多塘系统在巢湖山丘区面源污染控制中的应用

吴若静，谢三桃

（安徽省水利水电勘测设计院，安徽合肥230038）



多塘系统在巢湖山丘区面源污染控制中的应用

吴若静，谢三桃

（安徽省水利水电勘测设计院，安徽合肥230038）

摘要：农业面源是影响巢湖水质的主要因素之一。文章以巢湖流域汤河作为山丘区小流域典型，结合区域地形和水系特征，按照 因地制宜、就地消减、减少外排 的总体思路构建多塘系统。结果表明，系统对氮、磷有较好的截留效果，系统TN和TP平均去除率分别为57.3%和75.6%，出口TN和TP浓度分别为1.48mg/L和0.014mg/L，基本达到地表水Ⅳ类水水质标准，是一种效果稳定、简单经济、生态友好的面源污染控制系统。

关键词：巢湖流域；山丘区；面源污染；多塘系统

巢湖流域位于长江中下游左岸，安徽省中部，流域总面积13486km2，其中山丘区面积占71%，平垸圩区面积占23%，湖泊面积占6%。随着社会经济的发展，自上世纪80年代以来，巢湖水体开始呈现富营养化状态，90年代后，蓝藻滋生，富营养化加剧，并逐渐演变成为全国富营养化最为严重的淡水湖泊之一［1］。根据2013年巢湖湖区9个常规检测点监测数据，劣Ⅴ类3个，V类1个，Ⅳ类3个，Ⅲ类2个，主要超标因子为TN、TP 和COD。

研究表明，进入巢湖的TN和TP分别有69.54%和51.71%来源于地面径流、水土流失等面源污染［2］；而COD约有63.2%来源于工业废水和城镇生活污水等点源排放。随着流域点源污染逐步得到有效控制和管理，面源污染治理成为流域治污的关键。巢湖流域耕地面积约5016km2，其中山丘区耕地面积约2930km2，占总耕地面积的58.4%［3］，山丘区农业面源的氮、磷污染对巢湖总体污染负荷的贡献不可小觑。本文选择巢湖主要支流裕溪河的左岸二级支流汤河作为山丘区小流域典型区域，结合区域地形特征和自然水系分布，按照“因地制宜、就地消减、减少外排”的总体思路构建多塘系统，对农业面源污染进行有效控制，并为巢湖流域其他山丘区小流域面源污染控制提供参考。

1　区域概况

汤河位于巢湖流域东北部，是巢湖通江河道裕溪河的二级支流，流域面积63.8km2。流域北部为低山丘陵，南部为平垸圩区，地面高程6～404m，其中山丘区面积42.5km2，约占整个流域的67%。流域多年平均降雨量1058mm，降雨主要集中在6～8月，约占年降水量的65%。区域土壤以黄棕壤和水稻土为主，其中山岗地以黄棕壤为主，岗冲和下游圩区主要为水稻土。流域内水塘星罗棋布，上游山丘区水塘众多，共有大小水塘106口，多散落于山旁、田间和村庄附近，多数水塘有沟渠连接，但大多渠段由于疏于管理，淤积严重，杂草丛生。

根据污染源调查分析，汤河流域内面源污染主要来源于农田流失和农村生活。流域内现有耕地20498亩，农村人口18708人，其中山丘区耕地12508亩，相应人口7701人。初步估算，流域上游山丘区面源污染年入河量TN和TP分别为2.27t/a 和0.139t/a，其中农田流失产生的TN和TP分别为1.47t/a和0.083t/a，占面源污染的64.7%和59.7%，农业面源是上游地区主要污染源。根据2013年水质监测，汤河上游河道水质为Ⅴ～劣Ⅴ类，其中TN浓度为1.58～4.28mg/L，TP浓度为0.31～0.92 mg/L。

2　面源污染防治思路与策略

农业面源污染起因于土壤的扰动而引起农田中土粒、氮磷、农药及其他有机或无机污染物质，在降雨或灌溉过程中，伴随地表径流、农田排水和地下渗漏等进入水体［2］。鉴于农业面源污染产生和迁移特征，除了在源头控制减少产生和排放，做好流域水土保持减少流失等防治措施外［4-5］，对于既发的面源污染，可按照“因地制宜、就地削减、减少外排”的治理思路，根据区域地形地貌特征，水系分布情况，布置适宜的工程措施，拦截面源污染，就地削减、减少污染物的排放，改善河道水质。

针对区域地形特征和水系分布情况，工程措施拟利用区域现有沟渠塘坝，辅以生态化改造，构成多塘系统，分区削减，达到控制农业面源污染的目的。工程总体布置详见图1。

图1　工程总体布置示意图

多塘系统面源控制的核心是多级稳定塘，根据工程需要可按照不同水深构建好氧塘、兼性塘或厌氧塘，或辅以人工强化方式，如构建曝气塘等，并配置适当的水生动植物，达到净化水质的目的；系统另一组成要素是连通沟渠，暴雨径流或农田排水中的氮磷、颗粒物和农业等污染物经沟渠缓冲带初步截留、吸收后［6］，进入稳定塘，经稳定塘净化后，再由连通沟渠进入下级塘或河道内。

多塘系统对污染物的去除途径包括沉淀吸附、植物吸收和微生物降解等。暴雨径流和农田排水进入水塘后流速降低，颗粒态污染物质在重力作用下逐渐沉积，形成具有强吸附能力的塘底沉积物，同时系统内植物对氮、磷同化吸收，微生物通过合成、转化、分解等微生物过程，达到脱氮除磷、去除有机污染物的目的。系统通过资源循环利用，促进绿色植物生长，实现污染物的资源化和无害化［7-9］。

3　系统设计

为发挥多塘系统削减面源污染的功效，对现状水塘进行清淤，并对沟渠梳理、连通。经水系整理后的多塘系统，以主干河道为干，分为2支（1、2号系统），呈树状向上游伸展，基本覆盖上游区域，实现对上游地区农业面源污染就地削减，减少对下游河道的污染物输出。

3.1 连通沟渠

根据现场地形和水塘分布情况，疏浚现有沟渠，对未连通水塘进行沟通。沟渠断面以维持现状断面为主，沟渠岸坡构建植被缓冲带，以当地湿生物种芦苇、香蒲为主，实现径流拦截，对于局部较宽的沟渠，可在较高高程处种植千屈菜、再力花等观花植物。

对水面开阔、水流平缓的村庄沟渠段，以及水塘上游建设跌水堰坝，一方面可以保持一定水面和水深，提供生态和景观水面，另一方面水流经过跌水堰坝，形成曝气复氧，提高水体的溶解氧，加速沟渠和水塘的污染物降解。

3.2 多塘系统

结合地形地貌特征对汇水较集中的水塘进行清淤、改造；对面积较大，水深较深，岸坡较陡的水塘进行水下地形改造，要求常水位0.5m以下边坡不陡于1∶5，以为水生植物提供适宜的水深和生长繁殖条件。水生植物重点考虑植物去污、净化水质的能力，水深处种植芦苇、香蒲等高杆水生植物；浅水区种植慈姑、灯芯草等低杆水生植物；同时适当配置沉水植物，如竹叶眼子菜和菹草等，在吸收营养盐、净化水质同时，起到抑制了藻类生长的作用。

4　实施效果评价

汤河上游地区多塘系统及配套沟渠、水生植物配置工程于2013年11月开始施工，至2014年5月基本完工。为确定系统对面源污染的控制效果，自2014年7月～2014年12月对1号和2号系统TN和TP进行监测。监测成果详见表1和表2。

表1　多塘系统节点TN指标及去除率

表2　多塘系统节点TP指标及去除率

从表中可以看出，多塘系统对TN和TP有着显著的去除效果。TN经农田沟渠至系统入口浓度为1.87～5.14mg/L，平均浓度为3.77mg/L，至系统出口节点浓度为1.02～1.78mg/L，平均浓度为1.48mg/L，去除率为38.1%～67.5%，平均去除率为57.3%。TP经农田沟渠至系统入口浓度为0.24～1.24mg/L，平均浓度为0.65mg/L，至系统出口节点浓度为0.06～0.26mg/L，平均浓度为0.14mg/L，去除率为68.7%～82.3%，平均去除率为75.6%。经多塘系统净化处理后的出水TN和TP指标基本满足地表水Ⅳ类水质标准。

同时，从表中可以看出，系统对TN的净化能力受季节影响较为明显，在夏季平均去除率约为64.1%，在冬季仅有41.8%；而对TP的影响并不显著，在夏季和冬季平均去除能力分别为80.9% 和74.5%。分析认为，这主要与系统对氮磷的去除机理有关，系统对氮的去除主要靠微生物降解和植物吸收，而在冬季，挺水植物大部分死亡，仅有部分沉水植物继续发挥水质净化功效，同时低温致使微生物活性大大降低，系统净化效果明显下降；而系统对P的去除主要是沉积吸附，在底泥吸附未达到饱和的情况下，系统能持续表现出强大的吸附能力，这也说明，为保证多塘系统的净化能力，对水塘底泥清理并循环利用，是十分必要的。鉴于多塘系统的净化机制，系统受季节温度影响显著，可结合水质目标需求和工程实际情况，采取塘体表面保温覆盖、人工增氧、投加仿生水草、系统边界布置植被缓冲带等措施，提高冬季低温条件下系统的处理效果。

5　结论

多塘系统是一种简单经济、生态友好及管理便利的面源污染控制系统，能有效截留径流中的氮、磷污染物，减少对游水体的污染，而其自身截留的污染物，一方面通过对水塘底泥沉积物的定期清淤，作为肥料，返还于农业生产；另一方面通过对水生植物的定期收割，作为肥料、饲料、食材或是造纸原料等，循环利用，维持了多塘系统的稳定性。

为保障多塘系统的生态健康和长效运行，要求在维护管理过程中：定期对沟渠进行清淤疏导，清除淤泥中的营养物质，加快径流下泄；定期对水塘清淤还田，维持系统对污染物的可持续吸附容量；在秋冬季节对植物进行收割，防止植物死亡分解造成二次污染；加强民众维护管理意识，合理开发利用其灌溉、养殖等效益。

参考文献

［1］刘改妮，王鹏腾等.巢湖流域面源污染现状分析及对策［C］. 2014中国环境科学学会学术年会论文集，2014.8.

［2］佘红英，张翔等.川中丘陵地区农业生产与面源污染状况调查及特征分析——以李子口小流域为例［J］.农业环境与发展，2011（5）：27-32.

［3］王桂苓，马友华等.巢湖流域种植业面源污染现状与防治对策［J］.中国农学通报.2008（11）：242-245.

［4］刘雪，龚明波，朱昌雄.巢湖流域农业面源污染治理技术研究与应用示范［J］.中国科技成果，2014（09）：39-40.

［5］秦一博.大伙房水库小流域水土保持综合治理措施的探讨［J］.水利规划与设计，2015（03）：100-102.

［6］唐浩，熊丽君等.缓冲带截除农业面源污染的效果［J］.农业工程学报，2012，28（02）：186-190.

［7］涂安国，尹炜.多水塘系统调控农业非点源污染研究综述［J］.人民长江，2009，21（11）：71-73.

［8］徐红灯，席北斗，翟丽华.沟渠沉积物对农田排水中氨氮的截留效应研究［J］.农业环境科学学报，2007，26（05）：1924-1928.

［9］付凌，刘磊等.潜流人工湿地去污机理及影响因子研究进展［J］.中国水利，2014（17）：1-4.

作者简介：吴若静（1983年—），女，工程师。

收稿日期：2016-01-12

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.008

中图分类号：X37

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）03-0018-04