寧夏引黃灌區典型排域農田退水污染物時空變化規律研究

馬秀霞，仝炳偉，陸 陽，王 樂

（寧夏水利科學研究院灌溉排水研究室,寧夏 銀川 750021）

0 引言

寧夏作為全國十大商品糧基地之一,擔負著穩定區域糧食安全的任務,對保障我國糧食安全具有重要戰略意義[1]。農業作為寧夏的主導產業[2],對全區經濟發展起著關鍵作用,伴隨著區內種養殖業的快速發展,過量施用氮肥和不合理灌溉方式引起氮素流失[3-4],導致水體富營養化[5-6],引發水生態、水安全等一系列問題[7-8]。2020 年6 月,習總書記在寧夏視察時提出寧夏要努力建設黃河流域生態保護和高質量發展先行區,改善寧夏全區環境質量對推進黃河流域高質量發展、維護西北乃至全國生態安全至關重要[9]。因此掌握流域的污染負荷具有重要意義,河流污染物通量能直觀反映單位時間內研究斷面以上流域的污染負荷總量,表征了流域污染物的產輸特征,是制定流域污染總量控制規劃及措施的基礎[10-11]。本文以寧夏引黃灌區第六排水溝排域為研究對象,通過對溝道內的水質取樣監測,掌握溝道污染物時空變化規律,從而為灌區排水溝水環境治理提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

寧夏引黃灌區位于黃河上游下河沿——石嘴山兩水文站之間,沿黃河兩岸地形呈“J”型帶狀分布。總面積6573 m2,其中耕地面積22 萬hm2,灌溉面積21 萬hm2,以青銅峽水利樞紐為界,將其分割為上游的衛寧灌區和下游的青銅峽灌區。本文選取引黃灌區第六排水干溝為研究對象,開展第六排水溝排域干溝及主要支溝農業種植氨氮污染負荷時空變化特征及其發展規律研究,以期為引黃灌區排水溝水環境治理提供支撐。

第六排水溝地處青銅峽河西灌區下游,始于寧夏平羅縣頭閘鎮邵家橋村,走向基本在昌潤渠與昌滂渠之間,經頭閘、靈沙和寶豐三鄉鎮,并在寶豐鎮的馬家橋（農場渠口以上）穿昌潤渠與農場渠平行,向北經寧夏石嘴山市惠農區廟臺鄉在樂土嶺子以下入五排。全長28.71 km,平羅段長19.7 km。控制排水面積1.3 萬hm2,其中平羅段0.54 萬hm2,平、惠交界處設計流量為3.42 m3/s。

1.2 數據來源

在第六排水溝選取4 個典型控制斷面（見圖1）,對典型斷面的水質進行監測。排水溝水樣采集時間跨度為灌區頭水至冬灌結束；作物灌溉期每灌溉1 次需采集一次排水溝溝道水樣；作物全生育期采集水樣4 次～5 次；灌溉高峰期加測1次～2 次,春灌及冬灌加測1 次。取樣時在排水溝斷面水面以下1/3 處進行采集,采集水樣位點距離排水溝岸邊2/4 和3/4處,分別各取一個水樣,每個水樣1 L。水樣若非當天測試,置于冰柜中保存待測。

圖1 第六排水溝排域及監測點

圖2 第六排水溝主要控制斷面排水流量變化過程線

結合面源污染相關研究,本文選取了銨態氮、硝態氮、總氮和總磷四項指標進行研究。銨態氮采用靛酚藍法,硝態氮采用硝態氮酚二磺酸分光光度法,總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法,總磷采用鉬酸銨分光光度法[12-13]。

流量數據來源于當地水文局實測值。

1.3 污染物通量計算方法

河流污染物通量指斷面在一定時間內某種污染物的通過量,它可分為瞬時通量和時段通量[14-16]。本文采用時段通量計算通過第六排水溝各控制斷面的污染物,計算公式如下：

式中：WD為時段通量；Ci為瞬時濃度,mg/L；Qi為瞬時流量,m3/s；K 為估算時間段轉化系數；n 為估算時段內樣品數量。

2 結果與分析

2.1 第六排水溝排水量年內動態變化特征

第六排水溝逐日流量過程線大致反映了第六排水溝排域內灌區的灌溉規律,作為灌溉的后續水運動過程,排水過程與排域內灌水過程具有很好的一致性,排水主要集中在灌水高峰期。年內主要控制斷面流量過程呈現多峰特征：5 月～8 月（春夏灌期）,這一時期是灌區農作物生長期,也是農田灌溉期,灌溉、施肥等農事活動頻繁；由于整個排域作物種植結構復雜,農田灌溉時段分散且持續時間長,因此第2 個峰形較為矮胖且退水過程具有明顯的滯后性；9 月～10 月,隨著灌區灌水期結束,這個排水溝幾乎無流量；10 月～11 月（冬灌期）由于冬灌僅為一次灌溉過程,灌溉歷時較短,且以大水漫灌為主,所以退水過程峰形尖瘦,而末端控制斷面的排水流量過程線出現兩個峰值,這是由于馬家橋至六排末端之間存在排水溝取水泵站取水的結果。

各控制斷面流量變化過程具體表現為：上游裕民控制斷面5 月～8 月出現兩個峰值第1 個峰值出現在6 月中旬,第2 個峰值出現在7 月下旬,由于該斷面處于第六排水溝上游,控制排域面積較小,斷面排水流量也較小,兩個峰值分別為0.081 m3/s 和0.099 m3/s；10 月～11 月斷面排水流量更小,排水流量過程線幾乎無變化。中游控制斷面靈沙和馬家橋的排水流量過程線基本一致,5 月～8 月出現兩個峰值,其中靈沙控制斷面的排水流量為最大0.348 m3/s,第一個峰形尖瘦,第2 個蜂形較為矮胖,這是由于整個排域農田灌溉時段分散且持續時間長所致；10 月～11 月出現一個峰值,峰值出現的最大控制斷面為馬家橋控制斷面峰值為0.344 m3/s。六排末端控制斷面的排水流量過程線6 月中旬～8 月底均低于上游馬家橋的排水流量過程線,主要是排水溝沿途有多處取水泵從溝中取用水的結果。

2.2 第六排水溝排水質年內動態變化規律

對比分析第六排水溝上下游控制斷面污染物濃度（見圖3）,水體中污染物濃度變化與徑流量的關系比較密切,呈現出一定的季節性變化,6 月份TN 濃度最大,且峰值早于流量峰值。各監測斷面污染物隨時間持續表現出增大一減小一增大的趨勢。作物在種植前會施用大量的氮肥和磷肥作為底肥,5 月～6 月為作物的生長期,為了增產還會進行追肥,導致6 月份溝道內水體中污染物濃度增大；7 月～8 月灌溉期,隨著農田退水和降水對溝道內污染物的稀釋和溝道內植物吸收消解作用[16-17],污染物濃度減小；9 月灌區停止灌溉,排水量大幅減少,農田流失的各類污染物減少,溝道內水體中污染物濃度減少；11 月由于冬灌以及水生植物枯萎腐爛,植物體內氮磷等污染物釋放進入水體和溝道底泥中,致使污染物濃度又上什。

圖3 六排各控制斷面污染物濃度的變化特征

上游裕民、靈沙和馬家橋三個控制斷面排水中TN 濃度在6 月12 日左右出現一次峰值,六排末端控制斷面TN 濃度峰值出現在7 月2 日,較上游時間有所延遲；6 月～7 月初所有斷面TN 濃度值均超過2 mg/L,均屬超Ⅴ類水；7 月～9 月TN 濃度值在0.186 mg/L～0.984 mg/L 之間,屬于Ⅱ-Ⅳ類水。

NO3--N 濃度在各斷面的峰值出現在7 月初,NH4+-N和TP 濃度變化過程比較相似,相同時間段上下游控制斷面NH4+-N 和TP 濃度差值不顯著,這與農田灌水周期和施肥密切相關；NH4+-N 濃度值0.084 mg/L～1.236 mg/L 之間,屬于Ⅱ-Ⅳ類水,TP 濃度0.005 mg/L～0.954 mg/L 之間。10 月～11 月,裕民控制斷面無流量,靈沙、馬家橋和六排末端斷面處NO3--N和TN 濃度遠遠低于5 月～9 月的；靈沙、馬家橋斷面處NH4+-N 和TP 濃度變化特征的相似,濃度逐漸升高而后降低。

2.3 各控制斷面污染物通量變化特征

第六排水溝各控制斷面的污染物通量見圖4,其中TN 是排水溝排放量最大的污染物,其次是NO3--N,第三是NH4+-N,最后是TP。從上游裕民、靈沙、馬家橋至下游六排末端監測段面的TN 和TP 年通量表現為逐步累積,但NO3--N 和NH4+-N 通量六排末端斷面較上游斷面馬家橋處有所降低,主要原因由于馬家橋至六排末端斷面之間存在溝水回灌農田導致流速放緩,溝內植物及溝底底泥吸收部分污染物[18]。

圖4 第六排水溝各控制斷面的污染物通量

6 月～8 月灌溉期各污染通量占年通量比例在70%以上,這是由于污染通量受污染物濃度和徑流影響,隨著農田灌水、施肥增加最大值出現在7 月份。冬灌期六排末端控制斷面TP 月通量突然上升,這是由于灌溉期停水后,排水溝流量逐漸減少為零,但溝內仍存留一定量的水,加之溝內水生植物腐爛和生活污水及養殖滲漏的等磷含量比較高污水長期滯留在溝內,隨著冬灌農田排水增加,上游污水沖向下游,致使通過末端控制斷面總磷月通量的大幅增加。

3 結論

（1）第六排水溝排水流量過程與排域內灌水過程具有很好的一致性,灌溉期農田灌溉時段分散且持續時間長,這一時期第六排水溝年內主要控制斷面流量過程呈現多峰特征；冬灌期僅有一次灌溉過程,灌溉歷時較短,且以大水漫灌為主,退水過程峰形尖瘦。

（2）水體中污染物濃度均表現出一定的季節性變化,第六排水溝上下游控制斷面污染物濃度的變化特征表現為各控制斷面排水中的TN 濃度在6 月中旬達到最大值,下游控制斷面TN 濃度的出現峰值時間較上游斷面有所延后；各斷面處NO3--N 濃度的峰值出現在7 月初,NH4+-N 和TP 濃度變化過程比較相似,相同時間上下游控制斷面NH4+-N 和TP 濃度差值不顯著,冬灌期（10 月～11 月）,裕民控制斷面無流量,靈沙、馬家橋和六排末端斷面處污染物濃度遠遠低于5 月～9 月。

（3）第六排水溝上下游各控制斷面TN 和TP 通量表現一致：從上游裕民、至下游六排末端斷逐漸增大,NH4+-N 和NO3--N 也從上游至下游表現為逐步增加,但末端斷面的通量較上游馬家橋斷面有所降低,主要原因是馬家橋至六排末端斷面之間溝內存在取水泵站抽水灌溉以及流速放緩被溝底淤泥吸收。

（4）第六排水溝排放量最大的污染物是TN,其次是NO3--N,第三是NH4+-N,最后是TP,建議相關部門根據作物的目標產量和土壤的供氮能力,確定氮肥的合理用量,并且合理掌握底肥、追肥比例及施用時期,并與灌溉、耕作等農藝措施相結合,減少氮元素的流失。