寧夏引黃灌區(qū)典型排域農(nóng)田退水污染物時(shí)空變化規(guī)律研究

馬秀霞，仝炳偉，陸 陽(yáng)，王 樂(lè)

（寧夏水利科學(xué)研究院灌溉排水研究室,寧夏 銀川 750021）

0 引言

寧夏作為全國(guó)十大商品糧基地之一,擔(dān)負(fù)著穩(wěn)定區(qū)域糧食安全的任務(wù),對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義[1]。農(nóng)業(yè)作為寧夏的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[2],對(duì)全區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著關(guān)鍵作用,伴隨著區(qū)內(nèi)種養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,過(guò)量施用氮肥和不合理灌溉方式引起氮素流失[3-4],導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化[5-6],引發(fā)水生態(tài)、水安全等一系列問(wèn)題[7-8]。2020 年6 月,習(xí)總書(shū)記在寧夏視察時(shí)提出寧夏要努力建設(shè)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū),改善寧夏全區(qū)環(huán)境質(zhì)量對(duì)推進(jìn)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展、維護(hù)西北乃至全國(guó)生態(tài)安全至關(guān)重要[9]。因此掌握流域的污染負(fù)荷具有重要意義,河流污染物通量能直觀反映單位時(shí)間內(nèi)研究斷面以上流域的污染負(fù)荷總量,表征了流域污染物的產(chǎn)輸特征,是制定流域污染總量控制規(guī)劃及措施的基礎(chǔ)[10-11]。本文以寧夏引黃灌區(qū)第六排水溝排域?yàn)檠芯繉?duì)象,通過(guò)對(duì)溝道內(nèi)的水質(zhì)取樣監(jiān)測(cè),掌握溝道污染物時(shí)空變化規(guī)律,從而為灌區(qū)排水溝水環(huán)境治理提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

寧夏引黃灌區(qū)位于黃河上游下河沿——石嘴山兩水文站之間,沿黃河兩岸地形呈“J”型帶狀分布。總面積6573 m2,其中耕地面積22 萬(wàn)hm2,灌溉面積21 萬(wàn)hm2,以青銅峽水利樞紐為界,將其分割為上游的衛(wèi)寧灌區(qū)和下游的青銅峽灌區(qū)。本文選取引黃灌區(qū)第六排水干溝為研究對(duì)象,開(kāi)展第六排水溝排域干溝及主要支溝農(nóng)業(yè)種植氨氮污染負(fù)荷時(shí)空變化特征及其發(fā)展規(guī)律研究,以期為引黃灌區(qū)排水溝水環(huán)境治理提供支撐。

第六排水溝地處青銅峽河西灌區(qū)下游,始于寧夏平羅縣頭閘鎮(zhèn)邵家橋村,走向基本在昌潤(rùn)渠與昌滂渠之間,經(jīng)頭閘、靈沙和寶豐三鄉(xiāng)鎮(zhèn),并在寶豐鎮(zhèn)的馬家橋（農(nóng)場(chǎng)渠口以上）穿昌潤(rùn)渠與農(nóng)場(chǎng)渠平行,向北經(jīng)寧夏石嘴山市惠農(nóng)區(qū)廟臺(tái)鄉(xiāng)在樂(lè)土嶺子以下入五排。全長(zhǎng)28.71 km,平羅段長(zhǎng)19.7 km?？刂婆潘娣e1.3 萬(wàn)hm2,其中平羅段0.54 萬(wàn)hm2,平、惠交界處設(shè)計(jì)流量為3.42 m3/s。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

在第六排水溝選取4 個(gè)典型控制斷面（見(jiàn)圖1）,對(duì)典型斷面的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。排水溝水樣采集時(shí)間跨度為灌區(qū)頭水至冬灌結(jié)束；作物灌溉期每灌溉1 次需采集一次排水溝溝道水樣；作物全生育期采集水樣4 次～5 次；灌溉高峰期加測(cè)1次～2 次,春灌及冬灌加測(cè)1 次。取樣時(shí)在排水溝斷面水面以下1/3 處進(jìn)行采集,采集水樣位點(diǎn)距離排水溝岸邊2/4 和3/4處,分別各取一個(gè)水樣,每個(gè)水樣1 L。水樣若非當(dāng)天測(cè)試,置于冰柜中保存待測(cè)。

圖1 第六排水溝排域及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖2 第六排水溝主要控制斷面排水流量變化過(guò)程線(xiàn)

結(jié)合面源污染相關(guān)研究,本文選取了銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮和總磷四項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行研究。銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)法,硝態(tài)氮采用硝態(tài)氮酚二磺酸分光光度法,總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法,總磷采用鉬酸銨分光光度法[12-13]。

流量數(shù)據(jù)來(lái)源于當(dāng)?shù)厮木謱?shí)測(cè)值。

1.3 污染物通量計(jì)算方法

河流污染物通量指斷面在一定時(shí)間內(nèi)某種污染物的通過(guò)量,它可分為瞬時(shí)通量和時(shí)段通量[14-16]。本文采用時(shí)段通量計(jì)算通過(guò)第六排水溝各控制斷面的污染物,計(jì)算公式如下：

式中：WD為時(shí)段通量；Ci為瞬時(shí)濃度,mg/L；Qi為瞬時(shí)流量,m3/s；K 為估算時(shí)間段轉(zhuǎn)化系數(shù)；n 為估算時(shí)段內(nèi)樣品數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 第六排水溝排水量年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化特征

第六排水溝逐日流量過(guò)程線(xiàn)大致反映了第六排水溝排域內(nèi)灌區(qū)的灌溉規(guī)律,作為灌溉的后續(xù)水運(yùn)動(dòng)過(guò)程,排水過(guò)程與排域內(nèi)灌水過(guò)程具有很好的一致性,排水主要集中在灌水高峰期。年內(nèi)主要控制斷面流量過(guò)程呈現(xiàn)多峰特征：5 月～8 月（春夏灌期）,這一時(shí)期是灌區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)期,也是農(nóng)田灌溉期,灌溉、施肥等農(nóng)事活動(dòng)頻繁；由于整個(gè)排域作物種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜,農(nóng)田灌溉時(shí)段分散且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),因此第2 個(gè)峰形較為矮胖且退水過(guò)程具有明顯的滯后性；9 月～10 月,隨著灌區(qū)灌水期結(jié)束,這個(gè)排水溝幾乎無(wú)流量；10 月～11 月（冬灌期）由于冬灌僅為一次灌溉過(guò)程,灌溉歷時(shí)較短,且以大水漫灌為主,所以退水過(guò)程峰形尖瘦,而末端控制斷面的排水流量過(guò)程線(xiàn)出現(xiàn)兩個(gè)峰值,這是由于馬家橋至六排末端之間存在排水溝取水泵站取水的結(jié)果。

各控制斷面流量變化過(guò)程具體表現(xiàn)為：上游裕民控制斷面5 月～8 月出現(xiàn)兩個(gè)峰值第1 個(gè)峰值出現(xiàn)在6 月中旬,第2 個(gè)峰值出現(xiàn)在7 月下旬,由于該斷面處于第六排水溝上游,控制排域面積較小,斷面排水流量也較小,兩個(gè)峰值分別為0.081 m3/s 和0.099 m3/s；10 月～11 月斷面排水流量更小,排水流量過(guò)程線(xiàn)幾乎無(wú)變化。中游控制斷面靈沙和馬家橋的排水流量過(guò)程線(xiàn)基本一致,5 月～8 月出現(xiàn)兩個(gè)峰值,其中靈沙控制斷面的排水流量為最大0.348 m3/s,第一個(gè)峰形尖瘦,第2 個(gè)蜂形較為矮胖,這是由于整個(gè)排域農(nóng)田灌溉時(shí)段分散且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)所致；10 月～11 月出現(xiàn)一個(gè)峰值,峰值出現(xiàn)的最大控制斷面為馬家橋控制斷面峰值為0.344 m3/s。六排末端控制斷面的排水流量過(guò)程線(xiàn)6 月中旬～8 月底均低于上游馬家橋的排水流量過(guò)程線(xiàn),主要是排水溝沿途有多處取水泵從溝中取用水的結(jié)果。

2.2 第六排水溝排水質(zhì)年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

對(duì)比分析第六排水溝上下游控制斷面污染物濃度（見(jiàn)圖3）,水體中污染物濃度變化與徑流量的關(guān)系比較密切,呈現(xiàn)出一定的季節(jié)性變化,6 月份TN 濃度最大,且峰值早于流量峰值。各監(jiān)測(cè)斷面污染物隨時(shí)間持續(xù)表現(xiàn)出增大一減小一增大的趨勢(shì)。作物在種植前會(huì)施用大量的氮肥和磷肥作為底肥,5 月～6 月為作物的生長(zhǎng)期,為了增產(chǎn)還會(huì)進(jìn)行追肥,導(dǎo)致6 月份溝道內(nèi)水體中污染物濃度增大；7 月～8 月灌溉期,隨著農(nóng)田退水和降水對(duì)溝道內(nèi)污染物的稀釋和溝道內(nèi)植物吸收消解作用[16-17],污染物濃度減??；9 月灌區(qū)停止灌溉,排水量大幅減少,農(nóng)田流失的各類(lèi)污染物減少,溝道內(nèi)水體中污染物濃度減少；11 月由于冬灌以及水生植物枯萎腐爛,植物體內(nèi)氮磷等污染物釋放進(jìn)入水體和溝道底泥中,致使污染物濃度又上什。

圖3 六排各控制斷面污染物濃度的變化特征

上游裕民、靈沙和馬家橋三個(gè)控制斷面排水中TN 濃度在6 月12 日左右出現(xiàn)一次峰值,六排末端控制斷面TN 濃度峰值出現(xiàn)在7 月2 日,較上游時(shí)間有所延遲；6 月～7 月初所有斷面TN 濃度值均超過(guò)2 mg/L,均屬超Ⅴ類(lèi)水；7 月～9 月TN 濃度值在0.186 mg/L～0.984 mg/L 之間,屬于Ⅱ-Ⅳ類(lèi)水。

NO3--N 濃度在各斷面的峰值出現(xiàn)在7 月初,NH4+-N和TP 濃度變化過(guò)程比較相似,相同時(shí)間段上下游控制斷面NH4+-N 和TP 濃度差值不顯著,這與農(nóng)田灌水周期和施肥密切相關(guān)；NH4+-N 濃度值0.084 mg/L～1.236 mg/L 之間,屬于Ⅱ-Ⅳ類(lèi)水,TP 濃度0.005 mg/L～0.954 mg/L 之間。10 月～11 月,裕民控制斷面無(wú)流量,靈沙、馬家橋和六排末端斷面處NO3--N和TN 濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5 月～9 月的；靈沙、馬家橋斷面處NH4+-N 和TP 濃度變化特征的相似,濃度逐漸升高而后降低。

2.3 各控制斷面污染物通量變化特征

第六排水溝各控制斷面的污染物通量見(jiàn)圖4,其中TN 是排水溝排放量最大的污染物,其次是NO3--N,第三是NH4+-N,最后是TP。從上游裕民、靈沙、馬家橋至下游六排末端監(jiān)測(cè)段面的TN 和TP 年通量表現(xiàn)為逐步累積,但NO3--N 和NH4+-N 通量六排末端斷面較上游斷面馬家橋處有所降低,主要原因由于馬家橋至六排末端斷面之間存在溝水回灌農(nóng)田導(dǎo)致流速放緩,溝內(nèi)植物及溝底底泥吸收部分污染物[18]。

圖4 第六排水溝各控制斷面的污染物通量

6 月～8 月灌溉期各污染通量占年通量比例在70%以上,這是由于污染通量受污染物濃度和徑流影響,隨著農(nóng)田灌水、施肥增加最大值出現(xiàn)在7 月份。冬灌期六排末端控制斷面TP 月通量突然上升,這是由于灌溉期停水后,排水溝流量逐漸減少為零,但溝內(nèi)仍存留一定量的水,加之溝內(nèi)水生植物腐爛和生活污水及養(yǎng)殖滲漏的等磷含量比較高污水長(zhǎng)期滯留在溝內(nèi),隨著冬灌農(nóng)田排水增加,上游污水沖向下游,致使通過(guò)末端控制斷面總磷月通量的大幅增加。

3 結(jié)論

（1）第六排水溝排水流量過(guò)程與排域內(nèi)灌水過(guò)程具有很好的一致性,灌溉期農(nóng)田灌溉時(shí)段分散且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),這一時(shí)期第六排水溝年內(nèi)主要控制斷面流量過(guò)程呈現(xiàn)多峰特征；冬灌期僅有一次灌溉過(guò)程,灌溉歷時(shí)較短,且以大水漫灌為主,退水過(guò)程峰形尖瘦。

（2）水體中污染物濃度均表現(xiàn)出一定的季節(jié)性變化,第六排水溝上下游控制斷面污染物濃度的變化特征表現(xiàn)為各控制斷面排水中的TN 濃度在6 月中旬達(dá)到最大值,下游控制斷面TN 濃度的出現(xiàn)峰值時(shí)間較上游斷面有所延后；各斷面處NO3--N 濃度的峰值出現(xiàn)在7 月初,NH4+-N 和TP 濃度變化過(guò)程比較相似,相同時(shí)間上下游控制斷面NH4+-N 和TP 濃度差值不顯著,冬灌期（10 月～11 月）,裕民控制斷面無(wú)流量,靈沙、馬家橋和六排末端斷面處污染物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5 月～9 月。

（3）第六排水溝上下游各控制斷面TN 和TP 通量表現(xiàn)一致：從上游裕民、至下游六排末端斷逐漸增大,NH4+-N 和NO3--N 也從上游至下游表現(xiàn)為逐步增加,但末端斷面的通量較上游馬家橋斷面有所降低,主要原因是馬家橋至六排末端斷面之間溝內(nèi)存在取水泵站抽水灌溉以及流速放緩被溝底淤泥吸收。

（4）第六排水溝排放量最大的污染物是TN,其次是NO3--N,第三是NH4+-N,最后是TP,建議相關(guān)部門(mén)根據(jù)作物的目標(biāo)產(chǎn)量和土壤的供氮能力,確定氮肥的合理用量,并且合理掌握底肥、追肥比例及施用時(shí)期,并與灌溉、耕作等農(nóng)藝措施相結(jié)合,減少氮元素的流失。