宁夏引黄灌区典型排水沟道农田退水污染负荷特征分析

陆阳 仝炳伟 王乐 韩小龙

摘 要 以宁夏引黄灌区第五排水沟排域为典型区域，于2021年在排水干沟和主要支干沟布设监测断面，监测排水沟道农田退水水量及水質中农业面源污染特征指标，旨在评估排域农业面源污染程度，揭示典型排水沟道农田区域退水氮磷输移量。结果表明：第五排水干沟上下游监测断面的流量呈现周期性上下波动趋势且差异性较大，上游姚伏沙渠断面流量周期性变化不明显。5—9月下游新桥四队、李岗、庙台和熊家庄4个监测断面的退水污染物，NH[+4]-N浓度变化范围在1.683～2.129 mg·L-1，属于Ⅴ类水；TN浓度变化范围在2.626～3.793 mg·L-1，属于Ⅴ类水以上；TP浓度变化范围在0.336～0.500 mg·L-1，属于Ⅱ类水。5—11月排水干沟入黄口熊家庄断面的月均负荷中，TN是排水沟排放量最大的污染物，其次是NH[+4]-N，第三是NO[-3]-N，TP最小。各支干排水沟汇入接纳的水源主要来自农田退水，部分支干沟接纳了少量养殖废水和生活污水，污染物排放量TN＞NO[-3]-N＞NH[+4]-N＞TP。

关键词 农田退水；面源污染；污染负荷；宁夏引黄灌区第五排水沟

中图分类号：X52 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.03.001

当工业点源污染问题得以解决后，面源污染成为导致目前全球水质恶化的主要原因，且其对水体污染的贡献率逐年增加[1]。研究表明，面源污染中以农业面源污染对水体污染贡献率最大，全球有30%～50%的地表水体受到农业面源污染的影响[2-3]。2021年，生态环境部、农业农村部联合印发《农业面源污染治理与监督指导实施方案（试行）》通知，明确指出，农业面源污染治理是生态环境保护的重要内容，应根据农业污染源类型分布、地理气候条件、环境质量状况等，确定农业面源污染优先治理区域，推进重点区域农业面源污染防治；在种植业面源污染突出区域，实施化肥农药减量增效行动，优化生产布局，推进“源头减量-循环利用-过程拦截-末端治理”工程等。

宁夏银北灌区地处青铜峡河西灌区下游，面积3 471 km2。灌区现有西干渠、唐徕渠、汉延渠、惠农渠四大引水干渠，总长726.9 km。灌区排水沟系统自20世纪50年代开始修建，形成了目前的主要干沟，并逐年将各级支、斗、农、毛级沟道进行合理配置。主要排水干沟有第二排水沟、银新沟、第三排水沟、第四排水沟、第五排水沟，总长277.6 km。研究排域农业面源污染，对规范肥料、灌溉水的施用量和方式，提高氮磷的利用效率，降低农业氮磷对水环境的荷载，更好地推动“两减一增”行动，促进农业高质量绿色发展具有十分重要的意义[5]。本文以引黄自流灌区第五排水沟排域为典型区域，开展农田退水对干支沟排水氮磷污染物负荷变化特征规律研究。在第五排水沟的干沟和主要支干沟布设监测断面[4]，监测排水沟农田退水水量及水质中总氮（TN）、铵态氮（NH[+4]-N）、硝态氮（NO[-3]-N）、总磷（TP）4项农业面源污染特征指标，旨在评估排域农业面源污染程度，揭示第五排水沟农田区域退水氮磷输移量。

1  材料与方法

1.1  第五排水沟基本情况

第五排水沟于1958年建成，西起贺兰县东南，东至石嘴山市园艺镇入黄河，流经贺兰县、平罗县、惠农区，与第四排水沟相通，全长87.2 km，排水面积8.33万hm2，现状排水能力56.5 m3·s-1，年排水量1.02亿m3。第五排水沟排域主要种植作物有水稻、玉米、小麦、露地蔬菜、油葵、枸杞等，地下水埋深1.1～4.0 m，主要作物的种植结构、灌溉及施肥方式在引黄自流灌区具有代表性，区域沟道排水以农田退水为主，农田退水按农-斗-支-干沟进行排放最终汇入黄河。

第五排水沟主要支干沟有8条，分别为：周城支沟（全长8.15 km），新五一支沟（13.17 km），老五一支沟（3.60 km），五二支沟（17.95 km），第六排水沟（五三支沟）（28.7 km），五四支沟（18.75 km），五五支沟（12.8 km），黑龙沟（14.94 km）。

1.2  监测断面布设

在第五排水沟首部、主要支干沟汇入点后、县界、入黄口等关键节点处，沿排水沟水流方向分别设置监测断面[6]。监测于2021年进行。自上游到下游依次选取的监测断面为姚伏沙渠、新桥四队、李岗、庙台和熊家庄，支干沟选取的监测断面为周城、新五一、老五一、五二、五三、五四、五五支沟。监测断面布设如图1所示。

1.3  监测指标及方法

主要监测指标有：排水干沟、支干沟监测断面的沟道水量、水质（NH[+4]-N、NO[-3]-N、TN、TP），排水沟农田退水的污染负荷。

1.3.1  排水沟沟道水量

采用标准断面量水法监测沟道排水量，用ADCP或流速仪率定水位流量关系曲线，用电子水尺和雷达水位计测量水位，经过计算分析得出沟道实时排水流量和不同时段累计水量[7]。

1.3.2  排水沟沟道水质

水样采集方法：在排水沟各断面水面以下1/3处取样，采集水样位点距离排水沟岸边2/4和3/4处，分别各取一个水样，每个水样1 L。

水样采集频次：水样采集时间为灌区头水至冬灌结束；主要作物灌溉期每灌溉1次采集水样1次；作物全生育期采集水样4～5次；灌溉高峰期加测1～2次，春灌及冬灌加测1次。

水质指标检测方法：TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP采用钼酸铵分光光度法，NH[+4]-N采用靛酚蓝法，NO[-3]-N采用酚二磺酸分光光度法[8]。

1.3.3  排水沟农田退水污染负荷的水文估算方法

依据水文学原理，本文利用有限的水量水质观测资料对排水沟的非点源污染负荷进行估算[9-10]。基于排水沟“年内点源排放相对稳定，农田面源集中发生于灌溉期”的特点，点源污染负荷通过排水沟“基流”推求，非点源污染负荷利用排水沟总负荷减去点源污染负荷间接得出。排水沟汇入接纳的主要为农田退水，年内接纳点源污染较少，排水沟农田退水污染物负荷采用下述公式计算：

L=φ×q×t×10-9  （1）

（1）式中：L为污染物负荷，kg；φ为污染物浓度，mg·L-1；q为流量，m3·s-1；t为过水时间，s。

2  结果与分析

2.1  退水水量和水质变化特征

2.1.1  排水量年内动态

从5个监测断面流量动态（见图2）可知，姚伏沙渠监测断面处于排水沟最上游，农田较少，主要为湖泊和鱼池，该监测断面流量变化比较平稳，周期性变化不明显。姚伏沙渠夏灌期，6—7月初，监测断面流量较大，流量在0.509～0.549 m3·s-1；冬灌期，监测断面流量较小，流量在0.033～0.05 m3·s-1。下游4个监测断面的逐日平均流量动态随排域内灌水呈现较明显的周期性上下波动，6—8月，各监测断面流量均较大，新桥四队以下断面流量为李岗＞庙台＞熊家庄，主要原因是姚伏沙渠到庙台监测断面之间存在多处取水泵站。比较各监测断面流量，李岗变化最明显，夏秋灌期，6—9月，监测断面流量较大，在3.42～10.60 m3·s-1；冬灌期，监测断面流量较小，在0.56～1.86 m3·s-1。下游入黄河监测断面熊家庄，断面最大过流量时段为5月中下旬，最大流量为10.60 m3·s-1，最小过流量时段为10月中下旬至11月上旬，平均流量为0.34 m3·s-1。

2.1.2  退水污染物日负荷变化特征

计算5个监测断面NH[+4]-N、NO[-3]-N、TP和TN日负荷量，绘制日负荷变化过程。由图3可以看出，第五排水沟下游4个监测断面的排水污染日负荷变化特征与浓度变化特征一致，各监测断面排水污染负荷最显著变化主要集中在5—8月期间，9—11月变化不明显。5—8月排水沟氮素主要来自农田，以TN为主，虽然浓度低但由于排水量较大，负荷相对较大。由于TP主要来源于养殖废水和生活污水，排放量较稳定，因此TP负荷变化不大。

上游姚伏沙渠断面排水污染TP日负荷变化过程与其他断面有明显差别，可能由于养殖废水和生活污水对该断面的影响更大。姚伏沙渠断面排水污染负荷变化特征表现为：5—8月氮素以NO[-3]-N为主，TN其次，6月22日左右NO[-3]-N日负荷（185.738 kg·d-1）和TN日負荷（158.877 kg·d-1）同时达到峰值，NO[-3]-N日负荷达到峰值持续十几天后迅速下降，在8月1日和9月22日左右又各出现一次较小的峰值，而TN日负荷同时达到峰值即刻迅速下降；在6—8月NO[-3]-N日负荷高于TN日负荷，这是由于上游湖泊来水和农田施肥，排水量相对很小，污染物浓度较高，污染负荷相对较大[11]。

2.1.3  退水污染物负荷年内分布规律及负荷估算

以第五排水沟入黄口的熊家庄监测断面为例，根据污染排放系数法[12]，估算影响第五排域在熊家庄断面的各类面源污染月负荷量。由表1可以看出，农田灌溉期NH[+4]-N、TN月平均负荷以7月最高，分别为56 252.648、100 351.835 kg；NO[-3]-N、TP平均负荷均以5月最低，分别为651.308、16.413 kg。随着农田施肥量增加，NO[-3]-N和TP月平均负荷也随之增加，7月的NO[-3]-N月平均负荷达到最大值10 931.298 kg，TP的最大值出现在8月份，为9 258.667 kg，较NO[-3]-N稍滞后；10—11月的NO[-3]-N和TP月平均负荷逐步减少。第五排水沟接纳的主要是农田灌溉时期的退水，排水污染物负荷随着排域内农田施肥活动而变化，这与以往学者的研究结论[13]一致。

5—11月第五排水沟过熊家庄断面污染物量为377 984.458 kg，其中TN为185 524.720 kg，占污染排放总量的49.08%；NH[+4]-N为125 994.418 kg，占污染排放总量的33.33%；NO[-3]-N为41 215.821 kg，占污染排放总量的10.90%；TP为25 249.499 kg，占污染排放总量的6.68%。可以看出，TN是排水沟排放量最大的污染物，其次是NH[+4]-N，第三是NO[-3]-N，TP最小。

2.2  第五排水沟支干沟退水水量和水质变化特征

2.2.1  支干沟退水流量及污染物浓度

周城支沟流量和污染物浓度变化过程如图4a所示，在作物夏秋灌期（5—8月）支沟有径流，其余时段无径流。NO[-3]-N、TN浓度在6月22日左右出现峰值，分别为6.205、9.605 mg·L-1，这与农田施肥关系密切。4—8月，NO[-3]-N、TN浓度的平均值分别为2.863、3.256 mg·L-1。根据《地表水环境质量标准》[14]，TN浓度值超过2 mg·L-1属超Ⅴ类水，表明该排域农田施肥量过多，肥料流失严重；4—8月，NH[+4]-N、TP浓度均值分别为0.715、0.155 mg·L-1，在Ⅲ类水范围。

新五一支沟、老五一支沟流量和污染物浓度动态如图4b、4c所示，二者比较相近，由于它们控制排域面积大，在作物夏秋灌期及冬灌期支沟均有径流。TN浓度在6月12日和7月2日左右出现较大峰值，表明该时段前排域内农田施肥频繁且施肥量超标；4—8月，新五一支沟、老五一支沟TN浓度平均值分别为2.611、3.079 mg·L-1，均属于超Ⅴ类水；两支沟NO[-3]-N浓度在7月2日和8月11日左右出现峰值，第一次峰值最高，两支沟分别为3.149 mg·L-1（7月2日）、5.105 mg·L-1（6月12日）；两支沟NH[+4]-N和TP浓度均在6月下旬出现峰值，4—8月NH[+4]-N、TP浓度平均值分别为0.546～0.556、0.164～0.196 mg·L-1，属Ⅲ-Ⅳ类水。冬灌期，农田无施肥，TN浓度均值1.3 mg·L-1左右，属Ⅲ-Ⅳ类水；NH[+4]-N、TP浓度均值分别在0.011、0.280 mg·L-1左右，属Ⅱ-Ⅲ类水。

五二支沟流量和污染物浓度动态如图4d所示，作物夏秋灌期支沟有径流，其余时段无径流。NO[-3]-N、TN和NH[+4]-N浓度在7月2日左右出现相对较大峰值，较上游三个支沟峰值出现时间晚，可能与该排域内作物灌水时间滞后有关；污染物浓度平均值NO[-3]-N、TN、NH[+4]-N、TP分别为3.045、4.756、0.639、0.166 mg·L-1，属Ⅳ-Ⅴ类水。

五四支沟、五五支沟流量和污染物浓度动态如图4e、4f所示，作物夏秋灌期支沟有径流，其余时段无径流。NO[-3]-N浓度平均值2.5 mg·L-1左右，TN浓度平均值3.5 mg·L-1左右，属超Ⅴ类水；NH[+4]-N、TP浓度平均值分别为0.64、0.23 mg·L-1左右，属Ⅱ-Ⅲ类水。

五三支沟（第六排水沟）流量和污染物浓度动态如图4g所示，5—6月初，沟水流量逐渐增大，6月12日左右受上游沟道取水影响流量减小，而后上升到最大值并一直持续到8月初，夏秋灌期结束流量逐渐减小到零，此后随着冬灌期来临，沟水流量又逐渐增大。TN浓度在7月2日和冬灌期10月22日左右各出现一次峰值，最大峰值7.566 mg·L-1出现在7月2日左右；5—8月期间，TN浓度平均值2.754 mg·L-1左右，属超Ⅴ类水。NO[-3]-N浓度虽然也在7月2日和冬灌期10月1日左右各出现一次峰值，但浓度较小，分别为1.594、1.250 mg·L-1，远低于其他支沟；5—8月时段NH[+4]-N、TP的浓度平均值为0.397、0.404 mg·L-1，属于Ⅱ或Ⅴ类水。冬灌期，排水中NO[-3]-N、TN和TP的浓度均显著升高，可能由于田间灌水大量流入排水沟，冲击沉积在沟底的废水引起TN和TP浓度的升高。

2.2.2  支干沟污染物日负荷

计算支干沟各监测断面主要污染物TP和TN日负荷量，绘制日负荷动态图。由图5可以看出，各支沟排水污染负荷动态差别明显，灌溉和排水引起了TN和TP较大的差异。在灌水期，排水沟TN主要来自农田，TN虽然浓度相对较低，但由于排水量较大，TN的污染负荷相对较大，随着排域灌水停止，排水量减少，TN浓度升高，TN的污染负荷却相对较小。TP主要来源于养殖废水和生活污水，周城支沟、五二支沟和五三支沟排放比较稳定，TP负荷变化不大；五一支沟和五四支沟，在8月中下旬TP升高，出現了峰值，主要是退水冲洗沟道使沉积在沟底淤泥中的磷释放出来迁移到出水口的缘故[15]。

2.2.3  支干沟污染物负荷年内分布规律及负荷估算

根据污染排放系数法[13]，估算各支沟过监测各类面源污染负荷量（见表2）。由表可知，5—11月各支沟排入第五排水沟的NO[-3]-N、TN、NH[+4]-N、TP污染物总量为157 664.984 kg，占第五排水沟（熊家庄断面）排出污染物总量的41.71%，其中，TN为76 988.134 kg，（占污染排放总量的48.83%），NH[+4]-N为14 917.403 kg（9.46%），NO[-3]-N为60 006.786 kg（38.06%），TP 为5 752.661 kg（3.65%）。由此可以看出，TN是排水沟排放量最大的污染物，其次是NO[-3]-N，第三是NH[+4]-N，TP最小。

3  结论与讨论

1）第五排水沟干沟的5个监测断面流量变化特征：呈现周期性上下波动趋势，年内峰值出现在6—8月（夏灌期），冬灌历时较短且以漫灌为主，所以退水过程峰形较低。上下游监测断面流量呈现周期性的上下波动但差异性很大，上游姚伏沙渠监测断面以上农田较少，流量变化比较平稳，周期性的变化不明显；下游4个监测断面的平均流量呈现周期性的上下波动，尤其以李岗断面波动幅度最为显著，下游熊家庄入黄河处流量低于新桥四队、李岗和庙台监测断面流量，主要原因为姚伏沙渠到庙台监测断面之间存在多处取水泵站。入黄河监测断面熊家庄处，监测断面最大过流量时段为5月中下旬，最大流量为10.60 m3·s-1，最小过流量时段为10月中下旬至11月上旬，平均流量为0.34 m3·s-1。

2）第五排水沟干沟的5个监测断面排水污染物浓度变化特征：污染物浓度变化有明显区别，特别是TN、NH[+4]-N差异较大。上游姚伏沙渠监测断面5—9月TN浓度平均值为1.629 mg·L-1，超过Ⅳ类水的准限值；NO[-3]-N、TP浓度的平均值分别为1.832、0.844 mg·L-1，属于Ⅴ类水。下游新桥四队、李岗、庙台和熊家庄监测断面总体表现较为一致，随着灌水期开始，农田施肥量和排水量增加，TN、NH[+4]-N浓度逐步上升，7月中旬达到峰值后逐步下降，排水量随之减少，8月中旬TN、NH[+4]-N浓度下降到最低值，10—11月冬灌期排水量增加，TN、NH[+4]-N浓度变化不显著；NO[-3]-N和TP浓度变化与TN、NH[+4]-N浓度表现较为一致，但前者变化幅度小。5—9月下游新桥四队、李岗、庙台和熊家庄4个监测断面的退水污染物，NH[+4]-N浓度变化范围在1.683～2.129 mg·L-1，属于Ⅴ类水；TN浓度变化范围在2.626～3.793 mg·L-1，属于Ⅴ类水以上；TP浓度变化范围在0.336～0.500 mg·L-1，属于Ⅱ类水。其中庙台监测断面退水污染物NH[+4]-N、TN和NO[-3]-N浓度均高于其他三个断面监测值，这是由于该断面处于排污口下游。

3）第五排水沟退水污染物负荷年内分布规律及负荷估算结果：以第五排水沟入黄口的熊家庄监测断面为例，第五排水沟灌溉期的NH[+4]-N和TN，5—9月平均负荷量较大，其中7月最大；5—9月监测断面的NO[-3]-N和TP平均负荷表现较平稳，其中5月最小，随着农田施肥量增加，月平均负荷也随之增加，7月NO[-3]-N达到最大值，8月TP达到最大值；10—11月逐步减少。5—11月第五排水沟过熊家庄断面污染物量为377 984.458 kg，其中TN占比49.08%，NH[+4]-N占比33.33%，NO[-3]-N占比10.90%，TP 占比6.68%。由此可以看出，TN是排水沟排放量最大的污染物，其次是NH[+4]-N，第三是NO[-3]-N，TP最小。

4）第五排水沟支干沟流量变化特征：各支干排水沟汇入接纳的水源主要来自农田退水，部分支干沟接纳了少量的养殖废水和生活污水。各支沟的流量呈现周期性的上下波动，这种变化规律与各支沟排域的灌溉制度密切相关。

5）第五排水沟支干沟污染负荷年内分布规律和水质变化特征：支沟退水污染负荷主要发生在5—8月农田灌水期，说明支沟退水污染主要来源为农田退水；TN是排水沟排放量最大的污染物，其次是NO[-3]-N，第三是NH[+4]-N，TP最小。

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（责任编辑：丁志祥）