農田溝渠濕地面積計算方法研究

徐 球

(南京市水利工程建設管理中心，南京210004)

農田排水溝渠系統一般包括田間出水溝渠、田間匯水溝渠以及附帶的一些水塘和季節性小河流，其作為農田生態系統的重要組成部分，具備有排水和濕地系統的雙重功效[1]。隨著非點源污染的加劇以及流域水資源的短缺，農田排水溝渠作為農田流失氮、磷進入收納水體前的運輸通道，其對農業非點源污染控制作用的研究越來越受到重視。

影響溝渠濕地去除氮、磷的因素包括農田溝渠淹水程度，水生植物，季節、溫度，溝渠面積，溝渠底泥的類型等。在用地日益緊張的形勢下，溝渠濕地方案設計越來越重視濕地面積計算的科學合理性，在實現溝渠濕地效應的同時能夠做到保護和合理利用土地。

農田排水溝渠相當于農田溝渠濕地系統，它可以是天然的濕地，也可以是人工濕地的一個實際應用。目前國內對人工濕地面積計算研究比較多，但對農田溝渠濕地面積計算研究相對較少。劉文祥[2]對人工濕地在農業面源污染控制中的應用研究中提出，年降雨量在800～1 100 mm地區，濕地面積約為控制面積的1%，降水量小，濕地面積減少，降水量大，濕地面積增加；胡浩云[3]等在實例研究中提出人工溝渠濕地水面積與受控面積配比模型。本文在借鑒學習熊家晴[4]等根據質量守恒定律提出雨水處理自然流人工濕地面積計算方法基礎上，結合溝渠濕地具體特性對計算參數進行分析，提出適合溝渠濕地面積的計算方法。

1 溝渠濕地面積計算的理論基礎

由于有充沛的降雨和適宜的氣候條件，農田排水溝渠內周期性地生長著濃密的水生植物、底層會被周期性淹沒同時含有提供生物生長的底泥，作為農田與水體之間的一個過渡帶，能夠通過土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用，降低進入地表水中的氮、磷化合物的含量。這樣一個濕地系統可以看作是人工濕地的一個實際應用。

研究溝渠濕地面積計算時發現，人工濕地面積計算常用的經驗公式法在運用過程中遇到設計參數難以合理選取，且由于自然環境條件、污染物濃度等差異，計算結果與工程實際有較大出入。熊家晴等在分析雨水處理自然流人工濕地理論時指出,大面積濕地基質更換很難實現，而從可持續的觀點來看，氮磷的去除主要通過水生植物的收割來實現，為了充分保證氮磷的去除率，根據物質平衡原理確定水生植物的種植面積具有一定的科學合理性，即根據進、出水量和氮磷含量的差值確定水生植物需吸收的營養物的量，由營養物量與水生植物生物量的增值的比例關系確定植物的種植量，其面積可按式(1)計算。

(1)

式中：As為人工濕地床表面積，m2；Q1為年進水量，m3/a；Ce為系統入口處的污染物濃度，mg/L；Co為系統出口處的污染物濃度，mg/L；M為植物生長率，t/(hm2·a)；α為組織的氮(或磷)含量(干重)，g/kg；β為植物含水率。

溝渠濕地氮磷污染物截留與去除機理與自然流人工濕地相似，且大面積溝渠濕地基質更換也很難實現，需要通過對渠內水生植物及時回收以減少二次污染，氮磷的去除可以由水生植物需吸收的營養物的量來反映。因此，結合公式(1)分析得出溝渠濕地面積計算可表示為溝渠濕地污染負荷與溝渠水生植物生物量的增值比例，即：

(2)

式中：Ac為溝渠濕地面積，m2；W為溝渠濕地受納的年氮(或磷)負荷，kg/a；L為水生植物年生物量增量，kg/(m2·a)。

2 溝渠濕地設計參數分析

公式(1)中濕地年進水量及系統進出口的污染物濃度是計算模型的關鍵設計參數。然而由于農業非點源污染遷移規律的特殊性，即農田氮磷遷移受到降雨徑流、灌溉制度、施肥量、施肥時間等因素影響，存在一定的時間和空間分布特征，簡單地選取年平均溝渠排水量或溝渠濕地進出口年平均污染物濃度值代入公式計算，不能真正反映溝渠濕地對農業污染物凈化過程，且濕地面積計算可能與工程實際不符。因此需要對公式(1)中主要參數進行分析和優化。

2.1 溝渠濕地污染負荷計算

研究表明，農業面源氮素負荷量隨年降水量和灌溉量增加而增大。因此，在討論溝渠年進水量時不僅考慮溝渠濕地受控面積的降雨徑流與污染物濃度關系，還應分析灌溉對污染負荷的影響。

(1)降水-徑流影響。降水的年內分配不均導致徑流在年內分配不均勻，進入溝渠濕地的農田污染物濃度會因降雨量及降雨強度不同而變化，排出溝渠濕地的污染物濃度也會因為濕地水環境容量、濕地水生植物生長和微生物繁殖情況差異明顯。因此，根據研究區域多年降雨-徑流資料和排澇計算，得出溝渠濕地典型年內排水過程，則徑流量和由降雨-徑流形成的營養物累積量可以用式(3)、(4)表示。

Qi=10μPiF

(3)

Wr=∑ni=1(Cei-Coi)Qi/1 000T

(4)

式中：Qi為某次降雨形成的溝渠排水量，m3；Pi為形成徑流的次降雨量，mm；μ為徑流系數；F為溝渠濕地受控面積，hm2；Wr為年內由降雨-徑流形成的氮(磷)營養物累積量，kg/a；Cei、Coi分別對應形成Qi的時段內溝渠首、渠末氮(磷)平均濃度，mg/L；n為年內形成降雨徑流的次數；T為計算時段，取T=1 a。

(2)農田灌溉退水影響。農田退水量的多少直接影響著農田灌區污染物源強度大小。經過大量研究表明，退水量與灌溉量有顯著的相關關系。灌溉量較大時，田面水會溢過田埂進行排水，這種異常退水情況會改變正常退水量，使退水量增加，其中攜帶著農田中的農藥化肥及其他污染物量也隨之增加，這些退水排入河流中后，會影響受納水體中總氮、總磷的比負荷量。

因此，可以通過建立農田灌溉量與農業非點源污染負荷兩者的關系函數來定量分析兩者的相關性[5],見式(5)。

N=f(R)

(5)

式中：N為灌區輸出的農業非點源污染物負荷，kg/a；R為灌區灌溉量，萬m3。

根據水資源平衡原理，在灌區農作物不變情況下，降雨徑流不同的年份對應的農田灌溉量不同，灌溉退水量及其對農業非點源污染負荷的影響也不同。為了反映不同年份灌溉量(或不同灌溉強度)對農業非點源污染物負荷的影響程度，提出了灌溉影響因子,可用下式表示：

(6)

(3)溝渠濕地氮(磷)負荷。為簡單計算，本文在由降雨-徑流計算出溝渠濕地污染負荷的基礎上，借鑒灌溉影響因子的概念反映灌溉對污染物負荷的影響，溝渠濕地氮(磷)總負荷按式(7)計算。

W=γWr

(7)

式中：W為溝渠濕地受納的年氮(磷)負荷，kg/a；γ為灌溉影響因子；Wr為年內由降雨-徑流形成的氮(磷)營養物累積量，kg/a。

2.2 溝渠濕地植物選擇

不同的水生植物對污染物的凈化能力是不同的，姜翠玲[6]等在研究溝渠濕地對農業非點源污染物的凈化能力中發現，長江下游地區溝渠中自然生長的兩種主要挺水植物，蘆葦和茭草，能有效吸收營養成分，且茭草對非點源污染物的截留和凈化能力比蘆葦高，每年秋季蘆葦和茭草收割以后，可帶走463～515 kg/hm2的氮、127～149 kg/hm2的磷。因此，本文建議在長江下游溝渠濕地方案設計時可選取蘆葦和茭草作為主要納污凈化植物，主要計算參數見表1。

表1 蘆葦和茭草的氮、磷含量和生長率取值[6]Tab.1 Content of N,P and growth rate in phragmitescommunis and Zizania latifolia

對于選用多種水生植物進行搭配的溝渠濕地，可根據植物間不同的氮、磷含量及生長率進行折算，將單純蘆葦(或茭草)濕地面積折算成不同植物的配置面積。

3 溝渠濕地面積計算

溝渠濕地面積計算表示為溝渠濕地年污染負荷與溝渠水生植物生物量的增值比例，結合公式(2)、(4)、(7)，得出溝渠濕地面積計算公式：

(8)

式中：Ac為溝渠濕地面積，m2；W為溝渠濕地受納的年氮(磷)負荷，kg/a；L為水生植物年生物量增量，kg/(m2·a)；γ為灌溉影響因子；Qi為某次降雨形成的溝渠排水量，m3；Cei、Coi分別對應形成 的時段內溝渠首、渠末水中氮(磷)平均濃度，mg/L；M為植物生長率，t/(hm2·a)；α為組織的氮(或磷)含量(干重)，g/kg；β為植物含水率；n為年內形成降雨徑流的次數；T為計算時段，取T=1 a。

4 結 語

農田溝渠濕地對農業非點源污染物有很好的凈化作用。根據研究地區水資源概況以及農業污染特性，進行溝渠濕地方案設計，其中濕地面積計算是影響濕地規模和濕地凈化效果的關鍵因素。經分析，本文優化得出溝渠濕地面積計算方法，但今后還需要在多方面進一步研究，如在缺少逐年灌溉面積與灌溉水量數據的情況下如何確定灌溉影響因子經驗值；結合目前農田徑流生態攔截溝渠塘建設的推行，如何結合原有溝渠濕地進行工程改造，濕地面積計算除了考慮對污染物的凈化效應，還需要考慮雨水調蓄、水資源利用等問題。

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[1] 徐紅燈.農田排水溝渠對流失氮磷的截留和去除效應[D].北京：北京化工大學，2007.

[2] 劉文祥.人工濕地在農業面源污染控制中的應用研究[J].環境科學研究，1997，10(4)：15-19.

[3] 胡浩云，高 巍，朱 磊，等.邯鄲地區建設溝渠濕地可行性研究[J].人民長江，2009，40(20)：76-78.

[4] 熊家晴，高延雄，劉 瑞.雨水處理自然流人工濕地面積計算方法[J/OL].中國科技論文在線，2010，5(7)：505-508.

[5] 李佳琪.農業灌溉退水環境影響評價方法及案例應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[6] 姜翠玲，崔廣柏，范曉秋，等.溝渠濕地對農業非點源污染物的凈化作用[J].環境科學，2004，25(2)：125-128.