農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理工程系統(tǒng)設(shè)計案例

李艷華，王彬酈，李 弘，韋瑋琪，李亞光

(上海十方生態(tài)園林股份有限公司，上海 200233)

面源污染是指污染物從非特定地點，在降排水或融雪的沖刷作用下，無序不均地通過徑流匯入受納水體并引起有機污染、水體富營養(yǎng)化或產(chǎn)生毒害等其他形式的污染[1-3]。根據(jù)面源污染發(fā)生區(qū)域和過程的特點，一般將其分為城市和農(nóng)業(yè)面源污染兩大類[4]。農(nóng)業(yè)面源污染主要來自水土流失、化肥、農(nóng)藥流失和滲漏、農(nóng)村地表徑流、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水排放等各方面，在水體污染所占的比重不斷上升[5-7]。其中，農(nóng)村種植業(yè)生產(chǎn)中的營養(yǎng)流失，是導(dǎo)致過量養(yǎng)分排放到水體中，形成富營養(yǎng)化的最主要因素。農(nóng)業(yè)面源污染不僅是農(nóng)村地表水體污染的主要來源，也是我國“三河三湖”污染的主要污染源，嚴重威脅飲水安全[8]。近年來，我國學(xué)者和工程技術(shù)人員在農(nóng)業(yè)面源污染治理方面進行了廣泛的研究與探索，取得了不少突破性技術(shù)進展[9-11]。但綜觀相關(guān)文獻和現(xiàn)有的工作，更多的只是注重污染治理的技術(shù)、管理技術(shù)層面，缺乏在工程應(yīng)用上進行系統(tǒng)、全面的技術(shù)整合。本文以江蘇省某鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)面源污染治理工程設(shè)計為典型案例，介紹面源污染治理工程工藝和銜接配套的工程設(shè)計。

1 工程設(shè)計

1.1 工程概況

本項目位于江蘇省某鎮(zhèn)萬頃良田(示范區(qū))2號地塊。為順應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展，關(guān)注區(qū)域環(huán)境需求，提升現(xiàn)代農(nóng)業(yè)品質(zhì)，保護農(nóng)業(yè)灌溉水體，推進面源污染綜合治理工程，相關(guān)部門擬對區(qū)域范圍內(nèi)的面源污染進行控制和管理，項目區(qū)總面積約為487 357.7 m2。

1.2 現(xiàn)狀剖析

1.2.1 用地結(jié)構(gòu)分析

區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)包括5種類型，分別為農(nóng)田、灌排溝渠、塘浜、田埂道路、曬場和泵房。區(qū)域總面積約為487 357.7 m2，其中，田塊面積約為390 019.5 m2，占比約為79.9%，占比最高；溝渠總規(guī)模約為8 180 m、13 000.6 m2，占比為2.7%，浜塘總規(guī)模約為12 867.3 m2，占比約為2.6%。面源污染治理可實施區(qū)域主要在溝渠和浜塘內(nèi)。從面源污染治理工程可利用空間來看，工程可實施區(qū)域占比約為5.3%。另外，田埂(含機耕路)面積約為9 667.1 m2，占比約為2.0%；其余為曬場用地、泵房用地等其他用地，占比約為12.8%，項目區(qū)用地分析如圖1所示。

圖1 項目區(qū)用地分析Fig.1 Land-Use Analysis in Project Area

1.2.2 農(nóng)業(yè)種植模式

項目區(qū)稻田主要種植方式是稻-麥輪作，水稻季氮肥用量為純氮 27.4 kg/畝(1畝=0.667×10-3km2)，磷肥為P2O59.0 kg/畝，鉀肥為K2O 9.0 kg/畝。種植期間共施肥4次，基肥：復(fù)合肥為30 kg/畝(折合純氮 4.5 kg/畝、P2O54.5 kg/畝、K2O 4.5 kg/畝)；分蘗肥：尿素為25 kg/畝(折合純氮 11.5 kg/畝)；促花肥：尿素為15 kg/畝(折合純氮 6.9 kg/畝)；?；ǚ剩簭?fù)合肥為30 kg/畝(折合純氮 4.5 kg/畝、P2O54.5 kg/畝、K2O 4.5 kg/畝)。小麥季氮肥用量為純氮 19.85～20.60 kg/畝，磷肥為P2O53.75～4.50 kg/畝，鉀肥為K2O 3.75～4.50 kg/畝。種植期間共施肥3次，基肥：復(fù)合肥為25～30 kg/畝(折合純氮 3.75～4.50 kg/畝、P2O53.75～4.50 kg/畝、K2O 3.75～4.50 kg/畝)；返青肥：尿素為17.5 kg/畝(折合純氮 8.05 kg/畝)；穗肥：尿素為17.5 kg/畝(折合純氮 8.05 kg/畝)。整體來看，氮肥和磷肥用量均有所偏高，多施的氮肥和磷肥隨徑流、淋洗等流失到周邊水體中，造成周邊河道污染。

1.2.3 排灌水系分布

項目區(qū)田塊之間高低不平，地形地勢呈現(xiàn)南高北低、西高東低；田塊之間高差最大可達6 m。田塊西側(cè)建有泵站，負責(zé)整個田塊的灌溉。其中，北側(cè)田塊(神臺北側(cè))一次提升后直接灌溉；南側(cè)田塊需二次提升后泵入灌渠，再進行田塊灌溉。依據(jù)地勢條件，項目區(qū)排水為自西向東、從南向北，且可大體分為南北2個小排水區(qū)，即排水主要水流路徑有2種方式：北側(cè)區(qū)域為溝渠-水塘-溝渠-支浜，南側(cè)區(qū)域為溝渠-支浜。區(qū)域灌排水系情況如圖2所示。

圖2 當(dāng)?shù)毓嗯潘捣治鯢ig.2 Analysis of Local Irrigation and Drainage System

1.2.4 降雨量、徑流量分析

結(jié)合項目區(qū)降雨量，即《江蘇省統(tǒng)計年鑒(2016)》及鎮(zhèn)江氣象局公開資料，2015年總降雨量為1 579 mm，月份降雨量最大出現(xiàn)在6月，為217 mm，2016年1月—10月降雨量為1 818 mm，最大降雨量出現(xiàn)在7月和10月，分別為380、397 mm。按照相關(guān)工程經(jīng)驗，自然土壤的徑流系數(shù)一般為5%～18%，結(jié)合項目土地利用類型，工程設(shè)計綜合徑流系數(shù)取0.18，去除較小降雨事件(不形成徑流)，降雨徑流量：2015年為8.80萬m3，2016年為10.2萬m3。區(qū)域降雨量分析如圖3所示。

圖3 降雨量分析Fig.3 Analysis of Rainfall

1.2.5 水體水質(zhì)現(xiàn)狀分析

項目區(qū)包含各類型溝渠、水塘及河道，結(jié)合排水路徑，對6個位置的水體進行取樣監(jiān)測，區(qū)域整體水質(zhì)長期處于V類(GB 3838—2002)，監(jiān)測點位分布如圖2所示，水質(zhì)具體情況如表1所示。其中，CODMn濃度在8.94～14.91 mg/L，TN濃度在1.78～3.84 mg/L，TP濃度在0.16～0.31 mg/L，TN平均值為2.46 mg/L，屬于劣V類水體。

表1 項目區(qū)實施前水質(zhì)概況Tab.1 Water Quality before Project Implementation

2 工藝設(shè)計

通過對項目區(qū)土地利用現(xiàn)狀、溝塘浜水系連通、地形地勢等條件的調(diào)查分析，充分結(jié)合區(qū)域降雨及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排水情況，工藝設(shè)計從水量蓄滯、污染物攔截兩個角度出發(fā)，利用項目區(qū)現(xiàn)有溝渠、水塘、支浜及低洼地，實現(xiàn)徑流攔截、蓄滯、凈化污染物的設(shè)計目標(biāo)。工程設(shè)計總平面布置如圖4所示。

圖4 工程設(shè)計總平面布置Fig.4 General Layout of Engineering Design

面源污染治理工藝設(shè)計充分考慮各技術(shù)的銜接及工程內(nèi)容的空間關(guān)聯(lián)，通過近源攔截裝置建設(shè)、生態(tài)攔截/穩(wěn)定溝渠改建、生態(tài)攔截凈化塘改造、生態(tài)支浜生態(tài)化處理等工藝銜接與配合，在時間延續(xù)和空間控制上實現(xiàn)聯(lián)動，控制攔截水量約排水量的85%，項目區(qū)最終排水TN大部分時間低于2.0 mg/L；最終實現(xiàn)地塊農(nóng)業(yè)面源污染物少排、微排的最終目標(biāo)。

3 工藝計算

3.1 區(qū)域水容量估算

項目區(qū)主要溝渠長度為8 180 m，均為土質(zhì)，溝渠有效蓄水(有效容積)約為4 907.9 m3；根據(jù)溝渠分布和斷面分布，測算南側(cè)溝渠有效容積為3 355.5 m3，北側(cè)溝渠有效容積為1 552.4 m3，另外北側(cè)田塊間存在1處水塘，總面積約為1 636.5 m2，有效容積約為1 636.5 m3；項目區(qū)東側(cè)為斷頭浜，總面積為7 119.6 m2，總?cè)莘e為10 679.4 m3，該支浜與北側(cè)國道下溝渠相通，最終由該溝渠經(jīng)涵洞外排。

綜上分析，項目區(qū)排水總蓄水容量約為17 223.8 m3，其中，溝渠容量為4 907.9 m3，浜塘容量為12 315.9 m3。

3.2 區(qū)域總水量估算

區(qū)域排水主要為農(nóng)田退水和降雨徑流，通過農(nóng)田、田埂匯入溝渠或水塘，最終通過支浜排出；匯水面積按照項目區(qū)面積487 357.7 m2計算，匯水區(qū)主要為農(nóng)田，設(shè)計結(jié)合相關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗，綜合徑流系數(shù)取值為0.18。其中，設(shè)計主要考慮短期暴雨徑流的沖刷，結(jié)合鎮(zhèn)江暴雨徑流公式[式(1)]計算。

(1)

其中：q——設(shè)計暴雨強度，L/(s·hm2)，1 hm2=104m2；

P——設(shè)計重現(xiàn)期，a，設(shè)計取1 a；

t——降雨歷時，min，設(shè)計取15 min。

計算得項目區(qū)短期暴雨徑流量為9.4 m3/s。

由前述分析可知，項目區(qū)總蓄水容量約為1.72萬m3，平均核算最大可蓄滯61 d，可滿足攔截85%降雨徑流量的設(shè)計目標(biāo)。

3.3 排放污染負荷估算

農(nóng)田徑流污染排放污染負荷采用標(biāo)準農(nóng)田源強系數(shù)修正法來計算[12-13]。標(biāo)準農(nóng)田指的是平原、種植作物為小麥、土壤類型為壤土、化肥施用量為25～35 kg/(畝·a)、降水量在400～800 mm的農(nóng)田；標(biāo)準農(nóng)田源強系數(shù)：氨氮為2.0 kg/(畝·a)，TN為3.0 kg/(畝·a)。結(jié)合項目區(qū)稻-麥輪作種植方式以及當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣，對各影響因素源強系數(shù)進行修正。其中，坡度修正系數(shù)取1.2，農(nóng)作物類型修正系數(shù)取1.1，土壤類型修正系數(shù)取1.0，化肥施用量修正系數(shù)取1.2，降雨量修正系數(shù)取1.2，綜合修正系數(shù)為1.12。

項目區(qū)北部、南部農(nóng)田面積分別為211.15畝和373.25畝。通過估算，項目區(qū)TN排放量約為1 963.6 kg/a，其中，北區(qū)TN排放入河量約為709.5 kg/a，南區(qū)TN排放入河量約為1 254.1 kg/a；結(jié)合上述區(qū)域水容量計算，項目北側(cè)區(qū)域溝渠TN負荷為0.46 kg/(m3·a)，南側(cè)區(qū)域溝渠TN容積負荷為0.3 kg/(m3·a)，東側(cè)支浜承接北側(cè)區(qū)域來水和南側(cè)約20%的來水，測算東側(cè)支浜的TN容積負荷為0.09 kg/(m3·a)，北側(cè)區(qū)域污染相對較高，工程的設(shè)計和布置以北側(cè)為主，污染物容積負荷分析如圖5所示。

圖5 污染容積負荷分析Fig.5 Analysis of Pollution Volumetric Loadings

4 主要工程構(gòu)筑物

4.1 生態(tài)溝渠

生態(tài)溝渠是農(nóng)業(yè)面源污染治理應(yīng)用最為廣泛的工程措施[14]，由溝渠、基質(zhì)和植物組成，具有生態(tài)性和生物性的特殊優(yōu)點，并可根據(jù)地形特征來構(gòu)

建[15]。作用原理有兩個方面：一是通過溝渠底部及渠壁植物的配置，利用植物的生物過程，實現(xiàn)對污染物的凈化；二是通過階段式基質(zhì)的鋪裝，實現(xiàn)溝渠斷面重塑，渠壁多孔材質(zhì)設(shè)計，實現(xiàn)農(nóng)田尾水在輸移過程中與土壤生態(tài)環(huán)境的有效連通，對排水污染物進行進一步凈化、利用，同時不影響正常排水要求。生態(tài)溝實景及斷面設(shè)計如圖6所示，工程設(shè)計總長度為2 530 m。

圖6 生態(tài)溝實景及斷面設(shè)計圖Fig.6 Real Scene and Cross-Section View of Ecological Ditch

與傳統(tǒng)的水泥硬質(zhì)溝渠和自然土渠相比，生態(tài)溝渠體及基質(zhì)和植物的組成，能夠減緩流速，促進顆粒物沉淀，有利于污染物的吸收和攔截。據(jù)相關(guān)文獻[16-17]的研究表明，該類型生態(tài)溝渠在進水TN濃度為0.86～6.13 mg/L時，對TN的去除效率可達30.2%以上，在不同的排水質(zhì)量濃度下，去除率具有一定的波動性。

4.2 生態(tài)塘

王曉玲等[18]研究表明，生態(tài)塘對稻田降雨徑流中TN的平均去除率為34.7%，且生態(tài)塘本身具有較強的抗沖擊自修復(fù)性。因此，項目區(qū)就地利用坑塘進行生態(tài)建設(shè)，不僅能削減污染物負荷，還能促進區(qū)域生態(tài)功能的發(fā)揮。

生態(tài)凈化塘建設(shè)以營造良好的生境為目的，通過植物-微生物-水生動物可以保護和創(chuàng)造良好的微型生態(tài)鏈，且其中的微生物群落能不斷再生，增強了礫石基質(zhì)和植物根系的過濾和凈化作用，穩(wěn)定并凈化了匯集的來水。另外，生態(tài)塘的建設(shè)能沉降大部分懸浮物，有效減少了水體中的顆粒物，降低了濕地堵塞。生態(tài)塘平面及斷面設(shè)計如圖7所示，工程總面積約為2 100 m2。

圖7 生態(tài)塘平面及斷面設(shè)計圖Fig.7 Plan and Section Design of Ecological Pond

4.3 生態(tài)穩(wěn)定凈化渠

生態(tài)支浜建設(shè)工程是對原有河道生態(tài)的改造和建設(shè)，目的是攔截、蓄滯、凈化與穩(wěn)定項目區(qū)農(nóng)田排水及其他地表徑流，同時，對區(qū)域水域生態(tài)進行修復(fù)，防止水土流失，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定性。生態(tài)穩(wěn)定凈化渠現(xiàn)狀及斷面設(shè)計如圖8所示，工程總長度為620 m。其中，土壤微生物群落多樣性差異對農(nóng)業(yè)面源污染物的去除效果有一定的影響[19]。生態(tài)穩(wěn)定凈化渠的建設(shè)是對支浜水陸交錯帶進行生態(tài)恢復(fù)，改善敏感區(qū)土壤結(jié)構(gòu)和生境條件。相關(guān)研究[20]表明，該類型生態(tài)修復(fù)技術(shù)對TN的平均去除率達到了45.42%，進出水TN平均濃度由5.13 mg/L降低至2.8 mg/L。吳義峰等[21]研究表明，支浜坡岸特定生態(tài)系統(tǒng)能強化河渠中氮類污染物的去除效果，停留時間為7 d 時，TN去除率達到85%～90%，其去除效果受季節(jié)影響較大。

圖8 生態(tài)穩(wěn)定凈化渠現(xiàn)狀及斷面設(shè)計Fig.8 Existing Situation and Cross-Section Design of Ecological Ditch

4.4 促沉凈化池

促沉凈化池主要是攔截水體中的顆粒態(tài)污染物，作為面源污染治理的預(yù)處理和攔截裝置，主要布置在靠近污染物產(chǎn)生的區(qū)域。裝置的實際運行效果表明[22]，面源污染來水中溶解性固體(TDS)的去除率達到70%～80%，TN的平均去除率達到25%～63.4%。

針對農(nóng)田型面源污染治理時，工程實施可結(jié)合污染物的排水走向、遷移路徑，在農(nóng)田排水口或溝渠與河道、水塘銜接處進行布置，項目區(qū)范圍內(nèi)共布置3套。主要作用體現(xiàn)在3個方面：(1)促沉凈化池內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計，在結(jié)合現(xiàn)場布置時，可改變農(nóng)田排水水流路徑，裝置內(nèi)的集水管集水與布水管二次布水的方式能夠使水流在下行-上行-下行中流動，從而增加污水在排放過程中的水力停留時間，促進顆粒態(tài)污染物的沉降；(2)裝置內(nèi)鋪設(shè)不同規(guī)格的填料，在水體流動過程中，進一步實現(xiàn)對污染物的攔截、過濾和沉淀；(3)裝置內(nèi)填料表面和內(nèi)部易形成微生物群落，有利于部分污染物的降解，同時，不同規(guī)格的填料搭配能夠延長填料的使用壽命和作用時間。因此，促沉凈化池是通過內(nèi)部集水管串聯(lián)外圍過濾帶和內(nèi)部促沉凈化系統(tǒng)，使污水經(jīng)過外、內(nèi)2次攔截、過濾和沉淀，最終實現(xiàn)污染物的部分去除。

5 面源污染治理效果

表2列出了工程實施后的水質(zhì)數(shù)據(jù)，即取樣點6位置處的水質(zhì)情況，反映區(qū)域溝渠-生態(tài)塘-穩(wěn)定渠工程的處理效果。其中，TN的去除率為43.4%，CODMn的去除效率為38.7%，水質(zhì)改善效果較好，TP的去除效率為24.4%，濃度略有下降，區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)有較大的改善。

表2 工程實施后出水口水質(zhì)狀況及去除率Tab.2 Effluent Water Quality and Removal Rate of Outflow after Project Implementation

6 結(jié)論與討論

(1)農(nóng)業(yè)面源污染因其排放路徑的不確定性、排放區(qū)域的廣泛性、控制難度較高等特點，一方面，增加了工程設(shè)計中工程規(guī)模與工藝計算嵌合的難度；另一方面，使農(nóng)業(yè)面源的治理區(qū)別于點源污染治理，要求其綜合治理更加系統(tǒng)和全面。因此，源頭的攔截、污染物傳輸過程中的控制以及末端的治理是農(nóng)業(yè)面源污染治理中都需要考慮的內(nèi)容。

(2)農(nóng)業(yè)面源治理工程開展時需結(jié)合現(xiàn)場實際情況，梳理、篩選工程可操作空間，對區(qū)域面源污染敏感區(qū)和重點區(qū)的識別還需更多的數(shù)據(jù)分析支持，從而針對性地布置工程，降低投資，發(fā)揮生態(tài)效益。

(3)現(xiàn)有的生態(tài)溝渠攔截技術(shù)、生態(tài)河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但在工程應(yīng)用中如何實現(xiàn)不同技術(shù)組合運用、各工藝技術(shù)、工程構(gòu)筑物相互協(xié)同配合，實現(xiàn)最佳、最經(jīng)濟的污染物消納和外排削減，尚需更多的工程研究。