生态护岸对农田径流的综合截污效率研究

胡晓东，刘劲松，朱 敏，翁松干

(1. 江苏省水利科学研究院，南京 210017； 2.江苏省水利厅，南京 210029)

0 引 言

随着我国农业生产方式的转变，大量农药和化肥得到使用，在降雨过程中，土壤中的氮素和磷素等营养物质、农药以及其他污染物质，通过地表径流等形式流入水体，形成面源污染[1]。目前，针对地表径流污染的研究也非常多，从径流污染输出特征[2]，到径流污染的处理[3]，而通过生态护岸[4,5]对径流污染截留也是相关研究热点之一，该类成果主要集中在植物护坡对径流的阻留效果研究[6,7]和植物对污染物的净化效果研究[8,9]。

而且在净化效果研究中，研究结果也不尽一致，各种生态护坡对过流水中营养盐的截留效率，TN从20%～90%、TP从40%～90%均有[10-12]报道，且这些数据都是按溶解态的营养盐计算。然而径流中携带绝大部分污染物质的载体是泥沙[13,14]，携带大量营养盐的泥沙进入水体后将成为水体内在污染源。

本文选择常熟金泾塘地区的典型农用地作为试验区域，并针对径流污染输出特征指导护岸设计的研究不足，通过模拟降雨，研究试验区降雨径流中携污介质的携污比例，指导护岸设计，并通过实验研究了护岸对污染物的截留效率，计算护岸综合截污效率。

1 径流中泥沙和水携污能力研究

一般来说径流中污染物携带者主要包括水和泥沙，因此本研究在研究区域对径流中泥沙和水的携污能力进行了实验。

1.1 土壤溶出污染物含量

土壤溶出污染物含量指通过扰动，让土壤中可溶性污染物溶出到水体中的部分。利用棋盘式布点的方法取土壤样品10份，测定其TP、TN含量。

每个样品中称取100 g待检测土样，分别加入500 mL超纯水，用玻璃棒充分搅拌，最大释放土壤中的可溶性污染物，检测水中的TP、TN含量；计算土壤溶出磷和土壤溶出氮，见表1。

表1 土壤污染物及溶出污染物含量Tab.1 The concentration of Pollutant and dissolved pollutant in soil

从表1中数据不难看出，土壤中溶出的磷占土壤总磷含量的0.47%～0.63%，土壤中溶出的氮占土壤总氮含量的1.31%～1.80%，说明在自然扰动条件下，从土壤中溶出的污染物质较少，土壤中未溶出的污染物质占到98%以上。在农业面源径流形成后，径流中泥沙携带的污染物质量不容忽视，基于此，在生态护岸截污设计的过程中，考虑增加截雨沟沉沙对提高径流污染处理效率是有指导意义的。接下来将研究径流中泥沙和水携带污染物的比例。

1.2 泥沙和水的携污比研究

农业用地径流中携污介质主要是水和泥沙，因此本研究通过人工降雨来分析水和泥沙的携污能力。设置10、20、50 mm/h三种降雨强度，分别收集径流产生后5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min的水样，分析TP、TN和含沙量。

图1～图3分别表示径流中水所携带TP、TN和泥沙含量随时间变化过程。

图1 不同降雨强度下径流中TP浓度过程线Fig.1 Dynamic change of TP concentration in runoff with time

图2 不同降雨强度下径流中TN浓度过程线Fig.2 Dynamic change of TN concentration in runoff with time

图3 不同降雨强度下径流中含沙量Fig.3 Dynamic change of Sediment concentration in runoff with time

对照表1数据，实验区域土壤中溶解性污染物质占1%左右，所以，忽略径流中泥沙所携带的溶解性污染物，以简化本问题的研究，是合适的，因此径流中泥沙携污量与水体携污量的比例可按照下式来计算：

(1)

式中：V为径流中泥沙与水携带的污染物比例；S泥沙为径流泥沙含量，kg/m3，取值参考图4；C土为土壤中某种污染物质的含量，mg/kg，取值参考表1；C水为水中某种污染物质的含量，mg/L，取值参考图1和图2；计算结果如表2。

表2 各雨强条件下径流泥沙和水的携污比Tab.2 The ratio of pollutant carried by sediment and water in runoff

从表2中数据可以看出，在农用地降雨径流中，污染主要来自于泥沙中污染物质浓度。从本研究结果来看，污染物质TP在降雨过程中比较难溶出，3种设计雨强下径流中泥沙和水的携污比介于7.9∶1～10.8∶1；TN相对易于溶出，三种设计雨强下径流中泥沙和水的携污比介于2.4∶1～2.9∶1之间。另外从各设计雨强间的差别来看，小雨强条件下泥沙中污染物溶出比例小于大雨强的溶出比例，这可能由于小雨强对土壤的扰动相对较小引起的。

2 生态护岸设计及处理效率

2.1 生态护岸设计

生态护岸的形式多样[15],但其设计和应用主要考虑护岸稳定性、景观效果和污染吸附几个方面[16]，而在河道污染净化上，生态护岸无明显优势[17]，其在农村面源污染处理上应用较多，但主要以表面流为主，本文在护岸设计时，将潜流湿地的理念应用到护岸设计中，并考虑到径流中泥沙携污能力远大于水体的携污能力，增加截雨沟设计，使该护岸包括三部分：①截雨沟，截雨沟埋设进水管，以方便降雨径流进入砂石填料，同时截雨沟还具有一定的深度，使其兼顾沉砂截污的作用；②构建梯级跌水坎，并在内部设置三层填料，上层为1～2 mm的粗砂、中层为10～30 mm的砂石、底层为30～50 mm的碎石。连续设置的跌水坎具有一定的阻水作用，增大了降雨径流面源污染物在砂石填料中的水力停留时间(一般可增加1～5倍)，其次跌水坎坎槽具有一定的蓄水作用，能提供填料表面生长生物膜所需的水体环境，进一步增强砂石填料的去污效果；③坡面植被，可处理从截雨沟内溢流污水，根系生长后还可加强滤料截污效果。

结合金泾塘岸坡实际情况，设计如下新型生态护岸形式。

图4 潜流式梯级生态护岸示意图(单位：cm)Fig.4 The sketch of Multi-step Underflow Revetment

2.2 护岸对径流水中TP、TN及泥沙的去除率

试验持续9周，其中第五周停止试验，采用不同的水力负荷，进水TP、TN及泥沙含量控制在图1～图3中所示的TP、TN及泥沙含量范围内，具体进水参数如见表3。

表3 生态护岸进水参数Tab.3 The inflow parameters of ecological revetment

持续试验并对出水中的TP、TN进行检测，高低2种污染负荷条件下，梯级潜流式结构对TP、TN以及泥沙的逐日去除率统计见图5～图7。

图5 实验期TP逐日去除率Fig.5 The removal rate of TP

图6 实验期TN逐日去除率Fig.6 The removal rate of TN

图7 实验期泥沙含量去除率Fig.7 The removal rate of sediment

结果显示：① TP、TN的去除率分别介于5.2%～54.6%和4.5%～33.4%，存在较大波动，全试验周期内平均去除率分别为26.6%和17.8%。②高低2种水力负荷的TP、TN去污效果不同，低负荷条件下平均去除率分别为28.3%和18.9%；高负荷条件下平均去除率为24.9%和16.8%。③泥沙的去除率介于96.0～99.9%之间，高低水力负荷对泥沙的去除影响不大，实验过程的泥沙平均去除率为98.1%。

3 综合截污效率计算

生态护岸对降雨径流污染物质的截留从本护岸设计思路上来说主要包括截留携污泥沙和护岸对径流水中污染物质的处理两个方面，因此对于本次截污效率按式(2)计算。

(2)

式中：ms、mw分别表示泥沙携污量和水携污量；rs和rw分别表示泥沙去除率和水中污染物去除率。

根据表2中的数据，将径流中泥沙和水各自的携污量、图5～图7中各处理效率代入式(2)，其中所有数值按均值处理，得到如表4截污效率。

表4 各雨强下护岸综合截污效率 %

从表4中可以看出，本研究设计采用的生态护岸对TP和TN的综合截污效率分别在90%和77%左右，雨强对该护岸形式的综合截污效率影响并不明显。通过计算可以看出，护岸系统通过对泥沙的去除，截留的污染物占比较大，通过截留泥沙去除TP和TN分别达到87.1%～89.7%和74.5%～77.5%；而通过护岸去除水体中的TP、TN只占到总截污量的2.3%～3.0%和4.6%～5.2%。

4 结 语

(1)通过实验，确定了金泾塘地区农用地土壤中TP和TN在降雨扰动条件下的溶出量，约占土壤TP、TN的0.52%和1.56%。

(2)10、20和50 mm/h的降雨强度下，2h内径流中的泥沙和水所携带的TP、TN分别介于7.9∶1～10∶1和2.4∶1～2.9∶1；说明农用地径流产生的污染物主要由泥沙携带。

(3)根据径流泥沙和水携污比例，设计了一种利用截留泥沙和增加水流停留时间的梯级潜流式生态护岸，护岸结构对径流水体中的TP、TN和泥沙的去除率分别为26.6%、17.8%和98.1%。

(4)对不同降雨强度产生的径流污染，考虑护岸对泥沙携污量的截留效果和水体携污量的处理效率，本护岸对TP、TN的综合截污效率可达90%和70%以上。

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