用于水質保護的排水管理措施

［美國］J.S.斯特洛克 等

自殖民地時代以來，排水已成為北美發展的關鍵問題。排水對改善公共交通、降低公眾健康風險、提高農作物產量等有重要意義。農業排水系統正逐漸成為污染物的輸送管道，特別是營養物污染。盡管擴展排水系統對作物生產具有重要意義，但有些區域仍然存在阻力，在有些州至今仍超過50%的農田是人工排水。為實現農作物產量和水質保護雙贏目標，排水管理應運而生。有效的排水管理戰略必須對當今農業系統進行較全面的考慮。沒有一項措施能夠獨自承擔排水管理，同樣也沒有一種策略可以適合所有的系統。

在某種程度上，聯合利用田間、邊緣和外圍管理，可以控制農業排水的出水量和地表水的相關污染物。所有措施的適應性和效果取決于執行地點的狀況(包括地貌學、管理系統和關注的污染物)。以下是排水管理中有關水質保護的幾個要素。

1 排水系統設計

當對舊排水系統進行升級改造或更替、新建排水系統時，改善排水管理的最佳時期是在設計階段。影響排水設計的因素包括土壤排水特性(即動態飽和程度)、成本(安裝、維護)、田間管理(例如耕作方式、作物品種、養分管理)、現有排水設施(管道類型、現有間距、深度和排水口的位置)和環境因素(如棲息地、流域主要環境問題)。與污染物排放有關聯的最直接的兩個設計變量是排放強度和排水口位置。

排水強度(深度和排水間距)決定了排水系統是否能夠在排水管線之間降低水位，以在雨后的24～48 h 內達到最有利于作物生長發育的水位。典型的排水深度范圍是0.6～1.5 m，而間距范圍是10～100 m。排水強度對污染負荷起到決定性的作用，污染損失主要受排水量的影響。深度密集的設計比淺而稀疏的系統具有更大的輸送潛能。

為了保護水質，排水系統應當有足夠的排水能力，并且要避免過度排水。農田排水管理系統選址一般強調農業因素，而不考慮水質因素。然而，重要污染源地區水質保護管理，即在污染源產生和遷移轉化沿程地區進行修復實踐，為選址中考慮水質因素提供了很好的機遇。因為排水系統將景觀中的污染源與接納水體聯系起來，在設計排水系統時，必須考慮避免污染源。例如，在土壤磷含量高的地區，溶解性磷吸附到排水中的潛能高，排水會成為重要的磷污染源輸出途徑。從水質考慮方面，應用簡單的現場評估指標(磷指數、氮浸出指標)，能夠有助于決定安裝的人工排水設施是否會成為一重要的污染源。

2 控制排水

近年來，在國家和地區的倡導和推廣(例如農田排水管理特別小組)下，控制排水得到廣泛關注。控制排水設施既可以安裝在地下排水管道，也可以安裝在明渠，允許在地表和排水深度之間調整地下水位，防止過量排水(圖1)。

圖1 田間暗管控制排水系統中田間水位控制結構原理(也適用于明渠)

理論上，不需要排水時，控制排水可以提高土壤含水量。通過控制土壤剖面的水分，為作物提供更好的生長條件。但必須考慮水質權衡，因為控制排水通過排水增加地表徑流，同時還存在氮元素留存的問題。控制排水系統中關于氮元素命運的幾個假說已經得到證實，但相應的調查還不夠充分，包括深層滲透及之后的反硝化作用、提高的作物利用效率。

大量研究闡述了控制排水在不同條件下的優勢。北卡羅來納州的重要研究表明，控制排水能夠降低排水量和硝態氮損失量，與傳統的非控制排水相比，硝態氮損失量降低了40%～50%，磷損失減少了25%～30%。這些研究成果也在其他地方得到了證實。

概括來講，與非控制排水相比，適當的選址和管理，控制排水可使排水量和污染物負荷量大約降低30%。控制排水在作物產量方面的作用很大程度上依賴于管理和土壤條件，一些研究表明，控制排水系統下的作物產量比傳統或非控制排水下高5%～10%。

雖然控制排水使用范圍很廣，但在美國的應用仍受到限制，主要原因在于投資回報率的不確定性、對作物成苗和生長的潛在負面影響以及系統維護。改進目前的排水網絡以安裝流量控制系統取決于現有設計，對暗管來講，還包括使用時長和管道類型。

理論上，現有的排水系統都可以改造并裝備控制結構，然而影響區將受當前設計和地形的限制。排水管理要求排水設計不僅要利用地形優勢，還要考慮地形對控制排水影響景觀的程度。一般來說，控制排水在平原地區具有最好的經濟效益，簡單的結構即能影響較大范圍的區域。新技術的出現使必需通過地下排水的坡地采用控制排水成為可能。

3 排水渠道管理

排水明渠的特點各有不同，從而為保護水質提供了機遇。在某些情況下，支流經過渠道化、順直化或者新建溝渠來促進田間排水。土壤滲透率低的地區，植被化明渠是典型的田間地下排水輸送系統;在土壤滲透率和地下水位高的地區，通過明渠實現田間地下排水。在低流量條件下，從生物學和物理學考慮，溝渠類似一個線型的濕地，具有相對長的水力滯時;高流量條件下，溝渠類似流動的河流，但不同于河流系統，定期的溝渠維護破壞了自然河道演變和濕地結構。

大量的研究文獻概述了排水渠道在田間污染物輸出中所起的管道作用，并且能夠影響溝渠的例行維護活動，例如清淤渠道以打破其自然緩沖能力。

然而，越來越多的研究表明，植被化明渠有潛力作為最好的管理措施來減輕潛在的農業污染。在對兩條渠道進行對比的研究中，利用水位控制結構去限制水流以及改變明渠地下水位。增加溝渠里水的滯留時間將促進顆粒物的沉降，并且相對于一個非控制的溝渠會降低硝態氮和總磷的輸出。在溝渠中使用水位控制結構要注意一個問題，即溝渠水位居高不下可能對田間排水系統的排水產生負面的影響。可以沿溝渠安裝多個保持低水位的結構來補救。

在俄亥俄州，基本梯形排水渠道的設計被質疑，研究人員在排水渠道的設計中借鑒了天然排水體系的關鍵特征(圖2)。兩級溝渠包括低徑流的渠道和洪泛平原地區，可提高河岸的穩定性、降低溝渠水流的侵蝕以及增加沉積物的存儲能力。這種設計可降低維護成本(疏浚、穩定河岸)，并且可以減少下游泥沙量。最初，兩級溝渠的開挖成本大于傳統溝渠的成本，因為其寬度通常是3～6 m，這就會導致兩級溝渠沿程每英里的土地損失達0.4～1.2 hm2。另外，兩級溝渠由25% 的流量處理能力增加到100%，并且可能增加下游洪水發生的概率。

圖2 傳統的排水溝渠梯形設計和兩級設計的剖面

3.1 濕地

對于人工排水系統，許多排水管理活動力求模擬或恢復一些濕地功能。沿渠建立濕地(袋狀污水處理濕地，滯留地)是改善水質的有效措施。不管是地表水徑流還是地下排水，一直以來利用天然、修復和人工的濕地處理農業排水。

在愛荷華州，一項創新示范項目(愛荷華州排水和濕地景觀系統創建)，集成田間養分管理、排水系統設計及濕地戰略定位，在減少非點源的面源污染的同時，還提高了農業盈利能力。通過該項目的技術集成，發現地面徑流、地下徑流污染共存，在參與運行管理的過程中，可以減少徑流量、流速、洪峰流量，增加景觀的濕地服務功能，甚至可以減少溫室氣體的排放。

濕地處理排水的效率取決于很多因素，包括氣候、滯留時間和水力負荷，起作用的單元區域和排水特征，濕地生態群落。一般來說，減少污染物最佳條件是，在經過濕地時水力滯留時間長，并且水力負荷率低。在合適的條件下，濕地促進沉積、通過反硝化作用去除排水中的氮等方面是高效的。濕地可以去除排水中的溶解性磷。去除溶解性磷的能力也會隨著時間的推移，特別是排水中磷負荷高的時候會逐漸降低。當濕地土壤對磷飽和時，它們可能會成為磷的污染源。

即使在排水系統中的濕地，例如，明渠中的濕地，在水質改善方面可以發揮重要作用，盡管常常不對，但被認為是排水系統能力下降的征兆。事實上，多數情況下過于強調疏浚渠道是不必要的，這樣一來反而破壞了已重建的濕地和濕地功能，甚至水動力特征沒被天然濕地群落影響時。然而，真正的障礙存在于將濕地與排水系統有機結合起來。例如，即便是最優的目標過程，建設濕地因占用土地會破壞耕作的連續性，也許利用濕地處理污水最大的障礙是恢復、建設的成本和土地損失。

3.2 植被緩沖過濾帶

許多研究已經量化了植被緩沖帶在減少徑流和養分的能力。將緩沖過濾帶結合到排水系統中，不僅要能達到改善水質的目的，而且還能夠長期提高排水體系的效率。緩沖過濾帶主要用來攔截坡面徑流，在一些時候降低地下水位。其主要作用是通過緩沖帶密集的多年生植物產生的阻力而減少流速。流速的減少可能會導致更多的水滲透和懸浮固體顆粒物的沉淀。后一過程不但能保護下游的水體，而且也能保持排水系統的完整性和其功能。除此之外，緩沖帶還是營養物質同化和脫氮的作用區域。

植被緩沖帶性能關系到幾個因素，包括排水面積到緩沖區面積所占的比率、降水事件的特性(年代)、排水地區的狀況、地表徑流匯合的程度和物種組成。美國農業部自然資源保護局的保護實踐標準對緩沖區的設計作了闡述，包括輪廓緩沖帶、河岸草本帶、河岸森林緩沖區、植草排水道以及植被障礙。而對傳統而言，緩沖帶寬度的需求可能會限制它的應用。大量證據表明，有著戰略地位的緩沖帶，即使再小也可以有效地提高水質。

3.3 側進控制

無論是否有地表排水溝渠，側進作為地表徑流從農業用地進入排水溝渠是很普遍的。在農業人工排水景觀中，這些側入的泥沙和營養物質一起進入地表水。側進控制如涵洞和地下埋管可以防止侵蝕，控制進入溝渠的流量，增加沉淀區域進而來改善水質。當前的設計未考慮水質的影響。現研究還處于起步階段，并且需要在懸浮物和營養負荷上去量化這些研究的實踐效益，進而開發設計指南以便側進控制可以廣泛實施。

3.4 反應墻

滲透性反應墻在地下水污染修復方面已經得到廣泛應用，但在排水系統方面還處于初期探索階段。主要理念是攔截排水時要利用去除化學污染物的材料。考慮排水系統中兩種主要養分需進行處理，因而需要不同的材料和過程。建議減少幕墻及滲透材料，以降低進入溝渠的氮負荷。用這些方法，填滿木屑或其他有機材料的溝槽，變成加強反硝化作用的生物反應器。如果合理位置攔截地下或地表水，幕墻和滲透材料中的反硝化作用可去除大量進入溝渠水中的硝酸鹽。

兩個不同的碳基礎(木屑)生物反應器設計已經用于處理農業地下排水:田間排水和田邊排水設計。木屑是細菌繁殖的碳源和基質，通過微生物介導的反硝化過程，這些細菌將水中的氮從硝酸鹽形式轉化為氣態氮。

在愛荷華州，田間開挖的溝渠與地下排水系統的地下管道臨近和平行，填充木屑并覆土以便耕種。當水經過生物反應器濾墻時，水中的硝酸鹽在進入排水管道之前被去除。伊利諾斯州大學的研究人員已經研究出田邊生物反應器的效能，并制定了設計規范。在這些生物反應系統中，木屑層一直延伸到地表。這些系統包括兩個水位控制結構、一個導流結構和一個容量控制結構，導流結構控制在生物反應器中轉移的水量，能量控制結構控制水在生物反應器中的停留時間。

在暗管排水區域，生物反應器是潛在的降低氮負荷的最佳管理措施，因為現有的地下排水系統很容易被改建成生物反應器，且占用較少耕地;通過設計可使排水系統效率、效益的減少降至最小，同時不需要太多維護管理。仍需要進一步研究生物反應器可能存在的負面影響，例如溫室氣體排放量和速率、甲基汞產生和釋放。

雖然提出了大量過濾磷的方法，但很少得到試驗驗證。影響明渠處理結構、磷吸附材料最佳性能的因素和屏障建造方法一般有3 種:①土壤或應用材料的田間處理;②田邊屏障;③渠道內(明渠或暗管)過濾器。

從一項關于磷反應墻的評估研究中可以看出，與傳統安裝工藝相比，在管道安裝時回填熔渣混合物，可使磷流失減少2/3，熔渣使用壽命超過25 a。磷吸附材料的水力特征——水力滯時和成本是影響這些過濾器應用的主要障礙。

4 農業管理

從水質管理角度，排水系統的性能取決于通過排水阻止污染物轉移的農業管理。農業管理中必須將排水管理作為考慮的重要部分。農業管理在大多數情況下影響養分、沉積物和排水系統中的其他污染物的傳輸擴散。養分管理、灌溉管理，作物耕作、輪作(例如多年生植物和覆蓋作物)，害蟲管理都起到一定作用。

改善水質最重要的第一步是幫助生產者理解農業活動和排水水質之間的聯系。例如覆蓋耕作或者對于生產者是不必要的、昂貴的措施，直到措施的采納和水質之間的聯系確定。另一方面，免耕對地表徑流水質有明顯的益處，但是對地下排水水質卻有一定關系。一旦建立聯系，需要持之以恒努力使農業污染物擴散轉移量最小，但毫無疑問，與傳統生產相比，生產者需要承受額外的成本。

5 結 語

2003 年，有學者提出精確保護的概念(也稱為目標保護)，即在提高區域和景觀保護效率時，要考慮空間和時間的變化。綜上所述，確定了一些能夠用于減少排水中污染物運輸的方法措施(排水系統設計、控制排水、排水渠道管理、蓄水、植被緩沖過濾帶、側進控制、反應墻、和農業管理)。2008 年，有人指出，精確保護的概念可以策略性用于景觀和周圍區域的實踐活動，以提高排水徑流和營養負荷水文特征方面的管理效率。