生態(tài)溝渠水質(zhì)凈化能力評(píng)估中濃度測定與通量測定方法的比較

李飛， 楊旭斌， 林澤銘

(1.浙江省農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化研究院，浙江 杭州 310012； 2.浙江農(nóng)林大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 311300)

隨著我國人口的增加，糧食需求不斷增長。為了滿足對(duì)糧食日益增長的需求，以及獲得足夠的經(jīng)濟(jì)效益，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模在不斷地?cái)U(kuò)大，同時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥的施用量也在不斷地增加。化肥雖然是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要手段，然而大量的化肥投入并沒有100%轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量的增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國主要肥料的氮素利用率為30%～35%，磷素利用率為10%～25%，過量地施肥造成肥料利用率的嚴(yán)重降低[1]。而低利用率往往容易導(dǎo)致施用于農(nóng)田的化肥中的氮磷養(yǎng)分大量流失，在降雨時(shí)隨地表徑流進(jìn)入農(nóng)田排水溝渠，再沿著溝渠遷移入江河湖泊中，造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染[2]。農(nóng)田溝渠是農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)入水體的重要途徑。

改造農(nóng)田溝渠為生態(tài)溝渠便是利用溝渠是農(nóng)田與河塘湖庫之間水流“連通器”的優(yōu)勢，通過在渠內(nèi)建造透水壩、沉泥池、反硝化除磷裝置并在渠內(nèi)種植水生植物，加強(qiáng)溝渠系統(tǒng)的生態(tài)攔截能力，實(shí)現(xiàn)通過底泥截留吸附、植物吸收與微生物降解轉(zhuǎn)化等多種途徑去除農(nóng)田排水中的農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)。因而，農(nóng)田生態(tài)溝渠是強(qiáng)化農(nóng)田溝渠凈化能力的農(nóng)業(yè)面源污染治理技術(shù)，同時(shí)農(nóng)田生態(tài)溝渠是一項(xiàng)“三分建、七分管”的系統(tǒng)工程，后期的運(yùn)行管護(hù)比建設(shè)顯得更重要，要定期檢查并清除溝體內(nèi)的雜草、外來入侵生物、淤積物、障礙物和廢棄物，養(yǎng)護(hù)溝岸坡蜜源作物；定期檢查溝坡有無松動(dòng)、裂縫、破損、傾斜等現(xiàn)象，并及時(shí)進(jìn)行修復(fù)處理；定期檢查溝內(nèi)裝置，必要時(shí)進(jìn)行沖洗、清泥、更換填料、油漆等維護(hù)工作；定期監(jiān)測溝渠水質(zhì)。不及時(shí)的維護(hù)便會(huì)造成水生植物瘋長，極易導(dǎo)致二次污染。及時(shí)的溝渠水質(zhì)監(jiān)測對(duì)于評(píng)估生態(tài)溝渠水質(zhì)凈化能力與保證運(yùn)維工作的及時(shí)進(jìn)行有著至關(guān)重要的指導(dǎo)意義。通常對(duì)生態(tài)溝渠氮磷攔截效果的效果評(píng)價(jià)是通過溝渠沿程濃度變化來表征的[2-6]，王曉嶺等[5]研究了水稻不同生長期內(nèi)的3場降雨徑流的氮磷去除效果，便是通過徑流產(chǎn)生期間每隔20 min計(jì)算溝渠出口相對(duì)于溝渠入口不同形態(tài)氮磷的濃度下降程度，獲取降雨初期、降雨中期與降雨后期的一系列攔截去除率；同樣地，胡宏祥等[7]監(jiān)測了不同時(shí)間溝渠不同斷面水體的全氮全磷含量來評(píng)估水草攔截處理的作用，通過計(jì)算沿水流方面不同斷面全氮全磷的濃度下降幅度來表征水草攔截作用。表明利用濃度差進(jìn)行生態(tài)溝渠攔截效率的評(píng)價(jià)是更為普遍、簡單的監(jiān)測方法。

但是在水體污染評(píng)價(jià)中，通常采用通量表征污染量[8-9]，通量是污染物濃度與流量的乘積，表征的是通過某一橫截面積的污染物的量，既考慮了濃度的變化，又考慮了水體流量等特征的變化，對(duì)于流速時(shí)空差異較大的溝渠，是更為合理的選擇。劉福興等[10]研究了3種不同深度規(guī)格的生態(tài)溝渠在3種動(dòng)態(tài)進(jìn)水條件下對(duì)農(nóng)業(yè)面源主要污染物的去除效果，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田尾水的氮磷濃度人為配置溝渠進(jìn)水濃度，每2 d采集水樣，通過計(jì)算通量差來評(píng)估生態(tài)溝渠的污染物去除量。但是通量計(jì)算需要提供流速與溝渠橫截面積，會(huì)較大地增加監(jiān)測工作量。流速的監(jiān)測一般采用流量計(jì)測定法或者浮標(biāo)法，流量計(jì)本身售價(jià)較高，而且流量計(jì)指針放置的位置對(duì)于流量的測定影響較大，當(dāng)溝渠深度較大，存在表面流量與深層流量差異較大的情況，表面流量通常高于深層流量，單單監(jiān)測表面流量會(huì)高估污染物通量；同時(shí)溝渠渠底、渠道與水流接觸的位置受到的摩擦力最大，流速也因此變慢，靠近渠邊的流量監(jiān)測會(huì)導(dǎo)致低估污染物通量。流量測定的準(zhǔn)確性將直接關(guān)系到通量計(jì)算的準(zhǔn)確性，這對(duì)監(jiān)測工作提出了更高的要求；而浮標(biāo)法一般測定的是表面流速，適用于截面流速相差不大的情況。

浙江省自2018年起整省探索建設(shè)農(nóng)田氮磷生態(tài)攔截溝渠系統(tǒng)，到2021年底，已建成農(nóng)田氮磷生態(tài)攔截溝渠系統(tǒng)510條，溝渠系統(tǒng)總長度592 km、覆蓋農(nóng)田面積2.4萬hm2，實(shí)現(xiàn)了全省范圍內(nèi)適宜地區(qū)的推廣應(yīng)用。農(nóng)田氮磷生態(tài)攔截溝渠系統(tǒng)建設(shè)獲得了較好的社會(huì)反響，入選2018年度浙江省“五水共治”五大亮點(diǎn)工作并上報(bào)國家部委。2021年11月18日，浙江省委書記袁家軍在南湖區(qū)鳳橋鎮(zhèn)聯(lián)豐村詳細(xì)了解稻田退水“零直排”模式的具體做法及其投資規(guī)模，充分肯定了該模式，認(rèn)為成本不高，效益好，值得全省推廣。為了更好地評(píng)價(jià)生態(tài)溝渠的凈化效果，本試驗(yàn)在浙江省選擇了5條農(nóng)田生態(tài)溝渠系統(tǒng)，測定溝渠首末端的濃度與通量，比較濃度差與通量差之間的相關(guān)關(guān)系，驗(yàn)證通量測定是否是更為合理的測定方法。

1 材料與方法

1.1 采樣與測定

本次研究取樣與測定嚴(yán)格遵守《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)，選取浙江省杭州市、嘉興市、湖州市、紹興市和金華市的5條生態(tài)溝渠，采取溝渠水樣進(jìn)行監(jiān)測并評(píng)估其對(duì)農(nóng)業(yè)徑流氮磷等污染物的攔截凈化效果。

一般認(rèn)為在降雨產(chǎn)生農(nóng)田表面徑流進(jìn)入溝渠時(shí)起到生態(tài)溝渠的攔截作用，因而降雨期間是監(jiān)測溝渠凈化能力的關(guān)鍵時(shí)期。取樣時(shí)間選在降雨田間產(chǎn)生地表徑流排入溝渠的連續(xù)3 d。取樣生態(tài)溝渠保證渠段上游有農(nóng)田徑流排水口，且有明顯水流流動(dòng)且無支溝進(jìn)排水。具體方法為：為考察污染物濃度的沿程變化，沿溝渠水流方向設(shè)置5個(gè)取水點(diǎn)(分別計(jì)為P1～P5，P2～P5與起始段(P1)間距離分別為50、100、150和200 m)，覆蓋溝渠進(jìn)水口(農(nóng)田排水出口)、水生植物和攔截轉(zhuǎn)化裝置。分別在每個(gè)取水點(diǎn)取一個(gè)塑料瓶體積(約300 mL)的水樣，連續(xù)3 d總計(jì)5次取樣(分別記為T1～T5)，水樣及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)的測定分析。取來的水樣當(dāng)天須送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定分析，若無法及時(shí)測定分析，需放入4 ℃冰柜避光、冷藏保存，并盡快測定分析。

此外為了計(jì)算各污染物通量，還需測定溝渠水流流速、取樣點(diǎn)橫截面積，本試驗(yàn)采用浮標(biāo)法進(jìn)行流量計(jì)算，采用裝有少量水的瓶子，在瓶口上插小旗作為浮標(biāo)，利用手表測定浮標(biāo)通過相距一定距離的兩點(diǎn)的時(shí)間求出流速；并用皮尺測定溝渠深度與寬度以此計(jì)算橫截面積，并且文字記錄各個(gè)溝渠的水生植物生長情況與攔截凈化裝置情況。

1.2 分析方法

1.3 數(shù)據(jù)處理

各污染物的輸入量、去除量、去除率按下式進(jìn)行計(jì)算：

Yin=Qin×Cin；

Yη=Yin-Qout×Cout；

式中：η為污染物的去除率；Yin和Yout分別為污染物輸入通量和污染物輸出通量(g·d-1)；Qin和Qout分別為測試溝渠起始段和末段流量(m3·d-1)；Cin和Cout分別為測試溝渠起始段和末段污染物濃度(mg·L-1)；Yη為污染物通量差(g·d-1)。

通過每條溝渠在5個(gè)取樣時(shí)間溝渠內(nèi)起始段污染物濃度(通量)減去末段污染物濃度(通量)求得濃度差(通量差)，計(jì)算濃度差與通量差的相關(guān)性，比較兩者差異。

2 結(jié)果與分析

表1是取樣溝渠內(nèi)P1～P5各點(diǎn)污染物濃度與通量的相關(guān)線性回歸方程，其中Y代表通量，C代表濃度，R2為決定系數(shù)，R2越接近于1即表示C與Y越具有相關(guān)性，一般認(rèn)為R2大于0.8即有較強(qiáng)的相關(guān)性。

表1 溝渠各污染物濃度與通量的相關(guān)線性回歸方程

綜上，目前已有研究對(duì)于去除率的計(jì)算方式為去除量與初始量的比值，一般選用濃度的變化來作為去除率依據(jù)[2-6]，這種計(jì)算方法也更為簡單與直白，在實(shí)際采樣中不需要對(duì)流速與溝渠截面積進(jìn)行觀測；但是對(duì)于溝渠寬度變化較大、水流速度變化較大的溝渠而言，濃度差與通量差之間的相關(guān)性較差，此時(shí)濃度的變化無法真實(shí)反映污染物的去除水平,而需要利用通量來評(píng)估生態(tài)溝渠的去除水平，可以對(duì)流入水體的污染物遷移、轉(zhuǎn)化過程有了直觀的反映，因?yàn)橥渴菨舛扰c流量的乘積，既考慮了濃度的變化，又考慮了水體流量等特征的變化。

在本試驗(yàn)中，對(duì)于溝渠流速比較穩(wěn)定的溝渠，如湖州、杭州、紹興、金華4條溝渠，其污染物濃度與通量之間的線性相關(guān)性均較強(qiáng)，完全可以用濃度差來代替通量差表征溝渠凈化效果，從而節(jié)省評(píng)估工作量；如果要從更為精確的監(jiān)測考慮，則可以對(duì)污染程度較大且可溶性成分較多的成分利用通量差評(píng)估生態(tài)溝渠的攔截效果。

3 小結(jié)

通量差測定可以更好地反映溝渠污染物量的變化特征，同時(shí)對(duì)于溝渠流速比較穩(wěn)定的溝渠，可以用濃度差測定來代替通量差測定，而對(duì)于污染程度較大且可溶性成分較多的污染物指標(biāo)更適合利用通量差評(píng)估生態(tài)溝渠對(duì)其的攔截效果。