方面，因此對(duì)于本次截污效率按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：ms、mw分別表示泥沙攜污量和水?dāng)y污量；rs和rw分別表示泥沙去除率和水中污染物去除率。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，將徑流中泥沙和水各自的攜污量、圖5～圖7中各處理效率代入式(2)，其中所有數(shù)值按均值處理，得到如表4截污效率。

表4 各雨強(qiáng)下護(hù)岸綜合截污效率 %

從表4中可以看出，本研究設(shè)計(jì)采用的生態(tài)護(hù)岸對(duì)TP和TN的綜合截污效率分別在90%和77%左右，雨強(qiáng)對(duì)該護(hù)岸形式的綜合截污效率影響并不明顯。通過(guò)計(jì)算可以看出，護(hù)岸系統(tǒng)通過(guò)對(duì)泥沙的去除，截留的污染物占比較大，通過(guò)截留泥沙去除TP和TN分別達(dá)到87.1%～89.7%和74.5%～77.5%；而通過(guò)護(hù)岸去除水體中的TP、TN只占到總截污量的2.3%～3.0%和4.6%～5.2%。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定了金涇塘地區(qū)農(nóng)用地土壤中TP和TN在降雨擾動(dòng)條件下的溶出量，約占土壤TP、TN的0.52%和1.56%。

(2)10、20和50 mm/h的降雨強(qiáng)度下，2h內(nèi)徑流中的泥沙和水所攜帶的TP、TN分別介于7.9∶1～10∶1和2.4∶1～2.9∶1；說(shuō)明農(nóng)用地徑流產(chǎn)生的污染物主要由泥沙攜帶。

(3)根據(jù)徑流泥沙和水?dāng)y污比例，設(shè)計(jì)了一種利用截留泥沙和增加水流停留時(shí)間的梯級(jí)潛流式生態(tài)護(hù)岸，護(hù)岸結(jié)構(gòu)對(duì)徑流水體中的TP、TN和泥沙的去除率分別為26.6%、17.8%和98.1%。

(4)對(duì)不同降雨強(qiáng)度產(chǎn)生的徑流污染，考慮護(hù)岸對(duì)泥沙攜污量的截留效果和水體攜污量的處理效率，本護(hù)岸對(duì)TP、TN的綜合截污效率可達(dá)90%和70%以上。

□

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