基于河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染減控的生態(tài)排水溝構(gòu)建技術(shù)研究

徐紅梅 霍軼珍 曾祥 胡振 李生勇 郭富強(qiáng)

摘 要：針對現(xiàn)階段河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染日趨嚴(yán)重、烏梁素海富營養(yǎng)化加劇和水生態(tài)環(huán)境變差的現(xiàn)狀，提出充分利用河套灌區(qū)現(xiàn)有的灌溉排水工程條件，在傳統(tǒng)土質(zhì)排水溝基礎(chǔ)上構(gòu)建生態(tài)排水溝，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)，開展生態(tài)排水溝斷面結(jié)構(gòu)型式、斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、邊坡構(gòu)筑材料、生態(tài)溝內(nèi)種植植物及生態(tài)排水溝凈化農(nóng)田排水的環(huán)境效應(yīng)研究，提升河套灌區(qū)排水溝凈化攔截污染物的能力，最大程度削減農(nóng)田排水排入烏梁素海的污染物總量，減輕烏梁素海富營養(yǎng)化程度，為河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的治理提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：河套灌區(qū)；烏梁素海；農(nóng)田排水；排水溝

中圖分類號：S276.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染日趨嚴(yán)重

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國最大的一首制自流灌區(qū)，也是我國重要的商品糧基地[1]。隨著灌區(qū)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)面源污染成為當(dāng)?shù)厮h(huán)境惡化的主要原因。究其原因是農(nóng)民為追求糧食高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)而過量施用化肥農(nóng)藥，造成大量污染物、營養(yǎng)鹽經(jīng)農(nóng)田徑流進(jìn)入農(nóng)田排水溝，而各級排水溝的農(nóng)田排水基本沒有經(jīng)過凈化處理就排入烏梁素海。

烏梁素海是內(nèi)蒙古境內(nèi)的大型草原型淺水湖泊，具有蓄滯洪水、控制污染、改善環(huán)境、保護(hù)物種基因多樣性等功能。同時(shí)，烏梁素海也是河套灌區(qū)灌排系統(tǒng)的重要組成部分，是河套農(nóng)業(yè)灌區(qū)灌溉退水的唯一受納水體和排水通道，它接納了河套灌區(qū)90%以上的排水，然后經(jīng)過湖泊的生物生化作用后排入黃河，客觀上起到了調(diào)控黃河水質(zhì)、水量的作用[1]。

由于河套灌區(qū)的農(nóng)田排水基本沒有經(jīng)過凈化就通過各級排水溝排入烏梁素海，造成烏梁素海水體富營養(yǎng)化和沼澤化不斷加劇，不僅影響烏梁素海湖泊濕地整體功能發(fā)揮，還直接威脅到河套灌區(qū)糧食安全和黃河中下游的供水安全，因此，農(nóng)業(yè)面源污染治理成為河套灌區(qū)需要重點(diǎn)解決的問題。

2 河套灌區(qū)傳統(tǒng)排水溝道存在的問題

河套灌區(qū)排水系統(tǒng)分為總干溝、干溝、分干溝、支溝、斗、農(nóng)、毛溝共七級溝道，具有面廣量大、逐級排水的特點(diǎn)?，F(xiàn)有農(nóng)田排水溝主要以傳統(tǒng)土質(zhì)溝為主，工程耐久性和邊坡穩(wěn)定性都較差，而且田間排水毛溝大部分已被損毀變?yōu)楦兀ヅ潘δ?；斗農(nóng)級溝道塌坡、淤積嚴(yán)重，排水、排鹽作用也在逐漸減弱。分干溝、干溝、總干溝等輸水溝道則缺少控制性建筑物和生態(tài)化設(shè)計(jì)；排水溝內(nèi)植物缺少篩選和種植管理，物種單一，過度生長的蘆葦腐敗分解后落到溝底對水造成二次污染，因此，河套灌區(qū)現(xiàn)有排水系統(tǒng)截留、凈化農(nóng)業(yè)面源污染物功能的局限性很大。

改善烏梁素海水環(huán)境，保障黃河中下游的供水安全，就必須利用攔截、阻斷和降解技術(shù)，在各級排水溝中對農(nóng)田退水中的氮、磷等污染物進(jìn)行深度處理與凈化，其中最有效的措施就是對傳統(tǒng)土質(zhì)排水溝道進(jìn)行工程改造，構(gòu)建生態(tài)排水溝，在農(nóng)田排水排入烏梁素海之前，通過各級生態(tài)排水溝有效降低水中污染物濃度。

3 生態(tài)排水溝渠對氮、磷等污染物的截留和去除效果明顯

生態(tài)排水溝是在傳統(tǒng)的土質(zhì)排水溝上通過加設(shè)生態(tài)護(hù)坡和溝道控制性建筑物建造而成，是以排水為主要目的，兼具對農(nóng)田排水中的污染物進(jìn)行攔截、凈化的線性人工濕地系統(tǒng)。大量研究表明，生態(tài)排水溝在“攔截”和“修復(fù)”污染物的過程中發(fā)揮著重要作用。生態(tài)排水溝渠內(nèi)水草、底泥對氮有非常強(qiáng)的吸附作用，營養(yǎng)物質(zhì)在排水溝的流動過程中可以通過底泥吸附、植物吸收和微生物降解等多種機(jī)制被吸收、固定或脫離排水溝[2]。徐紅燈等[3]選取長350 m的農(nóng)田排水溝渠，研究了自然暴雨條件下溝渠對農(nóng)田排水總氮、總磷的去除效果，得出溝渠對總氮的去除率為40%～70%，對總磷的去除率為20%～80%；楊林章等[4]針對太湖流域面源污染現(xiàn)狀提出一種由工程部分和植物系統(tǒng)組成的生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)，該系統(tǒng)對農(nóng)田徑流中總氮、總磷的去除效果分別達(dá)48.4％、40.5％。生態(tài)排水溝不僅能起到溝道應(yīng)有的排水排鹽功能，還具備減少農(nóng)田氮磷等養(yǎng)分的流失、景觀效果良好、為生物提供適宜的生存空間、凈化水質(zhì)等功能。

河套灌區(qū)土質(zhì)排水溝面廣量大，在土質(zhì)排水溝基礎(chǔ)上構(gòu)建的生態(tài)排水溝是由植物、土壤、微生物所組成半自然生態(tài)系統(tǒng)，可以將流經(jīng)溝道的農(nóng)業(yè)面源污染物溶解或吸附在土壤顆粒表面，隨溝道坡面漫流遷移，通過基質(zhì)吸附、植物吸收、生物吸收和降解等一系列作用[2]，將排水溝生態(tài)系統(tǒng)的功能最大限度地發(fā)揮出來，使溝道得以具備良好的自我凈化功能與自我調(diào)控能力[5]。

目前，河套灌區(qū)鮮少對生態(tài)排水溝構(gòu)建技術(shù)開展研究。因此，本文針對河套灌區(qū)特有的氣候、水文、地質(zhì)及灌溉排水工程條件，對生態(tài)排水溝構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)開展研究，統(tǒng)籌安排各級農(nóng)田排水溝道的水利服務(wù)功能和生態(tài)服務(wù)功能，以實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益[6]。

4 河套灌區(qū)生態(tài)排水溝構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究

生態(tài)排水溝是在河套灌區(qū)傳統(tǒng)的土質(zhì)排水溝基礎(chǔ)上通過加設(shè)生態(tài)護(hù)坡、增設(shè)控制性建筑物等措施改建而成的，由工程部分和植物部分組成。生態(tài)排水溝斷面結(jié)構(gòu)尺寸要滿足排水排鹽功能，邊坡構(gòu)筑材料和溝中種植植物要具備對農(nóng)田排水中攜帶顆粒物質(zhì)的沉淀、攔截和吸收功能，這就需要對生態(tài)排水溝斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邊坡構(gòu)筑材料、溝內(nèi)種植植物、排水溝上控制性建筑物等內(nèi)容開展選擇研究。

4.1 生態(tài)排水溝斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)各級溝道設(shè)計(jì)排水流量和控制地下水位要求確定生態(tài)排水溝斷面結(jié)構(gòu)型式選擇和設(shè)計(jì)參數(shù)。我國常見的排水溝道斷面結(jié)構(gòu)型式有梯形和復(fù)式斷面，河套灌區(qū)生態(tài)排水溝以原有土質(zhì)排水溝的斷面結(jié)構(gòu)型式為基礎(chǔ)，可以采用梯形斷面結(jié)構(gòu)或梯形復(fù)式斷面。

生態(tài)排水溝縱向比降主要取決于溝道級別、沿線地質(zhì)條件、地形條件、土壤條件以及上下級溝道及容泄區(qū)水位銜接條件，需滿足溝道運(yùn)行中斷面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及工程量較小等原則。

生態(tài)排水溝邊坡系數(shù)需滿足保持邊坡穩(wěn)定與排水通暢的要求。由于排水溝中土壤水、地下水匯入時(shí)有一定的滲透壓力，坡面徑流沖刷和溝內(nèi)水流動時(shí)有沖蝕作用，溝坡容易坍塌淤積，所以排水溝邊坡通常較灌溉渠道邊坡為緩。土質(zhì)排水溝邊坡系數(shù)主要與排水溝土質(zhì)、溝深及地下水位有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)可參考《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50288—2018）選用。另外，還需要結(jié)合邊坡構(gòu)筑材料的力學(xué)特性、排水溝道規(guī)模通過邊坡穩(wěn)定分析來確定。

4.2 生態(tài)排水溝邊坡構(gòu)筑材料選擇

河套灌區(qū)地處季節(jié)性凍土地區(qū)，灌區(qū)特有的秋澆灌溉制度造成冰凍期地下水位較高，渠、溝等水工建筑物冬季凍脹破壞嚴(yán)重，因此，在河套灌區(qū)構(gòu)建生態(tài)排水溝首先需要保持?jǐn)嗝娼Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定、工程耐久性良好。另外，生態(tài)排水溝中還要有良好的植被條件才能吸收、降解農(nóng)田排水中的氮磷等污染物。這就需要在原有的土質(zhì)排水溝溝道邊坡兩側(cè)鋪設(shè)可透水且具有一定力學(xué)強(qiáng)度、抗凍性良好的邊坡防護(hù)材料。邊坡防護(hù)構(gòu)造要同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、工程耐久性，農(nóng)田排水暢通性并能夠?yàn)橹参?、微生物提供適合的生長環(huán)境。

生態(tài)排水溝是在原有土質(zhì)排水溝基礎(chǔ)上加設(shè)生態(tài)護(hù)坡建成的，現(xiàn)階段國內(nèi)外的生態(tài)護(hù)坡常分為單純植物護(hù)坡和植物工程復(fù)合護(hù)坡兩大類。單純植物護(hù)坡技術(shù)在河套灌區(qū)生態(tài)排水溝特殊的工作條件下難以保證其穩(wěn)定性和耐久性，植物工程復(fù)合技術(shù)的核心是通過人造土工材料構(gòu)造植被生長所需環(huán)境并與成型的植被結(jié)合，形成具有抗破壞能力強(qiáng)并且適合植被生長的坡面，在不影響排水溝排水排鹽功能條件下通過工程技術(shù)保證溝道的穩(wěn)定性[7]。

在內(nèi)蒙古臨河黃河濕地公園多藍(lán)湖西側(cè)現(xiàn)場開展生態(tài)排水溝構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)及凈化農(nóng)田排水試驗(yàn)研究。采用多孔生態(tài)混凝土、石膏基質(zhì)固化土、蜂巢格室系統(tǒng)三種邊坡構(gòu)筑材料分別修建50 m生態(tài)排水溝，與傳統(tǒng)的土質(zhì)排水溝開展對照實(shí)驗(yàn)，篩選出一種適合在河套灌區(qū)生態(tài)排水溝應(yīng)用的新型植物工程復(fù)合技術(shù)。

多孔生態(tài)混凝土作為護(hù)坡材料，繼承了傳統(tǒng)剛性防護(hù)材料的優(yōu)點(diǎn)，施工技術(shù)成熟。石膏基質(zhì)固化土是將適量的石膏基質(zhì)固化劑按比例摻入土中，經(jīng)攪拌、壓實(shí)、形成水穩(wěn)性好、密實(shí)泥化的固化土層，采用人工打孔保證排水的暢通性。蜂巢格室邊坡防護(hù)系統(tǒng)則由固土種植基與蜂巢格室兩部分組成?？紤]到排水溝要接納由邊坡土壤入滲的農(nóng)田排水，為避免土壤水?dāng)y帶泥沙進(jìn)入排水溝，造成溝道坍塌、淤積，試驗(yàn)段采用聚丙烯長絲無紡?fù)凉げ甲鰹樾滦凸掏练N植基材料，在排水溝坡面和溝底鋪設(shè)聚丙烯長絲土工布作為反濾層，聚丙烯長絲土工布強(qiáng)度高，伸長率大，頂破、撕破強(qiáng)度高，具有天然的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的物理機(jī)械性能，使其在工程工藝上有著排水、隔離、加筋、防護(hù)、過濾、排水、緩沖、養(yǎng)護(hù)等功能，能夠在河套灌區(qū)農(nóng)田排水高鹽堿、高礦化度、冬季溝體土壤凍脹破壞嚴(yán)重的條件下持續(xù)工作，滿足工程耐久性要求。另外，這種材料具有特殊的多孔結(jié)構(gòu)兼具透水、透氣性能，可生長植物又可作為微生物載體。高分子蜂巢格室作為主體結(jié)構(gòu)固定于固土種植基上，具備普通土工格室特點(diǎn)的同時(shí)又進(jìn)行了新的優(yōu)化，其內(nèi)部構(gòu)成穩(wěn)定的導(dǎo)流空腔結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)排水和種植植物的功能，同時(shí)又具有良好的固土、抗沖蝕特性[8]。

兩年的觀測和對比研究發(fā)現(xiàn)，多孔生態(tài)混凝土、石膏基質(zhì)固化土兩種材料構(gòu)筑的試驗(yàn)段均破壞嚴(yán)重，溝道邊坡開裂、坍塌、滑坡現(xiàn)象均有發(fā)生，難以滿足穩(wěn)定性和耐久性要求。主要原因是為滿足排水和種植植物要求，對材料的孔隙率要求比較高，導(dǎo)致材料達(dá)不到河套灌區(qū)水工建筑物材料要求的力學(xué)指標(biāo)和抗凍標(biāo)號，排水溝邊坡土壤在冬季含水率較高，材料在低溫下結(jié)冰體積膨脹，當(dāng)這種作用引起的應(yīng)力超過材料強(qiáng)度時(shí)就會使坡表面產(chǎn)生一定數(shù)量的小裂縫，再經(jīng)過數(shù)次的周期性凍融循環(huán)，裂縫不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致邊坡表面產(chǎn)生隆起開裂、剝蝕、坍塌。而采用固土種植基與蜂巢格室組合系統(tǒng)構(gòu)筑的生態(tài)排水邊坡防護(hù)系統(tǒng)效果良好，實(shí)驗(yàn)中在蜂巢格室內(nèi)添加了種植土，并種植了適應(yīng)河套灌區(qū)氣候條件、水質(zhì)條件且氮、磷吸附作用較強(qiáng)的植物。結(jié)果表明，植物淺根在蜂巢格室表層土體內(nèi)縱橫交錯(cuò)，起到了加筋的作用，整個(gè)防護(hù)層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨著植被的生長而逐漸加強(qiáng)[8]，而且固土種植基和植物根系形成對坡面的整體橫向連接和覆蓋，避免了在排水流量比較大、排水溝土質(zhì)較差段邊坡發(fā)生流土、管涌等水力破壞現(xiàn)象。該種結(jié)構(gòu)不僅能滿足生態(tài)排水溝斷面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和工程耐久性，而且完全滿足了排水排鹽、種植植物、附著微生物等功能，為河套灌區(qū)生態(tài)排水溝構(gòu)建提供了一種新的技術(shù)路線。

4.3 生態(tài)排水溝的植物篩選

植物是生態(tài)排水溝中的重要部分，不僅可以防止水土流失，還可吸收水中的氮、磷等污染物。要在河套灌區(qū)推廣應(yīng)用生態(tài)排水溝，需要篩選在邊坡構(gòu)筑材料的透水孔洞內(nèi)栽種成活容易，吸收氮、磷、農(nóng)藥等污染物效果好且不太阻水的植物[9]。關(guān)于生態(tài)排水溝溝壁和溝底的植物配置，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，但不同于國內(nèi)其它地區(qū)的生態(tài)排水溝，河套灌區(qū)農(nóng)田排水鹽堿含量高、水質(zhì)差、排水溝邊坡土壤鹽堿化嚴(yán)重，需要在溝道兩側(cè)種植吸附氮、磷作用強(qiáng)，耐鹽堿且在水質(zhì)較差的排水溝內(nèi)能夠成活的植物。

根據(jù)河套灌區(qū)的地域特點(diǎn)，本次試驗(yàn)選擇了紫花苜蓿、三棱蒲、草木犀三種植物種植于生態(tài)排水溝試驗(yàn)段。結(jié)果表明，紫花苜蓿在固土種植基與蜂巢格室組成的邊坡防護(hù)系統(tǒng)中生長速度最快，三棱蒲、草木犀生長速度則較慢。紫花苜蓿為多年生草本植物，富含蛋白質(zhì)和多種氨基酸、維生素，適口性好，生長速度快，每年可收割多次，單位面積營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)量高[9]，屬于畜禽養(yǎng)殖較為常見的優(yōu)質(zhì)飼料。紫花苜蓿作為優(yōu)質(zhì)牧草具有市場流通能力，可以避免排水溝中植物過度生長沒人收割，腐敗后落到溝底對農(nóng)田排水造成二次污染的情況發(fā)生，由于生飼動物可轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，還能適當(dāng)補(bǔ)貼工程后期維護(hù)資金，因此，建議紫花苜蓿草可以作為河套灌區(qū)生態(tài)排水溝種植的優(yōu)勢植物（見圖1）。

4.4 生態(tài)排水溝控制性物選擇

生態(tài)排水溝不僅需要在滿足農(nóng)田排澇、防漬標(biāo)準(zhǔn)的前提下作為農(nóng)田多余土壤水或地下水的排水通道，還必須具有充分降解農(nóng)田排水中污染物的功能，這就需要在各級排水溝中修建排水閘、堰等控制水流的建筑物。

實(shí)驗(yàn)中在溝道中間隔一定距離設(shè)置一字平板閘門，起到蓄積農(nóng)田排水、調(diào)節(jié)適宜水位、延長農(nóng)田排水在溝道中停留時(shí)間的作用，既能為溝中植物生長提供充足養(yǎng)分，便于流水?dāng)y帶的顆粒物質(zhì)和養(yǎng)分等沉淀和降解，又能避免農(nóng)田排水?dāng)y帶有害物質(zhì)向區(qū)域水體自由排放，有效提升了生態(tài)排水溝的截污凈化能力。

5 建 議

針對河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重及農(nóng)田排水系統(tǒng)存在的諸多問題，建議綜合采用自然生態(tài)與人工強(qiáng)化的技術(shù)改造河套灌區(qū)傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)，增設(shè)由固土種植基與蜂巢格室兩部分組成的生態(tài)護(hù)坡及控制性建筑物構(gòu)建生態(tài)排水溝，并種植有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值且具有市場流通能力的植物，在生態(tài)溝內(nèi)形成有機(jī)物、植物、微生物之間的生物鏈[10]，利用攔截、阻斷和降解技術(shù)對農(nóng)田退水中的氮、磷等污染物進(jìn)行深度處理與再凈化，基于河套灌區(qū)面廣量大的排水系統(tǒng)建立具有消納農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)的健康生態(tài)系統(tǒng)，為河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防治及烏梁素海水環(huán)境治理提供技術(shù)支撐。

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Ecological Drainage Ditch Construction Technology Based on the Reduction and Control of Agricultural Non-point Source Pollution in Hetao Irrigation District

XU Hongmei1，4，HUO Yizhen1，4，6，ZENG Xiang2，4，HU Zhen3，LI Shengyong1，4，GUO Fuqiang4，5

（1.Hetao University，Bayannur 015000，China；2. Changjiang River Scientiffic Research Institute，Wuhan 430000，China；3. Wuhan Huzhenyu Environmental Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China；4. Inner Mongolia Hetao Irrigation District Irrigation and Drainage? Engineering Technology Research Center，Bayannur 0150000，China；5. College of Desert Science and Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，Inner Mongolia 010000，China；6. Inner Mongolia Arge Life Science Co.，Ltd.，Ulanqab 011800，China）

Abstract：At present，the severity of agricultural surface source pollution in Hetao irrigation area is escalating，the eutrophication of the Wuliangsuhai Lake is intensifying and the water ecological environment is deteriorating. To address these problems，we suggest to make full use of the existing irrigation and drainage infrastructure in the Hetao irrigation area，and to build ecological drainage ditches as an extension of the traditional soil drainage ditches. Meanwhile，we conducted field tests? to study the environmental effects of various factors of the ecological drainage ditch，including cross-sectional structural type，cross-sectional design parameters，materials employed for slope construction，and plant species planted in the ecological ditch. The aim is to enhance the pollutant interception and purification capabilities of the drainage system in the Hetao irrigation area，thereby minimizing the discharge of pollutants into the Wuliangsuhai Lake from farmland drainage，and meanwhile reducing eutrophication levels. The research findings serve as a reference for the management of agricultural surface source pollution in the Hetao irrigation area.

Key words：Hetao Irrigation District；Wuliangsuhai Lake；farmland drainage；drainage ditch

收稿日期：2023-09-26

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2021CG0013）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（NJZY21190）；巴彥淖爾市科技計(jì)劃項(xiàng)目（K202014）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFHH0088）；烏梁素海流域山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)試點(diǎn)工程支持計(jì)劃項(xiàng)目（2019HYYSZX）；加強(qiáng)我國北方重要生態(tài)安全屏障建設(shè)研究專項(xiàng)（STAQZX202320）

作者簡介：徐紅梅，女，副教授，碩士，主要從事水環(huán)境治理技術(shù)研究。E-mail：372451694@qq.com

通信作者：霍軼珍，女，教授，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)及水環(huán)境治理工作。E-mail：805296445@qq.com