某地农田灌溉退水水质及对主要河流水质影响的分析

曹 杨

（江苏省徐州环境监测中心，江苏 徐州 221000）

0 引言

20 世纪中叶发达国家开始大量施用化肥，随后导致河流、湖泊及近海水体富营养化。同时，美国研究发布了关于施用化学氮肥导致地下水硝酸盐污染的报告，人们开始了解过度施用化肥的危害，美国在减少施用农业产业磷和氮肥料后，水质得到了显著改善[1-2]。我国自20 世纪80年代开始大量施用农业化肥，施肥量逐年增加，1980年中国化肥施用量为1 270 万t（折纯），2015年施用量为6 022.6 万t（折纯），增长3.74 倍[3]；同时，农作物播种面积施肥量达到了362 kg/hm2，是发达国家公认单位农作物播种面积施肥量环境安全上限的1.6 倍，而化肥利用率却仅达到发达国家水平的20% ～50%。在农业种植过程中，大量N,P 元素流失，最终以水污染物的形式存在，使河流具有明显的农业面源污染特征[4-5]。《第二次全国污染源普查公报》[6]结果显示，2017年农业源排放水污染物，CODCr排放量为1067.13 万t，NH4+-N 排放量为21.62 万t，TN 排放量为141.49 万t，TP 排放量为21.20 万t，分别占全国水污染物排放量的49.8%，22.4%，46.5%和67.2%。

农田灌溉退水输出的N，P 污染物经过田间沟渠进入村庄小型河道、池塘，再逐级汇入主要支流，最后进入河流干流。为分析灌区退水对区域水环境的影响，马丽等[7]以云南耿马灌区为对象，研究水环境质量及退水污染负荷，证实了农业灌溉回归水污染负荷以TN 为主。江苏省农业发达，普遍大量施用化学肥料，而农作物实际吸收利用率仅为30%左右[8]。近年来，研究区域汛期河流水质预警频现，且以TP，NH4+-N 超标预警居多，为研究该地农田灌溉退水水质现状及对汇水区相关联的考核断面水质的影响，对该地规模化灌区农田灌溉退水通道水质开展监测与分析，为当地水环境质量管理工作提供支撑。

1 研究方法

1.1 区域概况

研究区域位于江苏省北部，实有耕地面积611 150 hm2，占区域土地总面积的54.85%。降雨量丰、枯期差异大，年平均降雨量为900 mm，降水期集中在6月～9月，雨季降水量占全年的56%。农作物主要为一年两季作物，施肥季主要为春、秋种植基肥及夏季追肥；灌期为3月～5月、9月～11月，农业灌溉水有效利用系数为0.585，退水量约105 825 万m3/a。

1.2 监测点位

选择22 条主要河流，在具有大量农田流域的支流设置监测点。采用加密监测方式共布设25 个监测点位，其中，与国家级考核断面相关联的支流监测点位16 个（编号G1 ～G16）；与省级考核断面相关联的支流监测点位6 个（编号S1～S6）；未关联考核断面的监测点位3 个（编号K1～K3）。监测采样点位分布见图1。

图1 调查监控断面采样点位示意

1.3 监测时间

2020年7月～2021年6月，监测频次为1 次/月，6月～9月每月开展1 次雨后加密监测。

1.4 监测指标

监测指标共11 项，为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》 表1 中的pH 值，DO，COD，CODMn，NH4+-N，TP，TN；表2 中硝酸盐（以N 计）；表3 中内吸磷、百菌清、甲萘威。采样方法均按照HJ/T 91—2002《地表水和污水监测技术规范》执行；样品分析方法均采用国家相关分析标准；例行监测及加密监测均执行质量控制和质量保证相关措施。

1.5 评价方法

1.5.1 单因子浓度比较法

评价某一断面（点位）在不同时段的水质变化时，可以直接比较评价指标的浓度值，并以折线图表征其比较结果。

1.5.2 水质指数法

采用水质指数（WQI）法评价单个退水通道水质状况，水质标准按照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》执行。先计算单项指标的浓度均值，计算方法见公式（1），低于检出限的项目按照1/2 检出限值参加计算各单项指标浓度的算术平均值；再计算单项指标的水质指数，计算方法见公式（2）；最后计算水质综合指数，计算方法见公式（3）。水质指数越小说明水环境质量越好，水质指数越高说明水环境质量越差。

式中:Ci为第i 个水质指标的质量浓度，mg/L；Cs(i)为第i 个水质指标的标准限值，mg/L；WQI（i）为第i 个水质指标的水质指数 （本公式适用于除pH 值，DO以外的指标计算）。

式中:WQI（i）为第i 个水质指标的水质指数；n 为水质指标个数。

2 结果与分析

2.1 农田退水水质污染空间分布情况

根据监测结果，选取COD，NH4+-N，TN，TP 4 项主要超标污染因子进行污染空间分布特征分析，监测结果见图2。

图2 点位主要水质污染因子质量浓度

由图2 可知，水质污染因子浓度空间分布差异较大。

（1）ρ(COD) 在13～37.4 mg/L 之间，均值为18.2 mg/L，S4，G10，G15 点位浓度较低，G5 点位最高（超标0.87 倍），超Ⅲ类水质点位数占总调查点位数的16%；ρ(NH4+-N) 在0.177～2.177 mg/L 之间，均值为0.659 mg/L，G10 点位浓度最低，G5 点位最高 （超标1.2 倍），超Ⅲ类水质点位数占总调查点位数的20%；ρ(TN)在0.84～5.98 mg/L 之间，均值为2.58 mg/L，S3点位浓度最低，G13 点位浓度最高 （超标4.98 倍），超Ⅲ类水质点位数占总调查点位数的84%；ρ（TP）在0.046～1.578 mg/L 之间，均值为0.218 mg/L，G10点位浓度最低，G5 点位浓度最高 （超标6.9 倍），超Ⅲ类水质位数占总调查点位数的24%。

（2）综合考虑超标比例及超标倍数，水质因子污染程度由高到低为TN ＞TP ＞NH4+-N ＞COD，TN 和TP 污染较严重，污染范围广且超标倍数高，与汛期水质下滑明显的考核断面主要超标污染物种类基本吻合[11]。张崑等[12]研究发现稻季不同施肥方式下N流失量为13.49～15.32 kg/hm2，流失率为3.535%～4.18%，P 流失量为2.19 ～ 2.61 kg/hm2，流失率为2.04 ～ 2.37%。氨的挥发损失是农田氮肥损失的主要途径之一，张博[13]研究发现在华北平原小麦季基肥期氨挥发累积量占当季总累积量的52.35% ～84.81%。由此可见农业施肥中未被吸收利用的N，P 元素流失可能是灌区河流水质污染物的主要来源之一。

（3）污染物浓度空间分布不均匀，这与监测点位所处的具体环境有一定关系。支流收集的退水主要来自农田排水沟渠，研究表明，沟渠系统对N，P 具有一定的降解作用，其降解效果与温度和季节、植物类型、沟渠结构等都有关系。就沟渠形态而言，一般生态沟渠的降解能力优于土质沟渠，土质沟渠优于混凝土沟渠[14]，而本次调查范围所涉及的沟渠既有土质沟渠也有混凝土沟渠，结构不一。G5 点位的水质污染程度最严重，ρ(COD)超出Ⅲ类标准限值0.87倍，ρ(NH4+-N)超标1.2 倍，ρ(TN) 超标3.2 倍，ρ(TP) 超标6.9 倍。分析原因为G5 点位周边不仅有种植区，同时收集村镇细小沟渠汇水，农业面源与农村生活源污染叠加，导致本底沉积污染较多；且该点位于河道拐弯处，下游闸门长期关闭，污水淤积，监测数据显示该点位所在河流水质类别长期保持在V～ 劣V之间。

（4）各监测点位污染物情况浓度变化较为一致，均在G3,G5,K2,G11,G12 点位出现浓度高值，在S1,S3,G6,G9,G14 点位出现浓度低值，污染物同源性强。NH4+-N 与TN 浓度在空间上的分布趋势较为一致，均在G2,G5,G13 点位出现高值。张广强[15]研究发现地表水中污染物NH4+-N 与TN 具有显著相关性且相关性稳定，NH4+-N/TN 比值越大说明河流污染越严重，G5 点位的NH4+-N/TN 比值高于其他点位，污染最严重。

2.2 农田退水水质污染情况时间分布

选取监测点位4 项主要超标污染因子，计算其逐月WQI 值，进行污染物时间分布特征研究，结果见图3。

图3 主要污染因子WQI月均值

由图3 可知，各监测点位WQI 在3.91～8.02 之间，从5月份开始逐渐升高，10月份开始降低，5月～ 9月指数值明显高于其他月份，9月份指数值最高，3月份最低，可以看出该地区农田灌溉退水通道雨季WQI 明显高于旱季。从污染因子的水质指数变化来看，TN，TP,NH4+-N 均为5月份开始升高，10月份降低并逐渐稳定，其变化趋势与综合指数基本一致，可见污染物有较明显的时间分布特征。雨季TN，TP,NH4+-N 浓度明显高于旱季，这与降水有关，雨水将导致土壤中肥力流失的N，P 元素淋溶转移到水体中；NH4+-N 的浓度升高也可能与夏季水体中微生物的繁殖活跃度有关，反硝化细菌厌氧分解可以将含氮有机物还原为NH4+-N[16]。COD 浓度逐月变化不明显，COD 污染来源包括工业源、农业面源、生活源等多方面，其排放规律与时间的相关性不强[17]。农田灌溉退水污染物浓度的时间分布特征还应考虑当地农作物的施肥规律，一般在播种和重要生长周期化肥施用较多，污染物排放量相应增加，张薇等[18]研究氮肥使用对北方夏玉米季氨挥发的影响发现，随着化肥施氮量的增加，氨挥发总量呈指数型增长。

2.3 农田退水对主要河流断面水质的影响分析

（1）降雨前、后污染物浓度变化

选择施肥季（5月份）分析降雨前、后主要污染物浓度变化，结果见图4。由图4 可知，降雨事件前、后污染指标指数发生了不同变化，降雨后ρ（NH4+-N），ρ （TP）和ρ （TN）比降雨前分别平均升高24.1%，13.4%和11.5%；但ρ（COD）反比降雨前降低20.3%。分析原因为，降雨后，一方面雨水淋溶形成的径流携带周围地表及土壤中污染物汇入河流，使污染物浓度升高；但另一方面雨水的稀释作用也可能降低污染物的浓度，两种作用的叠加决定最终的浓度结果。于会彬等[19]研究降水对农田沟渠中N，P 元素流失的影响，发现N，P 在降水径流中流失的一般规律为污染物含量随径流量的增大而升高；N 流失的主要形态为NH4+-N 和硝酸盐；P 流失的主要形态为磷酸盐。灌溉退水的采样点位距离农田较近，受农业源影响大，距离村镇较远，受生活污染源影响小，因此典型农业源污染物NH4+-N，TP 和TN 的浓度均呈现升高，而COD 浓度由于雨水的稀释作用，反而降低。

图4 降雨前、后污染物质量浓度变化

（2）重点断面水质分析

调查期间，与S1 点位相关联的考核断面水质类别为Ⅱ～Ⅲ类；与G11，G12 点位相关联的考核断面水质类别为Ⅲ～Ⅴ类；与G5 点位相关联的考核断面水质类别为Ⅲ～Ⅳ类。说明农田灌溉退水在一定程度上影响了与其相关联的考核断面水质类别，但影响程度各异。分析原因为在枯水期，降雨较少且田间支流水体流动性差甚至滞流，径流携带污染物入主要河流的情况较少发生，即使退水通道的水质较差也不会对下游汇水区水质有太大影响；而在降雨期，一方面地表径流携带大量污染物入河，另一方面水体流动性强易搅动沉积的污染物上泛进入水体，与农田退水夹裹汇下游主要河流，则会导致相关联的考核断面水质变差。

3 结论及建议

（1）该地雨季农田灌溉退水水质综合指数高于旱季，TN 和TP 是主要水质污染因子，施肥季NH4+-N，TP 和TN 质量浓度降雨后较降雨前分别平均升高24.1%，13.4%和11.5%，ρ（COD）比降雨前降低20.3%；建议从减少施肥量和改进施肥模式的方式减少N，P向自然环境流失。

（2）农田退水对下游考核断面的影响与降雨情况密切有关，在枯水期，水体流动性差，退水通道的水质不会对下游汇水区水质有太大影响；而降雨期，各渠道水体汇流携带多种来源的污染物进入主要河流则会对区域重点考核断面水质造成冲击。

（3）退水通道水质类别各有差异，除受农业源累积污染外，也与该河流（沟渠）内植物生长情况、渠底构造及接受生活污染源的情况有关系。对水质污染严重的农田退水通道应当施行重点监控，及时整治，避免影响下游考核断面水质。