崇明區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理常用技術(shù)措施實(shí)踐與探討

施紅梅

(上海諾山工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海 200062)

1 項(xiàng)目背景

根據(jù)上海市政府制定出臺的《崇明世界級生態(tài)島發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，將崇明島定義為“世界級生態(tài)島”，“至2040年”，地表水水環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)率達(dá)到100%”。現(xiàn)狀生態(tài)環(huán)境指標(biāo)距離規(guī)劃目標(biāo)尚有差距，其中，水環(huán)境問題較為突出。崇明島現(xiàn)狀水環(huán)境潛在污染多，農(nóng)業(yè)COD排放量占60%，部分水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化，鎮(zhèn)村級河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)率僅為66.7%，氮、總磷濃度持續(xù)升高，因此，對農(nóng)業(yè)面源污染防控尤為重要，2018年，崇明區(qū)先行啟動(dòng)了三星鎮(zhèn)新安村595畝農(nóng)田的面源污染的防治工作，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉尾水出水水質(zhì)優(yōu)于進(jìn)水水質(zhì)，探索農(nóng)業(yè)面源污染防治新模式，起到技術(shù)示范與推廣作用。

2 項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染概況及存在的問題

(1)農(nóng)田面積大，水稻種植比例高

截至2018年，崇明區(qū)總灌溉面積98.38萬畝，占全市灌溉面積34.2%，其中水稻面積為30萬畝，約占農(nóng)田面積的30%。

(2)施肥量大，氮磷流失量高

上海地區(qū)農(nóng)業(yè)集約化程度高，截至2018年，化肥施用量高達(dá)600kg/hm2以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)達(dá)國家為防止水體污染而設(shè)置的225kg/hm2的安全標(biāo)準(zhǔn)。

(3)末端河網(wǎng)密集，水動(dòng)力條件差

截至2018年，島內(nèi)鎮(zhèn)級河道568余條，村級河道15326余條，占總長度比例94%。

(4)末端河道污染主要來源于農(nóng)業(yè)面源污染

崇明的農(nóng)業(yè)污染源污染物排放比重占到全島總排放量的60%以上。

(5)世界級生態(tài)島的建設(shè)，對崇明區(qū)河道水質(zhì)提出了更高的要求

上海市崇明區(qū)總體規(guī)劃中提出，至2040年，地表水水環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)率達(dá)到100%。

(6)崇明林地面積較大，為解決農(nóng)業(yè)面源污染提供了有效途徑

截至2018年，島域農(nóng)田面積78萬畝，林地面積58萬畝；田林比例達(dá)1.3∶1。

3 農(nóng)業(yè)面源污染治理常用技術(shù)分析

農(nóng)業(yè)面源污染治理主要從源頭控制、過程削減、末端治理及區(qū)域調(diào)控幾個(gè)方面進(jìn)行控制，幾種措施相互配合，常用技術(shù)分析如下。

3.1 農(nóng)業(yè)面源污染源頭控制技術(shù)

(1)化肥減量化。通過平衡施肥、適時(shí)施肥、多種施肥方式相結(jié)合、大力推廣緩釋肥料，盡可能的減少氮磷釋放量。

(2)節(jié)水灌溉。節(jié)水灌溉能有效防止污染物遷移，常見的節(jié)水灌溉措施有噴灌、滴灌等。

(3)農(nóng)田廢棄物資源化。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜禽廢棄物、農(nóng)民生活廢棄物等進(jìn)行資源化利用，如有機(jī)肥、甲烷等。

(4)農(nóng)藥減量化與控制技術(shù)，科學(xué)配比，控制農(nóng)藥使用量；采用太陽燈、性引誘劑等物理防控措施；下雨前不宜施藥、施藥后不宜排水；農(nóng)藥廢棄物不宜隨意亂棄。

3.2 農(nóng)田面源污染過程阻斷技術(shù)

(1)生態(tài)排水溝。水田排水溝采用植被生態(tài)溝或者生態(tài)砌塊溝，于溝內(nèi)種植水生植物，用于吸附農(nóng)田尾水中的氮磷等物質(zhì)。于排水溝出入口設(shè)置沉沙池，攔截去除SS顆粒物，大幅降低農(nóng)田排放的顆粒態(tài)總磷；于溝渠中點(diǎn)綴布置凈化調(diào)料，吸附COD、氨氮、總氮等污染物。

(2)生態(tài)攔截帶。于菜田、花卉地等旱地周邊設(shè)置植物隔離帶，雨季時(shí)，植物隔離帶對攜帶氮磷等物質(zhì)的地表徑流進(jìn)行攔截、吸收。

(3)農(nóng)業(yè)尾水循環(huán)灌溉。對農(nóng)田水位進(jìn)行控制，最大程度將水滯留在田間；利用田-溝-塘聯(lián)合組成的空間對水進(jìn)行貯存；利用農(nóng)作物、生態(tài)溝渠及生態(tài)庫塘對農(nóng)業(yè)尾水進(jìn)行凈化；通過區(qū)域調(diào)控，使農(nóng)業(yè)尾水循環(huán)回農(nóng)田進(jìn)行多次利用，充分利用農(nóng)業(yè)尾水及其中的營養(yǎng)物質(zhì)。

3.3 農(nóng)田面源污染末端強(qiáng)化技術(shù)

農(nóng)田尾水離開農(nóng)田、溝渠后，再次進(jìn)行匯集，將其引入末端強(qiáng)化系統(tǒng)進(jìn)行凈化，末端強(qiáng)化系統(tǒng)有氧化塘、林地、人工濕地等，主要通過內(nèi)部的生物膜、水生植物、水生動(dòng)物、微生物等進(jìn)行強(qiáng)化處理。

4 三星鎮(zhèn)新安村農(nóng)業(yè)面源污染技術(shù)應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)有灌排設(shè)施分析

項(xiàng)目區(qū)總面積595畝，位于北星公路西側(cè)，于2016年做過土地整理項(xiàng)目。項(xiàng)目區(qū)灌溉系統(tǒng)完善。

灌溉現(xiàn)狀分析：灌溉泵站采用軸流泵1臺，原設(shè)計(jì)流量905m3/h，經(jīng)過對其水泵流量和管徑復(fù)核，現(xiàn)狀灌溉系統(tǒng)滿足農(nóng)田灌溉要求。

排水現(xiàn)狀分析：田塊排水系統(tǒng)為土質(zhì)排水溝，總長4099.1m，分別向海安南橫河、新安中心河及新開河排水，經(jīng)復(fù)核，能滿足農(nóng)田排水需求，但是農(nóng)田尾水直接排入河道，影響河道水質(zhì)，需要對排水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，截流農(nóng)田尾水至生態(tài)廊道。

農(nóng)田尾水水質(zhì)分析：根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算，項(xiàng)目區(qū)每年農(nóng)事生產(chǎn)中，大量的氮、磷隨農(nóng)田尾水進(jìn)入周邊河道，造成河道富營養(yǎng)化，泯溝水質(zhì)變差為劣Ⅴ類水，因此進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源治理是十分必要的。

4.2 項(xiàng)目區(qū)面源污染治理思路

新安村村委會將從化肥減量、農(nóng)藥減量、農(nóng)田廢棄物資源化等方面對農(nóng)業(yè)面源污染源頭進(jìn)行控制，本工程再依托區(qū)域內(nèi)的農(nóng)田、溝渠、水塘等，以“控水”為主線，從水的來源、利用、排放、處理直至最終循環(huán)調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)源頭控制、過程削減、末端治理、區(qū)域調(diào)控，循環(huán)利用，全過程地控制農(nóng)業(yè)面源污染。各功能模塊有機(jī)銜接，形成有機(jī)的整體，達(dá)到區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染物最少限度地向區(qū)域外排放的目的。

根據(jù)現(xiàn)場條件，本工程采用了三種模式對農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行治理，分別為田林協(xié)同、田塘協(xié)同及農(nóng)業(yè)尾水循環(huán)灌溉。田林協(xié)同部分農(nóng)田面積為195畝，以及已建成林帶；田塘協(xié)同部分農(nóng)田面積為390.9畝，氧化塘面積為9.1畝。

(1)北側(cè)地塊：田林協(xié)同模式。

截至2018年，崇明島島域林地面積58萬畝，田林比例高達(dá)1.3∶1，農(nóng)業(yè)面源污染可充分利用林地進(jìn)行協(xié)同治理。

本次根據(jù)土地構(gòu)成中農(nóng)田和林地各占相當(dāng)比例的特點(diǎn)，改造現(xiàn)有農(nóng)田排水溝渠形成生態(tài)溝渠攔截體系，對農(nóng)田排水中的營養(yǎng)性污染源進(jìn)行截流，同時(shí)形成可控制匯流轉(zhuǎn)輸至林地的排水流道；利用林地的生態(tài)環(huán)境及空間資源布置自然濕地、水質(zhì)強(qiáng)化處理設(shè)施，因地制宜地進(jìn)一步削減污染荷，實(shí)現(xiàn)水體凈化排放目標(biāo)。通過對農(nóng)田和林地設(shè)施進(jìn)行生態(tài)化改造，使污染水體在田間得到初期凈化，再進(jìn)入由林地形成的生態(tài)廊道得到最終凈化，凈化路線如圖1所示。

圖1 田林協(xié)同模式凈化路線圖

(2)南側(cè)地塊：田塘協(xié)同模式。

崇明島河網(wǎng)密集，現(xiàn)島內(nèi)內(nèi)河水系主要由人工開挖的引水河道和排水河道組成，截至2017年，水面積達(dá)16.2萬畝，另有大量的冺溝、水塘，水網(wǎng)密集，農(nóng)業(yè)面源污染可充分利用冺溝、塘進(jìn)行協(xié)同治理。

本次改造現(xiàn)有農(nóng)田排水溝渠形成生態(tài)溝渠攔截體系，對農(nóng)田排水中的營養(yǎng)性污染源進(jìn)行截流，同時(shí)形成可控制匯流轉(zhuǎn)輸至水塘；在水塘中布置水生植物、生物膜，形成生態(tài)氧化塘，對農(nóng)田尾水的污染物進(jìn)行進(jìn)一步消減。通過對農(nóng)田和水塘設(shè)施進(jìn)行生態(tài)化改造，使污染水體在田間得到初期凈化，再進(jìn)入由水生植物、生物膜形成的氧化塘得到最終凈化，凈化路線如圖2所示。

圖2 田塘協(xié)同模式凈化路線圖

(3)農(nóng)業(yè)尾水循環(huán)灌溉

農(nóng)業(yè)尾水是放錯(cuò)的資源，尾水中存在大量氮、磷等污染物，對外河時(shí)是廢水，但對農(nóng)田時(shí)卻是肥水。

本次在不影響農(nóng)作物生長情況下，對農(nóng)田水位進(jìn)行控制，最大程度將水滯留在田間；利用田-溝-塘聯(lián)合組成的空間對水進(jìn)行貯存；通過區(qū)域調(diào)控，使農(nóng)業(yè)尾水循環(huán)回農(nóng)田進(jìn)行多次利用；再對低濃度農(nóng)田尾水進(jìn)行外排，最大程度減少農(nóng)業(yè)面源污染向區(qū)域外排放，凈化路線如圖3所示。

圖3 農(nóng)業(yè)尾水回灌凈化路線圖

4.3 項(xiàng)目區(qū)平面布置

設(shè)計(jì)內(nèi)容包括灌溉設(shè)施改建、新開排水溝、氧化塘建設(shè)、水生態(tài)處理設(shè)施建設(shè)以及田間配套設(shè)施等。主要內(nèi)容包括：泵站改造1座，新建控水閘-A共7座，新建控水閘-B共4座，新建管涵8座，新建倒虹吸6座，新建溢流堰10座，新開挖排水溝940.3m，排水溝生態(tài)化改建4099.1m，新開挖氧化塘9.1畝。

(1)田林協(xié)同區(qū)域

改造現(xiàn)有農(nóng)田排水溝渠形成生態(tài)溝渠攔截體系；于現(xiàn)有排水溝上設(shè)置4座溢流堰，最大程度將水滯留在田間；改造現(xiàn)有的2座管涵為控水閘、新建4座控水閘(一體式蝶閥)，實(shí)現(xiàn)溝渠內(nèi)尾水的區(qū)域調(diào)控；于林帶內(nèi)的溝塘中布置水質(zhì)強(qiáng)化處理凈化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)尾水的最終凈化，平面布置如圖4所示。

圖4 田林協(xié)同區(qū)域平面布置圖

(2)田塘協(xié)同區(qū)域

于東西向新開一條排水溝，貫通區(qū)域內(nèi)所有排水溝，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的暢通；改造現(xiàn)有農(nóng)田排水溝渠形成生態(tài)溝渠攔截體系；于現(xiàn)有排水溝上設(shè)置7座溢流堰，最大程度將水滯留在田間；改造現(xiàn)有的4座管涵為控水閘，實(shí)現(xiàn)溝渠內(nèi)尾水的區(qū)域調(diào)控；開挖水塘，于水塘中布置生物膜凈化系統(tǒng)，形成氧化塘，實(shí)現(xiàn)尾水的最終凈化，平面布置如圖5所示。

圖5 田塘協(xié)同區(qū)域平面布置圖

4.4 項(xiàng)目區(qū)主要調(diào)控建筑物設(shè)計(jì)

4.4.1泵站改造

對田塘協(xié)同區(qū)域泵站進(jìn)行雙向引水改造，使其既可以從外河進(jìn)行初期引水，又可以可以從氧化塘中抽取農(nóng)田尾水進(jìn)行補(bǔ)充灌溉。即于氧化塘處增加進(jìn)水口，并于外河連接處增加阻水閘門，如圖6—7所示。

圖6 泵站改造平面布置示意圖

4.4.2控水堰閘

溢流堰應(yīng)用于泯溝與外河連接處，最大程度將水滯留在田間；控水閘由現(xiàn)有管涵改造或一體式閘閥，實(shí)現(xiàn)溝渠內(nèi)尾水的區(qū)域調(diào)控。

(1)溢流堰

采用370厚標(biāo)準(zhǔn)磚墻，內(nèi)外1∶2水泥砂漿粉15，將溝渠內(nèi)水深控制在3.2m高程以下，結(jié)構(gòu)布置如圖8所示。

圖7 泵站改造剖面示意圖(A-A)

圖8 溢流堰結(jié)構(gòu)布置圖

(2)控水閘-A

于現(xiàn)有管涵外河側(cè)安裝一體式成品控水閘門，將現(xiàn)有過水管涵改造為控水閘，如圖9—10所示。

圖9 控水閘-A平面布置示意圖

4.4.3排水溝生態(tài)化改建

現(xiàn)有排水溝為土溝，易坍塌，對污染物基本無消納，本項(xiàng)目通過種植固坡植被，以及種植納污能力強(qiáng)的水生植物，對土溝打造為生態(tài)溝渠攔截體系。排水溝河坡補(bǔ)充種植結(jié)縷草、狗牙根和百慕大草等便于管理、固土護(hù)坡效果好的護(hù)坡植物；挺水植物選擇生長周期長、景觀效果好的黃菖蒲、再力花及蘆葦，沉水植物選擇以凈化效果好的黑藻、刺苦草以及穗花狐尾藻。

4.4.4水質(zhì)強(qiáng)化處理設(shè)施

本項(xiàng)目中采取了2種水質(zhì)強(qiáng)化處理設(shè)施，分別為生物膜凈化系統(tǒng)、水質(zhì)強(qiáng)化處理凈化系統(tǒng)。其中，生物膜凈化系統(tǒng)應(yīng)用于田塘協(xié)同部分水質(zhì)提升，水質(zhì)強(qiáng)化處理凈化系統(tǒng)應(yīng)用于田林協(xié)同部分水質(zhì)提升。

(1)生物膜凈化系統(tǒng)：在選定范圍內(nèi)布置生物膜凈化段，主要布置方式為生物膜組件在河道中橫向成列布置，在河道內(nèi)密集排布，每隔6～8m設(shè)置一組生物膜組件，如圖11所示。

圖10 控水閘-A剖面圖(A-A)

圖11 生物膜布置斷面示意圖

(2)水質(zhì)強(qiáng)化處理凈化系統(tǒng)

在植物浮床下方設(shè)置人工彈性填料和透氣中空纖維膜作為生物膜的載體，用于凈化水中污染物。通過膜曝氣，向水中高效供氧，保持水體的富氧條件。同時(shí)以植物根系、彈性填料以及中空纖維膜組件作為生物膜載體，生物膜表面的好氧微生物氧化分解污染河水中的有機(jī)污染物、促進(jìn)氨氮硝化過程和有機(jī)磷礦化過程，浮床上生長的漂浮植物根際泌氧能力和對營養(yǎng)鹽的吸收也起到了凈化作用。

4.5 項(xiàng)目區(qū)循環(huán)調(diào)控方案

4.5.1田林協(xié)同調(diào)控方案

(1)初始灌溉期：引外河水進(jìn)行初期灌溉。關(guān)閉1#～6#控水閘，開啟1#灌溉泵站。

(2)農(nóng)田排水期：通過溢流堰、控水閘將農(nóng)田尾水儲存在溝、塘內(nèi)。關(guān)閉1#～6#控水閘。

(3)循環(huán)灌溉期：引溝、塘內(nèi)的農(nóng)田尾水進(jìn)行灌溉。關(guān)閉1#控水閘、2#控水閘、4#控水閘、5#控水閘、6#控水閘；開啟3#控水閘；開啟2#灌溉泵站。

(4)防汛除澇期：汛期排澇。開啟1#～6#控水閘。

田林協(xié)同區(qū)域調(diào)控方案如圖12所示。

圖12 田林協(xié)同區(qū)域調(diào)控圖

4.5.2田塘協(xié)同調(diào)控方案

(1)初始灌溉期：引外河水進(jìn)行初期灌溉。關(guān)閉1#～4#控水閘；開啟灌溉泵站1#進(jìn)水口。

(2)農(nóng)田排水期：通過溢流堰、控水閘將農(nóng)田尾水儲存在溝、塘內(nèi)。關(guān)閉1#～4#控水閘。

(3)循環(huán)灌溉期：引溝、塘內(nèi)的農(nóng)田尾水進(jìn)行灌溉。關(guān)閉1#～4#控水閘；開啟灌溉泵站2#進(jìn)水口。

(4)防汛除澇期：汛期排澇。開啟控水閘-1、控水閘-2、控水閘-3、控水閘-4。

田塘協(xié)同區(qū)域調(diào)控方案如圖13所示。

圖13 田塘協(xié)同區(qū)域調(diào)控圖

5 結(jié)語

農(nóng)業(yè)面源污染治理是系統(tǒng)性的綜合過程，需要從源頭控制、過程削減、末端治理及區(qū)域調(diào)控等方面進(jìn)行綜合控制，幾種措施相互配合，才能起到較好的作用，實(shí)際應(yīng)用時(shí)不可孤立的依靠某一措施。本文以崇明區(qū)三星鎮(zhèn)新安村為例，分析介紹常用的面源污染治理技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有灌排設(shè)施的使用情況，選用適用于新安村的面源污染治理技術(shù)。此外，介紹了部分現(xiàn)有渠系建筑物的改造方案，保證農(nóng)業(yè)面源污染消減的同時(shí)，盡可能減少資源浪費(fèi)。后續(xù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染治理時(shí)，應(yīng)對現(xiàn)有的灌溉排水設(shè)施、周邊水系條件等現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，因地制宜的選用最適合擬建工程的建設(shè)方案，不可單一的復(fù)制應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)最佳效果。