水田聯動控制在面源污染防治工程中的研究

許高鵬，唐 浩

（1.中國電建集團裝備研究院有限公司，上海 200010；2.上海市環境科學研究院，上海 200010）

崇明區作為上海市主要的蔬菜糧食生產基地，隨著崇明區水污染防治工作的開展，其點源污染問題得到了基本控制，但因化肥農藥的使用以及雨天徑流沖刷等影響，農業面源的問題逐漸凸顯。本文以解決崇明區米新村農業面源污染等問題為主要目標，通過建設多級生態攔截水田聯動的示范項目，研究示范工程對農田退水中氮磷的去除效果。

1 項目概況

示范工程位于上海市崇明區向化鎮米新村某果蔬專業合作社內，該試點主要的污染物為面源污染，大量污染物進入周邊的泯溝內造成營養化程度較高，形成水質較差的突出問題。

示范工程主要治理措施流程如下：雨天攜帶泥沙的氮磷經過農田內最前端的沉砂池，截留大量的泥沙后，進入生態排水溝渠。隨后出水進入河道緩沖帶的植被（蘆葦、香蒲、茭白）。河道內主要采用沉水植物、挺水植物以及水生生物構建食物鏈的生物操縱技術對尾水進一步凈化。

2 水田聯動面源污染防治工藝流程說明

水田聯動面源污染控制系統工藝流程如圖1所示.

圖1 水田聯動面源控制工藝流程圖

（1）集水口：示范項目所處區塊主要以旱地作物種植為主，用于收集雨天徑流后的農田尾水，防止其無序匯入周邊水體內。

（2）沉砂池：初期雨水經過農田地表沖刷后攜帶大量泥沙匯入水體，在集水口后側設置沉砂池，能夠起到滯留、沉淀大量泥沙等作用，同時池體出水側密布種植美人蕉等水生植物，進一步起到澄清過濾的作用。

（3）生態排水溝：生態排水溝采用“百葉窗”樣式的預制式混凝土砌塊結構，具有孔隙率高、透水性好、生態環保等優點，每片預制式混凝土砌塊結構厚度為15 cm，長度為15 cm，寬度為80 cm。板內種植黑麥草等耐受性較強的多年生禾本植物。同時其底部采用兩層濾料，常水位以上采用碎石填料15 cm，碎石粒徑0.5～2.5 cm，起到支撐植物生長等作用。常水位以下采用25 cm的沸石和火山巖混合濾料，混合比為4:6，粒徑2～8 cm。通過渠壁和渠底的耦合作用[1]，各種填料的強吸附作用快速降低氮磷的濃度，同時渠內種植的各種植物生長又能夠在吸收氮磷的同時與微生物等形成穩態的生境，共同作用降解污染物。

（4）植被緩沖帶：植被緩沖帶主要分布于農田周邊泯溝兩側，為陸域與水體的交匯區域，具有極強的水質凈化效果。設計時，以河道周邊1.5 m范圍內區域為實施對象，在進水前段區域設置格柵，中段種植挺水植物，以美人蕉和鳶尾為主，用于進一步過濾、攔截生態排水溝凈化后的農田排水。吳詩杰等研究表明[2]，美人蕉和鳶尾等水生植物根系發達，對于吸收、利用水體中的無機磷等具有高效的作用。

（5）河道水生態構建：河道水生態構建主要采用沉水性植物與水生生物構建生境的方式凈化水質。崇明農田泯溝的河道常水位常年較低，在1.5 m以下，因此選用的沉水性植物主要采用矮化苦草、黑藻、金魚藻，種植比例占河道面積的45%，三種沉水植物的種植比例為7:1.5:1.5，種植密度為15～25 單株/ m2，3～5 株/叢，種植采用扦插的方式，基質采用當地的泥土。

3 工程運行效果

向化鎮米新村的田聯動面源污染控制示范項目投入運行后，于2019年1～12月分別對各單元進出口處的水質進行定期檢測，每月監測1次，經過持續跟蹤后的水質監測結果如表1。

由表1可知，農田尾水中總氮濃度較高，氨氮濃度相對較低，這主要是與種植區域施肥類型和種植方式有關，這與張燕[3]在研究中具有類似的結果，農田尾水中TP的水平變化呈現先逐漸上升后下降的趨勢，與當地施肥、打藥呈現正相關性。

同時與示范項目中農田尾水處理的總體效果進行對比，夏季水田聯動組合工藝對總氮、總磷和氨氮的去除率分別為65.47%、75.23%和93.98%，冬季水田聯動組合工藝對總氮、總磷和氨氮的去除率分別為35.73%、55.53%和65.56%。即夏季系統的處理效果總體優于冬季，這主要是因為夏季各種生物生長代謝能力較強，需要大量的營養物質維持其代謝水平的原因。經過分析對比可知各單元去除氮磷的能力大小為：河道水生態構建＞生態排水溝＞植被緩沖帶＞沉淀池，這可能是因為對于水田聯動組合工藝中，河道水生態構建的區域及水體停留時間最長，生態排水溝和植被緩沖帶在基質填料等方面的選用類似，但停留時間不同也導致各自的去除效果有顯著差異。

此外總氮的去除在時間和空間上變化有顯著差異，主要表現為在11月～次年3月份之間總氮去除效率急劇下降，5月份后又逐漸恢復，這可能是因為總氮的去除與溫度具有極大的相關性。李先會[4]等在耐寒植物根際土壤的氮轉化強度進行研究時具有類似的結果。

綜上所述，水田聯動方式處理農田生態尾水的方式，對污染物的去除率滿足要求，且夏季農田尾水中污染物濃度的去除效果優于冬季，整體上達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的III類水質標準要求，對崇明地區的農業面源污染控制具有較好的效果。

4 結論

（1）水田聯動方式處理農田生態尾水的技術措施，對氮、磷的去除主要以排水溝渠和填料之間的吸附沉積作用以及各處理單元形成植物-微生物系統為主，當水力停留時間越長，水體污染物與各單元系統接觸越充分，則去除效果就越好。

表1 示范項目各單元進出水水質分析表

（2）河道水生態構建系統對于尾水中污染物去除貢獻率最大，但當進水工況不能滿足要求時，如透明度不高，氨氮濃度過高時，去除率反而下降。植被緩沖帶和生態排水溝處理單元對于污染物的去除主要取決于停留時間長短。

（3）水田聯動方式處理對農業面源污染具有良好的處理效果，針對農田尾水為劣Ⅴ類的工況，經過多種技術措施組合，植物-微生物之間形成生境，同時在填料之間的物理吸附等多重作用方式下，可使出水水質穩定達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類水的指標要求。同時該工藝具有占地小、投入少、效率高等特點，適用于我國長三角地區農業面源污染治理，具有一定的推廣價值。