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(qū)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(qū)渠系濕地可有效凈化農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)，濕地面積作為影響污染物凈化成效及濕地規(guī)模的重要因素，在濕地培育方案制定中至關(guān)重要。文章在闡明推求人工濕地面積理論基礎(chǔ)上，綜合灌區(qū)農(nóng)田具體特征對濕地植物、灌區(qū)灌溉以及降雨徑流等因素實(shí)施優(yōu)化，尋求揭示科學(xué)合理的渠系濕地面積推求方法。

渠系濕地；灌區(qū)面源污染；面積推求；污染物凈化

1 渠系濕地面積基礎(chǔ)理論

在灌區(qū)輸排水渠系內(nèi)往往會(huì)生長許多水生植物，其底層也會(huì)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(qū)的一個(gè)連接過渡區(qū)，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(tǒng)就能夠被看作是人工濕地的實(shí)際應(yīng)用。

在分析推求渠系濕地面積時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)人工濕地推求中所使用的經(jīng)驗(yàn)公式中的設(shè)計(jì)參數(shù)很難選取。并且還會(huì)受污染物含量、自然條件等因素的影響，得到的推求結(jié)果和實(shí)際工程中的選取出入較大。熊家晴等學(xué)者在進(jìn)行人工濕地理論分析時(shí)說明，更換面積較大的濕地基質(zhì)是很困難的。另外從能夠可持續(xù)發(fā)展的角度分析，應(yīng)該通過收割水生生物來實(shí)現(xiàn)磷氮等污染物的去除［5］。同時(shí)為了能夠使磷氮等污染物得到充分去除，通過物質(zhì)平衡理論可以科學(xué)合理地確定出水生植物的面積，即依據(jù)磷氮含量與進(jìn)出水量的差值確定出水生植物吸收的營養(yǎng)物質(zhì)的含量，再由水生植物中生物量和營養(yǎng)物質(zhì)量增加的比例關(guān)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(jìn)水量，m3/a；Ce表示系統(tǒng)入口污染物含量大小，mg/L；Co表示系統(tǒng)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(tǒng)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(jī)理與人工濕地中相似，并且對渠系濕地進(jìn)行大面積的基質(zhì)更換也是很難實(shí)現(xiàn)的，這就需要及時(shí)地回收渠系內(nèi)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(zhì)的去除量也可以通過水生植物對營養(yǎng)物質(zhì)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(fù)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(fù)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(shè)計(jì)參數(shù)

在進(jìn)行模型分析推求時(shí)，其重要的設(shè)計(jì)參數(shù)包括渠系濕地平均年進(jìn)水量、系統(tǒng)出入口中污染物含量大小等（如公式（1）所示）。由于農(nóng)業(yè)面源污染中污染物運(yùn)移分布受到施肥時(shí)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(shí)空分布具有一定的特征，若僅僅把渠系濕地系統(tǒng)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(jìn)行推求，不能準(zhǔn)確地反映出渠系濕地凈化農(nóng)業(yè)面源污染物的過程，得到的濕地面積也可能與實(shí)際不相符合。所以需要分析優(yōu)化公式（1）中的關(guān)鍵參數(shù)［7］。

2.1 推求污染負(fù)荷

有關(guān)研究表明，隨著我國年灌溉水量和年降雨量的逐年增加，農(nóng)業(yè)面源污染中氮素污染物負(fù)荷也呈現(xiàn)出增長趨勢。所以在進(jìn)行渠系年進(jìn)出水量分析討論時(shí)，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(guān)系，還需要正確分析出污染負(fù)荷受灌溉影響的大小。

2.1.1 降雨徑流結(jié)污染物含量大小的影響

在我國降雨量呈現(xiàn)出時(shí)空分布不均的特點(diǎn)，年內(nèi)降雨分布不均也會(huì)導(dǎo)致年內(nèi)徑流量分布，同時(shí)降雨強(qiáng)度和降雨量的變化也會(huì)引起進(jìn)入渠系內(nèi)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(huán)境容量等的變化會(huì)引起渠系內(nèi)污染物排出量大小的改變［8］。所以需要依據(jù)研究區(qū)多年降雨和徑流相關(guān)資料及排澇推求情況得到典型年渠系濕地的排水過程?？捎靡韵鹿奖硎緩搅髁恳约坝捎诮涤陱搅鞯玫降臓I養(yǎng)物質(zhì)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(chǎn)生徑流的降雨量，mm；μ表示徑流系數(shù)大?。籉表示渠系濕地中受控的面積大小，hm2；Wr表示年內(nèi)由于降雨徑流過程而形成的磷或氮等營養(yǎng)物質(zhì)積累的量，kg/a；Cei、Coi則分別表示某次降雨過程中形成Qi時(shí)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(shù)大?。籘表示整個(gè)推求時(shí)段（此處為1a）。

2.1.2 灌區(qū)灌溉中退水過程對污染物含量大小的影響。大量研究結(jié)果表明，灌區(qū)退水量的大小會(huì)直接影響灌區(qū)內(nèi)污染物含量的多少，且灌溉量與退水量相關(guān)關(guān)系也很顯著。當(dāng)灌水量較多時(shí)，多余的水量會(huì)漫過埂畦排出大田，此時(shí)正常的退水量就會(huì)發(fā)生改變，退水量也會(huì)相應(yīng)的增大，這樣灌區(qū)中的磷氮等污染物質(zhì)以及化肥農(nóng)藥等就會(huì)被帶入河流中，使水體中的磷氮負(fù)荷增大［9］。

所以需要建立農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷量與灌區(qū)灌溉水量之間的函數(shù)關(guān)系定量分析它們的相關(guān)關(guān)系。如下式所示：

式中，N表示由灌區(qū)輸出的農(nóng)業(yè)面源污染物總量，kg/a；R表示灌區(qū)總的灌溉水量，萬m3。

灌區(qū)作物不發(fā)生改變的情況下，由水量平衡原理可知，在作物整個(gè)生育期內(nèi)降雨徑流量不同，其對應(yīng)的作物灌溉總量也不相同。同樣農(nóng)業(yè)面源污染物含量及灌溉過程退水量也會(huì)有所不同。所以提出用灌溉影響系數(shù)γ表示不同水平年作物灌溉水量對農(nóng)業(yè)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(chǔ)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(shù)大??；Wr表示一年內(nèi)由于降雨徑流過程而形成的磷或氮等營養(yǎng)物質(zhì)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(zhì)的能力也各異，有關(guān)學(xué)者在探究渠系濕地中水生植物對污染物質(zhì)凈化能力時(shí)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的渠系中主要有茭草和蘆葦兩種水生植物能夠吸收營養(yǎng)物質(zhì)，而且蘆葦凈化和截留面源污染物質(zhì)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(qū)在進(jìn)行渠系濕地研究方案制定時(shí)可以以茭草和蘆葦為主要的凈化植物，其設(shè)計(jì)推求參數(shù)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(jìn)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(yīng)的平均年污染負(fù)荷值進(jìn)行推求，結(jié)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(yīng)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(fù)荷量大小，kg/a；γ表示灌溉影響系數(shù)；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(shí)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(tǒng)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(shù)大??；T表示整個(gè)推求時(shí)段（此處為1a）。

4 結(jié)語

灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的渠系濕地可有效地凈化農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)，依據(jù)研究區(qū)域農(nóng)業(yè)污染現(xiàn)狀及水資源利用概況，針對灌區(qū)渠系濕地實(shí)施規(guī)劃設(shè)計(jì)，濕地面積即為影響濕地凈化成果及濕地規(guī)模大小的主要因素。本文初步揭示推求出科學(xué)合理的渠系濕地面積計(jì)算思路，然而，如何在灌區(qū)灌水量資料及灌溉面積數(shù)據(jù)不足時(shí)獲取灌溉影響系數(shù)值，結(jié)合已有渠系濕地工程實(shí)施生態(tài)灌區(qū)徑流攔截渠系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)污染物凈化、水資源節(jié)約以及雨水調(diào)蓄等綜合目標(biāo)將是今后研究重點(diǎn)。

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TV93

A

1008-1305（2017）01-0094-02灌區(qū)輸排水渠系系統(tǒng)是灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中重要組成部分，該系統(tǒng)包括田間聚水渠系、田間排水渠系以及季節(jié)性河流與池塘［1］。當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)面源污染問題凸顯，灌區(qū)輸排水渠系作為灌區(qū)內(nèi)磷、氮等污染物質(zhì)的運(yùn)輸通道，對農(nóng)業(yè)面源污染擴(kuò)散發(fā)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(fā)緊張的背景下，在實(shí)施渠系濕地用地方案規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮面積推求的合理性，實(shí)現(xiàn)濕地效應(yīng)與集約用地并舉。灌區(qū)輸排水渠系可視作濕地系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)人工渠系濕地面積的客觀科學(xué)推求，本文通過分析由質(zhì)量守恒所得人工濕地面積推求方法基礎(chǔ)上，結(jié)合渠系濕地特征探尋推求參數(shù)，以期揭示與渠系濕地相適應(yīng)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。