农业面源污染综合治理工程系统设计案例

李艳华，王彬郦，李 弘，韦玮琪，李亚光

(上海十方生态园林股份有限公司，上海 200233)

面源污染是指污染物从非特定地点，在降排水或融雪的冲刷作用下，无序不均地通过径流汇入受纳水体并引起有机污染、水体富营养化或产生毒害等其他形式的污染[1-3]。根据面源污染发生区域和过程的特点，一般将其分为城市和农业面源污染两大类[4]。农业面源污染主要来自水土流失、化肥、农药流失和渗漏、农村地表径流、畜禽养殖、水产养殖废水排放等各方面，在水体污染所占的比重不断上升[5-7]。其中，农村种植业生产中的营养流失，是导致过量养分排放到水体中，形成富营养化的最主要因素。农业面源污染不仅是农村地表水体污染的主要来源，也是我国“三河三湖”污染的主要污染源，严重威胁饮水安全[8]。近年来，我国学者和工程技术人员在农业面源污染治理方面进行了广泛的研究与探索，取得了不少突破性技术进展[9-11]。但综观相关文献和现有的工作，更多的只是注重污染治理的技术、管理技术层面，缺乏在工程应用上进行系统、全面的技术整合。本文以江苏省某镇农业面源污染治理工程设计为典型案例，介绍面源污染治理工程工艺和衔接配套的工程设计。

1 工程设计

1.1 工程概况

本项目位于江苏省某镇万顷良田(示范区)2号地块。为顺应社会经济发展，关注区域环境需求，提升现代农业品质，保护农业灌溉水体，推进面源污染综合治理工程，相关部门拟对区域范围内的面源污染进行控制和管理，项目区总面积约为487 357.7 m2。

1.2 现状剖析

1.2.1 用地结构分析

区域土地利用结构包括5种类型，分别为农田、灌排沟渠、塘浜、田埂道路、晒场和泵房。区域总面积约为487 357.7 m2，其中，田块面积约为390 019.5 m2，占比约为79.9%，占比最高；沟渠总规模约为8 180 m、13 000.6 m2，占比为2.7%，浜塘总规模约为12 867.3 m2，占比约为2.6%。面源污染治理可实施区域主要在沟渠和浜塘内。从面源污染治理工程可利用空间来看，工程可实施区域占比约为5.3%。另外，田埂(含机耕路)面积约为9 667.1 m2，占比约为2.0%；其余为晒场用地、泵房用地等其他用地，占比约为12.8%，项目区用地分析如图1所示。

图1 项目区用地分析Fig.1 Land-Use Analysis in Project Area

1.2.2 农业种植模式

项目区稻田主要种植方式是稻-麦轮作，水稻季氮肥用量为纯氮 27.4 kg/亩(1亩=0.667×10-3km2)，磷肥为P2O59.0 kg/亩，钾肥为K2O 9.0 kg/亩。种植期间共施肥4次，基肥：复合肥为30 kg/亩(折合纯氮 4.5 kg/亩、P2O54.5 kg/亩、K2O 4.5 kg/亩)；分蘖肥：尿素为25 kg/亩(折合纯氮 11.5 kg/亩)；促花肥：尿素为15 kg/亩(折合纯氮 6.9 kg/亩)；保花肥：复合肥为30 kg/亩(折合纯氮 4.5 kg/亩、P2O54.5 kg/亩、K2O 4.5 kg/亩)。小麦季氮肥用量为纯氮 19.85～20.60 kg/亩，磷肥为P2O53.75～4.50 kg/亩，钾肥为K2O 3.75～4.50 kg/亩。种植期间共施肥3次，基肥：复合肥为25～30 kg/亩(折合纯氮 3.75～4.50 kg/亩、P2O53.75～4.50 kg/亩、K2O 3.75～4.50 kg/亩)；返青肥：尿素为17.5 kg/亩(折合纯氮 8.05 kg/亩)；穗肥：尿素为17.5 kg/亩(折合纯氮 8.05 kg/亩)。整体来看，氮肥和磷肥用量均有所偏高，多施的氮肥和磷肥随径流、淋洗等流失到周边水体中，造成周边河道污染。

1.2.3 排灌水系分布

项目区田块之间高低不平，地形地势呈现南高北低、西高东低；田块之间高差最大可达6 m。田块西侧建有泵站，负责整个田块的灌溉。其中，北侧田块(神台北侧)一次提升后直接灌溉；南侧田块需二次提升后泵入灌渠，再进行田块灌溉。依据地势条件，项目区排水为自西向东、从南向北，且可大体分为南北2个小排水区，即排水主要水流路径有2种方式：北侧区域为沟渠-水塘-沟渠-支浜，南侧区域为沟渠-支浜。区域灌排水系情况如图2所示。

图2 当地灌排水系分析Fig.2 Analysis of Local Irrigation and Drainage System

1.2.4 降雨量、径流量分析

结合项目区降雨量，即《江苏省统计年鉴(2016)》及镇江气象局公开资料，2015年总降雨量为1 579 mm，月份降雨量最大出现在6月，为217 mm，2016年1月—10月降雨量为1 818 mm，最大降雨量出现在7月和10月，分别为380、397 mm。按照相关工程经验，自然土壤的径流系数一般为5%～18%，结合项目土地利用类型，工程设计综合径流系数取0.18，去除较小降雨事件(不形成径流)，降雨径流量：2015年为8.80万m3，2016年为10.2万m3。区域降雨量分析如图3所示。

图3 降雨量分析Fig.3 Analysis of Rainfall

1.2.5 水体水质现状分析

项目区包含各类型沟渠、水塘及河道，结合排水路径，对6个位置的水体进行取样监测，区域整体水质长期处于V类(GB 3838—2002)，监测点位分布如图2所示，水质具体情况如表1所示。其中，CODMn浓度在8.94～14.91 mg/L，TN浓度在1.78～3.84 mg/L，TP浓度在0.16～0.31 mg/L，TN平均值为2.46 mg/L，属于劣V类水体。

表1 项目区实施前水质概况Tab.1 Water Quality before Project Implementation

2 工艺设计

通过对项目区土地利用现状、沟塘浜水系连通、地形地势等条件的调查分析，充分结合区域降雨及农业生产排水情况，工艺设计从水量蓄滞、污染物拦截两个角度出发，利用项目区现有沟渠、水塘、支浜及低洼地，实现径流拦截、蓄滞、净化污染物的设计目标。工程设计总平面布置如图4所示。

图4 工程设计总平面布置Fig.4 General Layout of Engineering Design

面源污染治理工艺设计充分考虑各技术的衔接及工程内容的空间关联，通过近源拦截装置建设、生态拦截/稳定沟渠改建、生态拦截净化塘改造、生态支浜生态化处理等工艺衔接与配合，在时间延续和空间控制上实现联动，控制拦截水量约排水量的85%，项目区最终排水TN大部分时间低于2.0 mg/L；最终实现地块农业面源污染物少排、微排的最终目标。

3 工艺计算

3.1 区域水容量估算

项目区主要沟渠长度为8 180 m，均为土质，沟渠有效蓄水(有效容积)约为4 907.9 m3；根据沟渠分布和断面分布，测算南侧沟渠有效容积为3 355.5 m3，北侧沟渠有效容积为1 552.4 m3，另外北侧田块间存在1处水塘，总面积约为1 636.5 m2，有效容积约为1 636.5 m3；项目区东侧为断头浜，总面积为7 119.6 m2，总容积为10 679.4 m3，该支浜与北侧国道下沟渠相通，最终由该沟渠经涵洞外排。

综上分析，项目区排水总蓄水容量约为17 223.8 m3，其中，沟渠容量为4 907.9 m3，浜塘容量为12 315.9 m3。

3.2 区域总水量估算

区域排水主要为农田退水和降雨径流，通过农田、田埂汇入沟渠或水塘，最终通过支浜排出；汇水面积按照项目区面积487 357.7 m2计算，汇水区主要为农田，设计结合相关规范和经验，综合径流系数取值为0.18。其中，设计主要考虑短期暴雨径流的冲刷，结合镇江暴雨径流公式[式(1)]计算。

(1)

其中：q——设计暴雨强度，L/(s·hm2)，1 hm2=104m2；

P——设计重现期，a，设计取1 a；

t——降雨历时，min，设计取15 min。

计算得项目区短期暴雨径流量为9.4 m3/s。

由前述分析可知，项目区总蓄水容量约为1.72万m3，平均核算最大可蓄滞61 d，可满足拦截85%降雨径流量的设计目标。

3.3 排放污染负荷估算

农田径流污染排放污染负荷采用标准农田源强系数修正法来计算[12-13]。标准农田指的是平原、种植作物为小麦、土壤类型为壤土、化肥施用量为25～35 kg/(亩·a)、降水量在400～800 mm的农田；标准农田源强系数：氨氮为2.0 kg/(亩·a)，TN为3.0 kg/(亩·a)。结合项目区稻-麦轮作种植方式以及当地施肥习惯，对各影响因素源强系数进行修正。其中，坡度修正系数取1.2，农作物类型修正系数取1.1，土壤类型修正系数取1.0，化肥施用量修正系数取1.2，降雨量修正系数取1.2，综合修正系数为1.12。

项目区北部、南部农田面积分别为211.15亩和373.25亩。通过估算，项目区TN排放量约为1 963.6 kg/a，其中，北区TN排放入河量约为709.5 kg/a，南区TN排放入河量约为1 254.1 kg/a；结合上述区域水容量计算，项目北侧区域沟渠TN负荷为0.46 kg/(m3·a)，南侧区域沟渠TN容积负荷为0.3 kg/(m3·a)，东侧支浜承接北侧区域来水和南侧约20%的来水，测算东侧支浜的TN容积负荷为0.09 kg/(m3·a)，北侧区域污染相对较高，工程的设计和布置以北侧为主，污染物容积负荷分析如图5所示。

图5 污染容积负荷分析Fig.5 Analysis of Pollution Volumetric Loadings

4 主要工程构筑物

4.1 生态沟渠

生态沟渠是农业面源污染治理应用最为广泛的工程措施[14]，由沟渠、基质和植物组成，具有生态性和生物性的特殊优点，并可根据地形特征来构

建[15]。作用原理有两个方面：一是通过沟渠底部及渠壁植物的配置，利用植物的生物过程，实现对污染物的净化；二是通过阶段式基质的铺装，实现沟渠断面重塑，渠壁多孔材质设计，实现农田尾水在输移过程中与土壤生态环境的有效连通，对排水污染物进行进一步净化、利用，同时不影响正常排水要求。生态沟实景及断面设计如图6所示，工程设计总长度为2 530 m。

图6 生态沟实景及断面设计图Fig.6 Real Scene and Cross-Section View of Ecological Ditch

与传统的水泥硬质沟渠和自然土渠相比，生态沟渠体及基质和植物的组成，能够减缓流速，促进颗粒物沉淀，有利于污染物的吸收和拦截。据相关文献[16-17]的研究表明，该类型生态沟渠在进水TN浓度为0.86～6.13 mg/L时，对TN的去除效率可达30.2%以上，在不同的排水质量浓度下，去除率具有一定的波动性。

4.2 生态塘

王晓玲等[18]研究表明，生态塘对稻田降雨径流中TN的平均去除率为34.7%，且生态塘本身具有较强的抗冲击自修复性。因此，项目区就地利用坑塘进行生态建设，不仅能削减污染物负荷，还能促进区域生态功能的发挥。

生态净化塘建设以营造良好的生境为目的，通过植物-微生物-水生动物可以保护和创造良好的微型生态链，且其中的微生物群落能不断再生，增强了砾石基质和植物根系的过滤和净化作用，稳定并净化了汇集的来水。另外，生态塘的建设能沉降大部分悬浮物，有效减少了水体中的颗粒物，降低了湿地堵塞。生态塘平面及断面设计如图7所示，工程总面积约为2 100 m2。

图7 生态塘平面及断面设计图Fig.7 Plan and Section Design of Ecological Pond

4.3 生态稳定净化渠

生态支浜建设工程是对原有河道生态的改造和建设，目的是拦截、蓄滞、净化与稳定项目区农田排水及其他地表径流，同时，对区域水域生态进行修复，防止水土流失，改善农业生态系统的健康与稳定性。生态稳定净化渠现状及断面设计如图8所示，工程总长度为620 m。其中，土壤微生物群落多样性差异对农业面源污染物的去除效果有一定的影响[19]。生态稳定净化渠的建设是对支浜水陆交错带进行生态恢复，改善敏感区土壤结构和生境条件。相关研究[20]表明，该类型生态修复技术对TN的平均去除率达到了45.42%，进出水TN平均浓度由5.13 mg/L降低至2.8 mg/L。吴义峰等[21]研究表明，支浜坡岸特定生态系统能强化河渠中氮类污染物的去除效果，停留时间为7 d 时，TN去除率达到85%～90%，其去除效果受季节影响较大。

图8 生态稳定净化渠现状及断面设计Fig.8 Existing Situation and Cross-Section Design of Ecological Ditch

4.4 促沉净化池

促沉净化池主要是拦截水体中的颗粒态污染物，作为面源污染治理的预处理和拦截装置，主要布置在靠近污染物产生的区域。装置的实际运行效果表明[22]，面源污染来水中溶解性固体(TDS)的去除率达到70%～80%，TN的平均去除率达到25%～63.4%。

针对农田型面源污染治理时，工程实施可结合污染物的排水走向、迁移路径，在农田排水口或沟渠与河道、水塘衔接处进行布置，项目区范围内共布置3套。主要作用体现在3个方面：(1)促沉净化池内部的空间结构设计，在结合现场布置时，可改变农田排水水流路径，装置内的集水管集水与布水管二次布水的方式能够使水流在下行-上行-下行中流动，从而增加污水在排放过程中的水力停留时间，促进颗粒态污染物的沉降；(2)装置内铺设不同规格的填料，在水体流动过程中，进一步实现对污染物的拦截、过滤和沉淀；(3)装置内填料表面和内部易形成微生物群落，有利于部分污染物的降解，同时，不同规格的填料搭配能够延长填料的使用寿命和作用时间。因此，促沉净化池是通过内部集水管串联外围过滤带和内部促沉净化系统，使污水经过外、内2次拦截、过滤和沉淀，最终实现污染物的部分去除。

5 面源污染治理效果

表2列出了工程实施后的水质数据，即取样点6位置处的水质情况，反映区域沟渠-生态塘-稳定渠工程的处理效果。其中，TN的去除率为43.4%，CODMn的去除效率为38.7%，水质改善效果较好，TP的去除效率为24.4%，浓度略有下降，区域内的水质有较大的改善。

表2 工程实施后出水口水质状况及去除率Tab.2 Effluent Water Quality and Removal Rate of Outflow after Project Implementation

6 结论与讨论

(1)农业面源污染因其排放路径的不确定性、排放区域的广泛性、控制难度较高等特点，一方面，增加了工程设计中工程规模与工艺计算嵌合的难度；另一方面，使农业面源的治理区别于点源污染治理，要求其综合治理更加系统和全面。因此，源头的拦截、污染物传输过程中的控制以及末端的治理是农业面源污染治理中都需要考虑的内容。

(2)农业面源治理工程开展时需结合现场实际情况，梳理、筛选工程可操作空间，对区域面源污染敏感区和重点区的识别还需更多的数据分析支持，从而针对性地布置工程，降低投资，发挥生态效益。

(3)现有的生态沟渠拦截技术、生态河道生态修复技术已经比较成熟，但在工程应用中如何实现不同技术组合运用、各工艺技术、工程构筑物相互协同配合，实现最佳、最经济的污染物消纳和外排削减，尚需更多的工程研究。