王沛芳，錢 進(jìn)，胡 斌，王 洵，金秋彤，胡詩(shī)瑤，邱衛(wèi)國(guó)

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098; 3.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司上海分公司，上海 201208)

我國(guó)人均水資源比較缺乏，有16個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)重度缺水，6個(gè)省、區(qū)屬于極度缺水。同時(shí)，我國(guó)的水資源開發(fā)利用中農(nóng)業(yè)用水占61.2%，遠(yuǎn)高于居民生活用水(占14.5%)和工業(yè)生產(chǎn)用水(占20.2%)[1]。然而，當(dāng)前我國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用率僅為55.9%[2]，與發(fā)達(dá)國(guó)家70%～80%的差距較大[3]。特別是農(nóng)業(yè)灌溉的排水回用不受重視，造成水資源的巨大浪費(fèi)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于農(nóng)業(yè)節(jié)水方面開展了大量的研究，主要包括：根據(jù)作物不同生長(zhǎng)期需水要求，進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉[4]；改進(jìn)灌水技術(shù)，如噴灌、滴灌、微灌等[5-6]；處理后的中水進(jìn)行消毒后再生利用[7-8]，但由于再生水可能存在污染風(fēng)險(xiǎn)，近年來(lái)已經(jīng)不再作為灌溉水源[9]。

我國(guó)南方地區(qū)和中東部地區(qū)的農(nóng)田區(qū)域均分布有一定面積的自然坑塘濕地，可用于儲(chǔ)存降雨徑流和農(nóng)田灌溉退水，并在作物需水時(shí)循環(huán)回用補(bǔ)充灌溉水源。這種方法不僅可以有效補(bǔ)充灌溉水和肥力，還可減少農(nóng)田灌溉退水外排造成的面源污染[10-11]。然而自然的坑塘洼地面積大小不等、數(shù)量不定，如何科學(xué)確定濕地面積和循環(huán)回用水系統(tǒng)仍是一項(xiàng)亟待深入研究的工作。本文給出了水循環(huán)回用的濕地儲(chǔ)水池體積估算方法及影響因素，提出了農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)的構(gòu)建方法，并通過(guò)實(shí)例計(jì)算了上海崇明水稻田循環(huán)調(diào)蓄濕地的體積，旨在為我國(guó)農(nóng)田灌排系統(tǒng)水資源節(jié)約提供新思路，為我國(guó)鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 水循環(huán)利用系統(tǒng)中調(diào)蓄濕地適宜體積的估算方法

農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)中，調(diào)蓄濕地的體積直接決定著一定面積的農(nóng)田區(qū)域中儲(chǔ)存水量的多少，即可以循環(huán)利用的水量大小。理論上調(diào)蓄濕地體積越大，通過(guò)循環(huán)利用節(jié)約的水量就越多。但是受土地利用面積有限的影響、水質(zhì)保障的約束、地形地勢(shì)等條件限制，水循環(huán)調(diào)蓄濕地的體積設(shè)計(jì)需要有科學(xué)依據(jù)。前人從農(nóng)田排水水質(zhì)凈化的角度，研究了濕地面積與農(nóng)田面積的比例(較小1%～2%[12]，較大5%～7%[13])。國(guó)外一般采用農(nóng)田緩沖帶的概念，在土地利用不緊張的地區(qū)設(shè)計(jì)比例更大的緩沖帶(10%～15%)[14]。近年來(lái)的工程實(shí)踐中，為保障干旱狀況下農(nóng)田灌溉用水量，也有將現(xiàn)有坑塘改造擴(kuò)大以滿足特定條件下的抗旱要求。這部分坑塘容積主要與區(qū)域干旱程度、干旱條件下農(nóng)田灌溉保證率的選取有關(guān)。

調(diào)蓄濕地體積設(shè)計(jì)與區(qū)域氣象條件、降水量、土地利用情況和地形地勢(shì)及水質(zhì)情況等密切相關(guān)。本文根據(jù)這些主要影響因素，給出考慮區(qū)域降水、灌溉水量、水量蒸發(fā)散失和滲漏損失、土地利用及水質(zhì)保障的水力停留時(shí)間5個(gè)主要方面的調(diào)蓄濕地體積V估算方法[15-16]：

V=Spt1+(Qin-Qlos)t2-Qoutt3

(1)

式中：S為調(diào)蓄濕地所涉及農(nóng)田區(qū)域的面積；p為農(nóng)田區(qū)域降水強(qiáng)度；t1為農(nóng)田區(qū)域降水歷時(shí)；Qin為單位時(shí)間的農(nóng)田灌溉水量；Qlos為單位時(shí)間的農(nóng)田區(qū)域水量損失；Qout為單位時(shí)間的農(nóng)田區(qū)域外排水量；t2為農(nóng)田灌溉時(shí)長(zhǎng)；t3為超額降水外排歷時(shí)。

1.1 降水強(qiáng)度

降水強(qiáng)度對(duì)農(nóng)田灌溉影響最直接，能夠顯著影響農(nóng)田水利工程提供的灌溉水量。降水量豐沛的地區(qū)，汛期時(shí)大氣降水可有效作為灌溉水源；非汛期時(shí)可以通過(guò)農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的水循環(huán)調(diào)蓄工程，將雨季儲(chǔ)存的水進(jìn)行循環(huán)利用，減少農(nóng)田灌溉新水量的需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水。對(duì)降水量缺乏的地方，有效地收集儲(chǔ)存暴雨徑流，減少降雨徑流的外排損失，可實(shí)現(xiàn)水資源節(jié)約。另一方面，單位時(shí)間內(nèi)的降水量越大，通過(guò)農(nóng)田徑流外排的水量損失越大，因此需要收集存蓄的水量越大，循環(huán)調(diào)蓄濕地體積需求也越大。

我國(guó)南方地區(qū)主要農(nóng)作物水稻的生長(zhǎng)期一般在4—10月[17]；在華北地區(qū)，作物一年兩季，夏收小麥，秋收玉米，其主要的生長(zhǎng)期和降水量較大的時(shí)期也在4—10月[18]。因此，式(1)的降水強(qiáng)度可取當(dāng)?shù)孛磕?—10月的平均降水強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)值。而在東北地區(qū)，作物一年一季，降量集中在7月、8月，因此東北地區(qū)在設(shè)計(jì)循環(huán)調(diào)蓄濕地時(shí)降雨強(qiáng)度可根據(jù)7—8月的平均降水強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

1.2 凈灌溉流量

循環(huán)調(diào)蓄濕地所涉及區(qū)域的農(nóng)田凈灌溉流量(Qin-Qlos)一般是綜合考慮農(nóng)田作物生長(zhǎng)期需水量、區(qū)域降水量、蒸發(fā)量、滲漏及地下水補(bǔ)給等因素確定，可通過(guò)農(nóng)作物灌溉凈需水量W凈來(lái)獲得。

W凈主要與農(nóng)作物種類、作物生長(zhǎng)期、區(qū)域蒸發(fā)量、土壤滲漏量密切相關(guān)，同時(shí)也與作物的灌溉制度有關(guān)[17]。如稻田灌溉需水量的確定，需考慮泡田、返青期、分蘗期、曬田、拔節(jié)期、乳熟期、黃熟期7個(gè)生長(zhǎng)期對(duì)淹水層和淹水時(shí)長(zhǎng)的要求，即根據(jù)不同時(shí)期灌水定額進(jìn)行計(jì)算。W凈可根據(jù)作物的灌溉面積和灌水定額計(jì)算[19]：

W凈=mS

(2)

式中m為該作物灌水定額。

農(nóng)田的凈灌溉需水流量計(jì)算公式為

Qin-Qlos=W凈/t2

(3)

1.3 外排水量

外排水量Qout是指循環(huán)調(diào)蓄濕地所涉及農(nóng)田區(qū)域的單位時(shí)間外排水量，與降水量、灌水量、滲漏量、蒸發(fā)量和調(diào)蓄濕地儲(chǔ)存水量的水量平衡直接相關(guān)。另外，因?yàn)樗靖魃L(zhǎng)期需要的淹水層厚度不同，因此稻田的外排流量在計(jì)算時(shí)需考慮不同作物生長(zhǎng)期需要保持的淹水層厚度及淹水時(shí)長(zhǎng)。一般循環(huán)調(diào)蓄濕地的外排流量與調(diào)蓄濕地的儲(chǔ)水能力呈負(fù)相關(guān)，估算中可以通過(guò)試算確定。

1.4 調(diào)蓄濕地水力停留時(shí)間

調(diào)蓄濕地水力停留時(shí)間t的取值與水池中儲(chǔ)存的水量大小和水質(zhì)凈化及保持所需要的時(shí)間密切相關(guān)。同時(shí)，t與調(diào)蓄濕地構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)形狀有關(guān)，如水面面積與水深的比例大小影響著水體的溶解氧條件和氧化還原環(huán)境，對(duì)水質(zhì)的保持和變化也有重要影響。實(shí)際上，在調(diào)蓄濕地應(yīng)用時(shí)，為保持水體水質(zhì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)水體水質(zhì)條件，因地制宜地規(guī)劃采用不同類型組合的人工強(qiáng)化凈化等技術(shù)對(duì)污染物進(jìn)行去除。

1.5 調(diào)蓄濕地水面面積

調(diào)蓄濕地水面面積A主要受農(nóng)田區(qū)域土地利用緊張度限制，過(guò)大的面積會(huì)占用緊缺的農(nóng)田土地，影響作物產(chǎn)量和農(nóng)民的收入。因此，在確定調(diào)蓄濕地水面面積時(shí)，需要將儲(chǔ)水水量最大、水質(zhì)良好保持、土地利用效益等因素綜合考慮，設(shè)計(jì)時(shí)需尋求最優(yōu)。

2 水循環(huán)利用系統(tǒng)構(gòu)建

農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)(圖1)主要包括水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)、循環(huán)調(diào)蓄濕地系統(tǒng)、形態(tài)、體積及循環(huán)水量設(shè)計(jì)、調(diào)蓄濕地水質(zhì)凈化與保持、循環(huán)回用水配水系統(tǒng)等。

圖1 農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)Fig.1 Recycle system for irrigation water of farmland

2.1 水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)

農(nóng)田灌溉的水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)，其規(guī)劃設(shè)計(jì)與農(nóng)田區(qū)域的地形地勢(shì)密切相關(guān)。一般在地勢(shì)平坦的平原地區(qū)和地勢(shì)低洼的南方圩區(qū)，水循環(huán)調(diào)蓄濕地中收集的水體需進(jìn)行再次泵站提升后再輸送到灌溉渠道，再次進(jìn)入農(nóng)田灌溉的系統(tǒng)中。而在有一定坡度的丘陵地區(qū)和梯田區(qū)，收集儲(chǔ)存的雨水和退水，可借助地形高差，向下級(jí)渠道自流進(jìn)行灌溉補(bǔ)充利用。

2.2 水循環(huán)調(diào)蓄濕地設(shè)計(jì)

調(diào)蓄濕地設(shè)計(jì)包括調(diào)蓄濕地形態(tài)、體積、循環(huán)水量確定等方面。設(shè)計(jì)時(shí)主要應(yīng)考慮以下方面：①當(dāng)現(xiàn)狀條件下農(nóng)田區(qū)域已存在一定面積的自然坑塘洼地時(shí)，盡可能地有效利用現(xiàn)有的洼地，因地制宜地進(jìn)行調(diào)蓄濕地容積的核算、水面面積和平面形態(tài)的確定；同時(shí)在水質(zhì)凈化和保持時(shí)，保留現(xiàn)有洼地的自然水面，并應(yīng)用人工濕地中潛流濕地的設(shè)計(jì)原理和方法，對(duì)調(diào)蓄濕地的進(jìn)水和出水進(jìn)行規(guī)劃。② 對(duì)沒有坑塘洼地的農(nóng)田區(qū)域，根據(jù)式(1)估算調(diào)蓄濕地體積，并根據(jù)人工濕地中的潛流濕地進(jìn)行平面和形態(tài)設(shè)計(jì)，最后依據(jù)田塊具體條件對(duì)調(diào)蓄濕地進(jìn)出水進(jìn)行設(shè)計(jì)。③對(duì)于用地比較緊張，或者冬季溫度較低的北方地區(qū)，可采取挖深方式，形成地下儲(chǔ)水與地面養(yǎng)水的結(jié)合，使大部分水儲(chǔ)存在地表以下，不僅可以實(shí)現(xiàn)節(jié)水，還能減少對(duì)農(nóng)田的占用。

水循環(huán)調(diào)蓄濕地體積和循環(huán)水量的設(shè)計(jì)依據(jù)式(1)確定，其調(diào)蓄濕地形態(tài)則依據(jù)當(dāng)?shù)氐牡貏?shì)地形、土壤特性、田塊形狀及進(jìn)出水位置因地制宜地進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。例如，在毗鄰河流的農(nóng)田中，可借助臨河的自然坑塘，構(gòu)建水生植物和多級(jí)透水丁壩組合的長(zhǎng)條形凈污濕地[20-21]。在一些城市近郊的農(nóng)田區(qū)域，也可采用人工濕地進(jìn)行退水的水質(zhì)凈化和保持[22-24]。

2.3 調(diào)蓄濕地水質(zhì)凈化與保持

調(diào)蓄濕地收集的水體，除大氣降水外，灌溉后的農(nóng)田退水中含有大量未被農(nóng)作物吸收的氮磷營(yíng)養(yǎng)元素和除草劑、殺蟲劑等污染物，這些物質(zhì)在調(diào)蓄濕地中如果停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化和水質(zhì)惡化，從而使灌溉水循環(huán)系統(tǒng)遭受破壞。常用的調(diào)蓄濕地水質(zhì)凈化技術(shù)包括凈水基質(zhì)、高效微生物篩選與附著、水生植物選配、調(diào)蓄濕地三維水動(dòng)力微循環(huán)交換系統(tǒng)。

a.凈水基質(zhì)的選用。依據(jù)人工濕地中各種基質(zhì)材料的類型和特點(diǎn)進(jìn)行凈水基質(zhì)的選用，如在氮磷的去除方面，沸石對(duì)NH3-N的吸附能力較強(qiáng)，紅黏土、粉煤灰及活性炭對(duì)磷的吸附量較大，疏水性較高的有機(jī)磷農(nóng)藥容易被陶粒、礫石等基質(zhì)吸附去除[25]。生物炭與其他基質(zhì)，如礫石、混凝土塊等相比具有更強(qiáng)的污染物去除能力，Guo等[26]研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭后可以顯著提高化學(xué)需氧量和總氮的去除率。王沛芳等[21]在農(nóng)田面源凈污濕地中對(duì)幾種填料的滲濾壩開展了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)自主研發(fā)的生態(tài)砌塊對(duì)氨氮和磷的去除率分別可達(dá)71.36%和86.10%，優(yōu)于火山巖、石灰石和礫石。

d.調(diào)蓄濕地三維水動(dòng)力微循環(huán)交換系統(tǒng)。在調(diào)蓄濕地水體凈化關(guān)鍵技術(shù)中，除了基質(zhì)吸附、微生物降解和植物吸收去除，水池中上層水體和下層水體，中間區(qū)和四周區(qū)水體的全面交換凈化，也是影響整個(gè)水池水質(zhì)的重要因素。因此，借助風(fēng)光電一體化驅(qū)動(dòng)的微氣泡強(qiáng)化溶氧的微循環(huán)交換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水池容積水質(zhì)的凈化與保持，是近年來(lái)被廣泛關(guān)注的技術(shù)之一[34-35]。該系統(tǒng)可以在實(shí)現(xiàn)污染水體局部溶解氧強(qiáng)化提升的同時(shí)，改善水池不同深度和區(qū)域水體的水動(dòng)力條件，達(dá)到整個(gè)水池水質(zhì)的高效改善。另外，也有其他類型的技術(shù)應(yīng)用于水動(dòng)力微循環(huán)和水質(zhì)凈化的耦合，如課題組研發(fā)的水景觀浮島和浮床[36-38]，浮床植物可以吸收過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和農(nóng)藥等污染物，植物根系的微生物可對(duì)污染物進(jìn)行降解去除，同時(shí)通過(guò)太陽(yáng)能提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)調(diào)蓄濕地水體垂向交換， 從而達(dá)到整個(gè)水池水質(zhì)的保持和改善。

2.4 循環(huán)水配置系統(tǒng)

調(diào)蓄濕地一般位于農(nóng)田中地勢(shì)較低的區(qū)域，以利于通過(guò)自流進(jìn)行徑流水體的收集蓄納。因此，一般農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)需設(shè)計(jì)循環(huán)水配置系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要構(gòu)筑物包括調(diào)節(jié)池、進(jìn)水口、水泵、回灌渠道系統(tǒng)。其中調(diào)節(jié)池體積和水泵選擇均由設(shè)計(jì)的循環(huán)水流量估算和選取，回灌系統(tǒng)通常與現(xiàn)有灌溉渠道和排水溝道結(jié)合，或采用移動(dòng)式地龍將循環(huán)水輸送到渠首進(jìn)行利用。另外，對(duì)于地形有統(tǒng)一坡度的農(nóng)田區(qū)域，也可利用自然水頭將循環(huán)水配送給下級(jí)田塊進(jìn)行回用。

3 農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)例

上海市崇明區(qū)三星鎮(zhèn)玉海棠生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)，位于上海市崇明區(qū)的三星鎮(zhèn)，是一座以農(nóng)業(yè)為主，集農(nóng)田、果園、林地和湖塘養(yǎng)殖一體的生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)，示范區(qū)水稻田占地面積13 hm2。近年來(lái)，崇明島在國(guó)家長(zhǎng)三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下著力建設(shè)生態(tài)崇明島，但由于農(nóng)田退水的面源污染導(dǎo)致區(qū)域河流水質(zhì)劣Ⅴ類，損壞了生態(tài)系統(tǒng)健康。為此，該生態(tài)農(nóng)業(yè)園規(guī)劃建設(shè)的首要任務(wù)是節(jié)水減污和生態(tài)保護(hù)。具體措施包括節(jié)水減排、節(jié)肥減污和水循環(huán)利用。

水循環(huán)利用系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)需要根據(jù)崇明當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?、降水條件、土壤特性及水稻灌溉排水要求等計(jì)算水循環(huán)調(diào)蓄濕地的體積。設(shè)計(jì)概況如下：①確定調(diào)蓄濕地體積V。為充分考慮水資源和肥力的節(jié)約利用，調(diào)蓄濕地的設(shè)計(jì)原則是在非降雨期能最大限度地利用農(nóng)田排水進(jìn)行循環(huán)回灌，因此調(diào)蓄濕地體積按照全部承納農(nóng)田灌溉量進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)式(1)得到循環(huán)調(diào)蓄濕地體積為31 199.8 m3。其中，m取值根據(jù)上海市水稻的灌水率和灌溉定額泡田期定額1 200.0 m3/hm2，一般農(nóng)田灌溉時(shí)間為3 d，即t2=3 d；②濕地外排水量的設(shè)計(jì)。當(dāng)降雨強(qiáng)度p與降雨歷時(shí)t1及農(nóng)田面積S之積大于農(nóng)田作物需水量和調(diào)蓄濕地所承納的水量時(shí)，即開啟泵站將澇水外排，因此，Qout由降水量(上海市崇明區(qū)多年平均降水量約為1 049.3 mm)、作物需水量和調(diào)蓄濕地調(diào)節(jié)體積共同決定。③調(diào)蓄濕地形態(tài)設(shè)計(jì)。根據(jù)當(dāng)?shù)卦锌犹撩娣e，并考慮地形條件和土壤特性，取水深為3 m，計(jì)算調(diào)蓄濕地水面面積A為1.04 hm2。經(jīng)核算，上述水循環(huán)調(diào)蓄濕地水面面積占示范區(qū)農(nóng)田面積的8.0%，其比例略高于與國(guó)內(nèi)濕地面積比例值的范圍(5%～7%)，但略低于國(guó)外農(nóng)田緩沖帶的面積比例(10%～15%)。這與上海溫暖濕潤(rùn)的氣候特征及崇明島長(zhǎng)江三角洲的地理位置相適應(yīng)。該水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行至今，每年進(jìn)行水量循環(huán)使用3次，每次回用水量占總體積的20%～30%，共節(jié)約灌溉水量6 239.9～9 359.9 m3，有效節(jié)約了水資源并減輕了農(nóng)田面源對(duì)長(zhǎng)江口的水環(huán)境的富營(yíng)養(yǎng)化壓力。

4 結(jié) 語(yǔ)

農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)的實(shí)施可以有效促進(jìn)農(nóng)田水資源的節(jié)約，同時(shí)支撐農(nóng)田退水水肥近零排放與低碳發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。本文給出了水循環(huán)回用的濕地調(diào)蓄濕地體積估算方法及關(guān)鍵影響因素，闡釋了各主要因子的取值依據(jù)和優(yōu)化途徑；給出了農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)，并通過(guò)實(shí)例計(jì)算了上海崇明水稻田循環(huán)濕地的體積，為我國(guó)農(nóng)田灌排系統(tǒng)水資源高效節(jié)約和肥力綜合利用提供了新思路和新方法，為我國(guó)鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明發(fā)展戰(zhàn)略提供技術(shù)支持。