昆山地区农业面源污染区域性“零排放”模式研究

虞英杰 张凌玲 何 岩

（昆山市水利局，江苏 苏州 215300）

昆山地处太湖流域，境内土地肥沃，气候温和，雨量充沛，河道纵横交错，湖荡众多。作为典型的苏南平原河网地区，昆山自古就蕴育了发达的农耕和渔业文化。其中，以锦溪大米为代表的生态农业和巴城阳澄湖大闸蟹为特色的水产养殖，已经成为昆山现代农业、养殖业的响亮名片。随着区域内工业废水和城镇生活污水得到有效控制，农业面源污染已经取代点源污染成为水环境污染的最重要来源。据研究显示，即使在点源污染被全面控制之后，江河、湖泊、海洋的水质达标率也仅为65%、42%和78%［1］。杨林章等对上海淀山湖、安徽巢湖、云南洱海等湖泊的调查表明，农业面源污染对水环境污染的贡献率已经全面超过点源污染，成为水环境污染控制的重要内容［2］。

1 昆山农业面源污染现状

昆山农业面源污染主要由水稻种植和水产养殖尾水造成，由于昆山市本地水资源充沛，水稻种植方式传统，灌排方式较为粗放，以及规模庞大的水产养殖业，造成农业及养殖尾水直接排入就近河湖的现象十分突出，不断透支区域水环境容量，对全市水环境质量造成了较大影响。根据2013年昆山市水功能区断面监测数据显示，全年监测未达标次数中，超标因子中氨氮的占比高达82%，特别是作为水稻主产区的昆南和水产养殖集中区的昆北，这一比例更是接近100%。考虑到全市污水管网在城区、镇区和乡村覆盖率已分别达96%、90%和100%（截至2013年底），截污措施已逐步完善，因此，基本可以推断超标的氨氮大部分来源于农业生产的复合肥使用和水产养殖的饲料投放。

2 应对措施及存在的问题

近年来，为控制全市农村面源污染，提高区域水环境质量，昆山市通过建设农村污水收集处理设施，推广使用商品有机肥和实行大宗农药补贴，有效减少了N、P 投放总量。通过利用稻田高效水肥、节水灌溉和减污技术，结合灌区更新改造、河湖生态修复工程以及人工湿地构建，系统地控制了农业面源污染扩散。2007-2013年期间，累计改造生态灌区275个，改造面积0.43万hm2，构建各类湿地50 余处，改造生态排水骨干河道31.3 km。累计节约灌溉用水4326.2万m3，减少氮肥使用量2669.2 t，并大幅削减了稻田排水及其氮磷输出量，其中，TN 和TP 输出量分别减少1472 t和420.8 t。

虽然通过现有的节水灌溉控污减排工程模式实现了对N、P 等污染物的削减，但经处理之后的尾水实际进入自然水体的污染物总量仍然较大。根据2011-2013年度昆山市水功能区监测年报数据显示，3年内氨氮的超标率分别为：55.3%、52.7%、44.1%，超标率虽有逐年降低趋势，但比例仍然较高。究其原因，一是现有的节水控污工程采取的都是单向处理模式，即：生态排水沟净化—人工湿地处理—生态河道排放，并未实现灌区内部的水循环处理，导致仍有大量污染物外排；二是区域内农业尾水污染物总量早已超出水环境承载力，虽实现了总量的削减，但仍然无法完全将其控制在区域水环境承载力范围内，因此，对整体的水环境质量的提升贡献有限。

3 水循环“零排放”模式探讨

昆山是太湖流域典型的低洼圩田平原，对圩区和灌区的划分十分清晰，灌排水利工程设施相对完备，为灌区的水循环生态处理提供了有利条件。针对全市圩内低田（半高田）封闭和圩外高田开放两种类型的灌区，笔者提出利用昆山发达的河湖水系以及数量众多的沟渠塘堰，构建两种生态处理水循环运转模式，通过灌溉站的水动力驱动，持续削减区域内农业和养殖业尾水中的N、P 等污染物，并将净化处理后的水作为灌溉用水和养殖补水，完成对水资源和营养物质的循环利用，为实现区域内污染物“零排放”提供可能。

3.1 圩内低田（半高田）封闭型灌区水循环模式构建

圩内低田（半高田）封闭型灌区地处低洼地带，为保障区域防洪排涝安全和正常农业耕作，全年排涝站的进水闸门和出水闸门基本处于关闭状态，为水循环创造了先天优势。通过构建“灌溉站—农田—田间排水沟—尾水小型湿地—圩内生态河道—灌溉站”的水循环系统（见图1），使灌溉用水通过农田作物吸收和田间排水沟自然吸收，再经尾水小型湿地二级净化，最后排入封闭圩区内的生态河道进行深度处理，而河道各处的灌溉站则利用净化后的尾水循环灌溉农田，从而实现水资源和营养物质的循环利用和污染物“零排放”。

“田间排水沟+尾水小型湿地+圩内生态河道”组成的净化系统具有节水、防污双重功能，对灌区水循环系统十分必要。系统通过构建三级净化，分层次消减以N、P 为代表的农田面源污染：第一级净化——田间排水沟的节水减污作用。由于渗漏与地表排出的水量减少，随水流出的污染物量减少，可削减N、P 约15%～25%。第二级净化——尾水湿地。通过水生动植物、微生物的转化和生物吸收等作用，可削减N、P 约40%～60%。第三级净化——圩内生态河道。也可将其视为另一种带状形式的湿地，可削减N、P 约15%～25%。通过以上三级净化处理，N、P 污染物总量可减少70%以上［3］。

3.2 圩外高田开放灌区水循环模式构建

圩外高田开放灌区由于地势较高，区域内防洪排涝压力较小，为保障水系畅通，排涝站的进水闸门和出水闸门一般保持开启状态，相比圩内封闭型灌区，开放型灌区构建水循环系统的难度较大。因此，笔者提出在排水支沟末端设置防污型溢流闸门，将尾水湿地出水引入灌区内改造后的沟渠塘堰，使其成为尾水湿地出水的“蓄水池”和“净化池”，替代完成封闭型灌区圩内生态河道的功能，以形成封闭水环境，从而构建“灌溉站—农田—生态排水沟—尾水湿地—沟塘湿地—灌溉站”的水循环处理模式，见图2。通过人工生态改造，使沟渠塘堰变为净化能力强、蓄水容量大的沟塘湿地，同时，利用灌区各个位置、不同方位的沟渠塘堰，可以搭配改造成多种形式、多样水生植物优势种的沟塘湿地，有条件的灌区还可把各个沟塘湿地疏通连接起来，形成生物丰富多样的区域性人工湿地，进一步增强蓄水调节和生态净化功能。

“田间排水沟+尾水小型湿地+沟塘湿地”组成的净化系统同样具有节水、防污双重功能，其通过构建三级净化，对N、P 污染物总量的削减效果明显。另外，在沟塘湿地构建时可以考虑结合当地水产养殖业，通过引入周围水产养殖尾水，丰富水体中营养物质种类，使水生动植物形成一个完整的食物链，也为农业尾水和养殖尾水治理创建一个完整的具有经济效益的循环系统。

图1 圩内低田（半高田）封闭灌区水循环模式

图2 圩外高田开放灌区水循环模式

3.3 灌溉站水动力循环

封闭灌区和开放灌区内的水循环驱动都依赖于灌溉站的动力输出，即利用水泵沿水流方向输出动力，形成水动力循环，持续对灌区内的污染物进行净化处理。针对灌溉期和非灌溉期，水循环方式分成两种。在农田灌水期间的路径为：灌溉站——农田——田间排水沟——尾水湿地——圩内生态河道（或沟塘湿地）——灌溉站；在非灌溉期间的路径为：灌溉站——尾水湿地——圩内生态河道（或沟塘湿地）——灌溉站。因此，要求灌溉站除了具有日常直接向农田灌水的功能外，还需具备向尾水湿地排水的能力，这也是保持整个系统持续运行、高效发挥生态净化功能的必备条件。

为了探究灌溉站输出动力、循环周期与净化效率的最适比，根据昆山市水利局联合河海大学在花桥天福灌区开展的《高效节水灌溉关键技术研究与应用示范》研究得知，农田排水在田间排水沟、尾水湿地和圩内生态河道的最适水力停留时间分别为田间施肥后的第4 d、第5 d 和第6 d，三者对TN 的降解率分别能够达到83.7%、77.2%、86.1%。因此可以推断，封闭型灌区内水循环周期大致在15 d左右，即在灌溉站输出动力时，保持尾水在15 d 内完成一个周期的运转，理论上能够发挥出整个生态系统的最高净化效率。另外，在开放型灌区内，因沟塘湿地存在构建形式和改造数量的差异，最佳水循环周期需根据实际情况具体分析。

4 组合模式各单元环节设计

4.1 田间排水沟

昆山地区一般为小型灌区，田间排水沟尺寸较小，宽度较窄，排涝降渍为其首要功能，因此，不宜人为种植各类植物，可在格宾网、三维植被网或蜂窝状水泥板基础上保持原生态面貌，有选择性地在沟中水体污染严重地段或沟渠系统末端摆放拦截箱，以加强沟渠系统去除污染物的功能［4］。在部分排水降渍要求较低的灌区，可适当考虑低密度栽种酸模、莎草等体积小、净水效率高、土保持能力强的植物。

4.2 尾水小型湿地

尾水小型湿地是指对围绕灌区四周的排水支沟进行适当拓宽和生态改造，使其成为具备抗污染冲击负荷的封闭式小型人工湿地。经改造后的尾水小型湿地作为承纳尾水的第一个蓄水池和净化池，是田间排水沟与生态河道或沟塘湿地之间的一个缓冲带，其既可以利用农田尾水在湿地中相对较长的水力停留时间，通过植物吸收和湿地内部微生物作用，消减农田面源污染，又能够在降雨时吸纳短时激增的农田面源径流，减轻下级净化系统的抗污染压力，提高系统整体运行的稳定性和可靠性。由于小型尾水湿地仍然要承担排涝降渍的功能，故在有限的空间中同样应布置体积小、密度适中、抗污能力强、耐受性高的水生植物。

4.3 圩内生态河道

具有减污功能的圩内生态河道主要包括生态护岸及护底工程，生态护岸、护底可采取网垫植被复合型、水生植物护岸等技术，护底可采用植物型防渗砌块等［5］。昆山的圩内生态河道总长约2800 km，普遍在河岸上栽种了香樟、柳树等，在常水位以上堤防上设置了草皮（高羊毛草或结缕草）覆盖，在河道中选择种植了芦苇、再力花、菖蒲等。需要注意的是，圩内生态河道首先应具备的功能是满足其水利工程属性，并满足排滞排涝及水流的不冲不淤要求［3］，在降雨时还应具有行洪的作用，因此，圩内生态河道的挺水植物种植面积要适中，以平衡生态需要和行洪要求。

4.4 沟塘人工湿地

沟塘湿地的功能是通过土壤吸附、植物吸收、生物降解等作用，降低进入地表水的氮磷化合物含量［6］。昆山地区沟渠塘堰众多，为构建沟塘湿地提供了天然资源。作为处理农田面源污染的主要工程单元，湿地的工艺设计对系统净化能力的发挥非常重要。根据研究显示，下行流湿地、推流床湿地、氧化塘和兼性塘等处理工艺以及其组合模式对N、P 去除效果显著，其中，下行流湿地+氧化塘工艺组合还具备较好的充氧效果［7］。因此，在沟渠塘堰较多的灌区可根据具体需要，科学设计多层次、多形式的组合工艺。而在沟渠塘堰较少、改造成本较大的灌区，可优先考虑氧化塘工艺。在水生植物的选择上，可搭配种植净化能力强和经济效益高的本地优势种。如：根据李蒙英等对昆山阳澄湖东湖沉水植物的调查，本地种中马来眼子菜、金鱼藻和黑藻有较强的水体净化能力，而茭白、菱角、藕、芡实等具有较高的经济价值，将其搭配种植可实现生态效益和经济效益双赢。

5 结语

针对圩内低田（半高田）封闭和圩外高田开放灌区的特征，构建了两种典型的水循环生态运行模式，通过对田间排水沟、圩内河道以及沟渠塘堰实施生态改造，加以灌溉站的水动力驱动循环，可持续性地消减农业面源污染，为实现区域“零排放”提供可能。圩内低田（半高田）封闭灌区在实现区域水动力循环和污染物“零排放”上条件更为优越，可行性更高；圩外高田开放灌区在沟渠塘堰较多的灌区同样具备实现区域内污染物“零排放”的可行性，针对部分条件受限灌区，可利用周围具备改造条件的灌区，在规划设计时统筹考虑。

灌区各级湿地的规划和布置还应充分考虑湿地面积与其所承受排水的农田面积比，其值太大则占用过多农田，太小则又对N、P 等污染物没有去除效果或去除效果不明显。特别是尾水小型湿地，在不具备拓宽改造条件时，应首先保证其作为生态型支沟的排涝降渍功能。

昆山境内沟渠塘堰星罗棋布，加上众多改造完成的景观湿地，如在生态灌区设计时，一并将其纳入生态水循环体系，不仅可节约土地占用面积，而且还能充分发挥现有景观湿地的生态功能。

［1］朱兆良，David，孙波.中国农业面源污染控制对策［M］.北京：中国环境科学出版社，2006.

［2］杨林章，施卫明，薛利红，等.农村面源污染治理的“4R”治理技术：总体思路与“4R”治理技术［J］.农业环境科学学报，2013.

［3］茆智.构建节水防污型生态灌区［J］.中国水利，2009，19（28）：1.

［4］杨林章，周小平，王建国，等.用于农田非点源污染控制的生态拦截型沟渠系统及其效果［J］.生态学杂志，2005，24（11）：1371-1374.

［5］顾斌杰.生态灌区构建原理及关键技术研究［D］.南京：河海大学，2006.

［6］刘恩玲，谢拾冰.人工湿地污水处理技术应用研究［J］.河北农业科学，2008.

［7］陈德强，吴振斌，成水平，等.人工湿地—氧化塘工艺组合对氮和磷去除效果研究［J］.四川环境，2004，23（6）：4-6.