灌區渠系濕地面積推求方法探析

王 鼎，黃 璐，朱文彪

（江蘇省灌溉總渠管理處水文站，江蘇淮安223001）

灌區渠系濕地面積推求方法探析

王 鼎，黃 璐，朱文彪

（江蘇省灌溉總渠管理處水文站，江蘇淮安223001）

灌區渠系濕地可有效凈化農業面源污染物質，濕地面積作為影響污染物凈化成效及濕地規模的重要因素，在濕地培育方案制定中至關重要。文章在闡明推求人工濕地面積理論基礎上，綜合灌區農田具體特征對濕地植物、灌區灌溉以及降雨徑流等因素實施優化，尋求揭示科學合理的渠系濕地面積推求方法。

渠系濕地；灌區面源污染；面積推求；污染物凈化

1 渠系濕地面積基礎理論

在灌區輸排水渠系內往往會生長許多水生植物，其底層也會覆蓋一層能夠供水生植物和其它生物生長的淤泥。它作為水體和灌區的一個連接過渡區，可以通過微生物降解、植物吸收以及土壤吸附等作用使地表水中的磷、氮等污染物的含量減少［4］。這種濕地系統就能夠被看作是人工濕地的實際應用。

在分析推求渠系濕地面積時往往會出現人工濕地推求中所使用的經驗公式中的設計參數很難選取。并且還會受污染物含量、自然條件等因素的影響，得到的推求結果和實際工程中的選取出入較大。熊家晴等學者在進行人工濕地理論分析時說明，更換面積較大的濕地基質是很困難的。另外從能夠可持續發展的角度分析，應該通過收割水生生物來實現磷氮等污染物的去除［5］。同時為了能夠使磷氮等污染物得到充分去除，通過物質平衡理論可以科學合理地確定出水生植物的面積，即依據磷氮含量與進出水量的差值確定出水生植物吸收的營養物質的含量，再由水生植物中生物量和營養物質量增加的比例關系得到水生植物的總的種植量，水生植物種植面積推求公式如下：

式中，As表示人工濕地總表面積，m3；Q1表示平均年進水量，m3/a；Ce表示系統入口污染物含量大小，mg/L；Co表示系統出口污染物含量大小，mg/L；M表示植物生長率大小，t/（hm2·a）；α表示系統中磷或氮的含量大小，g/kg；β表示植物含水率的大小。

去除和截留渠系濕地中磷氮污染物的機理與人工濕地中相似，并且對渠系濕地進行大面積的基質更換也是很難實現的，這就需要及時地回收渠系內的水生植物以減少磷氮等污染物的二次污染［6］。另外，磷氮等污染物質的去除量也可以通過水生植物對營養物質的吸收量反映出來。所以渠系濕地面積可用渠系所有水生植物中的生物量與濕地的污染物負荷情況表示，如式（2）所示。

式中，Ac表示渠系濕地面積的大小，m2；W表示渠系濕地平均每年磷或氮的負荷量，kg/a；L表示水生植物生物量平均年增量大小，kg/（m2·a）。

2 推求與分析設計參數

在進行模型分析推求時，其重要的設計參數包括渠系濕地平均年進水量、系統出入口中污染物含量大小等（如公式（1）所示）。由于農業面源污染中污染物運移分布受到施肥時間、施肥量大小、作物灌溉制度以及降雨和徑流等因素的影響，其時空分布具有一定的特征，若僅僅把渠系濕地系統多年出入口污染物含量平均值和多年平均排水量平均值直接代入公式中進行推求，不能準確地反映出渠系濕地凈化農業面源污染物的過程，得到的濕地面積也可能與實際不相符合。所以需要分析優化公式（1）中的關鍵參數［7］。

2.1 推求污染負荷

有關研究表明，隨著我國年灌溉水量和年降雨量的逐年增加，農業面源污染中氮素污染物負荷也呈現出增長趨勢。所以在進行渠系年進出水量分析討論時，不僅要考慮渠系濕地中受控面積污染物含量與徑流降雨之間的關系，還需要正確分析出污染負荷受灌溉影響的大小。

2.1.1 降雨徑流結污染物含量大小的影響

在我國降雨量呈現出時空分布不均的特點，年內降雨分布不均也會導致年內徑流量分布，同時降雨強度和降雨量的變化也會引起進入渠系內污染物含量大小的改變，微生物生長繁殖狀況、水生植物生長情況以及水環境容量等的變化會引起渠系內污染物排出量大小的改變［8］。所以需要依據研究區多年降雨和徑流相關資料及排澇推求情況得到典型年渠系濕地的排水過程。可用以下公式表示徑流量以及由于降雨徑流得到的營養物質積累量。

式中，Qi表示某次降雨過程中形成的渠系總排水量，m3；Pi表示產生徑流的降雨量，mm；μ表示徑流系數大小；F表示渠系濕地中受控的面積大小，hm2；Wr表示年內由于降雨徑流過程而形成的磷或氮等營養物質積累的量，kg/a；Cei、Coi則分別表示某次降雨過程中形成Qi時段過程中在渠道首部和尾部磷或氮的平均含量大小，mg/L；n表示整年總共形成徑流次數大小；T表示整個推求時段（此處為1a）。

2.1.2 灌區灌溉中退水過程對污染物含量大小的影響。大量研究結果表明，灌區退水量的大小會直接影響灌區內污染物含量的多少，且灌溉量與退水量相關關系也很顯著。當灌水量較多時，多余的水量會漫過埂畦排出大田，此時正常的退水量就會發生改變，退水量也會相應的增大，這樣灌區中的磷氮等污染物質以及化肥農藥等就會被帶入河流中，使水體中的磷氮負荷增大［9］。

所以需要建立農業面源污染負荷量與灌區灌溉水量之間的函數關系定量分析它們的相關關系。如下式所示：

式中，N表示由灌區輸出的農業面源污染物總量，kg/a；R表示灌區總的灌溉水量，萬m3。

灌區作物不發生改變的情況下，由水量平衡原理可知，在作物整個生育期內降雨徑流量不同，其對應的作物灌溉總量也不相同。同樣農業面源污染物含量及灌溉過程退水量也會有所不同。所以提出用灌溉影響系數γ表示不同水平年作物灌溉水量對農業面源污染物總量的影響大小。

2.1.3 渠系濕地中磷或氮總量。為了簡化推求過程，在2.1.1和2.1.2分析推求的基礎上推求渠系濕地中磷或氮的總量大小，如下式所示：

式中，W表示渠系濕地每年受納的磷或氮總量的多少，kg/a；γ表示灌溉影響系數大小；Wr表示一年內由于降雨徑流過程而形成的磷或氮等營養物質積累的量，kg/a。

2.2 選擇合適植物

不同種類的水生植物其凈化污染物質的能力也各異，有關學者在探究渠系濕地中水生植物對污染物質凈化能力時發現，研究區的渠系中主要有茭草和蘆葦兩種水生植物能夠吸收營養物質，而且蘆葦凈化和截留面源污染物質的能力沒有茭草高，在秋季茭草和蘆葦收割后，能夠帶走130～152kg/hm2的磷和465～520kg/hm2的氮［10］。所以在本文中建議該研究區在進行渠系濕地研究方案制定時可以以茭草和蘆葦為主要的凈化植物，其設計推求參數如表1所示。

表1 茭草和蘆葦磷和氮含量及生長率取值情況

若渠系濕地選用多種凈化植物，可參考不同植物的生長率和植物之間的不同磷和氮含量進行分析換算，把單純植物（如茭草或蘆葦）的濕地面積換算成為別的植物的分配種植面積。

3 渠系濕地面積推求

渠系中濕地面積可通過渠系中水生植物包含生物量的增加值與其對應的平均年污染負荷值進行推求，結合以上公式，可以得到渠系濕地中面積的推求公式如下所示：

式中，Ac表示渠系中濕地對應的面積大小，m2；L表示水生植物每年增長生物量多少，kg/（m2·a）；W表示渠系濕地每年能夠受納的磷或氮的負荷量大小，kg/a；γ表示灌溉影響系數；Qi表示次降雨過程中形成的渠系總排水量，m3；Cei、Coi則分別表示某次降雨過程中形成Qi時段過程中在渠道首部和尾部磷或氮的平均含量大小，mg/L；M表示植物生長率大小，t/（hm2·a）；α表示系統中磷或氮的含量大小，g/kg；β表示植物含水率的大小；n表示整年總共形成徑流次數大小；T表示整個推求時段（此處為1a）。

4 結語

灌區生態系統中的渠系濕地可有效地凈化農業面源污染物質，依據研究區域農業污染現狀及水資源利用概況，針對灌區渠系濕地實施規劃設計，濕地面積即為影響濕地凈化成果及濕地規模大小的主要因素。本文初步揭示推求出科學合理的渠系濕地面積計算思路，然而，如何在灌區灌水量資料及灌溉面積數據不足時獲取灌溉影響系數值，結合已有渠系濕地工程實施生態灌區徑流攔截渠系建設，實現污染物凈化、水資源節約以及雨水調蓄等綜合目標將是今后研究重點。

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TV93

A

1008-1305（2017）01-0094-02灌區輸排水渠系系統是灌區生態系統中重要組成部分，該系統包括田間聚水渠系、田間排水渠系以及季節性河流與池塘［1］。當前，我國農業面源污染問題凸顯，灌區輸排水渠系作為灌區內磷、氮等污染物質的運輸通道，對農業面源污染擴散發揮重要作用［2］。渠系濕地影響因素除磷、氮等污染物之外，尚包括部分渠系自身因素，例如渠系中底泥類型、渠系受水淹程度以及渠中植物等［3］。因此，在用地愈發緊張的背景下，在實施渠系濕地用地方案規劃設計時應綜合考慮面積推求的合理性，實現濕地效應與集約用地并舉。灌區輸排水渠系可視作濕地系統，為實現灌區人工渠系濕地面積的客觀科學推求，本文通過分析由質量守恒所得人工濕地面積推求方法基礎上，結合渠系濕地特征探尋推求參數，以期揭示與渠系濕地相適應的面積推求思路方法。

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.029

2016-07-29

王 鼎（1979年—），男，工程師。