農業面源污染綜合治理工程系統設計案例

李艷華，王彬酈，李 弘，韋瑋琪，李亞光

(上海十方生態園林股份有限公司，上海 200233)

面源污染是指污染物從非特定地點，在降排水或融雪的沖刷作用下，無序不均地通過徑流匯入受納水體并引起有機污染、水體富營養化或產生毒害等其他形式的污染[1-3]。根據面源污染發生區域和過程的特點，一般將其分為城市和農業面源污染兩大類[4]。農業面源污染主要來自水土流失、化肥、農藥流失和滲漏、農村地表徑流、畜禽養殖、水產養殖廢水排放等各方面，在水體污染所占的比重不斷上升[5-7]。其中，農村種植業生產中的營養流失，是導致過量養分排放到水體中，形成富營養化的最主要因素。農業面源污染不僅是農村地表水體污染的主要來源，也是我國“三河三湖”污染的主要污染源，嚴重威脅飲水安全[8]。近年來，我國學者和工程技術人員在農業面源污染治理方面進行了廣泛的研究與探索，取得了不少突破性技術進展[9-11]。但綜觀相關文獻和現有的工作，更多的只是注重污染治理的技術、管理技術層面，缺乏在工程應用上進行系統、全面的技術整合。本文以江蘇省某鎮農業面源污染治理工程設計為典型案例，介紹面源污染治理工程工藝和銜接配套的工程設計。

1 工程設計

1.1 工程概況

本項目位于江蘇省某鎮萬頃良田(示范區)2號地塊。為順應社會經濟發展，關注區域環境需求，提升現代農業品質，保護農業灌溉水體，推進面源污染綜合治理工程，相關部門擬對區域范圍內的面源污染進行控制和管理，項目區總面積約為487 357.7 m2。

1.2 現狀剖析

1.2.1 用地結構分析

區域土地利用結構包括5種類型，分別為農田、灌排溝渠、塘浜、田埂道路、曬場和泵房。區域總面積約為487 357.7 m2，其中，田塊面積約為390 019.5 m2，占比約為79.9%，占比最高；溝渠總規模約為8 180 m、13 000.6 m2，占比為2.7%，浜塘總規模約為12 867.3 m2，占比約為2.6%。面源污染治理可實施區域主要在溝渠和浜塘內。從面源污染治理工程可利用空間來看，工程可實施區域占比約為5.3%。另外，田埂(含機耕路)面積約為9 667.1 m2，占比約為2.0%；其余為曬場用地、泵房用地等其他用地，占比約為12.8%，項目區用地分析如圖1所示。

圖1 項目區用地分析Fig.1 Land-Use Analysis in Project Area

1.2.2 農業種植模式

項目區稻田主要種植方式是稻-麥輪作，水稻季氮肥用量為純氮 27.4 kg/畝(1畝=0.667×10-3km2)，磷肥為P2O59.0 kg/畝，鉀肥為K2O 9.0 kg/畝。種植期間共施肥4次，基肥：復合肥為30 kg/畝(折合純氮 4.5 kg/畝、P2O54.5 kg/畝、K2O 4.5 kg/畝)；分蘗肥：尿素為25 kg/畝(折合純氮 11.5 kg/畝)；促花肥：尿素為15 kg/畝(折合純氮 6.9 kg/畝)；?；ǚ剩簭秃戏蕿?0 kg/畝(折合純氮 4.5 kg/畝、P2O54.5 kg/畝、K2O 4.5 kg/畝)。小麥季氮肥用量為純氮 19.85～20.60 kg/畝，磷肥為P2O53.75～4.50 kg/畝，鉀肥為K2O 3.75～4.50 kg/畝。種植期間共施肥3次，基肥：復合肥為25～30 kg/畝(折合純氮 3.75～4.50 kg/畝、P2O53.75～4.50 kg/畝、K2O 3.75～4.50 kg/畝)；返青肥：尿素為17.5 kg/畝(折合純氮 8.05 kg/畝)；穗肥：尿素為17.5 kg/畝(折合純氮 8.05 kg/畝)。整體來看，氮肥和磷肥用量均有所偏高，多施的氮肥和磷肥隨徑流、淋洗等流失到周邊水體中，造成周邊河道污染。

1.2.3 排灌水系分布

項目區田塊之間高低不平，地形地勢呈現南高北低、西高東低；田塊之間高差最大可達6 m。田塊西側建有泵站，負責整個田塊的灌溉。其中，北側田塊(神臺北側)一次提升后直接灌溉；南側田塊需二次提升后泵入灌渠，再進行田塊灌溉。依據地勢條件，項目區排水為自西向東、從南向北，且可大體分為南北2個小排水區，即排水主要水流路徑有2種方式：北側區域為溝渠-水塘-溝渠-支浜，南側區域為溝渠-支浜。區域灌排水系情況如圖2所示。

圖2 當地灌排水系分析Fig.2 Analysis of Local Irrigation and Drainage System

1.2.4 降雨量、徑流量分析

結合項目區降雨量，即《江蘇省統計年鑒(2016)》及鎮江氣象局公開資料，2015年總降雨量為1 579 mm，月份降雨量最大出現在6月，為217 mm，2016年1月—10月降雨量為1 818 mm，最大降雨量出現在7月和10月，分別為380、397 mm。按照相關工程經驗，自然土壤的徑流系數一般為5%～18%，結合項目土地利用類型，工程設計綜合徑流系數取0.18，去除較小降雨事件(不形成徑流)，降雨徑流量：2015年為8.80萬m3，2016年為10.2萬m3。區域降雨量分析如圖3所示。

圖3 降雨量分析Fig.3 Analysis of Rainfall

1.2.5 水體水質現狀分析

項目區包含各類型溝渠、水塘及河道，結合排水路徑，對6個位置的水體進行取樣監測，區域整體水質長期處于V類(GB 3838—2002)，監測點位分布如圖2所示，水質具體情況如表1所示。其中，CODMn濃度在8.94～14.91 mg/L，TN濃度在1.78～3.84 mg/L，TP濃度在0.16～0.31 mg/L，TN平均值為2.46 mg/L，屬于劣V類水體。

表1 項目區實施前水質概況Tab.1 Water Quality before Project Implementation

2 工藝設計

通過對項目區土地利用現狀、溝塘浜水系連通、地形地勢等條件的調查分析，充分結合區域降雨及農業生產排水情況，工藝設計從水量蓄滯、污染物攔截兩個角度出發，利用項目區現有溝渠、水塘、支浜及低洼地，實現徑流攔截、蓄滯、凈化污染物的設計目標。工程設計總平面布置如圖4所示。

圖4 工程設計總平面布置Fig.4 General Layout of Engineering Design

面源污染治理工藝設計充分考慮各技術的銜接及工程內容的空間關聯，通過近源攔截裝置建設、生態攔截/穩定溝渠改建、生態攔截凈化塘改造、生態支浜生態化處理等工藝銜接與配合，在時間延續和空間控制上實現聯動，控制攔截水量約排水量的85%，項目區最終排水TN大部分時間低于2.0 mg/L；最終實現地塊農業面源污染物少排、微排的最終目標。

3 工藝計算

3.1 區域水容量估算

項目區主要溝渠長度為8 180 m，均為土質，溝渠有效蓄水(有效容積)約為4 907.9 m3；根據溝渠分布和斷面分布，測算南側溝渠有效容積為3 355.5 m3，北側溝渠有效容積為1 552.4 m3，另外北側田塊間存在1處水塘，總面積約為1 636.5 m2，有效容積約為1 636.5 m3；項目區東側為斷頭浜，總面積為7 119.6 m2，總容積為10 679.4 m3，該支浜與北側國道下溝渠相通，最終由該溝渠經涵洞外排。

綜上分析，項目區排水總蓄水容量約為17 223.8 m3，其中，溝渠容量為4 907.9 m3，浜塘容量為12 315.9 m3。

3.2 區域總水量估算

區域排水主要為農田退水和降雨徑流，通過農田、田埂匯入溝渠或水塘，最終通過支浜排出；匯水面積按照項目區面積487 357.7 m2計算，匯水區主要為農田，設計結合相關規范和經驗，綜合徑流系數取值為0.18。其中，設計主要考慮短期暴雨徑流的沖刷，結合鎮江暴雨徑流公式[式(1)]計算。

(1)

其中：q——設計暴雨強度，L/(s·hm2)，1 hm2=104m2；

P——設計重現期，a，設計取1 a；

t——降雨歷時，min，設計取15 min。

計算得項目區短期暴雨徑流量為9.4 m3/s。

由前述分析可知，項目區總蓄水容量約為1.72萬m3，平均核算最大可蓄滯61 d，可滿足攔截85%降雨徑流量的設計目標。

3.3 排放污染負荷估算

農田徑流污染排放污染負荷采用標準農田源強系數修正法來計算[12-13]。標準農田指的是平原、種植作物為小麥、土壤類型為壤土、化肥施用量為25～35 kg/(畝·a)、降水量在400～800 mm的農田；標準農田源強系數：氨氮為2.0 kg/(畝·a)，TN為3.0 kg/(畝·a)。結合項目區稻-麥輪作種植方式以及當地施肥習慣，對各影響因素源強系數進行修正。其中，坡度修正系數取1.2，農作物類型修正系數取1.1，土壤類型修正系數取1.0，化肥施用量修正系數取1.2，降雨量修正系數取1.2，綜合修正系數為1.12。

項目區北部、南部農田面積分別為211.15畝和373.25畝。通過估算，項目區TN排放量約為1 963.6 kg/a，其中，北區TN排放入河量約為709.5 kg/a，南區TN排放入河量約為1 254.1 kg/a；結合上述區域水容量計算，項目北側區域溝渠TN負荷為0.46 kg/(m3·a)，南側區域溝渠TN容積負荷為0.3 kg/(m3·a)，東側支浜承接北側區域來水和南側約20%的來水，測算東側支浜的TN容積負荷為0.09 kg/(m3·a)，北側區域污染相對較高，工程的設計和布置以北側為主，污染物容積負荷分析如圖5所示。

圖5 污染容積負荷分析Fig.5 Analysis of Pollution Volumetric Loadings

4 主要工程構筑物

4.1 生態溝渠

生態溝渠是農業面源污染治理應用最為廣泛的工程措施[14]，由溝渠、基質和植物組成，具有生態性和生物性的特殊優點，并可根據地形特征來構

建[15]。作用原理有兩個方面：一是通過溝渠底部及渠壁植物的配置，利用植物的生物過程，實現對污染物的凈化；二是通過階段式基質的鋪裝，實現溝渠斷面重塑，渠壁多孔材質設計，實現農田尾水在輸移過程中與土壤生態環境的有效連通，對排水污染物進行進一步凈化、利用，同時不影響正常排水要求。生態溝實景及斷面設計如圖6所示，工程設計總長度為2 530 m。

圖6 生態溝實景及斷面設計圖Fig.6 Real Scene and Cross-Section View of Ecological Ditch

與傳統的水泥硬質溝渠和自然土渠相比，生態溝渠體及基質和植物的組成，能夠減緩流速，促進顆粒物沉淀，有利于污染物的吸收和攔截。據相關文獻[16-17]的研究表明，該類型生態溝渠在進水TN濃度為0.86～6.13 mg/L時，對TN的去除效率可達30.2%以上，在不同的排水質量濃度下，去除率具有一定的波動性。

4.2 生態塘

王曉玲等[18]研究表明，生態塘對稻田降雨徑流中TN的平均去除率為34.7%，且生態塘本身具有較強的抗沖擊自修復性。因此，項目區就地利用坑塘進行生態建設，不僅能削減污染物負荷，還能促進區域生態功能的發揮。

生態凈化塘建設以營造良好的生境為目的，通過植物-微生物-水生動物可以保護和創造良好的微型生態鏈，且其中的微生物群落能不斷再生，增強了礫石基質和植物根系的過濾和凈化作用，穩定并凈化了匯集的來水。另外，生態塘的建設能沉降大部分懸浮物，有效減少了水體中的顆粒物，降低了濕地堵塞。生態塘平面及斷面設計如圖7所示，工程總面積約為2 100 m2。

圖7 生態塘平面及斷面設計圖Fig.7 Plan and Section Design of Ecological Pond

4.3 生態穩定凈化渠

生態支浜建設工程是對原有河道生態的改造和建設，目的是攔截、蓄滯、凈化與穩定項目區農田排水及其他地表徑流，同時，對區域水域生態進行修復，防止水土流失，改善農業生態系統的健康與穩定性。生態穩定凈化渠現狀及斷面設計如圖8所示，工程總長度為620 m。其中，土壤微生物群落多樣性差異對農業面源污染物的去除效果有一定的影響[19]。生態穩定凈化渠的建設是對支浜水陸交錯帶進行生態恢復，改善敏感區土壤結構和生境條件。相關研究[20]表明，該類型生態修復技術對TN的平均去除率達到了45.42%，進出水TN平均濃度由5.13 mg/L降低至2.8 mg/L。吳義峰等[21]研究表明，支浜坡岸特定生態系統能強化河渠中氮類污染物的去除效果，停留時間為7 d 時，TN去除率達到85%～90%，其去除效果受季節影響較大。

圖8 生態穩定凈化渠現狀及斷面設計Fig.8 Existing Situation and Cross-Section Design of Ecological Ditch

4.4 促沉凈化池

促沉凈化池主要是攔截水體中的顆粒態污染物，作為面源污染治理的預處理和攔截裝置，主要布置在靠近污染物產生的區域。裝置的實際運行效果表明[22]，面源污染來水中溶解性固體(TDS)的去除率達到70%～80%，TN的平均去除率達到25%～63.4%。

針對農田型面源污染治理時，工程實施可結合污染物的排水走向、遷移路徑，在農田排水口或溝渠與河道、水塘銜接處進行布置，項目區范圍內共布置3套。主要作用體現在3個方面：(1)促沉凈化池內部的空間結構設計，在結合現場布置時，可改變農田排水水流路徑，裝置內的集水管集水與布水管二次布水的方式能夠使水流在下行-上行-下行中流動，從而增加污水在排放過程中的水力停留時間，促進顆粒態污染物的沉降；(2)裝置內鋪設不同規格的填料，在水體流動過程中，進一步實現對污染物的攔截、過濾和沉淀；(3)裝置內填料表面和內部易形成微生物群落，有利于部分污染物的降解，同時，不同規格的填料搭配能夠延長填料的使用壽命和作用時間。因此，促沉凈化池是通過內部集水管串聯外圍過濾帶和內部促沉凈化系統，使污水經過外、內2次攔截、過濾和沉淀，最終實現污染物的部分去除。

5 面源污染治理效果

表2列出了工程實施后的水質數據，即取樣點6位置處的水質情況，反映區域溝渠-生態塘-穩定渠工程的處理效果。其中，TN的去除率為43.4%，CODMn的去除效率為38.7%，水質改善效果較好，TP的去除效率為24.4%，濃度略有下降，區域內的水質有較大的改善。

表2 工程實施后出水口水質狀況及去除率Tab.2 Effluent Water Quality and Removal Rate of Outflow after Project Implementation

6 結論與討論

(1)農業面源污染因其排放路徑的不確定性、排放區域的廣泛性、控制難度較高等特點，一方面，增加了工程設計中工程規模與工藝計算嵌合的難度；另一方面，使農業面源的治理區別于點源污染治理，要求其綜合治理更加系統和全面。因此，源頭的攔截、污染物傳輸過程中的控制以及末端的治理是農業面源污染治理中都需要考慮的內容。

(2)農業面源治理工程開展時需結合現場實際情況，梳理、篩選工程可操作空間，對區域面源污染敏感區和重點區的識別還需更多的數據分析支持，從而針對性地布置工程，降低投資，發揮生態效益。

(3)現有的生態溝渠攔截技術、生態河道生態修復技術已經比較成熟，但在工程應用中如何實現不同技術組合運用、各工藝技術、工程構筑物相互協同配合，實現最佳、最經濟的污染物消納和外排削減，尚需更多的工程研究。