灌区渠系湿地面积推求方法探析

王 鼎，黄 璐，朱文彪

（江苏省灌溉总渠管理处水文站，江苏淮安223001）

灌区渠系湿地面积推求方法探析

王 鼎，黄 璐，朱文彪

（江苏省灌溉总渠管理处水文站，江苏淮安223001）

灌区渠系湿地可有效净化农业面源污染物质，湿地面积作为影响污染物净化成效及湿地规模的重要因素，在湿地培育方案制定中至关重要。文章在阐明推求人工湿地面积理论基础上，综合灌区农田具体特征对湿地植物、灌区灌溉以及降雨径流等因素实施优化，寻求揭示科学合理的渠系湿地面积推求方法。

渠系湿地；灌区面源污染；面积推求；污染物净化

1 渠系湿地面积基础理论

在灌区输排水渠系内往往会生长许多水生植物，其底层也会覆盖一层能够供水生植物和其它生物生长的淤泥。它作为水体和灌区的一个连接过渡区，可以通过微生物降解、植物吸收以及土壤吸附等作用使地表水中的磷、氮等污染物的含量减少［4］。这种湿地系统就能够被看作是人工湿地的实际应用。

在分析推求渠系湿地面积时往往会出现人工湿地推求中所使用的经验公式中的设计参数很难选取。并且还会受污染物含量、自然条件等因素的影响，得到的推求结果和实际工程中的选取出入较大。熊家晴等学者在进行人工湿地理论分析时说明，更换面积较大的湿地基质是很困难的。另外从能够可持续发展的角度分析，应该通过收割水生生物来实现磷氮等污染物的去除［5］。同时为了能够使磷氮等污染物得到充分去除，通过物质平衡理论可以科学合理地确定出水生植物的面积，即依据磷氮含量与进出水量的差值确定出水生植物吸收的营养物质的含量，再由水生植物中生物量和营养物质量增加的比例关系得到水生植物的总的种植量，水生植物种植面积推求公式如下：

式中，As表示人工湿地总表面积，m3；Q1表示平均年进水量，m3/a；Ce表示系统入口污染物含量大小，mg/L；Co表示系统出口污染物含量大小，mg/L；M表示植物生长率大小，t/（hm2·a）；α表示系统中磷或氮的含量大小，g/kg；β表示植物含水率的大小。

去除和截留渠系湿地中磷氮污染物的机理与人工湿地中相似，并且对渠系湿地进行大面积的基质更换也是很难实现的，这就需要及时地回收渠系内的水生植物以减少磷氮等污染物的二次污染［6］。另外，磷氮等污染物质的去除量也可以通过水生植物对营养物质的吸收量反映出来。所以渠系湿地面积可用渠系所有水生植物中的生物量与湿地的污染物负荷情况表示，如式（2）所示。

式中，Ac表示渠系湿地面积的大小，m2；W表示渠系湿地平均每年磷或氮的负荷量，kg/a；L表示水生植物生物量平均年增量大小，kg/（m2·a）。

2 推求与分析设计参数

在进行模型分析推求时，其重要的设计参数包括渠系湿地平均年进水量、系统出入口中污染物含量大小等（如公式（1）所示）。由于农业面源污染中污染物运移分布受到施肥时间、施肥量大小、作物灌溉制度以及降雨和径流等因素的影响，其时空分布具有一定的特征，若仅仅把渠系湿地系统多年出入口污染物含量平均值和多年平均排水量平均值直接代入公式中进行推求，不能准确地反映出渠系湿地净化农业面源污染物的过程，得到的湿地面积也可能与实际不相符合。所以需要分析优化公式（1）中的关键参数［7］。

2.1 推求污染负荷

有关研究表明，随着我国年灌溉水量和年降雨量的逐年增加，农业面源污染中氮素污染物负荷也呈现出增长趋势。所以在进行渠系年进出水量分析讨论时，不仅要考虑渠系湿地中受控面积污染物含量与径流降雨之间的关系，还需要正确分析出污染负荷受灌溉影响的大小。

2.1.1 降雨径流结污染物含量大小的影响

在我国降雨量呈现出时空分布不均的特点，年内降雨分布不均也会导致年内径流量分布，同时降雨强度和降雨量的变化也会引起进入渠系内污染物含量大小的改变，微生物生长繁殖状况、水生植物生长情况以及水环境容量等的变化会引起渠系内污染物排出量大小的改变［8］。所以需要依据研究区多年降雨和径流相关资料及排涝推求情况得到典型年渠系湿地的排水过程。可用以下公式表示径流量以及由于降雨径流得到的营养物质积累量。

式中，Qi表示某次降雨过程中形成的渠系总排水量，m3；Pi表示产生径流的降雨量，mm；μ表示径流系数大小；F表示渠系湿地中受控的面积大小，hm2；Wr表示年内由于降雨径流过程而形成的磷或氮等营养物质积累的量，kg/a；Cei、Coi则分别表示某次降雨过程中形成Qi时段过程中在渠道首部和尾部磷或氮的平均含量大小，mg/L；n表示整年总共形成径流次数大小；T表示整个推求时段（此处为1a）。

2.1.2 灌区灌溉中退水过程对污染物含量大小的影响。大量研究结果表明，灌区退水量的大小会直接影响灌区内污染物含量的多少，且灌溉量与退水量相关关系也很显著。当灌水量较多时，多余的水量会漫过埂畦排出大田，此时正常的退水量就会发生改变，退水量也会相应的增大，这样灌区中的磷氮等污染物质以及化肥农药等就会被带入河流中，使水体中的磷氮负荷增大［9］。

所以需要建立农业面源污染负荷量与灌区灌溉水量之间的函数关系定量分析它们的相关关系。如下式所示：

式中，N表示由灌区输出的农业面源污染物总量，kg/a；R表示灌区总的灌溉水量，万m3。

灌区作物不发生改变的情况下，由水量平衡原理可知，在作物整个生育期内降雨径流量不同，其对应的作物灌溉总量也不相同。同样农业面源污染物含量及灌溉过程退水量也会有所不同。所以提出用灌溉影响系数γ表示不同水平年作物灌溉水量对农业面源污染物总量的影响大小。

2.1.3 渠系湿地中磷或氮总量。为了简化推求过程，在2.1.1和2.1.2分析推求的基础上推求渠系湿地中磷或氮的总量大小，如下式所示：

式中，W表示渠系湿地每年受纳的磷或氮总量的多少，kg/a；γ表示灌溉影响系数大小；Wr表示一年内由于降雨径流过程而形成的磷或氮等营养物质积累的量，kg/a。

2.2 选择合适植物

不同种类的水生植物其净化污染物质的能力也各异，有关学者在探究渠系湿地中水生植物对污染物质净化能力时发现，研究区的渠系中主要有茭草和芦苇两种水生植物能够吸收营养物质，而且芦苇净化和截留面源污染物质的能力没有茭草高，在秋季茭草和芦苇收割后，能够带走130～152kg/hm2的磷和465～520kg/hm2的氮［10］。所以在本文中建议该研究区在进行渠系湿地研究方案制定时可以以茭草和芦苇为主要的净化植物，其设计推求参数如表1所示。

表1 茭草和芦苇磷和氮含量及生长率取值情况

若渠系湿地选用多种净化植物，可参考不同植物的生长率和植物之间的不同磷和氮含量进行分析换算，把单纯植物（如茭草或芦苇）的湿地面积换算成为别的植物的分配种植面积。

3 渠系湿地面积推求

渠系中湿地面积可通过渠系中水生植物包含生物量的增加值与其对应的平均年污染负荷值进行推求，结合以上公式，可以得到渠系湿地中面积的推求公式如下所示：

式中，Ac表示渠系中湿地对应的面积大小，m2；L表示水生植物每年增长生物量多少，kg/（m2·a）；W表示渠系湿地每年能够受纳的磷或氮的负荷量大小，kg/a；γ表示灌溉影响系数；Qi表示次降雨过程中形成的渠系总排水量，m3；Cei、Coi则分别表示某次降雨过程中形成Qi时段过程中在渠道首部和尾部磷或氮的平均含量大小，mg/L；M表示植物生长率大小，t/（hm2·a）；α表示系统中磷或氮的含量大小，g/kg；β表示植物含水率的大小；n表示整年总共形成径流次数大小；T表示整个推求时段（此处为1a）。

4 结语

灌区生态系统中的渠系湿地可有效地净化农业面源污染物质，依据研究区域农业污染现状及水资源利用概况，针对灌区渠系湿地实施规划设计，湿地面积即为影响湿地净化成果及湿地规模大小的主要因素。本文初步揭示推求出科学合理的渠系湿地面积计算思路，然而，如何在灌区灌水量资料及灌溉面积数据不足时获取灌溉影响系数值，结合已有渠系湿地工程实施生态灌区径流拦截渠系建设，实现污染物净化、水资源节约以及雨水调蓄等综合目标将是今后研究重点。

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TV93

A

1008-1305（2017）01-0094-02灌区输排水渠系系统是灌区生态系统中重要组成部分，该系统包括田间聚水渠系、田间排水渠系以及季节性河流与池塘［1］。当前，我国农业面源污染问题凸显，灌区输排水渠系作为灌区内磷、氮等污染物质的运输通道，对农业面源污染扩散发挥重要作用［2］。渠系湿地影响因素除磷、氮等污染物之外，尚包括部分渠系自身因素，例如渠系中底泥类型、渠系受水淹程度以及渠中植物等［3］。因此，在用地愈发紧张的背景下，在实施渠系湿地用地方案规划设计时应综合考虑面积推求的合理性，实现湿地效应与集约用地并举。灌区输排水渠系可视作湿地系统，为实现灌区人工渠系湿地面积的客观科学推求，本文通过分析由质量守恒所得人工湿地面积推求方法基础上，结合渠系湿地特征探寻推求参数，以期揭示与渠系湿地相适应的面积推求思路方法。

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.029

2016-07-29

王 鼎（1979年—），男，工程师。