用于水质保护的排水管理措施

［美国］J.S.斯特洛克 等

自殖民地时代以来，排水已成为北美发展的关键问题。排水对改善公共交通、降低公众健康风险、提高农作物产量等有重要意义。农业排水系统正逐渐成为污染物的输送管道，特别是营养物污染。尽管扩展排水系统对作物生产具有重要意义，但有些区域仍然存在阻力，在有些州至今仍超过50%的农田是人工排水。为实现农作物产量和水质保护双赢目标，排水管理应运而生。有效的排水管理战略必须对当今农业系统进行较全面的考虑。没有一项措施能够独自承担排水管理，同样也没有一种策略可以适合所有的系统。

在某种程度上，联合利用田间、边缘和外围管理，可以控制农业排水的出水量和地表水的相关污染物。所有措施的适应性和效果取决于执行地点的状况(包括地貌学、管理系统和关注的污染物)。以下是排水管理中有关水质保护的几个要素。

1 排水系统设计

当对旧排水系统进行升级改造或更替、新建排水系统时，改善排水管理的最佳时期是在设计阶段。影响排水设计的因素包括土壤排水特性(即动态饱和程度)、成本(安装、维护)、田间管理(例如耕作方式、作物品种、养分管理)、现有排水设施(管道类型、现有间距、深度和排水口的位置)和环境因素(如栖息地、流域主要环境问题)。与污染物排放有关联的最直接的两个设计变量是排放强度和排水口位置。

排水强度(深度和排水间距)决定了排水系统是否能够在排水管线之间降低水位，以在雨后的24～48 h 内达到最有利于作物生长发育的水位。典型的排水深度范围是0.6～1.5 m，而间距范围是10～100 m。排水强度对污染负荷起到决定性的作用，污染损失主要受排水量的影响。深度密集的设计比浅而稀疏的系统具有更大的输送潜能。

为了保护水质，排水系统应当有足够的排水能力，并且要避免过度排水。农田排水管理系统选址一般强调农业因素，而不考虑水质因素。然而，重要污染源地区水质保护管理，即在污染源产生和迁移转化沿程地区进行修复实践，为选址中考虑水质因素提供了很好的机遇。因为排水系统将景观中的污染源与接纳水体联系起来，在设计排水系统时，必须考虑避免污染源。例如，在土壤磷含量高的地区，溶解性磷吸附到排水中的潜能高，排水会成为重要的磷污染源输出途径。从水质考虑方面，应用简单的现场评估指标(磷指数、氮浸出指标)，能够有助于决定安装的人工排水设施是否会成为一重要的污染源。

2 控制排水

近年来，在国家和地区的倡导和推广(例如农田排水管理特别小组)下，控制排水得到广泛关注。控制排水设施既可以安装在地下排水管道，也可以安装在明渠，允许在地表和排水深度之间调整地下水位，防止过量排水(图1)。

图1 田间暗管控制排水系统中田间水位控制结构原理(也适用于明渠)

理论上，不需要排水时，控制排水可以提高土壤含水量。通过控制土壤剖面的水分，为作物提供更好的生长条件。但必须考虑水质权衡，因为控制排水通过排水增加地表径流，同时还存在氮元素留存的问题。控制排水系统中关于氮元素命运的几个假说已经得到证实，但相应的调查还不够充分，包括深层渗透及之后的反硝化作用、提高的作物利用效率。

大量研究阐述了控制排水在不同条件下的优势。北卡罗来纳州的重要研究表明，控制排水能够降低排水量和硝态氮损失量，与传统的非控制排水相比，硝态氮损失量降低了40%～50%，磷损失减少了25%～30%。这些研究成果也在其他地方得到了证实。

概括来讲，与非控制排水相比，适当的选址和管理，控制排水可使排水量和污染物负荷量大约降低30%。控制排水在作物产量方面的作用很大程度上依赖于管理和土壤条件，一些研究表明，控制排水系统下的作物产量比传统或非控制排水下高5%～10%。

虽然控制排水使用范围很广，但在美国的应用仍受到限制，主要原因在于投资回报率的不确定性、对作物成苗和生长的潜在负面影响以及系统维护。改进目前的排水网络以安装流量控制系统取决于现有设计，对暗管来讲，还包括使用时长和管道类型。

理论上，现有的排水系统都可以改造并装备控制结构，然而影响区将受当前设计和地形的限制。排水管理要求排水设计不仅要利用地形优势，还要考虑地形对控制排水影响景观的程度。一般来说，控制排水在平原地区具有最好的经济效益，简单的结构即能影响较大范围的区域。新技术的出现使必需通过地下排水的坡地采用控制排水成为可能。

3 排水渠道管理

排水明渠的特点各有不同，从而为保护水质提供了机遇。在某些情况下，支流经过渠道化、顺直化或者新建沟渠来促进田间排水。土壤渗透率低的地区，植被化明渠是典型的田间地下排水输送系统;在土壤渗透率和地下水位高的地区，通过明渠实现田间地下排水。在低流量条件下，从生物学和物理学考虑，沟渠类似一个线型的湿地，具有相对长的水力滞时;高流量条件下，沟渠类似流动的河流，但不同于河流系统，定期的沟渠维护破坏了自然河道演变和湿地结构。

大量的研究文献概述了排水渠道在田间污染物输出中所起的管道作用，并且能够影响沟渠的例行维护活动，例如清淤渠道以打破其自然缓冲能力。

然而，越来越多的研究表明，植被化明渠有潜力作为最好的管理措施来减轻潜在的农业污染。在对两条渠道进行对比的研究中，利用水位控制结构去限制水流以及改变明渠地下水位。增加沟渠里水的滞留时间将促进颗粒物的沉降，并且相对于一个非控制的沟渠会降低硝态氮和总磷的输出。在沟渠中使用水位控制结构要注意一个问题，即沟渠水位居高不下可能对田间排水系统的排水产生负面的影响。可以沿沟渠安装多个保持低水位的结构来补救。

在俄亥俄州，基本梯形排水渠道的设计被质疑，研究人员在排水渠道的设计中借鉴了天然排水体系的关键特征(图2)。两级沟渠包括低径流的渠道和洪泛平原地区，可提高河岸的稳定性、降低沟渠水流的侵蚀以及增加沉积物的存储能力。这种设计可降低维护成本(疏浚、稳定河岸)，并且可以减少下游泥沙量。最初，两级沟渠的开挖成本大于传统沟渠的成本，因为其宽度通常是3～6 m，这就会导致两级沟渠沿程每英里的土地损失达0.4～1.2 hm2。另外，两级沟渠由25% 的流量处理能力增加到100%，并且可能增加下游洪水发生的概率。

图2 传统的排水沟渠梯形设计和两级设计的剖面

3.1 湿地

对于人工排水系统，许多排水管理活动力求模拟或恢复一些湿地功能。沿渠建立湿地(袋状污水处理湿地，滞留地)是改善水质的有效措施。不管是地表水径流还是地下排水，一直以来利用天然、修复和人工的湿地处理农业排水。

在爱荷华州，一项创新示范项目(爱荷华州排水和湿地景观系统创建)，集成田间养分管理、排水系统设计及湿地战略定位，在减少非点源的面源污染的同时，还提高了农业盈利能力。通过该项目的技术集成，发现地面径流、地下径流污染共存，在参与运行管理的过程中，可以减少径流量、流速、洪峰流量，增加景观的湿地服务功能，甚至可以减少温室气体的排放。

湿地处理排水的效率取决于很多因素，包括气候、滞留时间和水力负荷，起作用的单元区域和排水特征，湿地生态群落。一般来说，减少污染物最佳条件是，在经过湿地时水力滞留时间长，并且水力负荷率低。在合适的条件下，湿地促进沉积、通过反硝化作用去除排水中的氮等方面是高效的。湿地可以去除排水中的溶解性磷。去除溶解性磷的能力也会随着时间的推移，特别是排水中磷负荷高的时候会逐渐降低。当湿地土壤对磷饱和时，它们可能会成为磷的污染源。

即使在排水系统中的湿地，例如，明渠中的湿地，在水质改善方面可以发挥重要作用，尽管常常不对，但被认为是排水系统能力下降的征兆。事实上，多数情况下过于强调疏浚渠道是不必要的，这样一来反而破坏了已重建的湿地和湿地功能，甚至水动力特征没被天然湿地群落影响时。然而，真正的障碍存在于将湿地与排水系统有机结合起来。例如，即便是最优的目标过程，建设湿地因占用土地会破坏耕作的连续性，也许利用湿地处理污水最大的障碍是恢复、建设的成本和土地损失。

3.2 植被缓冲过滤带

许多研究已经量化了植被缓冲带在减少径流和养分的能力。将缓冲过滤带结合到排水系统中，不仅要能达到改善水质的目的，而且还能够长期提高排水体系的效率。缓冲过滤带主要用来拦截坡面径流，在一些时候降低地下水位。其主要作用是通过缓冲带密集的多年生植物产生的阻力而减少流速。流速的减少可能会导致更多的水渗透和悬浮固体颗粒物的沉淀。后一过程不但能保护下游的水体，而且也能保持排水系统的完整性和其功能。除此之外，缓冲带还是营养物质同化和脱氮的作用区域。

植被缓冲带性能关系到几个因素，包括排水面积到缓冲区面积所占的比率、降水事件的特性(年代)、排水地区的状况、地表径流汇合的程度和物种组成。美国农业部自然资源保护局的保护实践标准对缓冲区的设计作了阐述，包括轮廓缓冲带、河岸草本带、河岸森林缓冲区、植草排水道以及植被障碍。而对传统而言，缓冲带宽度的需求可能会限制它的应用。大量证据表明，有着战略地位的缓冲带，即使再小也可以有效地提高水质。

3.3 侧进控制

无论是否有地表排水沟渠，侧进作为地表径流从农业用地进入排水沟渠是很普遍的。在农业人工排水景观中，这些侧入的泥沙和营养物质一起进入地表水。侧进控制如涵洞和地下埋管可以防止侵蚀，控制进入沟渠的流量，增加沉淀区域进而来改善水质。当前的设计未考虑水质的影响。现研究还处于起步阶段，并且需要在悬浮物和营养负荷上去量化这些研究的实践效益，进而开发设计指南以便侧进控制可以广泛实施。

3.4 反应墙

渗透性反应墙在地下水污染修复方面已经得到广泛应用，但在排水系统方面还处于初期探索阶段。主要理念是拦截排水时要利用去除化学污染物的材料。考虑排水系统中两种主要养分需进行处理，因而需要不同的材料和过程。建议减少幕墙及渗透材料，以降低进入沟渠的氮负荷。用这些方法，填满木屑或其他有机材料的沟槽，变成加强反硝化作用的生物反应器。如果合理位置拦截地下或地表水，幕墙和渗透材料中的反硝化作用可去除大量进入沟渠水中的硝酸盐。

两个不同的碳基础(木屑)生物反应器设计已经用于处理农业地下排水:田间排水和田边排水设计。木屑是细菌繁殖的碳源和基质，通过微生物介导的反硝化过程，这些细菌将水中的氮从硝酸盐形式转化为气态氮。

在爱荷华州，田间开挖的沟渠与地下排水系统的地下管道临近和平行，填充木屑并覆土以便耕种。当水经过生物反应器滤墙时，水中的硝酸盐在进入排水管道之前被去除。伊利诺斯州大学的研究人员已经研究出田边生物反应器的效能，并制定了设计规范。在这些生物反应系统中，木屑层一直延伸到地表。这些系统包括两个水位控制结构、一个导流结构和一个容量控制结构，导流结构控制在生物反应器中转移的水量，能量控制结构控制水在生物反应器中的停留时间。

在暗管排水区域，生物反应器是潜在的降低氮负荷的最佳管理措施，因为现有的地下排水系统很容易被改建成生物反应器，且占用较少耕地;通过设计可使排水系统效率、效益的减少降至最小，同时不需要太多维护管理。仍需要进一步研究生物反应器可能存在的负面影响，例如温室气体排放量和速率、甲基汞产生和释放。

虽然提出了大量过滤磷的方法，但很少得到试验验证。影响明渠处理结构、磷吸附材料最佳性能的因素和屏障建造方法一般有3 种:①土壤或应用材料的田间处理;②田边屏障;③渠道内(明渠或暗管)过滤器。

从一项关于磷反应墙的评估研究中可以看出，与传统安装工艺相比，在管道安装时回填熔渣混合物，可使磷流失减少2/3，熔渣使用寿命超过25 a。磷吸附材料的水力特征——水力滞时和成本是影响这些过滤器应用的主要障碍。

4 农业管理

从水质管理角度，排水系统的性能取决于通过排水阻止污染物转移的农业管理。农业管理中必须将排水管理作为考虑的重要部分。农业管理在大多数情况下影响养分、沉积物和排水系统中的其他污染物的传输扩散。养分管理、灌溉管理，作物耕作、轮作(例如多年生植物和覆盖作物)，害虫管理都起到一定作用。

改善水质最重要的第一步是帮助生产者理解农业活动和排水水质之间的联系。例如覆盖耕作或者对于生产者是不必要的、昂贵的措施，直到措施的采纳和水质之间的联系确定。另一方面，免耕对地表径流水质有明显的益处，但是对地下排水水质却有一定关系。一旦建立联系，需要持之以恒努力使农业污染物扩散转移量最小，但毫无疑问，与传统生产相比，生产者需要承受额外的成本。

5 结 语

2003 年，有学者提出精确保护的概念(也称为目标保护)，即在提高区域和景观保护效率时，要考虑空间和时间的变化。综上所述，确定了一些能够用于减少排水中污染物运输的方法措施(排水系统设计、控制排水、排水渠道管理、蓄水、植被缓冲过滤带、侧进控制、反应墙、和农业管理)。2008 年，有人指出，精确保护的概念可以策略性用于景观和周围区域的实践活动，以提高排水径流和营养负荷水文特征方面的管理效率。