水田联动控制在面源污染防治工程中的研究

许高鹏，唐 浩

（1.中国电建集团装备研究院有限公司，上海 200010；2.上海市环境科学研究院，上海 200010）

崇明区作为上海市主要的蔬菜粮食生产基地，随着崇明区水污染防治工作的开展，其点源污染问题得到了基本控制，但因化肥农药的使用以及雨天径流冲刷等影响，农业面源的问题逐渐凸显。本文以解决崇明区米新村农业面源污染等问题为主要目标，通过建设多级生态拦截水田联动的示范项目，研究示范工程对农田退水中氮磷的去除效果。

1 项目概况

示范工程位于上海市崇明区向化镇米新村某果蔬专业合作社内，该试点主要的污染物为面源污染，大量污染物进入周边的泯沟内造成营养化程度较高，形成水质较差的突出问题。

示范工程主要治理措施流程如下：雨天携带泥沙的氮磷经过农田内最前端的沉砂池，截留大量的泥沙后，进入生态排水沟渠。随后出水进入河道缓冲带的植被（芦苇、香蒲、茭白）。河道内主要采用沉水植物、挺水植物以及水生生物构建食物链的生物操纵技术对尾水进一步净化。

2 水田联动面源污染防治工艺流程说明

水田联动面源污染控制系统工艺流程如图1所示.

图1 水田联动面源控制工艺流程图

（1）集水口：示范项目所处区块主要以旱地作物种植为主，用于收集雨天径流后的农田尾水，防止其无序汇入周边水体内。

（2）沉砂池：初期雨水经过农田地表冲刷后携带大量泥沙汇入水体，在集水口后侧设置沉砂池，能够起到滞留、沉淀大量泥沙等作用，同时池体出水侧密布种植美人蕉等水生植物，进一步起到澄清过滤的作用。

（3）生态排水沟：生态排水沟采用“百叶窗”样式的预制式混凝土砌块结构，具有孔隙率高、透水性好、生态环保等优点，每片预制式混凝土砌块结构厚度为15 cm，长度为15 cm，宽度为80 cm。板内种植黑麦草等耐受性较强的多年生禾本植物。同时其底部采用两层滤料，常水位以上采用碎石填料15 cm，碎石粒径0.5～2.5 cm，起到支撑植物生长等作用。常水位以下采用25 cm的沸石和火山岩混合滤料，混合比为4:6，粒径2～8 cm。通过渠壁和渠底的耦合作用[1]，各种填料的强吸附作用快速降低氮磷的浓度，同时渠内种植的各种植物生长又能够在吸收氮磷的同时与微生物等形成稳态的生境，共同作用降解污染物。

（4）植被缓冲带：植被缓冲带主要分布于农田周边泯沟两侧，为陆域与水体的交汇区域，具有极强的水质净化效果。设计时，以河道周边1.5 m范围内区域为实施对象，在进水前段区域设置格栅，中段种植挺水植物，以美人蕉和鸢尾为主，用于进一步过滤、拦截生态排水沟净化后的农田排水。吴诗杰等研究表明[2]，美人蕉和鸢尾等水生植物根系发达，对于吸收、利用水体中的无机磷等具有高效的作用。

（5）河道水生态构建：河道水生态构建主要采用沉水性植物与水生生物构建生境的方式净化水质。崇明农田泯沟的河道常水位常年较低，在1.5 m以下，因此选用的沉水性植物主要采用矮化苦草、黑藻、金鱼藻，种植比例占河道面积的45%，三种沉水植物的种植比例为7:1.5:1.5，种植密度为15～25 单株/ m2，3～5 株/丛，种植采用扦插的方式，基质采用当地的泥土。

3 工程运行效果

向化镇米新村的田联动面源污染控制示范项目投入运行后，于2019年1～12月分别对各单元进出口处的水质进行定期检测，每月监测1次，经过持续跟踪后的水质监测结果如表1。

由表1可知，农田尾水中总氮浓度较高，氨氮浓度相对较低，这主要是与种植区域施肥类型和种植方式有关，这与张燕[3]在研究中具有类似的结果，农田尾水中TP的水平变化呈现先逐渐上升后下降的趋势，与当地施肥、打药呈现正相关性。

同时与示范项目中农田尾水处理的总体效果进行对比，夏季水田联动组合工艺对总氮、总磷和氨氮的去除率分别为65.47%、75.23%和93.98%，冬季水田联动组合工艺对总氮、总磷和氨氮的去除率分别为35.73%、55.53%和65.56%。即夏季系统的处理效果总体优于冬季，这主要是因为夏季各种生物生长代谢能力较强，需要大量的营养物质维持其代谢水平的原因。经过分析对比可知各单元去除氮磷的能力大小为：河道水生态构建＞生态排水沟＞植被缓冲带＞沉淀池，这可能是因为对于水田联动组合工艺中，河道水生态构建的区域及水体停留时间最长，生态排水沟和植被缓冲带在基质填料等方面的选用类似，但停留时间不同也导致各自的去除效果有显著差异。

此外总氮的去除在时间和空间上变化有显著差异，主要表现为在11月～次年3月份之间总氮去除效率急剧下降，5月份后又逐渐恢复，这可能是因为总氮的去除与温度具有极大的相关性。李先会[4]等在耐寒植物根际土壤的氮转化强度进行研究时具有类似的结果。

综上所述，水田联动方式处理农田生态尾水的方式，对污染物的去除率满足要求，且夏季农田尾水中污染物浓度的去除效果优于冬季，整体上达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的III类水质标准要求，对崇明地区的农业面源污染控制具有较好的效果。

4 结论

（1）水田联动方式处理农田生态尾水的技术措施，对氮、磷的去除主要以排水沟渠和填料之间的吸附沉积作用以及各处理单元形成植物-微生物系统为主，当水力停留时间越长，水体污染物与各单元系统接触越充分，则去除效果就越好。

表1 示范项目各单元进出水水质分析表

（2）河道水生态构建系统对于尾水中污染物去除贡献率最大，但当进水工况不能满足要求时，如透明度不高，氨氮浓度过高时，去除率反而下降。植被缓冲带和生态排水沟处理单元对于污染物的去除主要取决于停留时间长短。

（3）水田联动方式处理对农业面源污染具有良好的处理效果，针对农田尾水为劣Ⅴ类的工况，经过多种技术措施组合，植物-微生物之间形成生境，同时在填料之间的物理吸附等多重作用方式下，可使出水水质稳定达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水的指标要求。同时该工艺具有占地小、投入少、效率高等特点，适用于我国长三角地区农业面源污染治理，具有一定的推广价值。