农田沟渠湿地面积计算方法研究

徐 球

(南京市水利工程建设管理中心，南京210004)

农田排水沟渠系统一般包括田间出水沟渠、田间汇水沟渠以及附带的一些水塘和季节性小河流，其作为农田生态系统的重要组成部分，具备有排水和湿地系统的双重功效[1]。随着非点源污染的加剧以及流域水资源的短缺，农田排水沟渠作为农田流失氮、磷进入收纳水体前的运输通道，其对农业非点源污染控制作用的研究越来越受到重视。

影响沟渠湿地去除氮、磷的因素包括农田沟渠淹水程度，水生植物，季节、温度，沟渠面积，沟渠底泥的类型等。在用地日益紧张的形势下，沟渠湿地方案设计越来越重视湿地面积计算的科学合理性，在实现沟渠湿地效应的同时能够做到保护和合理利用土地。

农田排水沟渠相当于农田沟渠湿地系统，它可以是天然的湿地，也可以是人工湿地的一个实际应用。目前国内对人工湿地面积计算研究比较多，但对农田沟渠湿地面积计算研究相对较少。刘文祥[2]对人工湿地在农业面源污染控制中的应用研究中提出，年降雨量在800～1 100 mm地区，湿地面积约为控制面积的1%，降水量小，湿地面积减少，降水量大，湿地面积增加；胡浩云[3]等在实例研究中提出人工沟渠湿地水面积与受控面积配比模型。本文在借鉴学习熊家晴[4]等根据质量守恒定律提出雨水处理自然流人工湿地面积计算方法基础上，结合沟渠湿地具体特性对计算参数进行分析，提出适合沟渠湿地面积的计算方法。

1 沟渠湿地面积计算的理论基础

由于有充沛的降雨和适宜的气候条件，农田排水沟渠内周期性地生长着浓密的水生植物、底层会被周期性淹没同时含有提供生物生长的底泥，作为农田与水体之间的一个过渡带，能够通过土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用，降低进入地表水中的氮、磷化合物的含量。这样一个湿地系统可以看作是人工湿地的一个实际应用。

研究沟渠湿地面积计算时发现，人工湿地面积计算常用的经验公式法在运用过程中遇到设计参数难以合理选取，且由于自然环境条件、污染物浓度等差异，计算结果与工程实际有较大出入。熊家晴等在分析雨水处理自然流人工湿地理论时指出,大面积湿地基质更换很难实现，而从可持续的观点来看，氮磷的去除主要通过水生植物的收割来实现，为了充分保证氮磷的去除率，根据物质平衡原理确定水生植物的种植面积具有一定的科学合理性，即根据进、出水量和氮磷含量的差值确定水生植物需吸收的营养物的量，由营养物量与水生植物生物量的增值的比例关系确定植物的种植量，其面积可按式(1)计算。

(1)

式中：As为人工湿地床表面积，m2；Q1为年进水量，m3/a；Ce为系统入口处的污染物浓度，mg/L；Co为系统出口处的污染物浓度，mg/L；M为植物生长率，t/(hm2·a)；α为组织的氮(或磷)含量(干重)，g/kg；β为植物含水率。

沟渠湿地氮磷污染物截留与去除机理与自然流人工湿地相似，且大面积沟渠湿地基质更换也很难实现，需要通过对渠内水生植物及时回收以减少二次污染，氮磷的去除可以由水生植物需吸收的营养物的量来反映。因此，结合公式(1)分析得出沟渠湿地面积计算可表示为沟渠湿地污染负荷与沟渠水生植物生物量的增值比例，即：

(2)

式中：Ac为沟渠湿地面积，m2；W为沟渠湿地受纳的年氮(或磷)负荷，kg/a；L为水生植物年生物量增量，kg/(m2·a)。

2 沟渠湿地设计参数分析

公式(1)中湿地年进水量及系统进出口的污染物浓度是计算模型的关键设计参数。然而由于农业非点源污染迁移规律的特殊性，即农田氮磷迁移受到降雨径流、灌溉制度、施肥量、施肥时间等因素影响，存在一定的时间和空间分布特征，简单地选取年平均沟渠排水量或沟渠湿地进出口年平均污染物浓度值代入公式计算，不能真正反映沟渠湿地对农业污染物净化过程，且湿地面积计算可能与工程实际不符。因此需要对公式(1)中主要参数进行分析和优化。

2.1 沟渠湿地污染负荷计算

研究表明，农业面源氮素负荷量随年降水量和灌溉量增加而增大。因此，在讨论沟渠年进水量时不仅考虑沟渠湿地受控面积的降雨径流与污染物浓度关系，还应分析灌溉对污染负荷的影响。

(1)降水-径流影响。降水的年内分配不均导致径流在年内分配不均匀，进入沟渠湿地的农田污染物浓度会因降雨量及降雨强度不同而变化，排出沟渠湿地的污染物浓度也会因为湿地水环境容量、湿地水生植物生长和微生物繁殖情况差异明显。因此，根据研究区域多年降雨-径流资料和排涝计算，得出沟渠湿地典型年内排水过程，则径流量和由降雨-径流形成的营养物累积量可以用式(3)、(4)表示。

Qi=10μPiF

(3)

Wr=∑ni=1(Cei-Coi)Qi/1 000T

(4)

式中：Qi为某次降雨形成的沟渠排水量，m3；Pi为形成径流的次降雨量，mm；μ为径流系数；F为沟渠湿地受控面积，hm2；Wr为年内由降雨-径流形成的氮(磷)营养物累积量，kg/a；Cei、Coi分别对应形成Qi的时段内沟渠首、渠末氮(磷)平均浓度，mg/L；n为年内形成降雨径流的次数；T为计算时段，取T=1 a。

(2)农田灌溉退水影响。农田退水量的多少直接影响着农田灌区污染物源强度大小。经过大量研究表明，退水量与灌溉量有显著的相关关系。灌溉量较大时，田面水会溢过田埂进行排水，这种异常退水情况会改变正常退水量，使退水量增加，其中携带着农田中的农药化肥及其他污染物量也随之增加，这些退水排入河流中后，会影响受纳水体中总氮、总磷的比负荷量。

因此，可以通过建立农田灌溉量与农业非点源污染负荷两者的关系函数来定量分析两者的相关性[5],见式(5)。

N=f(R)

(5)

式中：N为灌区输出的农业非点源污染物负荷，kg/a；R为灌区灌溉量，万m3。

根据水资源平衡原理，在灌区农作物不变情况下，降雨径流不同的年份对应的农田灌溉量不同，灌溉退水量及其对农业非点源污染负荷的影响也不同。为了反映不同年份灌溉量(或不同灌溉强度)对农业非点源污染物负荷的影响程度，提出了灌溉影响因子,可用下式表示：

(6)

(3)沟渠湿地氮(磷)负荷。为简单计算，本文在由降雨-径流计算出沟渠湿地污染负荷的基础上，借鉴灌溉影响因子的概念反映灌溉对污染物负荷的影响，沟渠湿地氮(磷)总负荷按式(7)计算。

W=γWr

(7)

式中：W为沟渠湿地受纳的年氮(磷)负荷，kg/a；γ为灌溉影响因子；Wr为年内由降雨-径流形成的氮(磷)营养物累积量，kg/a。

2.2 沟渠湿地植物选择

不同的水生植物对污染物的净化能力是不同的，姜翠玲[6]等在研究沟渠湿地对农业非点源污染物的净化能力中发现，长江下游地区沟渠中自然生长的两种主要挺水植物，芦苇和茭草，能有效吸收营养成分，且茭草对非点源污染物的截留和净化能力比芦苇高，每年秋季芦苇和茭草收割以后，可带走463～515 kg/hm2的氮、127～149 kg/hm2的磷。因此，本文建议在长江下游沟渠湿地方案设计时可选取芦苇和茭草作为主要纳污净化植物，主要计算参数见表1。

表1 芦苇和茭草的氮、磷含量和生长率取值[6]Tab.1 Content of N,P and growth rate in phragmitescommunis and Zizania latifolia

对于选用多种水生植物进行搭配的沟渠湿地，可根据植物间不同的氮、磷含量及生长率进行折算，将单纯芦苇(或茭草)湿地面积折算成不同植物的配置面积。

3 沟渠湿地面积计算

沟渠湿地面积计算表示为沟渠湿地年污染负荷与沟渠水生植物生物量的增值比例，结合公式(2)、(4)、(7)，得出沟渠湿地面积计算公式：

(8)

式中：Ac为沟渠湿地面积，m2；W为沟渠湿地受纳的年氮(磷)负荷，kg/a；L为水生植物年生物量增量，kg/(m2·a)；γ为灌溉影响因子；Qi为某次降雨形成的沟渠排水量，m3；Cei、Coi分别对应形成 的时段内沟渠首、渠末水中氮(磷)平均浓度，mg/L；M为植物生长率，t/(hm2·a)；α为组织的氮(或磷)含量(干重)，g/kg；β为植物含水率；n为年内形成降雨径流的次数；T为计算时段，取T=1 a。

4 结 语

农田沟渠湿地对农业非点源污染物有很好的净化作用。根据研究地区水资源概况以及农业污染特性，进行沟渠湿地方案设计，其中湿地面积计算是影响湿地规模和湿地净化效果的关键因素。经分析，本文优化得出沟渠湿地面积计算方法，但今后还需要在多方面进一步研究，如在缺少逐年灌溉面积与灌溉水量数据的情况下如何确定灌溉影响因子经验值；结合目前农田径流生态拦截沟渠塘建设的推行，如何结合原有沟渠湿地进行工程改造，湿地面积计算除了考虑对污染物的净化效应，还需要考虑雨水调蓄、水资源利用等问题。

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[1] 徐红灯.农田排水沟渠对流失氮磷的截留和去除效应[D].北京：北京化工大学，2007.

[2] 刘文祥.人工湿地在农业面源污染控制中的应用研究[J].环境科学研究，1997，10(4)：15-19.

[3] 胡浩云，高 巍，朱 磊，等.邯郸地区建设沟渠湿地可行性研究[J].人民长江，2009，40(20)：76-78.

[4] 熊家晴，高延雄，刘 瑞.雨水处理自然流人工湿地面积计算方法[J/OL].中国科技论文在线，2010，5(7)：505-508.

[5] 李佳琪.农业灌溉退水环境影响评价方法及案例应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[6] 姜翠玲，崔广柏，范晓秋，等.沟渠湿地对农业非点源污染物的净化作用[J].环境科学，2004，25(2)：125-128.