多塘系統(tǒng)在巢湖山丘區(qū)面源污染控制中的應用

吳若靜，謝三桃

（安徽省水利水電勘測設計院，安徽合肥230038）

?

多塘系統(tǒng)在巢湖山丘區(qū)面源污染控制中的應用

吳若靜，謝三桃

（安徽省水利水電勘測設計院，安徽合肥230038）

摘要：農(nóng)業(yè)面源是影響巢湖水質(zhì)的主要因素之一。文章以巢湖流域湯河作為山丘區(qū)小流域典型，結(jié)合區(qū)域地形和水系特征，按照 因地制宜、就地消減、減少外排 的總體思路構(gòu)建多塘系統(tǒng)。結(jié)果表明，系統(tǒng)對氮、磷有較好的截留效果，系統(tǒng)TN和TP平均去除率分別為57.3%和75.6%，出口TN和TP濃度分別為1.48mg/L和0.014mg/L，基本達到地表水Ⅳ類水水質(zhì)標準，是一種效果穩(wěn)定、簡單經(jīng)濟、生態(tài)友好的面源污染控制系統(tǒng)。

關鍵詞：巢湖流域；山丘區(qū)；面源污染；多塘系統(tǒng)

巢湖流域位于長江中下游左岸，安徽省中部，流域總面積13486km2，其中山丘區(qū)面積占71%，平垸圩區(qū)面積占23%，湖泊面積占6%。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，自上世紀80年代以來，巢湖水體開始呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)，90年代后，藍藻滋生，富營養(yǎng)化加劇，并逐漸演變成為全國富營養(yǎng)化最為嚴重的淡水湖泊之一［1］。根據(jù)2013年巢湖湖區(qū)9個常規(guī)檢測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，劣Ⅴ類3個，V類1個，Ⅳ類3個，Ⅲ類2個，主要超標因子為TN、TP 和COD。

研究表明，進入巢湖的TN和TP分別有69.54%和51.71%來源于地面徑流、水土流失等面源污染［2］；而COD約有63.2%來源于工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水等點源排放。隨著流域點源污染逐步得到有效控制和管理，面源污染治理成為流域治污的關鍵。巢湖流域耕地面積約5016km2，其中山丘區(qū)耕地面積約2930km2，占總耕地面積的58.4%［3］，山丘區(qū)農(nóng)業(yè)面源的氮、磷污染對巢湖總體污染負荷的貢獻不可小覷。本文選擇巢湖主要支流裕溪河的左岸二級支流湯河作為山丘區(qū)小流域典型區(qū)域，結(jié)合區(qū)域地形特征和自然水系分布，按照“因地制宜、就地消減、減少外排”的總體思路構(gòu)建多塘系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)面源污染進行有效控制，并為巢湖流域其他山丘區(qū)小流域面源污染控制提供參考。

1　區(qū)域概況

湯河位于巢湖流域東北部，是巢湖通江河道裕溪河的二級支流，流域面積63.8km2。流域北部為低山丘陵，南部為平垸圩區(qū)，地面高程6～404m，其中山丘區(qū)面積42.5km2，約占整個流域的67%。流域多年平均降雨量1058mm，降雨主要集中在6～8月，約占年降水量的65%。區(qū)域土壤以黃棕壤和水稻土為主，其中山崗地以黃棕壤為主，崗沖和下游圩區(qū)主要為水稻土。流域內(nèi)水塘星羅棋布，上游山丘區(qū)水塘眾多，共有大小水塘106口，多散落于山旁、田間和村莊附近，多數(shù)水塘有溝渠連接，但大多渠段由于疏于管理，淤積嚴重，雜草叢生。

根據(jù)污染源調(diào)查分析，湯河流域內(nèi)面源污染主要來源于農(nóng)田流失和農(nóng)村生活。流域內(nèi)現(xiàn)有耕地20498畝，農(nóng)村人口18708人，其中山丘區(qū)耕地12508畝，相應人口7701人。初步估算，流域上游山丘區(qū)面源污染年入河量TN和TP分別為2.27t/a 和0.139t/a，其中農(nóng)田流失產(chǎn)生的TN和TP分別為1.47t/a和0.083t/a，占面源污染的64.7%和59.7%，農(nóng)業(yè)面源是上游地區(qū)主要污染源。根據(jù)2013年水質(zhì)監(jiān)測，湯河上游河道水質(zhì)為Ⅴ～劣Ⅴ類，其中TN濃度為1.58～4.28mg/L，TP濃度為0.31～0.92 mg/L。

2　面源污染防治思路與策略

農(nóng)業(yè)面源污染起因于土壤的擾動而引起農(nóng)田中土粒、氮磷、農(nóng)藥及其他有機或無機污染物質(zhì)，在降雨或灌溉過程中，伴隨地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏等進入水體［2］。鑒于農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生和遷移特征，除了在源頭控制減少產(chǎn)生和排放，做好流域水土保持減少流失等防治措施外［4-5］，對于既發(fā)的面源污染，可按照“因地制宜、就地削減、減少外排”的治理思路，根據(jù)區(qū)域地形地貌特征，水系分布情況，布置適宜的工程措施，攔截面源污染，就地削減、減少污染物的排放，改善河道水質(zhì)。

針對區(qū)域地形特征和水系分布情況，工程措施擬利用區(qū)域現(xiàn)有溝渠塘壩，輔以生態(tài)化改造，構(gòu)成多塘系統(tǒng)，分區(qū)削減，達到控制農(nóng)業(yè)面源污染的目的。工程總體布置詳見圖1。

圖1　工程總體布置示意圖

多塘系統(tǒng)面源控制的核心是多級穩(wěn)定塘，根據(jù)工程需要可按照不同水深構(gòu)建好氧塘、兼性塘或厭氧塘，或輔以人工強化方式，如構(gòu)建曝氣塘等，并配置適當?shù)乃鷦又参?，達到凈化水質(zhì)的目的；系統(tǒng)另一組成要素是連通溝渠，暴雨徑流或農(nóng)田排水中的氮磷、顆粒物和農(nóng)業(yè)等污染物經(jīng)溝渠緩沖帶初步截留、吸收后［6］，進入穩(wěn)定塘，經(jīng)穩(wěn)定塘凈化后，再由連通溝渠進入下級塘或河道內(nèi)。

多塘系統(tǒng)對污染物的去除途徑包括沉淀吸附、植物吸收和微生物降解等。暴雨徑流和農(nóng)田排水進入水塘后流速降低，顆粒態(tài)污染物質(zhì)在重力作用下逐漸沉積，形成具有強吸附能力的塘底沉積物，同時系統(tǒng)內(nèi)植物對氮、磷同化吸收，微生物通過合成、轉(zhuǎn)化、分解等微生物過程，達到脫氮除磷、去除有機污染物的目的。系統(tǒng)通過資源循環(huán)利用，促進綠色植物生長，實現(xiàn)污染物的資源化和無害化［7-9］。

3　系統(tǒng)設計

為發(fā)揮多塘系統(tǒng)削減面源污染的功效，對現(xiàn)狀水塘進行清淤，并對溝渠梳理、連通。經(jīng)水系整理后的多塘系統(tǒng)，以主干河道為干，分為2支（1、2號系統(tǒng)），呈樹狀向上游伸展，基本覆蓋上游區(qū)域，實現(xiàn)對上游地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染就地削減，減少對下游河道的污染物輸出。

3.1 連通溝渠

根據(jù)現(xiàn)場地形和水塘分布情況，疏?，F(xiàn)有溝渠，對未連通水塘進行溝通。溝渠斷面以維持現(xiàn)狀斷面為主，溝渠岸坡構(gòu)建植被緩沖帶，以當?shù)貪裆锓N蘆葦、香蒲為主，實現(xiàn)徑流攔截，對于局部較寬的溝渠，可在較高高程處種植千屈菜、再力花等觀花植物。

對水面開闊、水流平緩的村莊溝渠段，以及水塘上游建設跌水堰壩，一方面可以保持一定水面和水深，提供生態(tài)和景觀水面，另一方面水流經(jīng)過跌水堰壩，形成曝氣復氧，提高水體的溶解氧，加速溝渠和水塘的污染物降解。

3.2 多塘系統(tǒng)

結(jié)合地形地貌特征對匯水較集中的水塘進行清淤、改造；對面積較大，水深較深，岸坡較陡的水塘進行水下地形改造，要求常水位0.5m以下邊坡不陡于1∶5，以為水生植物提供適宜的水深和生長繁殖條件。水生植物重點考慮植物去污、凈化水質(zhì)的能力，水深處種植蘆葦、香蒲等高桿水生植物；淺水區(qū)種植慈姑、燈芯草等低桿水生植物；同時適當配置沉水植物，如竹葉眼子菜和菹草等，在吸收營養(yǎng)鹽、凈化水質(zhì)同時，起到抑制了藻類生長的作用。

4　實施效果評價

湯河上游地區(qū)多塘系統(tǒng)及配套溝渠、水生植物配置工程于2013年11月開始施工，至2014年5月基本完工。為確定系統(tǒng)對面源污染的控制效果，自2014年7月～2014年12月對1號和2號系統(tǒng)TN和TP進行監(jiān)測。監(jiān)測成果詳見表1和表2。

表1　多塘系統(tǒng)節(jié)點TN指標及去除率

表2　多塘系統(tǒng)節(jié)點TP指標及去除率

從表中可以看出，多塘系統(tǒng)對TN和TP有著顯著的去除效果。TN經(jīng)農(nóng)田溝渠至系統(tǒng)入口濃度為1.87～5.14mg/L，平均濃度為3.77mg/L，至系統(tǒng)出口節(jié)點濃度為1.02～1.78mg/L，平均濃度為1.48mg/L，去除率為38.1%～67.5%，平均去除率為57.3%。TP經(jīng)農(nóng)田溝渠至系統(tǒng)入口濃度為0.24～1.24mg/L，平均濃度為0.65mg/L，至系統(tǒng)出口節(jié)點濃度為0.06～0.26mg/L，平均濃度為0.14mg/L，去除率為68.7%～82.3%，平均去除率為75.6%。經(jīng)多塘系統(tǒng)凈化處理后的出水TN和TP指標基本滿足地表水Ⅳ類水質(zhì)標準。

同時，從表中可以看出，系統(tǒng)對TN的凈化能力受季節(jié)影響較為明顯，在夏季平均去除率約為64.1%，在冬季僅有41.8%；而對TP的影響并不顯著，在夏季和冬季平均去除能力分別為80.9% 和74.5%。分析認為，這主要與系統(tǒng)對氮磷的去除機理有關，系統(tǒng)對氮的去除主要靠微生物降解和植物吸收，而在冬季，挺水植物大部分死亡，僅有部分沉水植物繼續(xù)發(fā)揮水質(zhì)凈化功效，同時低溫致使微生物活性大大降低，系統(tǒng)凈化效果明顯下降；而系統(tǒng)對P的去除主要是沉積吸附，在底泥吸附未達到飽和的情況下，系統(tǒng)能持續(xù)表現(xiàn)出強大的吸附能力，這也說明，為保證多塘系統(tǒng)的凈化能力，對水塘底泥清理并循環(huán)利用，是十分必要的。鑒于多塘系統(tǒng)的凈化機制，系統(tǒng)受季節(jié)溫度影響顯著，可結(jié)合水質(zhì)目標需求和工程實際情況，采取塘體表面保溫覆蓋、人工增氧、投加仿生水草、系統(tǒng)邊界布置植被緩沖帶等措施，提高冬季低溫條件下系統(tǒng)的處理效果。

5　結(jié)論

多塘系統(tǒng)是一種簡單經(jīng)濟、生態(tài)友好及管理便利的面源污染控制系統(tǒng)，能有效截留徑流中的氮、磷污染物，減少對游水體的污染，而其自身截留的污染物，一方面通過對水塘底泥沉積物的定期清淤，作為肥料，返還于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；另一方面通過對水生植物的定期收割，作為肥料、飼料、食材或是造紙原料等，循環(huán)利用，維持了多塘系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為保障多塘系統(tǒng)的生態(tài)健康和長效運行，要求在維護管理過程中：定期對溝渠進行清淤疏導，清除淤泥中的營養(yǎng)物質(zhì)，加快徑流下泄；定期對水塘清淤還田，維持系統(tǒng)對污染物的可持續(xù)吸附容量；在秋冬季節(jié)對植物進行收割，防止植物死亡分解造成二次污染；加強民眾維護管理意識，合理開發(fā)利用其灌溉、養(yǎng)殖等效益。

參考文獻

［1］劉改妮，王鵬騰等.巢湖流域面源污染現(xiàn)狀分析及對策［C］. 2014中國環(huán)境科學學會學術年會論文集，2014.8.

［2］佘紅英，張翔等.川中丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與面源污染狀況調(diào)查及特征分析——以李子口小流域為例［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2011（5）：27-32.

［3］王桂苓，馬友華等.巢湖流域種植業(yè)面源污染現(xiàn)狀與防治對策［J］.中國農(nóng)學通報.2008（11）：242-245.

［4］劉雪，龔明波，朱昌雄.巢湖流域農(nóng)業(yè)面源污染治理技術研究與應用示范［J］.中國科技成果，2014（09）：39-40.

［5］秦一博.大伙房水庫小流域水土保持綜合治理措施的探討［J］.水利規(guī)劃與設計，2015（03）：100-102.

［6］唐浩，熊麗君等.緩沖帶截除農(nóng)業(yè)面源污染的效果［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（02）：186-190.

［7］涂安國，尹煒.多水塘系統(tǒng)調(diào)控農(nóng)業(yè)非點源污染研究綜述［J］.人民長江，2009，21（11）：71-73.

［8］徐紅燈，席北斗，翟麗華.溝渠沉積物對農(nóng)田排水中氨氮的截留效應研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2007，26（05）：1924-1928.

［9］付凌，劉磊等.潛流人工濕地去污機理及影響因子研究進展［J］.中國水利，2014（17）：1-4.

作者簡介：吳若靜（1983年—），女，工程師。

收稿日期：2016-01-12

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.008

中圖分類號：X37

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）03-0018-04