淺談生態型農田排水溝的設計與試驗研究

(上海汀瀅環保科技有限公司，上海 201707)

1 排水溝設計背景

農田面源污染是指在農業生產活動中，由于大量肥料和農藥的使用，氮、磷等營養物質或者農藥等污染物質通過農田的地表徑流和農田滲漏而對水環境造成的污染。農田面源污染產生量受降雨、施肥量、土壤類型、耕作方式等影響。降雨強度越大，徑流量越大，農田向水體遷移的污染量越多；施肥量越高，污染產生的風險越大；不同土壤類型，污染物的遷移方式、風險也不同。“4R”理論與技術是現階段治理農田面源污染的有效手段，即：源頭減量技術(Reduce)、過程阻斷與攔截技術(Retain)、養分的循環利用技術(Reuse)和河道水質的生態修復技術(Restore)。“4R”技術中的過程阻斷攔截和養分資源再利用是控制面源污染的關鍵。

排水溝中營養物質的轉化和去除機理對農田面源污染防控具有重要意義。為解決農田面源污染，做好防控措施，本文介紹了一種新型農田生態排水溝的設計方案與研究成果。

2 新型生態排水溝設計

農田生態排水溝一般是通過植物吸收、微生物分解、填料吸附等途徑來凈化水體。本次研究專門設計、建造了一條長度為110m的生態排水溝，通過抽取河水與化肥進行混合配置，用以模擬農田退水，通過對水質的監測分析來研究生態排水溝對污染物的削減能力，同時考察排水溝的生物多樣性情況。

2.1 設計思路

生態排水溝的設計應在滿足過流能力的前提下，盡可能增強其削減農田排水氮磷污染物的能力，同時兼具生物多樣性和景觀性。根據對以往類似研究成果的總結，以及對本地農田排水溝的調研，生態排水溝設計時需遵循以下幾點原則。

2.1.1 安全穩定原則

生態排水溝的結構必須安全穩定，并具備耐久性，這是后續功能拓展的基礎，絕不能因為重視生態而忽視了安全穩定。安全還包括選用材料的安全性，不能對農田造成污染。

2.1.2 功能多樣性原則

a.排水功能——排水溝的首要功能是排水，避免因為高密度種植植物而導致排水不暢。

b.凈化功能——通過植物、微生物的共同作用削減污染物，微生物的作用不可忽視。

c.棲息地功能——生態排水溝應能為不同的物種提供適宜的生存環境。

2.1.3 經濟合理原則

農田排水溝面廣量大，結構型式需造價合理、施工方便，具備推廣性，并便于后期維護管理。

2.2 橫斷面設計

根據調查，本地農田排水溝的過流斷面一般為倒梯形，底寬0.3m，深度1.2m，口寬1.0m，本次研究的生態排水溝橫斷面內側凈尺寸與此相同，生態排水溝實景見圖1。

圖1 生態排水溝實景

在材料的選擇上，本次研究采用多孔和吸附能力強的材料組合，盡量增加排水溝的側壁、底部與水體的接觸面積，一方面有利于發揮對污染物的吸附作用，另一方面能夠提供微生物生長附著的優良環境，充分發揮其分解能力。本次設計摒棄了農田水利中常用的預制混凝土薄板結構，轉而尋求多孔、透水、立體的結構設計。

通過經濟技術比選，本次設計采用空隙率高、透水性好的自嵌式混凝土砌塊作為主要結構材料，形成側壁為臺階形的生態排水溝。選用的自嵌式混凝土砌塊每塊厚15cm。

對于砌塊內部的空隙，則根據常水位分別進行填充：常水位以上填充普通碎石土，以滿足陸生植物的生長需求；常水位以下在砌塊內填充火山石。考慮到排水溝溝底是積累氮磷最多的部位，本次設計在排水溝溝底全部鋪設一層火山石。

通過上述設計，在確保穩定的同時，使得水土界面和種植物間形成有效的能量物質微循環，為植物、微生物等的生長提供良好的小生境，加快生態修復速度；同時，利用火山石的強吸附作用增強對氮磷的去除能力。

2.3 縱斷面設計

本次設計從生態多樣性方面出發，除了進行橫斷面設計外，還進行了詳細的縱斷面設計。在縱斷面設計中，重點是納入“深槽區+生態濾壩”的組合措施。排水溝共設置兩處深槽區，間距45m，深槽區縱向長度5m，槽底比溝底深30cm。深槽區外側2m處設置一道生態濾壩，濾壩縱向長度2m，高15cm。深槽區上方架設種植平臺，平臺上種植挺水植物和浮水植物。“深槽區+生態濾壩”組合可起到小范圍蓄積水體、強化過濾吸附的作用，并可作為魚類和其他小動物的棲息、避難場所，具體設計見圖2。

圖2 生態排水溝縱斷面(深槽區)

2.4 植物選擇

在排水溝植物的選擇上，按照常水位進行分界，常水位以上的植物選擇以陸生植物為主，在砌塊空隙交錯種植百慕大、麥冬等草坪草和沿階草類，這類植物對生長環境條件要求不嚴格，易形成生態景觀。常水位以下的植物重點考慮對污染物的吸收削減，本次選擇根系比較發達、植株高度相對較矮、無病蟲害、長勢旺盛的水芹、空心菜、鳶尾、銅錢草。排水溝溝底則種植沉水植物增強對氮磷吸收能力。溝底沉水植物根莖能吸附、分解、吸收水體營養負荷，增加溶解氧，遏制了一些厭氧條件下的有機物分解反應。沉水植物還是浮游植物強有力的競爭者，在水生生態系統中可以與浮游植物形成生態位競爭，有效抑制浮游藻類的種群數量。本次設計排水溝底部沉水植物選擇苦草。

3 生態排水溝的試驗研究

3.1 試驗方法

本次研究在生態排水溝起始處安裝了一套農田退水模擬試驗裝置，該裝置包括一臺水泵、兩只PVC水箱和排水管、控制閥、分體式流量計、流量計井和流量計顯示屏固定桿等。試驗用水直接抽取附近河水，水質控制則參考本地區農田排水實測數據，選擇概率較大的濃度區間進行配水，配水選用的化肥為尿素(含總氮46%)和磷酸二胺(含總氮15%、總磷18%)。

3.2 氨氮與總磷去除效果分析

2018年7—9月，通過配置不同進水的濃度，在兩種不同過水流量的條件下，共進行了6組試驗，試驗進水指標和過水流量見表1。

表1 試驗進水指標

本試驗在渠道末端取水樣，氨氮與總磷濃度隨時間變化情況見圖3～圖6。

圖3 氨氮濃度變化圖(1～3號試驗)

圖4 氨氮濃度變化圖(4～6號試驗)

圖5 總磷濃度變化圖(1～3號試驗)

圖6 總磷濃度變化圖(4～6號試驗)

根據試驗結果，氨氮去除效果如下：

a.1～3號試驗的前3h氨氮去除率分別達到77%、68%、33%，當停留時間大于24h后，濃度變化幅度不大，48h的去除率基本大于53%。

b.4～6號試驗的前2h氨氮去除率分別達到69%、50%、22%。當停留時間大于24h后，濃度變化幅度不大，48h的去除率基本大于45%。

根據試驗結果，總磷去除效果如下：

a.1～3號試驗的前3h總磷去除率分別達到33%、18%、72%，當停留時間大于24h后，濃度變化幅度不大，48h的去除率大于37%。

b.4～6號試驗的前2h總磷去除率分別達到20%、35%、18%，當停留時間大于24h后，濃度變化幅度不大，48h的去除率大于35%。

綜上所述，試驗進水的氨氮、總磷濃度越低，去除效率越高；而在近似相同的進水濃度條件下，渠道過水流量越大，氨氮去除率越低；當停留時間大于24h后，氨氮、總磷濃度均趨于穩定。

3.3 生物多樣性分析

對于農田生態排水溝，營造健康穩定的生態系統也是其重要任務之一。經2018年10月現場調查，本次建造的新型生態排水溝內共有高等維管束植物30種，隸屬于20科30屬。其中，菊科、禾本科植物大科占主要優勢，分別有5種、4種植物，占植物總數量的16%和13%。30種高等維管束植物中，百慕大、水芹、鳶尾、苦草、蕹菜(空心菜)、銅錢草和麥冬7種植物為試驗種植物種，其他23種植物為自然萌發、生長植物。說明此種生態排水溝結構所營造的環境條件有利于土壤種子庫植物的萌發與生長，易形成植物多樣性。

豐富的植物多樣性為周邊的動物提供了良好的庇護所、活動區域以及產卵地等。調查發現，排水溝內有少量昆蟲在植物葉面上棲息、活動，如雙翅目搖蚊、蜻蜓目蜻蜓和豆娘等昆蟲；排水溝內水體有大量魚苗游動，數量龐大。觀察期間，發現在農田區域取食的成群麻雀短時間會在溝內和溝邊停留，并觀察到小白鷺、白鹡鸰和戴勝等動物在生態排水溝區域活動。

4 結 論

a.生態溝渠對氮磷的去除主要以吸附沉積作用和植物吸收為主，水力停留時間越長，則水體中氮磷污染物與填料層、植物系統接觸越充分，反應時間越長，去除效果就越好。

b.本次在進行生態排水溝設計時，改變了以往在混凝土薄板上開洞的做法，而是采用更加立體、接觸面更大的多孔隙結構，形成“立體生境”，兼顧植物和微生物的生長。

c.本次研究還從生物多樣性角度出發，對生態排水溝的縱斷面進行了專門設計，有意營造適合本地小動物生存和避難的場所，取得了較好的效果。

d.本文中的生態排水溝采用自嵌式混凝土砌塊建造，主要是考慮其容易獲得、造價不高。但是該材料也存在孔隙率不夠大，造型單一的缺點。為了更加有利于推廣應用，在建筑材料的選擇上還可以作進一步的深化研究。

e.在農田排水速度和流量比較大的情況下，由于水力停留時間短，生態排水溝的污染物削減效率是有限的，不應過分夸大，需要與其他措施(如：源頭減量、循環凈化、人工濕地等)組合運用才能達到更好的效果。

f.農田退澇排水作為面源污染，產生大量的氮磷等無機營養物，一直是河道環境治理的重點和難點。為防止農田排水滋生水華，一般常在農灌渠排口處設置臨河生態塘或人工濕地等斷接凈化生態設施，但是需要占用林地、農地甚至河道藍線，這對合理有效布點造成建設困難。本次試驗研究通過在農田排水源頭和過程中，結合原來已建的排水溝渠進行生態化改造，有效控制源頭氮磷排放量，可緩解末端凈化設施體量，探索出農田排水截污控源的新途徑。未來的生態型渠道需要在預制組件現場裝配式、栽作植物本土化、收割作物簡便化、清除底泥機械化方向上作進一步深入研究，以期開辟農田退澇排水污染源頭治理的新途徑。