生态沟渠水质净化能力评估中浓度测定与通量测定方法的比较

李飞， 杨旭斌， 林泽铭

(1.浙江省农业农村现代化研究院，浙江 杭州 310012； 2.浙江农林大学 农业资源与环境学院，浙江 杭州 311300)

随着我国人口的增加，粮食需求不断增长。为了满足对粮食日益增长的需求，以及获得足够的经济效益，我国的农业生产规模在不断地扩大，同时农业生产过程中化肥的施用量也在不断地增加。化肥虽然是农业增产的重要手段，然而大量的化肥投入并没有100%转化为产量的增加。据统计，目前我国主要肥料的氮素利用率为30%～35%，磷素利用率为10%～25%，过量地施肥造成肥料利用率的严重降低[1]。而低利用率往往容易导致施用于农田的化肥中的氮磷养分大量流失，在降雨时随地表径流进入农田排水沟渠，再沿着沟渠迁移入江河湖泊中，造成严重的农业面源污染[2]。农田沟渠是农业面源污染进入水体的重要途径。

改造农田沟渠为生态沟渠便是利用沟渠是农田与河塘湖库之间水流“连通器”的优势，通过在渠内建造透水坝、沉泥池、反硝化除磷装置并在渠内种植水生植物，加强沟渠系统的生态拦截能力，实现通过底泥截留吸附、植物吸收与微生物降解转化等多种途径去除农田排水中的农业面源污染物质。因而，农田生态沟渠是强化农田沟渠净化能力的农业面源污染治理技术，同时农田生态沟渠是一项“三分建、七分管”的系统工程，后期的运行管护比建设显得更重要，要定期检查并清除沟体内的杂草、外来入侵生物、淤积物、障碍物和废弃物，养护沟岸坡蜜源作物；定期检查沟坡有无松动、裂缝、破损、倾斜等现象，并及时进行修复处理；定期检查沟内装置，必要时进行冲洗、清泥、更换填料、油漆等维护工作；定期监测沟渠水质。不及时的维护便会造成水生植物疯长，极易导致二次污染。及时的沟渠水质监测对于评估生态沟渠水质净化能力与保证运维工作的及时进行有着至关重要的指导意义。通常对生态沟渠氮磷拦截效果的效果评价是通过沟渠沿程浓度变化来表征的[2-6]，王晓岭等[5]研究了水稻不同生长期内的3场降雨径流的氮磷去除效果，便是通过径流产生期间每隔20 min计算沟渠出口相对于沟渠入口不同形态氮磷的浓度下降程度，获取降雨初期、降雨中期与降雨后期的一系列拦截去除率；同样地，胡宏祥等[7]监测了不同时间沟渠不同断面水体的全氮全磷含量来评估水草拦截处理的作用，通过计算沿水流方面不同断面全氮全磷的浓度下降幅度来表征水草拦截作用。表明利用浓度差进行生态沟渠拦截效率的评价是更为普遍、简单的监测方法。

但是在水体污染评价中，通常采用通量表征污染量[8-9]，通量是污染物浓度与流量的乘积，表征的是通过某一横截面积的污染物的量，既考虑了浓度的变化，又考虑了水体流量等特征的变化，对于流速时空差异较大的沟渠，是更为合理的选择。刘福兴等[10]研究了3种不同深度规格的生态沟渠在3种动态进水条件下对农业面源主要污染物的去除效果，根据当地农田尾水的氮磷浓度人为配置沟渠进水浓度，每2 d采集水样，通过计算通量差来评估生态沟渠的污染物去除量。但是通量计算需要提供流速与沟渠横截面积，会较大地增加监测工作量。流速的监测一般采用流量计测定法或者浮标法，流量计本身售价较高，而且流量计指针放置的位置对于流量的测定影响较大，当沟渠深度较大，存在表面流量与深层流量差异较大的情况，表面流量通常高于深层流量，单单监测表面流量会高估污染物通量；同时沟渠渠底、渠道与水流接触的位置受到的摩擦力最大，流速也因此变慢，靠近渠边的流量监测会导致低估污染物通量。流量测定的准确性将直接关系到通量计算的准确性，这对监测工作提出了更高的要求；而浮标法一般测定的是表面流速，适用于截面流速相差不大的情况。

浙江省自2018年起整省探索建设农田氮磷生态拦截沟渠系统，到2021年底，已建成农田氮磷生态拦截沟渠系统510条，沟渠系统总长度592 km、覆盖农田面积2.4万hm2，实现了全省范围内适宜地区的推广应用。农田氮磷生态拦截沟渠系统建设获得了较好的社会反响，入选2018年度浙江省“五水共治”五大亮点工作并上报国家部委。2021年11月18日，浙江省委书记袁家军在南湖区凤桥镇联丰村详细了解稻田退水“零直排”模式的具体做法及其投资规模，充分肯定了该模式，认为成本不高，效益好，值得全省推广。为了更好地评价生态沟渠的净化效果，本试验在浙江省选择了5条农田生态沟渠系统，测定沟渠首末端的浓度与通量，比较浓度差与通量差之间的相关关系，验证通量测定是否是更为合理的测定方法。

1 材料与方法

1.1 采样与测定

本次研究取样与测定严格遵守《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)，选取浙江省杭州市、嘉兴市、湖州市、绍兴市和金华市的5条生态沟渠，采取沟渠水样进行监测并评估其对农业径流氮磷等污染物的拦截净化效果。

一般认为在降雨产生农田表面径流进入沟渠时起到生态沟渠的拦截作用，因而降雨期间是监测沟渠净化能力的关键时期。取样时间选在降雨田间产生地表径流排入沟渠的连续3 d。取样生态沟渠保证渠段上游有农田径流排水口，且有明显水流流动且无支沟进排水。具体方法为：为考察污染物浓度的沿程变化，沿沟渠水流方向设置5个取水点(分别计为P1～P5，P2～P5与起始段(P1)间距离分别为50、100、150和200 m)，覆盖沟渠进水口(农田排水出口)、水生植物和拦截转化装置。分别在每个取水点取一个塑料瓶体积(约300 mL)的水样，连续3 d总计5次取样(分别记为T1～T5)，水样及时带回实验室进行水质指标的测定分析。取来的水样当天须送回实验室进行测定分析，若无法及时测定分析，需放入4 ℃冰柜避光、冷藏保存，并尽快测定分析。

此外为了计算各污染物通量，还需测定沟渠水流流速、取样点横截面积，本试验采用浮标法进行流量计算，采用装有少量水的瓶子，在瓶口上插小旗作为浮标，利用手表测定浮标通过相距一定距离的两点的时间求出流速；并用皮尺测定沟渠深度与宽度以此计算横截面积，并且文字记录各个沟渠的水生植物生长情况与拦截净化装置情况。

1.2 分析方法

1.3 数据处理

各污染物的输入量、去除量、去除率按下式进行计算：

Yin=Qin×Cin；

Yη=Yin-Qout×Cout；

式中：η为污染物的去除率；Yin和Yout分别为污染物输入通量和污染物输出通量(g·d-1)；Qin和Qout分别为测试沟渠起始段和末段流量(m3·d-1)；Cin和Cout分别为测试沟渠起始段和末段污染物浓度(mg·L-1)；Yη为污染物通量差(g·d-1)。

通过每条沟渠在5个取样时间沟渠内起始段污染物浓度(通量)减去末段污染物浓度(通量)求得浓度差(通量差)，计算浓度差与通量差的相关性，比较两者差异。

2 结果与分析

表1是取样沟渠内P1～P5各点污染物浓度与通量的相关线性回归方程，其中Y代表通量，C代表浓度，R2为决定系数，R2越接近于1即表示C与Y越具有相关性，一般认为R2大于0.8即有较强的相关性。

表1 沟渠各污染物浓度与通量的相关线性回归方程

综上，目前已有研究对于去除率的计算方式为去除量与初始量的比值，一般选用浓度的变化来作为去除率依据[2-6]，这种计算方法也更为简单与直白，在实际采样中不需要对流速与沟渠截面积进行观测；但是对于沟渠宽度变化较大、水流速度变化较大的沟渠而言，浓度差与通量差之间的相关性较差，此时浓度的变化无法真实反映污染物的去除水平,而需要利用通量来评估生态沟渠的去除水平，可以对流入水体的污染物迁移、转化过程有了直观的反映，因为通量是浓度与流量的乘积，既考虑了浓度的变化，又考虑了水体流量等特征的变化。

在本试验中，对于沟渠流速比较稳定的沟渠，如湖州、杭州、绍兴、金华4条沟渠，其污染物浓度与通量之间的线性相关性均较强，完全可以用浓度差来代替通量差表征沟渠净化效果，从而节省评估工作量；如果要从更为精确的监测考虑，则可以对污染程度较大且可溶性成分较多的成分利用通量差评估生态沟渠的拦截效果。

3 小结

通量差测定可以更好地反映沟渠污染物量的变化特征，同时对于沟渠流速比较稳定的沟渠，可以用浓度差测定来代替通量差测定，而对于污染程度较大且可溶性成分较多的污染物指标更适合利用通量差评估生态沟渠对其的拦截效果。