某地農(nóng)田灌溉退水水質(zhì)及對主要河流水質(zhì)影響的分析

曹 楊

（江蘇省徐州環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 徐州 221000）

0 引言

20 世紀(jì)中葉發(fā)達(dá)國家開始大量施用化肥，隨后導(dǎo)致河流、湖泊及近海水體富營養(yǎng)化。同時，美國研究發(fā)布了關(guān)于施用化學(xué)氮肥導(dǎo)致地下水硝酸鹽污染的報告，人們開始了解過度施用化肥的危害，美國在減少施用農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)磷和氮肥料后，水質(zhì)得到了顯著改善[1-2]。我國自20 世紀(jì)80年代開始大量施用農(nóng)業(yè)化肥，施肥量逐年增加，1980年中國化肥施用量為1 270 萬t（折純），2015年施用量為6 022.6 萬t（折純），增長3.74 倍[3]；同時，農(nóng)作物播種面積施肥量達(dá)到了362 kg/hm2，是發(fā)達(dá)國家公認(rèn)單位農(nóng)作物播種面積施肥量環(huán)境安全上限的1.6 倍，而化肥利用率卻僅達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平的20% ～50%。在農(nóng)業(yè)種植過程中，大量N,P 元素流失，最終以水污染物的形式存在，使河流具有明顯的農(nóng)業(yè)面源污染特征[4-5]?！兜诙稳珖廴驹雌詹楣珗蟆穂6]結(jié)果顯示，2017年農(nóng)業(yè)源排放水污染物，CODCr排放量為1067.13 萬t，NH4+-N 排放量為21.62 萬t，TN 排放量為141.49 萬t，TP 排放量為21.20 萬t，分別占全國水污染物排放量的49.8%，22.4%，46.5%和67.2%。

農(nóng)田灌溉退水輸出的N，P 污染物經(jīng)過田間溝渠進(jìn)入村莊小型河道、池塘，再逐級匯入主要支流，最后進(jìn)入河流干流。為分析灌區(qū)退水對區(qū)域水環(huán)境的影響，馬麗等[7]以云南耿馬灌區(qū)為對象，研究水環(huán)境質(zhì)量及退水污染負(fù)荷，證實了農(nóng)業(yè)灌溉回歸水污染負(fù)荷以TN 為主。江蘇省農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，普遍大量施用化學(xué)肥料，而農(nóng)作物實際吸收利用率僅為30%左右[8]。近年來，研究區(qū)域汛期河流水質(zhì)預(yù)警頻現(xiàn)，且以TP，NH4+-N 超標(biāo)預(yù)警居多，為研究該地農(nóng)田灌溉退水水質(zhì)現(xiàn)狀及對匯水區(qū)相關(guān)聯(lián)的考核斷面水質(zhì)的影響，對該地規(guī)模化灌區(qū)農(nóng)田灌溉退水通道水質(zhì)開展監(jiān)測與分析，為當(dāng)?shù)厮h(huán)境質(zhì)量管理工作提供支撐。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)域位于江蘇省北部，實有耕地面積611 150 hm2，占區(qū)域土地總面積的54.85%。降雨量豐、枯期差異大，年平均降雨量為900 mm，降水期集中在6月～9月，雨季降水量占全年的56%。農(nóng)作物主要為一年兩季作物，施肥季主要為春、秋種植基肥及夏季追肥；灌期為3月～5月、9月～11月，農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)為0.585，退水量約105 825 萬m3/a。

1.2 監(jiān)測點位

選擇22 條主要河流，在具有大量農(nóng)田流域的支流設(shè)置監(jiān)測點。采用加密監(jiān)測方式共布設(shè)25 個監(jiān)測點位，其中，與國家級考核斷面相關(guān)聯(lián)的支流監(jiān)測點位16 個（編號G1 ～G16）；與省級考核斷面相關(guān)聯(lián)的支流監(jiān)測點位6 個（編號S1～S6）；未關(guān)聯(lián)考核斷面的監(jiān)測點位3 個（編號K1～K3）。監(jiān)測采樣點位分布見圖1。

圖1 調(diào)查監(jiān)控斷面采樣點位示意

1.3 監(jiān)測時間

2020年7月～2021年6月，監(jiān)測頻次為1 次/月，6月～9月每月開展1 次雨后加密監(jiān)測。

1.4 監(jiān)測指標(biāo)

監(jiān)測指標(biāo)共11 項，為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 表1 中的pH 值，DO，COD，CODMn，NH4+-N，TP，TN；表2 中硝酸鹽（以N 計）；表3 中內(nèi)吸磷、百菌清、甲萘威。采樣方法均按照HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行；樣品分析方法均采用國家相關(guān)分析標(biāo)準(zhǔn)；例行監(jiān)測及加密監(jiān)測均執(zhí)行質(zhì)量控制和質(zhì)量保證相關(guān)措施。

1.5 評價方法

1.5.1 單因子濃度比較法

評價某一斷面（點位）在不同時段的水質(zhì)變化時，可以直接比較評價指標(biāo)的濃度值，并以折線圖表征其比較結(jié)果。

1.5.2 水質(zhì)指數(shù)法

采用水質(zhì)指數(shù)（WQI）法評價單個退水通道水質(zhì)狀況，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)按照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。先計算單項指標(biāo)的濃度均值，計算方法見公式（1），低于檢出限的項目按照1/2 檢出限值參加計算各單項指標(biāo)濃度的算術(shù)平均值；再計算單項指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)，計算方法見公式（2）；最后計算水質(zhì)綜合指數(shù)，計算方法見公式（3）。水質(zhì)指數(shù)越小說明水環(huán)境質(zhì)量越好，水質(zhì)指數(shù)越高說明水環(huán)境質(zhì)量越差。

式中:Ci為第i 個水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量濃度，mg/L；Cs(i)為第i 個水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值，mg/L；WQI（i）為第i 個水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù) （本公式適用于除pH 值，DO以外的指標(biāo)計算）。

式中:WQI（i）為第i 個水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)；n 為水質(zhì)指標(biāo)個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田退水水質(zhì)污染空間分布情況

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，選取COD，NH4+-N，TN，TP 4 項主要超標(biāo)污染因子進(jìn)行污染空間分布特征分析，監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 點位主要水質(zhì)污染因子質(zhì)量濃度

由圖2 可知，水質(zhì)污染因子濃度空間分布差異較大。

（1）ρ(COD) 在13～37.4 mg/L 之間，均值為18.2 mg/L，S4，G10，G15 點位濃度較低，G5 點位最高（超標(biāo)0.87 倍），超Ⅲ類水質(zhì)點位數(shù)占總調(diào)查點位數(shù)的16%；ρ(NH4+-N) 在0.177～2.177 mg/L 之間，均值為0.659 mg/L，G10 點位濃度最低，G5 點位最高 （超標(biāo)1.2 倍），超Ⅲ類水質(zhì)點位數(shù)占總調(diào)查點位數(shù)的20%；ρ(TN)在0.84～5.98 mg/L 之間，均值為2.58 mg/L，S3點位濃度最低，G13 點位濃度最高 （超標(biāo)4.98 倍），超Ⅲ類水質(zhì)點位數(shù)占總調(diào)查點位數(shù)的84%；ρ（TP）在0.046～1.578 mg/L 之間，均值為0.218 mg/L，G10點位濃度最低，G5 點位濃度最高 （超標(biāo)6.9 倍），超Ⅲ類水質(zhì)位數(shù)占總調(diào)查點位數(shù)的24%。

（2）綜合考慮超標(biāo)比例及超標(biāo)倍數(shù)，水質(zhì)因子污染程度由高到低為TN ＞TP ＞NH4+-N ＞COD，TN 和TP 污染較嚴(yán)重，污染范圍廣且超標(biāo)倍數(shù)高，與汛期水質(zhì)下滑明顯的考核斷面主要超標(biāo)污染物種類基本吻合[11]。張崑等[12]研究發(fā)現(xiàn)稻季不同施肥方式下N流失量為13.49～15.32 kg/hm2，流失率為3.535%～4.18%，P 流失量為2.19 ～ 2.61 kg/hm2，流失率為2.04 ～ 2.37%。氨的揮發(fā)損失是農(nóng)田氮肥損失的主要途徑之一，張博[13]研究發(fā)現(xiàn)在華北平原小麥季基肥期氨揮發(fā)累積量占當(dāng)季總累積量的52.35% ～84.81%。由此可見農(nóng)業(yè)施肥中未被吸收利用的N，P 元素流失可能是灌區(qū)河流水質(zhì)污染物的主要來源之一。

（3）污染物濃度空間分布不均勻，這與監(jiān)測點位所處的具體環(huán)境有一定關(guān)系。支流收集的退水主要來自農(nóng)田排水溝渠，研究表明，溝渠系統(tǒng)對N，P 具有一定的降解作用，其降解效果與溫度和季節(jié)、植物類型、溝渠結(jié)構(gòu)等都有關(guān)系。就溝渠形態(tài)而言，一般生態(tài)溝渠的降解能力優(yōu)于土質(zhì)溝渠，土質(zhì)溝渠優(yōu)于混凝土溝渠[14]，而本次調(diào)查范圍所涉及的溝渠既有土質(zhì)溝渠也有混凝土溝渠，結(jié)構(gòu)不一。G5 點位的水質(zhì)污染程度最嚴(yán)重，ρ(COD)超出Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值0.87倍，ρ(NH4+-N)超標(biāo)1.2 倍，ρ(TN) 超標(biāo)3.2 倍，ρ(TP) 超標(biāo)6.9 倍。分析原因為G5 點位周邊不僅有種植區(qū)，同時收集村鎮(zhèn)細(xì)小溝渠匯水，農(nóng)業(yè)面源與農(nóng)村生活源污染疊加，導(dǎo)致本底沉積污染較多；且該點位于河道拐彎處，下游閘門長期關(guān)閉，污水淤積，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該點位所在河流水質(zhì)類別長期保持在V～ 劣V之間。

（4）各監(jiān)測點位污染物情況濃度變化較為一致，均在G3,G5,K2,G11,G12 點位出現(xiàn)濃度高值，在S1,S3,G6,G9,G14 點位出現(xiàn)濃度低值，污染物同源性強(qiáng)。NH4+-N 與TN 濃度在空間上的分布趨勢較為一致，均在G2,G5,G13 點位出現(xiàn)高值。張廣強(qiáng)[15]研究發(fā)現(xiàn)地表水中污染物NH4+-N 與TN 具有顯著相關(guān)性且相關(guān)性穩(wěn)定，NH4+-N/TN 比值越大說明河流污染越嚴(yán)重，G5 點位的NH4+-N/TN 比值高于其他點位，污染最嚴(yán)重。

2.2 農(nóng)田退水水質(zhì)污染情況時間分布

選取監(jiān)測點位4 項主要超標(biāo)污染因子，計算其逐月WQI 值，進(jìn)行污染物時間分布特征研究，結(jié)果見圖3。

圖3 主要污染因子WQI月均值

由圖3 可知，各監(jiān)測點位WQI 在3.91～8.02 之間，從5月份開始逐漸升高，10月份開始降低，5月～ 9月指數(shù)值明顯高于其他月份，9月份指數(shù)值最高，3月份最低，可以看出該地區(qū)農(nóng)田灌溉退水通道雨季W(wǎng)QI 明顯高于旱季。從污染因子的水質(zhì)指數(shù)變化來看，TN，TP,NH4+-N 均為5月份開始升高，10月份降低并逐漸穩(wěn)定，其變化趨勢與綜合指數(shù)基本一致，可見污染物有較明顯的時間分布特征。雨季TN，TP,NH4+-N 濃度明顯高于旱季，這與降水有關(guān)，雨水將導(dǎo)致土壤中肥力流失的N，P 元素淋溶轉(zhuǎn)移到水體中；NH4+-N 的濃度升高也可能與夏季水體中微生物的繁殖活躍度有關(guān)，反硝化細(xì)菌厭氧分解可以將含氮有機(jī)物還原為NH4+-N[16]。COD 濃度逐月變化不明顯，COD 污染來源包括工業(yè)源、農(nóng)業(yè)面源、生活源等多方面，其排放規(guī)律與時間的相關(guān)性不強(qiáng)[17]。農(nóng)田灌溉退水污染物濃度的時間分布特征還應(yīng)考慮當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的施肥規(guī)律，一般在播種和重要生長周期化肥施用較多，污染物排放量相應(yīng)增加，張薇等[18]研究氮肥使用對北方夏玉米季氨揮發(fā)的影響發(fā)現(xiàn)，隨著化肥施氮量的增加，氨揮發(fā)總量呈指數(shù)型增長。

2.3 農(nóng)田退水對主要河流斷面水質(zhì)的影響分析

（1）降雨前、后污染物濃度變化

選擇施肥季（5月份）分析降雨前、后主要污染物濃度變化，結(jié)果見圖4。由圖4 可知，降雨事件前、后污染指標(biāo)指數(shù)發(fā)生了不同變化，降雨后ρ（NH4+-N），ρ （TP）和ρ （TN）比降雨前分別平均升高24.1%，13.4%和11.5%；但ρ（COD）反比降雨前降低20.3%。分析原因為，降雨后，一方面雨水淋溶形成的徑流攜帶周圍地表及土壤中污染物匯入河流，使污染物濃度升高；但另一方面雨水的稀釋作用也可能降低污染物的濃度，兩種作用的疊加決定最終的濃度結(jié)果。于會彬等[19]研究降水對農(nóng)田溝渠中N，P 元素流失的影響，發(fā)現(xiàn)N，P 在降水徑流中流失的一般規(guī)律為污染物含量隨徑流量的增大而升高；N 流失的主要形態(tài)為NH4+-N 和硝酸鹽；P 流失的主要形態(tài)為磷酸鹽。灌溉退水的采樣點位距離農(nóng)田較近，受農(nóng)業(yè)源影響大，距離村鎮(zhèn)較遠(yuǎn)，受生活污染源影響小，因此典型農(nóng)業(yè)源污染物NH4+-N，TP 和TN 的濃度均呈現(xiàn)升高，而COD 濃度由于雨水的稀釋作用，反而降低。

圖4 降雨前、后污染物質(zhì)量濃度變化

（2）重點斷面水質(zhì)分析

調(diào)查期間，與S1 點位相關(guān)聯(lián)的考核斷面水質(zhì)類別為Ⅱ～Ⅲ類；與G11，G12 點位相關(guān)聯(lián)的考核斷面水質(zhì)類別為Ⅲ～Ⅴ類；與G5 點位相關(guān)聯(lián)的考核斷面水質(zhì)類別為Ⅲ～Ⅳ類。說明農(nóng)田灌溉退水在一定程度上影響了與其相關(guān)聯(lián)的考核斷面水質(zhì)類別，但影響程度各異。分析原因為在枯水期，降雨較少且田間支流水體流動性差甚至滯流，徑流攜帶污染物入主要河流的情況較少發(fā)生，即使退水通道的水質(zhì)較差也不會對下游匯水區(qū)水質(zhì)有太大影響；而在降雨期，一方面地表徑流攜帶大量污染物入河，另一方面水體流動性強(qiáng)易攪動沉積的污染物上泛進(jìn)入水體，與農(nóng)田退水夾裹匯下游主要河流，則會導(dǎo)致相關(guān)聯(lián)的考核斷面水質(zhì)變差。

3 結(jié)論及建議

（1）該地雨季農(nóng)田灌溉退水水質(zhì)綜合指數(shù)高于旱季，TN 和TP 是主要水質(zhì)污染因子，施肥季NH4+-N，TP 和TN 質(zhì)量濃度降雨后較降雨前分別平均升高24.1%，13.4%和11.5%，ρ（COD）比降雨前降低20.3%；建議從減少施肥量和改進(jìn)施肥模式的方式減少N，P向自然環(huán)境流失。

（2）農(nóng)田退水對下游考核斷面的影響與降雨情況密切有關(guān)，在枯水期，水體流動性差，退水通道的水質(zhì)不會對下游匯水區(qū)水質(zhì)有太大影響；而降雨期，各渠道水體匯流攜帶多種來源的污染物進(jìn)入主要河流則會對區(qū)域重點考核斷面水質(zhì)造成沖擊。

（3）退水通道水質(zhì)類別各有差異，除受農(nóng)業(yè)源累積污染外，也與該河流（溝渠）內(nèi)植物生長情況、渠底構(gòu)造及接受生活污染源的情況有關(guān)系。對水質(zhì)污染嚴(yán)重的農(nóng)田退水通道應(yīng)當(dāng)施行重點監(jiān)控，及時整治，避免影響下游考核斷面水質(zhì)。