生態溝渠水質凈化能力評估中濃度測定與通量測定方法的比較

李飛， 楊旭斌， 林澤銘

(1.浙江省農業農村現代化研究院，浙江 杭州 310012； 2.浙江農林大學 農業資源與環境學院，浙江 杭州 311300)

隨著我國人口的增加，糧食需求不斷增長。為了滿足對糧食日益增長的需求，以及獲得足夠的經濟效益，我國的農業生產規模在不斷地擴大，同時農業生產過程中化肥的施用量也在不斷地增加。化肥雖然是農業增產的重要手段，然而大量的化肥投入并沒有100%轉化為產量的增加。據統計，目前我國主要肥料的氮素利用率為30%～35%，磷素利用率為10%～25%，過量地施肥造成肥料利用率的嚴重降低[1]。而低利用率往往容易導致施用于農田的化肥中的氮磷養分大量流失，在降雨時隨地表徑流進入農田排水溝渠，再沿著溝渠遷移入江河湖泊中，造成嚴重的農業面源污染[2]。農田溝渠是農業面源污染進入水體的重要途徑。

改造農田溝渠為生態溝渠便是利用溝渠是農田與河塘湖庫之間水流“連通器”的優勢，通過在渠內建造透水壩、沉泥池、反硝化除磷裝置并在渠內種植水生植物，加強溝渠系統的生態攔截能力，實現通過底泥截留吸附、植物吸收與微生物降解轉化等多種途徑去除農田排水中的農業面源污染物質。因而，農田生態溝渠是強化農田溝渠凈化能力的農業面源污染治理技術，同時農田生態溝渠是一項“三分建、七分管”的系統工程，后期的運行管護比建設顯得更重要，要定期檢查并清除溝體內的雜草、外來入侵生物、淤積物、障礙物和廢棄物，養護溝岸坡蜜源作物；定期檢查溝坡有無松動、裂縫、破損、傾斜等現象，并及時進行修復處理；定期檢查溝內裝置，必要時進行沖洗、清泥、更換填料、油漆等維護工作；定期監測溝渠水質。不及時的維護便會造成水生植物瘋長，極易導致二次污染。及時的溝渠水質監測對于評估生態溝渠水質凈化能力與保證運維工作的及時進行有著至關重要的指導意義。通常對生態溝渠氮磷攔截效果的效果評價是通過溝渠沿程濃度變化來表征的[2-6]，王曉嶺等[5]研究了水稻不同生長期內的3場降雨徑流的氮磷去除效果，便是通過徑流產生期間每隔20 min計算溝渠出口相對于溝渠入口不同形態氮磷的濃度下降程度，獲取降雨初期、降雨中期與降雨后期的一系列攔截去除率；同樣地，胡宏祥等[7]監測了不同時間溝渠不同斷面水體的全氮全磷含量來評估水草攔截處理的作用，通過計算沿水流方面不同斷面全氮全磷的濃度下降幅度來表征水草攔截作用。表明利用濃度差進行生態溝渠攔截效率的評價是更為普遍、簡單的監測方法。

但是在水體污染評價中，通常采用通量表征污染量[8-9]，通量是污染物濃度與流量的乘積，表征的是通過某一橫截面積的污染物的量，既考慮了濃度的變化，又考慮了水體流量等特征的變化，對于流速時空差異較大的溝渠，是更為合理的選擇。劉福興等[10]研究了3種不同深度規格的生態溝渠在3種動態進水條件下對農業面源主要污染物的去除效果，根據當地農田尾水的氮磷濃度人為配置溝渠進水濃度，每2 d采集水樣，通過計算通量差來評估生態溝渠的污染物去除量。但是通量計算需要提供流速與溝渠橫截面積，會較大地增加監測工作量。流速的監測一般采用流量計測定法或者浮標法，流量計本身售價較高，而且流量計指針放置的位置對于流量的測定影響較大，當溝渠深度較大，存在表面流量與深層流量差異較大的情況，表面流量通常高于深層流量，單單監測表面流量會高估污染物通量；同時溝渠渠底、渠道與水流接觸的位置受到的摩擦力最大，流速也因此變慢，靠近渠邊的流量監測會導致低估污染物通量。流量測定的準確性將直接關系到通量計算的準確性，這對監測工作提出了更高的要求；而浮標法一般測定的是表面流速，適用于截面流速相差不大的情況。

浙江省自2018年起整省探索建設農田氮磷生態攔截溝渠系統，到2021年底，已建成農田氮磷生態攔截溝渠系統510條，溝渠系統總長度592 km、覆蓋農田面積2.4萬hm2，實現了全省范圍內適宜地區的推廣應用。農田氮磷生態攔截溝渠系統建設獲得了較好的社會反響，入選2018年度浙江省“五水共治”五大亮點工作并上報國家部委。2021年11月18日，浙江省委書記袁家軍在南湖區鳳橋鎮聯豐村詳細了解稻田退水“零直排”模式的具體做法及其投資規模，充分肯定了該模式，認為成本不高，效益好，值得全省推廣。為了更好地評價生態溝渠的凈化效果，本試驗在浙江省選擇了5條農田生態溝渠系統，測定溝渠首末端的濃度與通量，比較濃度差與通量差之間的相關關系，驗證通量測定是否是更為合理的測定方法。

1 材料與方法

1.1 采樣與測定

本次研究取樣與測定嚴格遵守《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002)，選取浙江省杭州市、嘉興市、湖州市、紹興市和金華市的5條生態溝渠，采取溝渠水樣進行監測并評估其對農業徑流氮磷等污染物的攔截凈化效果。

一般認為在降雨產生農田表面徑流進入溝渠時起到生態溝渠的攔截作用，因而降雨期間是監測溝渠凈化能力的關鍵時期。取樣時間選在降雨田間產生地表徑流排入溝渠的連續3 d。取樣生態溝渠保證渠段上游有農田徑流排水口，且有明顯水流流動且無支溝進排水。具體方法為：為考察污染物濃度的沿程變化，沿溝渠水流方向設置5個取水點(分別計為P1～P5，P2～P5與起始段(P1)間距離分別為50、100、150和200 m)，覆蓋溝渠進水口(農田排水出口)、水生植物和攔截轉化裝置。分別在每個取水點取一個塑料瓶體積(約300 mL)的水樣，連續3 d總計5次取樣(分別記為T1～T5)，水樣及時帶回實驗室進行水質指標的測定分析。取來的水樣當天須送回實驗室進行測定分析，若無法及時測定分析，需放入4 ℃冰柜避光、冷藏保存，并盡快測定分析。

此外為了計算各污染物通量，還需測定溝渠水流流速、取樣點橫截面積，本試驗采用浮標法進行流量計算，采用裝有少量水的瓶子，在瓶口上插小旗作為浮標，利用手表測定浮標通過相距一定距離的兩點的時間求出流速；并用皮尺測定溝渠深度與寬度以此計算橫截面積，并且文字記錄各個溝渠的水生植物生長情況與攔截凈化裝置情況。

1.2 分析方法

1.3 數據處理

各污染物的輸入量、去除量、去除率按下式進行計算：

Yin=Qin×Cin；

Yη=Yin-Qout×Cout；

式中：η為污染物的去除率；Yin和Yout分別為污染物輸入通量和污染物輸出通量(g·d-1)；Qin和Qout分別為測試溝渠起始段和末段流量(m3·d-1)；Cin和Cout分別為測試溝渠起始段和末段污染物濃度(mg·L-1)；Yη為污染物通量差(g·d-1)。

通過每條溝渠在5個取樣時間溝渠內起始段污染物濃度(通量)減去末段污染物濃度(通量)求得濃度差(通量差)，計算濃度差與通量差的相關性，比較兩者差異。

2 結果與分析

表1是取樣溝渠內P1～P5各點污染物濃度與通量的相關線性回歸方程，其中Y代表通量，C代表濃度，R2為決定系數，R2越接近于1即表示C與Y越具有相關性，一般認為R2大于0.8即有較強的相關性。

表1 溝渠各污染物濃度與通量的相關線性回歸方程

綜上，目前已有研究對于去除率的計算方式為去除量與初始量的比值，一般選用濃度的變化來作為去除率依據[2-6]，這種計算方法也更為簡單與直白，在實際采樣中不需要對流速與溝渠截面積進行觀測；但是對于溝渠寬度變化較大、水流速度變化較大的溝渠而言，濃度差與通量差之間的相關性較差，此時濃度的變化無法真實反映污染物的去除水平,而需要利用通量來評估生態溝渠的去除水平，可以對流入水體的污染物遷移、轉化過程有了直觀的反映，因為通量是濃度與流量的乘積，既考慮了濃度的變化，又考慮了水體流量等特征的變化。

在本試驗中，對于溝渠流速比較穩定的溝渠，如湖州、杭州、紹興、金華4條溝渠，其污染物濃度與通量之間的線性相關性均較強，完全可以用濃度差來代替通量差表征溝渠凈化效果，從而節省評估工作量；如果要從更為精確的監測考慮，則可以對污染程度較大且可溶性成分較多的成分利用通量差評估生態溝渠的攔截效果。

3 小結

通量差測定可以更好地反映溝渠污染物量的變化特征，同時對于溝渠流速比較穩定的溝渠，可以用濃度差測定來代替通量差測定，而對于污染程度較大且可溶性成分較多的污染物指標更適合利用通量差評估生態溝渠對其的攔截效果。