現代農業灌溉減排模式的建立與應用

王羽輝,謝三桃,駱克斌,3,閆志為,余　婷

(1.桂林理工大學環境科學與工程學院,廣西 桂林　541004; 2.安徽省水利水電勘測設計院,安徽 合肥　230088;

3.安徽省水資源利用與水環境保護工程技術研究中心,安徽 合肥　230088)

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現代農業灌溉減排模式的建立與應用

王羽輝1,2,謝三桃2,駱克斌2,3,閆志為1,余婷2

(1.桂林理工大學環境科學與工程學院,廣西 桂林541004; 2.安徽省水利水電勘測設計院,安徽 合肥230088;

3.安徽省水資源利用與水環境保護工程技術研究中心,安徽 合肥230088)

摘要：基于我國現代農業的經濟發展模式,參照國內外相關研究成果,分析了現代農業面源污染的產生原因及其特征。從“源頭控制、過程攔截、末端處理、灌溉回用、分區治理”等角度,提出了現代農業灌溉減排模式(MARIM)的構建方法,并通過環巢湖西北角的東大圩現代農業示范區工程進行實例驗證。結果表明:MARIM模式可使上、中、下圩尾水中TN、TP的含量分別減少88.2%、89.6%、80.6%和89.1%、88.4%、82.6%,對現代農業面源污染控制與農業尾水再生利用具有顯著的效果。

關鍵詞：現代農業面源污染;現代農業灌溉減排模式;生態攔截溝;灌溉回用

21世紀以來,隨著農業規模化生產發展,農業面源污染已威脅著地球大部分地表水環境,引起了世界各國的普遍關注。20世紀90年代,全球約30%～50%的地表水受到農業面源污染的影響[1]。而現代農業作為農業產業結構轉型的一種新型模式,其面源污染具有復雜性、隨機性、廣泛性等特點,控制難度很大。近年來,我國多數地區農業種植正由傳統農業向現代農業模式轉變,尤其是城鄉結合區域及城市經濟圈周邊[2]。以巢湖為例,截至2013年底,環湖周邊累計退出傳統種植面積20 267.7 hm2,新增蔬菜瓜果面積7 200.4 hm2、苗木花卉面積1 733.4 hm2、生態林面積11 333.9 hm2、水生蔬菜面積2 733.5 hm2,據統計,若不采取有效面源污染防治措施,每年將新增TN 190.9 t、TP 51.8 t入湖污染負荷[3]。

當前,我國農村部分地區改革處于一個混沌期,由于產業結構主體錯位、經濟利益不均衡、管理機制不到位等原因,農業產業結構在調整過程中,仍存在諸多方面的問題,其中現代農業面源污染問題尤為突出。多元化農業產業結構模式造成農田灌排水體系紊亂、污染物成分復雜、農業尾水污染無序排放等現象,導致周邊河湖水環境日趨惡化。基于此,本文在分析我國現代農業面源污染形勢下,探討現代農業面源污染的構成及其特點,提出現代農業灌溉減排模式理論及其技術方法,以期為現代農業面源污染治理提供技術指導與參考。

1現代農業面源污染特征及問題識別

1.1　現代農業面源污染的特點

現代農業面源污染是指在現代農業產業區內,不同農作物田間的顆粒、氮、磷、農藥及其他有機或無機污染物質,畜禽糞便,水產養殖以及鄉村生活與旅游污染源等,在降水或灌溉過程中,通過區域地表徑流、農田排水或地下滲漏,大量污染物質進入水體,造成的地表水和地下水的污染[4]。

一般研究認為,面源污染主要特征是以擴散的方式發生,時斷時續,絕大部分與氣象水文有關,在進入地表水之前,發生在大面積的土地上[5]。通常情況下,污染源難以或無法跟蹤,不能在發生之處進行監測,即面源具有發生時間、發生源、污染物濃度3個不確定因素[6]。與點源污染相比,面源污染的時空范圍更廣,不確定性更大,污染成分與過程更復雜[7]。

現代農業是一種集約化農業產業模式,其面源污染不僅具有傳統農業面源污染典型特征,同時還有一些自身的特點,主要表現為[8-10]:①由于現代農業種植結構的不同,面源污染時空分布不均勻;②由于產業結構的多元化,面源污染成分較為復雜;③受集約化和市場化的利益驅動,經濟作物的化肥、農藥過量使用,面源污染物質濃度超標嚴重。

1.2　現代農業面源污染防治問題識別

目前,針對現代農業面源污染的防治,國內外的系統研究較為缺乏。而對于傳統農業面源的治理,相關學者開展了大量的研究工作,如:WRSIS系統、“減源-攔截-修復”(3R)理論、“四道防線”工程體系等[11-14],為現代農業面源污染控制提供一定的理論指導和技術支撐。但這些研究成果多是基于農業種植結構與污染類型相對單一的前提下進行探討的,技術的應用推廣存在一定的局限性,不完全適應于現代農業面源污染的治理。針對現代農業面源時空分布不均、污染成分復雜、污染負荷過大的自身特點,需結合前人的研究,對現代農業面源進行分類分區,探索一套新型的現代農業面源污染防治系統。

2現代農業灌溉減排模式

2.1　基本概念與內涵

現代農業面源污染控制是一項復雜的系統工程,基于國內外對農業面源污染控制的研究成果,針對我國現代農業產排污特點、工程技術條件及區域社會經濟發展需求等,筆者提出一套“現代農業灌溉減排模式”(modern agricultural reduction irrigation model, MARIM),該模式是以“源頭控制,過程攔截,末端處理,灌溉回用,分區治理”為指導思想,將區域不同種植與產業結構的單元排水,按照污染物類型進行分區收集,導入周邊的生態溝,分別匯入末端人工濕地,經濕地凈化、調蓄后,再用于農業灌溉。各單元分區系統相統一,形成完整的現代農業灌溉減排模式(圖1)。

2.2　工作原理

MARIM模式是在消化、吸收和改進WRSIS系統經驗的基礎上,提出的一套切合我國現代農業面源污染治理的應用方案和設計方法。該模式主要包括3個子系統,即生態攔截溝子系統、人工濕地子系統、調蓄-灌溉子系統。其工作原理如下。

a. 源頭控制。現代農業面源污染產生的源頭主要來源于農作物施用的化肥農藥、畜禽糞便、水產養殖投放的餌料及鄉村旅游與農村生活污水等。控源是現代農業面源污染治理的根本,主要的工程和非工程措施包括:①優化調整現代農業種植結構,測土配方,科學施肥,減少農藥的施用,推行減氮、控磷、增鉀、緩釋肥等技術。在北方地區可采用“薄、淺、濕、曬”[15]節水灌溉方式,減少灌溉尾水的排放;②集中畜禽養殖散戶,分區形成規模化、無害化的養殖場,并對畜禽糞便進行合理化利用,為農作物提供有機肥。調整水產養殖結構,推行生態養魚模式,減少飼料的投放;③加強鄉村旅游產業的科學管理,建立游客服務中心,減少旅游產生的二次污染,對區域內農村居民點生活污水采取庭院式處理工藝進行分散處理,對固體廢棄物進行收集、轉運、集中處置等。

圖1　現代農業灌溉減排模式工作原理

b. 過程攔截。針對隨地表徑流或灌溉尾水遷移的污染物質,利用生態攔截和原位凈化的技術,消減污染物質的濃度或延長污染物質的遷移路徑,從而實現污染物遷移與擴散量的最小化。主要是在現有的溝渠塘堰基礎上,通過適當的工程措施,對田間草溝與灌/排水干溝進行生態化改造,形成兩級生態攔截,并利用生態溝周邊的塘堰對區間尾水進行原位生態凈化處理,形成“長藤結瓜”的處理模式,達到面源污染遷移過程攔截的效果。

c. 末端處理。過程攔截環節對農業面源污染物質去除能力有限,在此基礎上,仍需對其尾水進行深度處理。通常情況下,可利用系統末端的低洼地構建復合型人工濕地,根據不同區塊的面源污染特征,確定人工濕地的工藝與規模,將尾水引入人工濕地系統,通過濕地濾料和植物對污染物質進行吸收、降解,使現代農業尾水達標排放或再生利用。

d. 灌溉回用。經末端人工濕地凈化處理后的出水水質基本達到地表Ⅳ類標準,符合一般農作物灌溉用水的要求。為有效利用區域水資源,減少對下游河湖水體污染負荷總量的貢獻,需建立尾水灌溉回用系統。即在人工濕地出水處,構建生態調蓄塘,根據上下溝渠水系水位差,增設提升泵站,并結合現有的生態溝渠,形成灌排一體的循環體系。

e. 分區治理。系統建立過程中,結合當地農業種植結構,土地利用類型,灌排渠道分布等因素,在不破壞當地正常農業活動和盡量保證原有景觀格局的基礎上,進行合理規劃分區,形成區域內閉合完整系統單元,以不同區域單元系統串聯形成整體,以分區分塊處理并聯達到對區域農業面源污染的控制,塊區系統看似相同卻有所差異,可以針對小區域特點設置獨立控制及管護,對污染嚴重區塊系統中添加適當的工程控制措施,并設置水質或環境監測設備,對區塊的處理效果研究分析。

3MARIM在現代農業示范區的應用

巢湖是我國水污染重點防治的“三河三湖”之一,根據巢湖周邊地區氣象、地形、農業灌排系統及種植結構等特點,選取合肥市東大圩現代農業示范區應用MARIM模式具有一定的示范作用。

東大圩位于合肥市包河區大圩鎮東部,瀕臨巢湖的西北岸,占地面積約24 km2。區域屬北亞熱帶季風濕潤性氣候,多年平均降雨量為1 057.2 mm,適于多種農作物生長發育。該地區屬巢湖湖盆圩區,圩區內溝渠縱橫,水網密布,水面率達25.8%,其中南北向灌排干溝1條,東西向灌排干溝3條,將東大圩分為上、中、下圩3個部分,田間毛細草溝眾多。圩區地勢平坦,總體呈現北高南低,東西高中間低,地面高程分布在7.0～9.0 m之間,示范區布局見圖2。

3.1　源頭控制—優化種植結構

根據現代農業灌溉減排模式的設計理念,首先需進行源頭控制,主要從優化產業結構、推行測土施肥及節水減排等方面,并以政府層面加大宣傳力度,建立有效的獎懲機制。針對圩區上、中、下圩水系與地形的特點,在工程上示范區主要從調整圩區種植結構角度進行源頭控制,對一些高污染、高消耗的經濟作物種植結構進行調整(表1)。根據《第一次全國污染源普查—農業污染源肥料流失系數手冊》計算分析,示范區年農藥使用量減少10%～15%,化肥使用量減少15%～20%。

表1　示范區種植結構調整統計

注:示范區內現有的溝塘濕地未列入本次調整范疇。

圖2　東大圩現代農業灌溉減排系統平面布局

3.2　生態攔截溝系統

秉著“因地制宜,生物降解”的設計理念,根據現場地形及溝塘水系分布情況,盡量保留田間毛細草溝,重點對排灌溝渠采取生態化改造,溝渠斷面以維持現狀為主,常水位以上的兩側邊坡構建植被緩沖帶,以下的部分可采用蜂窩狀的預制塊進行襯砌,主要對坡面的污染物進行攔截。沿溝渠水流方向需設置一些生態攔水堰和攔截網箱[16],一方面控制相鄰區塊的水位,另一方面可通過網箱內填料對水體中營養物質進行吸附。水面上以種植水生植物為主,栽種面積按水面的30%來控制,水面較為開闊的區域可構建一些生態浮床,水生植物主要選用一些容易成活、吸收能力強的土著物種。設計共對53.5 km長田間草溝進行清基清障,將南北中心溝、上新埂與下新埂排水溝長約14.8 km的溝渠按照骨干生態攔截溝進行改造,構建生態浮床6 300 m2,控制閘2座(主要控制上、中、下圩溝渠水位),生態網箱8座。

表2　上、中、下圩雨季溝渠排水污染物參數值　mg/L

注:以上、中、下圩中心溝進行分段取樣。

現代農業面源污染物濃度主要受經濟作物施肥量及雨季降雨徑流量的影響,試驗對生態溝渠進行分段采樣,進行水質分析。上、中、下圩雨季溝渠排水污染物參數值見表2。溝渠作為自然生態系統中的一部分,本身具有土壤凈化功能,溝渠中水生植物根系周圍的微厭—好氧環境為反硝化脫氮提供必要條件,有效削減了污染物質。經過改造的生態溝渠較傳統溝渠,凈化效果有明顯提高,TN、NH3-N和TP平均削減率分別為47%、35%和49%,溝渠出水水質明顯好轉,同時由于受降雨影響,不同的降雨強度及歷時，徑流污水濃度差異很大,對污染物去除效果也有一些差異。

3.3　人工濕地凈化系統

人工濕地的規模與工藝主要由各農作物單元尾水排放量和污染物濃度決定。目前普遍使用“KA-ρ*”模型[17]來初步估算濕地面積,即

式中,A為所需人工濕地面積,hm2;Q為污水流量,m3/d;ρe為目標出水質量濃度,mg/L(地表Ⅴ類水質標準);ρi為進水質量濃度,mg/L(生態攔截溝末端出水水質);ρ*為背景質量濃度值,mg/L(地表Ⅳ類水質標準);k為一級反應速率常數,m/a。

由于現代農業區排水受各種植結構水肥管理方式、氣象條件等因素影響,且排水產生具有隨機性,因此按照現代農業灌溉排水標準采用“平均排除法”和“降雨-徑流”相關關系法[18]分別計算排水量,取兩者中的較大值作為設計排水流量,以TN和TP作為水質控制指標。根據圩內各片區農作物種植結構、多年平均降雨徑流量及污染物質濃度特征,并根據地形條件、擬選用濕地工藝及濕地運行管理費用等相關因素,綜合確定人工濕地面積。通過理論計算并結合場地實際情況,上圩、中圩、下圩構建的“潛流+表流”復合型人工濕地實際面積分別為21.1 hm2、12.9 hm2、11.1 hm2,由于示范區現狀用地受限,實際面積均比理論計算值小,中圩面積差值較為明顯,計算分析結果見表3。表流濕地主要是利用南淝河右側現有的塘洼濕地,對其進行功能化和生態化改造。

根據各片區農作物灌溉需求,結合表流濕地與圩內溝塘水系的調蓄容量及水力停留時間綜合分析,各片區“調蓄—灌溉”子系統的調蓄塘容積可消化在這些水系中統籌調配,該子系統需新建提升泵站2座,灌溉渠道生態改造8.3 km,控制涵閘3座。

通過復合人工濕地對污染物進水和出水質量濃

表3　上、中、下圩復合型人工濕地規模計算分析

表4　上、中、下圩復合型人工濕地凈化效果及去除率

表5　MARIM模式進出口TN、TP指標總量值及凈化效果

度(表4)監測顯示,人工濕地凈化系統對污染物質有一定的去除效果,上、中、下圩復合型人工濕地對于TN、NH3-N、TP去除效率的范圍分別在57.7%～76.3%、21.0%～26.9%、19.4%～37.3%。總體上來看,人工濕地對TN的去除效果明顯,對NH3-N的去除效果相對較差。就上、中、下圩復合型人工濕地凈化效果橫向比較來看,中圩對于污染物去除效果最低。分析認為,一方面中圩種植結構復雜,且經濟作物使用率高,污染物排放濃度較其他兩圩的大1～2倍;另一方面由于受用地面積的限制,中圩復合人工濕地凈化系統的實際面積未達到計算的理論值,后期在工程優化過程中可對其工藝進行適當調整,提高濕地的脫氮除磷效果。由表4可以看出,下圩污染物濃度相對較低,主要是其種植結構比較簡單,且多為生態林與藕塘,經濕地處理基本上能達到地表水Ⅳ標準。

3.4　MARIM應用效果評價

根據水量平衡計算結果與實測進出口水水質指標,上中下圩各主要排水節點、生態溝、復合人工濕地和典型塘堰進出口處TN、TP指標值總量及凈化效果如表5所示。

表5數據表明在東大圩現代農業示范區,生態攔截溝與復合型人工濕地對農作物尾水具有明顯的凈化效果,MARIM模式使上、中、下圩尾水中TN、TP的含量分別減少88.2%、89.6%、80.6%和89.1%、88.4%、82.6%。據統計,每年可消減入河TN和TP總量分別為26.5t/a、3.1t/a。上、中圩與下圩處理效果產生差異的原因主要是由于各片區農作物種植結構不同。

相比較楊林章等[10]結合太湖地區實際情況提出的生態攔截型溝渠系統, 它主要由工程部分和植物部分組成,能減緩流速,促進流水攜帶顆粒物質的沉淀,有利于構建植物對溝壁、水體和溝底中逸出養分的立體式吸收和攔截,實現對農田排出養分的控制。溝渠系統對農田徑流中TN、TP的去除效果分別達到48.1%和40.2%。而MARIM模式在此基礎上,增加了末端復合人工濕地子系統,將TN、TP的去除效果均提高40%以上,同時利用調蓄濕塘,進行灌溉回用,從而減少污染物對外河的排放。

4結語

隨著我國社會主義新農村建設步伐的加快,農村土地流轉與農業集約化生產已成為農村改革的一個重大方向,而現代農業面源污染是導致城鎮河湖水體富營養化最主要誘因之一,進行現代農業面源污染控制工程建設已經成為我國地表水環境保護工作的當務之急。根據現代農業面源污染的特點,提出以處理面源為主的脫氮除磷目標,構建了現代農業灌溉減排模式,通過產業結構調整與測土施肥等政府引導方式進行源頭控制、過程削減的生態溝渠沿程凈化,末端強化凈化的復合人工濕地構建和尾水凈化處理后灌溉回用,有效削減了排放到外河的污染負荷,污染物總去除率達到了80%以上,系統末端出水水質得到顯著改善,基本達到地表水Ⅳ類標準。

MARIM模式以“源頭控制、過程攔截、末端處理、灌溉回用、分區治理”理論為指導,在綜合利用國內外先進的農業面源污染控制技術的基礎上,重點從現代農業面源的識別和歸類出發,分區采取污染處理措施,并通過農業尾水凈化處理后再生利用,最終實現現代農業生態系統的良性循環與健康發展,為區域社會經濟可持續發展與生態環境改善提供資源保障。MARIM模式實施后的維護管理非常關鍵,政府部門須主導建立相應的運管機制,確保系統的長效運行。

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Establishment and application of modern agricultural irrigation reduction model

WANG Yuhui1,2, XIE Santao2, LUO Kebin2,3, YAN Zhiwei1,YU Ting2

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China;

2.AnhuiSurveyandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Hefei230088,China;

3.AnhuiEngineeringTechnologyResearchCenterofWaterResourcesUtilizationand

WaterEnvironmentalProtection,Hefei230088,China)

Abstract：Based on the development pattern of modern agriculture in China, referring to relevant research conclusions from home and abroad, the cause and characteristic of modern agricultural non-point source pollution are analyzed. From the angles of “controlling at source, intercepting at process, disposing at end, recycling for irrigation, partition management”, the construction method of modern agricultural irrigation reduction model (MARIM) is proposed. Moreover, an engineering example of Dongdawei modern agricultural demonstration zone around Chaohu Lake is observed to validating the system. The results indicate that the content of TN and TP in the tail water near top, middle and bottom of the dam is reduced by 88.2%, 89.6%, 80.6% and 88.2%, 88.4%, 82.6%, respectively, which is highly efficient in controlling modern agricultural non-point source pollution and reusing agriculture tail water.

Key words：modern agricultural non-point source pollution; modern agricultural irrigation reduction model; ecological ditch with interception function; irrigation reuse

(收稿日期：2015-06-17編輯：徐娟)

中圖分類號：X506;S274.3

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0161-06

作者簡介:王羽輝(1990—),男,碩士研究生,研究方向為水利與農業面源污染防治。E-mail:391516635@qq.com通信作者:謝三桃,高級工程師。E-mail:416946371@qq.com

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.028