生態護岸對農田徑流的綜合截污效率研究

胡曉東，劉勁松，朱 敏，翁松干

(1. 江蘇省水利科學研究院，南京 210017； 2.江蘇省水利廳，南京 210029)

0 引 言

隨著我國農業生產方式的轉變，大量農藥和化肥得到使用，在降雨過程中，土壤中的氮素和磷素等營養物質、農藥以及其他污染物質，通過地表徑流等形式流入水體，形成面源污染[1]。目前，針對地表徑流污染的研究也非常多，從徑流污染輸出特征[2]，到徑流污染的處理[3]，而通過生態護岸[4,5]對徑流污染截留也是相關研究熱點之一，該類成果主要集中在植物護坡對徑流的阻留效果研究[6,7]和植物對污染物的凈化效果研究[8,9]。

而且在凈化效果研究中，研究結果也不盡一致，各種生態護坡對過流水中營養鹽的截留效率，TN從20%～90%、TP從40%～90%均有[10-12]報道，且這些數據都是按溶解態的營養鹽計算。然而徑流中攜帶絕大部分污染物質的載體是泥沙[13,14]，攜帶大量營養鹽的泥沙進入水體后將成為水體內在污染源。

本文選擇常熟金涇塘地區的典型農用地作為試驗區域，并針對徑流污染輸出特征指導護岸設計的研究不足，通過模擬降雨，研究試驗區降雨徑流中攜污介質的攜污比例，指導護岸設計，并通過實驗研究了護岸對污染物的截留效率，計算護岸綜合截污效率。

1 徑流中泥沙和水攜污能力研究

一般來說徑流中污染物攜帶者主要包括水和泥沙，因此本研究在研究區域對徑流中泥沙和水的攜污能力進行了實驗。

1.1 土壤溶出污染物含量

土壤溶出污染物含量指通過擾動，讓土壤中可溶性污染物溶出到水體中的部分。利用棋盤式布點的方法取土壤樣品10份，測定其TP、TN含量。

每個樣品中稱取100 g待檢測土樣，分別加入500 mL超純水，用玻璃棒充分攪拌，最大釋放土壤中的可溶性污染物，檢測水中的TP、TN含量；計算土壤溶出磷和土壤溶出氮，見表1。

表1 土壤污染物及溶出污染物含量Tab.1 The concentration of Pollutant and dissolved pollutant in soil

從表1中數據不難看出，土壤中溶出的磷占土壤總磷含量的0.47%～0.63%，土壤中溶出的氮占土壤總氮含量的1.31%～1.80%，說明在自然擾動條件下，從土壤中溶出的污染物質較少，土壤中未溶出的污染物質占到98%以上。在農業面源徑流形成后，徑流中泥沙攜帶的污染物質量不容忽視，基于此，在生態護岸截污設計的過程中，考慮增加截雨溝沉沙對提高徑流污染處理效率是有指導意義的。接下來將研究徑流中泥沙和水攜帶污染物的比例。

1.2 泥沙和水的攜污比研究

農業用地徑流中攜污介質主要是水和泥沙，因此本研究通過人工降雨來分析水和泥沙的攜污能力。設置10、20、50 mm/h三種降雨強度，分別收集徑流產生后5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min的水樣，分析TP、TN和含沙量。

圖1～圖3分別表示徑流中水所攜帶TP、TN和泥沙含量隨時間變化過程。

圖1 不同降雨強度下徑流中TP濃度過程線Fig.1 Dynamic change of TP concentration in runoff with time

圖2 不同降雨強度下徑流中TN濃度過程線Fig.2 Dynamic change of TN concentration in runoff with time

圖3 不同降雨強度下徑流中含沙量Fig.3 Dynamic change of Sediment concentration in runoff with time

對照表1數據，實驗區域土壤中溶解性污染物質占1%左右，所以，忽略徑流中泥沙所攜帶的溶解性污染物，以簡化本問題的研究，是合適的，因此徑流中泥沙攜污量與水體攜污量的比例可按照下式來計算：

(1)

式中：V為徑流中泥沙與水攜帶的污染物比例；S泥沙為徑流泥沙含量，kg/m3，取值參考圖4；C土為土壤中某種污染物質的含量，mg/kg，取值參考表1；C水為水中某種污染物質的含量，mg/L，取值參考圖1和圖2；計算結果如表2。

表2 各雨強條件下徑流泥沙和水的攜污比Tab.2 The ratio of pollutant carried by sediment and water in runoff

從表2中數據可以看出，在農用地降雨徑流中，污染主要來自于泥沙中污染物質濃度。從本研究結果來看，污染物質TP在降雨過程中比較難溶出，3種設計雨強下徑流中泥沙和水的攜污比介于7.9∶1～10.8∶1；TN相對易于溶出，三種設計雨強下徑流中泥沙和水的攜污比介于2.4∶1～2.9∶1之間。另外從各設計雨強間的差別來看，小雨強條件下泥沙中污染物溶出比例小于大雨強的溶出比例，這可能由于小雨強對土壤的擾動相對較小引起的。

2 生態護岸設計及處理效率

2.1 生態護岸設計

生態護岸的形式多樣[15],但其設計和應用主要考慮護岸穩定性、景觀效果和污染吸附幾個方面[16]，而在河道污染凈化上，生態護岸無明顯優勢[17]，其在農村面源污染處理上應用較多，但主要以表面流為主，本文在護岸設計時，將潛流濕地的理念應用到護岸設計中，并考慮到徑流中泥沙攜污能力遠大于水體的攜污能力，增加截雨溝設計，使該護岸包括三部分：①截雨溝，截雨溝埋設進水管，以方便降雨徑流進入砂石填料，同時截雨溝還具有一定的深度，使其兼顧沉砂截污的作用；②構建梯級跌水坎，并在內部設置三層填料，上層為1～2 mm的粗砂、中層為10～30 mm的砂石、底層為30～50 mm的碎石。連續設置的跌水坎具有一定的阻水作用，增大了降雨徑流面源污染物在砂石填料中的水力停留時間(一般可增加1～5倍)，其次跌水坎坎槽具有一定的蓄水作用，能提供填料表面生長生物膜所需的水體環境，進一步增強砂石填料的去污效果；③坡面植被，可處理從截雨溝內溢流污水，根系生長后還可加強濾料截污效果。

結合金涇塘岸坡實際情況，設計如下新型生態護岸形式。

圖4 潛流式梯級生態護岸示意圖(單位：cm)Fig.4 The sketch of Multi-step Underflow Revetment

2.2 護岸對徑流水中TP、TN及泥沙的去除率

試驗持續9周，其中第五周停止試驗，采用不同的水力負荷，進水TP、TN及泥沙含量控制在圖1～圖3中所示的TP、TN及泥沙含量范圍內，具體進水參數如見表3。

表3 生態護岸進水參數Tab.3 The inflow parameters of ecological revetment

持續試驗并對出水中的TP、TN進行檢測，高低2種污染負荷條件下，梯級潛流式結構對TP、TN以及泥沙的逐日去除率統計見圖5～圖7。

圖5 實驗期TP逐日去除率Fig.5 The removal rate of TP

圖6 實驗期TN逐日去除率Fig.6 The removal rate of TN

圖7 實驗期泥沙含量去除率Fig.7 The removal rate of sediment

結果顯示：① TP、TN的去除率分別介于5.2%～54.6%和4.5%～33.4%，存在較大波動，全試驗周期內平均去除率分別為26.6%和17.8%。②高低2種水力負荷的TP、TN去污效果不同，低負荷條件下平均去除率分別為28.3%和18.9%；高負荷條件下平均去除率為24.9%和16.8%。③泥沙的去除率介于96.0～99.9%之間，高低水力負荷對泥沙的去除影響不大，實驗過程的泥沙平均去除率為98.1%。

3 綜合截污效率計算

生態護岸對降雨徑流污染物質的截留從本護岸設計思路上來說主要包括截留攜污泥沙和護岸對徑流水中污染物質的處理兩個方面，因此對于本次截污效率按式(2)計算。

(2)

式中：ms、mw分別表示泥沙攜污量和水攜污量；rs和rw分別表示泥沙去除率和水中污染物去除率。

根據表2中的數據，將徑流中泥沙和水各自的攜污量、圖5～圖7中各處理效率代入式(2)，其中所有數值按均值處理，得到如表4截污效率。

表4 各雨強下護岸綜合截污效率 %

從表4中可以看出，本研究設計采用的生態護岸對TP和TN的綜合截污效率分別在90%和77%左右，雨強對該護岸形式的綜合截污效率影響并不明顯。通過計算可以看出，護岸系統通過對泥沙的去除，截留的污染物占比較大，通過截留泥沙去除TP和TN分別達到87.1%～89.7%和74.5%～77.5%；而通過護岸去除水體中的TP、TN只占到總截污量的2.3%～3.0%和4.6%～5.2%。

4 結 語

(1)通過實驗，確定了金涇塘地區農用地土壤中TP和TN在降雨擾動條件下的溶出量，約占土壤TP、TN的0.52%和1.56%。

(2)10、20和50 mm/h的降雨強度下，2h內徑流中的泥沙和水所攜帶的TP、TN分別介于7.9∶1～10∶1和2.4∶1～2.9∶1；說明農用地徑流產生的污染物主要由泥沙攜帶。

(3)根據徑流泥沙和水攜污比例，設計了一種利用截留泥沙和增加水流停留時間的梯級潛流式生態護岸，護岸結構對徑流水體中的TP、TN和泥沙的去除率分別為26.6%、17.8%和98.1%。

(4)對不同降雨強度產生的徑流污染，考慮護岸對泥沙攜污量的截留效果和水體攜污量的處理效率，本護岸對TP、TN的綜合截污效率可達90%和70%以上。

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