基于河套灌區農業面源污染減控的生態排水溝構建技術研究

徐紅梅 霍軼珍 曾祥 胡振 李生勇 郭富強

摘 要：針對現階段河套灌區農業面源污染日趨嚴重、烏梁素海富營養化加劇和水生態環境變差的現狀，提出充分利用河套灌區現有的灌溉排水工程條件，在傳統土質排水溝基礎上構建生態排水溝，并通過現場試驗，開展生態排水溝斷面結構型式、斷面結構設計參數、邊坡構筑材料、生態溝內種植植物及生態排水溝凈化農田排水的環境效應研究，提升河套灌區排水溝凈化攔截污染物的能力，最大程度削減農田排水排入烏梁素海的污染物總量，減輕烏梁素海富營養化程度，為河套灌區農業面源污染的治理提供參考依據。

關鍵詞：河套灌區；烏梁素海；農田排水；排水溝

中圖分類號：S276.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 河套灌區農業面源污染日趨嚴重

內蒙古河套灌區是我國最大的一首制自流灌區，也是我國重要的商品糧基地[1]。隨著灌區農業的快速發展，農業面源污染成為當地水環境惡化的主要原因。究其原因是農民為追求糧食高產、穩產而過量施用化肥農藥，造成大量污染物、營養鹽經農田徑流進入農田排水溝，而各級排水溝的農田排水基本沒有經過凈化處理就排入烏梁素海。

烏梁素海是內蒙古境內的大型草原型淺水湖泊，具有蓄滯洪水、控制污染、改善環境、保護物種基因多樣性等功能。同時，烏梁素海也是河套灌區灌排系統的重要組成部分，是河套農業灌區灌溉退水的唯一受納水體和排水通道，它接納了河套灌區90%以上的排水，然后經過湖泊的生物生化作用后排入黃河，客觀上起到了調控黃河水質、水量的作用[1]。

由于河套灌區的農田排水基本沒有經過凈化就通過各級排水溝排入烏梁素海，造成烏梁素海水體富營養化和沼澤化不斷加劇，不僅影響烏梁素海湖泊濕地整體功能發揮，還直接威脅到河套灌區糧食安全和黃河中下游的供水安全，因此，農業面源污染治理成為河套灌區需要重點解決的問題。

2 河套灌區傳統排水溝道存在的問題

河套灌區排水系統分為總干溝、干溝、分干溝、支溝、斗、農、毛溝共七級溝道，具有面廣量大、逐級排水的特點?，F有農田排水溝主要以傳統土質溝為主，工程耐久性和邊坡穩定性都較差，而且田間排水毛溝大部分已被損毀變為耕地，失去排水功能；斗農級溝道塌坡、淤積嚴重，排水、排鹽作用也在逐漸減弱。分干溝、干溝、總干溝等輸水溝道則缺少控制性建筑物和生態化設計；排水溝內植物缺少篩選和種植管理，物種單一，過度生長的蘆葦腐敗分解后落到溝底對水造成二次污染，因此，河套灌區現有排水系統截留、凈化農業面源污染物功能的局限性很大。

改善烏梁素海水環境，保障黃河中下游的供水安全，就必須利用攔截、阻斷和降解技術，在各級排水溝中對農田退水中的氮、磷等污染物進行深度處理與凈化，其中最有效的措施就是對傳統土質排水溝道進行工程改造，構建生態排水溝，在農田排水排入烏梁素海之前，通過各級生態排水溝有效降低水中污染物濃度。

3 生態排水溝渠對氮、磷等污染物的截留和去除效果明顯

生態排水溝是在傳統的土質排水溝上通過加設生態護坡和溝道控制性建筑物建造而成，是以排水為主要目的，兼具對農田排水中的污染物進行攔截、凈化的線性人工濕地系統。大量研究表明，生態排水溝在“攔截”和“修復”污染物的過程中發揮著重要作用。生態排水溝渠內水草、底泥對氮有非常強的吸附作用，營養物質在排水溝的流動過程中可以通過底泥吸附、植物吸收和微生物降解等多種機制被吸收、固定或脫離排水溝[2]。徐紅燈等[3]選取長350 m的農田排水溝渠，研究了自然暴雨條件下溝渠對農田排水總氮、總磷的去除效果，得出溝渠對總氮的去除率為40%～70%，對總磷的去除率為20%～80%；楊林章等[4]針對太湖流域面源污染現狀提出一種由工程部分和植物系統組成的生態攔截型溝渠系統，該系統對農田徑流中總氮、總磷的去除效果分別達48.4％、40.5％。生態排水溝不僅能起到溝道應有的排水排鹽功能，還具備減少農田氮磷等養分的流失、景觀效果良好、為生物提供適宜的生存空間、凈化水質等功能。

河套灌區土質排水溝面廣量大，在土質排水溝基礎上構建的生態排水溝是由植物、土壤、微生物所組成半自然生態系統，可以將流經溝道的農業面源污染物溶解或吸附在土壤顆粒表面，隨溝道坡面漫流遷移，通過基質吸附、植物吸收、生物吸收和降解等一系列作用[2]，將排水溝生態系統的功能最大限度地發揮出來，使溝道得以具備良好的自我凈化功能與自我調控能力[5]。

目前，河套灌區鮮少對生態排水溝構建技術開展研究。因此，本文針對河套灌區特有的氣候、水文、地質及灌溉排水工程條件，對生態排水溝構建的關鍵技術開展研究，統籌安排各級農田排水溝道的水利服務功能和生態服務功能，以實現最佳的經濟效益和生態環境效益[6]。

4 河套灌區生態排水溝構建關鍵技術研究

生態排水溝是在河套灌區傳統的土質排水溝基礎上通過加設生態護坡、增設控制性建筑物等措施改建而成的，由工程部分和植物部分組成。生態排水溝斷面結構尺寸要滿足排水排鹽功能，邊坡構筑材料和溝中種植植物要具備對農田排水中攜帶顆粒物質的沉淀、攔截和吸收功能，這就需要對生態排水溝斷面結構設計、邊坡構筑材料、溝內種植植物、排水溝上控制性建筑物等內容開展選擇研究。

4.1 生態排水溝斷面結構設計

根據各級溝道設計排水流量和控制地下水位要求確定生態排水溝斷面結構型式選擇和設計參數。我國常見的排水溝道斷面結構型式有梯形和復式斷面，河套灌區生態排水溝以原有土質排水溝的斷面結構型式為基礎，可以采用梯形斷面結構或梯形復式斷面。

生態排水溝縱向比降主要取決于溝道級別、沿線地質條件、地形條件、土壤條件以及上下級溝道及容泄區水位銜接條件，需滿足溝道運行中斷面結構穩定及工程量較小等原則。

生態排水溝邊坡系數需滿足保持邊坡穩定與排水通暢的要求。由于排水溝中土壤水、地下水匯入時有一定的滲透壓力，坡面徑流沖刷和溝內水流動時有沖蝕作用，溝坡容易坍塌淤積，所以排水溝邊坡通常較灌溉渠道邊坡為緩。土質排水溝邊坡系數主要與排水溝土質、溝深及地下水位有關，設計時可參考《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288—2018）選用。另外，還需要結合邊坡構筑材料的力學特性、排水溝道規模通過邊坡穩定分析來確定。

4.2 生態排水溝邊坡構筑材料選擇

河套灌區地處季節性凍土地區，灌區特有的秋澆灌溉制度造成冰凍期地下水位較高，渠、溝等水工建筑物冬季凍脹破壞嚴重，因此，在河套灌區構建生態排水溝首先需要保持斷面結構穩定、工程耐久性良好。另外，生態排水溝中還要有良好的植被條件才能吸收、降解農田排水中的氮磷等污染物。這就需要在原有的土質排水溝溝道邊坡兩側鋪設可透水且具有一定力學強度、抗凍性良好的邊坡防護材料。邊坡防護構造要同時滿足結構穩定性、工程耐久性，農田排水暢通性并能夠為植物、微生物提供適合的生長環境。

生態排水溝是在原有土質排水溝基礎上加設生態護坡建成的，現階段國內外的生態護坡常分為單純植物護坡和植物工程復合護坡兩大類。單純植物護坡技術在河套灌區生態排水溝特殊的工作條件下難以保證其穩定性和耐久性，植物工程復合技術的核心是通過人造土工材料構造植被生長所需環境并與成型的植被結合，形成具有抗破壞能力強并且適合植被生長的坡面，在不影響排水溝排水排鹽功能條件下通過工程技術保證溝道的穩定性[7]。

在內蒙古臨河黃河濕地公園多藍湖西側現場開展生態排水溝構建關鍵技術及凈化農田排水試驗研究。采用多孔生態混凝土、石膏基質固化土、蜂巢格室系統三種邊坡構筑材料分別修建50 m生態排水溝，與傳統的土質排水溝開展對照實驗，篩選出一種適合在河套灌區生態排水溝應用的新型植物工程復合技術。

多孔生態混凝土作為護坡材料，繼承了傳統剛性防護材料的優點，施工技術成熟。石膏基質固化土是將適量的石膏基質固化劑按比例摻入土中，經攪拌、壓實、形成水穩性好、密實泥化的固化土層，采用人工打孔保證排水的暢通性。蜂巢格室邊坡防護系統則由固土種植基與蜂巢格室兩部分組成?？紤]到排水溝要接納由邊坡土壤入滲的農田排水，為避免土壤水攜帶泥沙進入排水溝，造成溝道坍塌、淤積，試驗段采用聚丙烯長絲無紡土工布做為新型固土種植基材料，在排水溝坡面和溝底鋪設聚丙烯長絲土工布作為反濾層，聚丙烯長絲土工布強度高，伸長率大，頂破、撕破強度高，具有天然的化學穩定性和良好的物理機械性能，使其在工程工藝上有著排水、隔離、加筋、防護、過濾、排水、緩沖、養護等功能，能夠在河套灌區農田排水高鹽堿、高礦化度、冬季溝體土壤凍脹破壞嚴重的條件下持續工作，滿足工程耐久性要求。另外，這種材料具有特殊的多孔結構兼具透水、透氣性能，可生長植物又可作為微生物載體。高分子蜂巢格室作為主體結構固定于固土種植基上，具備普通土工格室特點的同時又進行了新的優化，其內部構成穩定的導流空腔結構，可以實現排水和種植植物的功能，同時又具有良好的固土、抗沖蝕特性[8]。

兩年的觀測和對比研究發現，多孔生態混凝土、石膏基質固化土兩種材料構筑的試驗段均破壞嚴重，溝道邊坡開裂、坍塌、滑坡現象均有發生，難以滿足穩定性和耐久性要求。主要原因是為滿足排水和種植植物要求，對材料的孔隙率要求比較高，導致材料達不到河套灌區水工建筑物材料要求的力學指標和抗凍標號，排水溝邊坡土壤在冬季含水率較高，材料在低溫下結冰體積膨脹，當這種作用引起的應力超過材料強度時就會使坡表面產生一定數量的小裂縫，再經過數次的周期性凍融循環，裂縫不斷擴展，最終導致邊坡表面產生隆起開裂、剝蝕、坍塌。而采用固土種植基與蜂巢格室組合系統構筑的生態排水邊坡防護系統效果良好，實驗中在蜂巢格室內添加了種植土，并種植了適應河套灌區氣候條件、水質條件且氮、磷吸附作用較強的植物。結果表明，植物淺根在蜂巢格室表層土體內縱橫交錯，起到了加筋的作用，整個防護層結構的穩定性隨著植被的生長而逐漸加強[8]，而且固土種植基和植物根系形成對坡面的整體橫向連接和覆蓋，避免了在排水流量比較大、排水溝土質較差段邊坡發生流土、管涌等水力破壞現象。該種結構不僅能滿足生態排水溝斷面結構穩定性和工程耐久性，而且完全滿足了排水排鹽、種植植物、附著微生物等功能，為河套灌區生態排水溝構建提供了一種新的技術路線。

4.3 生態排水溝的植物篩選

植物是生態排水溝中的重要部分，不僅可以防止水土流失，還可吸收水中的氮、磷等污染物。要在河套灌區推廣應用生態排水溝，需要篩選在邊坡構筑材料的透水孔洞內栽種成活容易，吸收氮、磷、農藥等污染物效果好且不太阻水的植物[9]。關于生態排水溝溝壁和溝底的植物配置，國內外學者進行了大量研究，但不同于國內其它地區的生態排水溝，河套灌區農田排水鹽堿含量高、水質差、排水溝邊坡土壤鹽堿化嚴重，需要在溝道兩側種植吸附氮、磷作用強，耐鹽堿且在水質較差的排水溝內能夠成活的植物。

根據河套灌區的地域特點，本次試驗選擇了紫花苜蓿、三棱蒲、草木犀三種植物種植于生態排水溝試驗段。結果表明，紫花苜蓿在固土種植基與蜂巢格室組成的邊坡防護系統中生長速度最快，三棱蒲、草木犀生長速度則較慢。紫花苜蓿為多年生草本植物，富含蛋白質和多種氨基酸、維生素，適口性好，生長速度快，每年可收割多次，單位面積營養物質產量高[9]，屬于畜禽養殖較為常見的優質飼料。紫花苜蓿作為優質牧草具有市場流通能力，可以避免排水溝中植物過度生長沒人收割，腐敗后落到溝底對農田排水造成二次污染的情況發生，由于生飼動物可轉化的經濟價值高，還能適當補貼工程后期維護資金，因此，建議紫花苜蓿草可以作為河套灌區生態排水溝種植的優勢植物（見圖1）。

4.4 生態排水溝控制性物選擇

生態排水溝不僅需要在滿足農田排澇、防漬標準的前提下作為農田多余土壤水或地下水的排水通道，還必須具有充分降解農田排水中污染物的功能，這就需要在各級排水溝中修建排水閘、堰等控制水流的建筑物。

實驗中在溝道中間隔一定距離設置一字平板閘門，起到蓄積農田排水、調節適宜水位、延長農田排水在溝道中停留時間的作用，既能為溝中植物生長提供充足養分，便于流水攜帶的顆粒物質和養分等沉淀和降解，又能避免農田排水攜帶有害物質向區域水體自由排放，有效提升了生態排水溝的截污凈化能力。

5 建 議

針對河套灌區農業面源污染嚴重及農田排水系統存在的諸多問題，建議綜合采用自然生態與人工強化的技術改造河套灌區傳統的排水系統，增設由固土種植基與蜂巢格室兩部分組成的生態護坡及控制性建筑物構建生態排水溝，并種植有一定經濟價值且具有市場流通能力的植物，在生態溝內形成有機物、植物、微生物之間的生物鏈[10]，利用攔截、阻斷和降解技術對農田退水中的氮、磷等污染物進行深度處理與再凈化，基于河套灌區面廣量大的排水系統建立具有消納農業面源污染物質的健康生態系統，為河套灌區農業面源污染防治及烏梁素海水環境治理提供技術支撐。

參考文獻：

[1] 李剛. 內蒙古河套灌區節水對烏梁素海的影響研究[D].北京：中國農業科學院，2007.

[2] 張燕. 農田排水溝渠對氮磷的去除效應及管理措施[D].哈爾濱：中國科學院研究生院（東北地理與農業生態研究所），2013.

[3] 徐紅燈，王京剛，席北斗，等.降雨徑流時農田溝渠水體中氮、磷遷移轉化規律研究[J].環境污染與防治，2007，29（1）：18-21.

[4] 楊林章，周小平，王建國，等.用于農田非點源污染控制的生態攔截型溝渠系統及其效果[J].生態學雜志，2005，24（11）：1371-1374.

[5] 姜波.生態型農田排水溝設計[J].水利科技與經濟，2014，20（6）：101-103.

[6] 陸海明，孫金華，鄒鷹，等.農田排水溝渠的環境效應與生態功能綜述[J].水科學進展，2010，21（5）：719-725.

[7] 張原培. 寒區河道生態護坡適宜植物優選研究[D].哈爾濱：黑龍江大學，2019.

[8] 尹永強. 蜂巢約束植被護坡的穩定性研究[D].天津：中國民航大學，2019.

[9] 劉澤民，閆煒.紫花苜蓿生飼養羊的經濟效益分析[J].北方牧業，2023（10）：19，21.

[10] 孫春敏，陳子平. 新型生態排水溝的試驗研究與應用探討 [J]. 廣東水利水電，2013，（3）：44-46，69.

Ecological Drainage Ditch Construction Technology Based on the Reduction and Control of Agricultural Non-point Source Pollution in Hetao Irrigation District

XU Hongmei1，4，HUO Yizhen1，4，6，ZENG Xiang2，4，HU Zhen3，LI Shengyong1，4，GUO Fuqiang4，5

（1.Hetao University，Bayannur 015000，China；2. Changjiang River Scientiffic Research Institute，Wuhan 430000，China；3. Wuhan Huzhenyu Environmental Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China；4. Inner Mongolia Hetao Irrigation District Irrigation and Drainage? Engineering Technology Research Center，Bayannur 0150000，China；5. College of Desert Science and Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，Inner Mongolia 010000，China；6. Inner Mongolia Arge Life Science Co.，Ltd.，Ulanqab 011800，China）

Abstract：At present，the severity of agricultural surface source pollution in Hetao irrigation area is escalating，the eutrophication of the Wuliangsuhai Lake is intensifying and the water ecological environment is deteriorating. To address these problems，we suggest to make full use of the existing irrigation and drainage infrastructure in the Hetao irrigation area，and to build ecological drainage ditches as an extension of the traditional soil drainage ditches. Meanwhile，we conducted field tests? to study the environmental effects of various factors of the ecological drainage ditch，including cross-sectional structural type，cross-sectional design parameters，materials employed for slope construction，and plant species planted in the ecological ditch. The aim is to enhance the pollutant interception and purification capabilities of the drainage system in the Hetao irrigation area，thereby minimizing the discharge of pollutants into the Wuliangsuhai Lake from farmland drainage，and meanwhile reducing eutrophication levels. The research findings serve as a reference for the management of agricultural surface source pollution in the Hetao irrigation area.

Key words：Hetao Irrigation District；Wuliangsuhai Lake；farmland drainage；drainage ditch

收稿日期：2023-09-26

基金項目：內蒙古自治區科技成果轉化專項資金項目（2021CG0013）；內蒙古自治區高等學?？茖W技術研究項目（NJZY21190）；巴彥淖爾市科技計劃項目（K202014）；內蒙古自治區科技計劃項目（2022YFHH0088）；烏梁素海流域山水林田湖草生態保護修復試點工程支持計劃項目（2019HYYSZX）；加強我國北方重要生態安全屏障建設研究專項（STAQZX202320）

作者簡介：徐紅梅，女，副教授，碩士，主要從事水環境治理技術研究。E-mail：372451694@qq.com

通信作者：霍軼珍，女，教授，主要從事節水灌溉技術及水環境治理工作。E-mail：805296445@qq.com