基于河套灌区农业面源污染减控的生态排水沟构建技术研究

徐红梅 霍轶珍 曾祥 胡振 李生勇 郭富强

摘 要：针对现阶段河套灌区农业面源污染日趋严重、乌梁素海富营养化加剧和水生态环境变差的现状，提出充分利用河套灌区现有的灌溉排水工程条件，在传统土质排水沟基础上构建生态排水沟，并通过现场试验，开展生态排水沟断面结构型式、断面结构设计参数、边坡构筑材料、生态沟内种植植物及生态排水沟净化农田排水的环境效应研究，提升河套灌区排水沟净化拦截污染物的能力，最大程度削减农田排水排入乌梁素海的污染物总量，减轻乌梁素海富营养化程度，为河套灌区农业面源污染的治理提供参考依据。

关键词：河套灌区；乌梁素海；农田排水；排水沟

中图分类号：S276.7                                            文献标志码：A

1 河套灌区农业面源污染日趋严重

内蒙古河套灌区是我国最大的一首制自流灌区，也是我国重要的商品粮基地[1]。随着灌区农业的快速发展，农业面源污染成为当地水环境恶化的主要原因。究其原因是农民为追求粮食高产、稳产而过量施用化肥农药，造成大量污染物、营养盐经农田径流进入农田排水沟，而各级排水沟的农田排水基本没有经过净化处理就排入乌梁素海。

乌梁素海是内蒙古境内的大型草原型浅水湖泊，具有蓄滞洪水、控制污染、改善环境、保护物种基因多样性等功能。同时，乌梁素海也是河套灌区灌排系统的重要组成部分，是河套农业灌区灌溉退水的唯一受纳水体和排水通道，它接纳了河套灌区90%以上的排水，然后经过湖泊的生物生化作用后排入黄河，客观上起到了调控黄河水质、水量的作用[1]。

由于河套灌区的农田排水基本没有经过净化就通过各级排水沟排入乌梁素海，造成乌梁素海水体富营养化和沼泽化不断加剧，不仅影响乌梁素海湖泊湿地整体功能发挥，还直接威胁到河套灌区粮食安全和黄河中下游的供水安全，因此，农业面源污染治理成为河套灌区需要重点解决的问题。

2 河套灌区传统排水沟道存在的问题

河套灌区排水系统分为总干沟、干沟、分干沟、支沟、斗、农、毛沟共七级沟道，具有面广量大、逐级排水的特点。现有农田排水沟主要以传统土质沟为主，工程耐久性和边坡稳定性都较差，而且田间排水毛沟大部分已被损毁变为耕地，失去排水功能；斗农级沟道塌坡、淤积严重，排水、排盐作用也在逐渐减弱。分干沟、干沟、总干沟等输水沟道则缺少控制性建筑物和生态化设计；排水沟内植物缺少筛选和种植管理，物种单一，过度生长的芦苇腐败分解后落到沟底对水造成二次污染，因此，河套灌区现有排水系统截留、净化农业面源污染物功能的局限性很大。

改善乌梁素海水环境，保障黄河中下游的供水安全，就必须利用拦截、阻断和降解技术，在各级排水沟中对农田退水中的氮、磷等污染物进行深度处理与净化，其中最有效的措施就是对传统土质排水沟道进行工程改造，构建生态排水沟，在农田排水排入乌梁素海之前，通过各级生态排水沟有效降低水中污染物浓度。

3 生态排水沟渠对氮、磷等污染物的截留和去除效果明显

生态排水沟是在传统的土质排水沟上通过加设生态护坡和沟道控制性建筑物建造而成，是以排水为主要目的，兼具对农田排水中的污染物进行拦截、净化的线性人工湿地系统。大量研究表明，生态排水沟在“拦截”和“修复”污染物的过程中发挥着重要作用。生态排水沟渠内水草、底泥对氮有非常强的吸附作用，营养物质在排水沟的流动过程中可以通过底泥吸附、植物吸收和微生物降解等多种机制被吸收、固定或脱离排水沟[2]。徐红灯等[3]选取长350 m的农田排水沟渠，研究了自然暴雨条件下沟渠对农田排水总氮、总磷的去除效果，得出沟渠对总氮的去除率为40%～70%，对总磷的去除率为20%～80%；杨林章等[4]针对太湖流域面源污染现状提出一种由工程部分和植物系统组成的生态拦截型沟渠系统，该系统对农田径流中总氮、总磷的去除效果分别达48.4％、40.5％。生态排水沟不仅能起到沟道应有的排水排盐功能，还具备减少农田氮磷等养分的流失、景观效果良好、为生物提供适宜的生存空间、净化水质等功能。

河套灌区土质排水沟面广量大，在土质排水沟基础上构建的生态排水沟是由植物、土壤、微生物所组成半自然生态系统，可以将流经沟道的农业面源污染物溶解或吸附在土壤颗粒表面，随沟道坡面漫流迁移，通过基质吸附、植物吸收、生物吸收和降解等一系列作用[2]，将排水沟生态系统的功能最大限度地发挥出来，使沟道得以具备良好的自我净化功能与自我调控能力[5]。

目前，河套灌区鲜少对生态排水沟构建技术开展研究。因此，本文针对河套灌区特有的气候、水文、地质及灌溉排水工程条件，对生态排水沟构建的关键技术开展研究，统筹安排各级农田排水沟道的水利服务功能和生态服务功能，以实现最佳的经济效益和生态环境效益[6]。

4 河套灌区生态排水沟构建关键技术研究

生态排水沟是在河套灌区传统的土质排水沟基础上通过加设生态护坡、增设控制性建筑物等措施改建而成的，由工程部分和植物部分組成。生态排水沟断面结构尺寸要满足排水排盐功能，边坡构筑材料和沟中种植植物要具备对农田排水中携带颗粒物质的沉淀、拦截和吸收功能，这就需要对生态排水沟断面结构设计、边坡构筑材料、沟内种植植物、排水沟上控制性建筑物等内容开展选择研究。

4.1 生态排水沟断面结构设计

根据各级沟道设计排水流量和控制地下水位要求确定生态排水沟断面结构型式选择和设计参数。我国常见的排水沟道断面结构型式有梯形和复式断面，河套灌区生态排水沟以原有土质排水沟的断面结构型式为基础，可以采用梯形断面结构或梯形复式断面。

生态排水沟纵向比降主要取决于沟道级别、沿线地质条件、地形条件、土壤条件以及上下级沟道及容泄区水位衔接条件，需满足沟道运行中断面结构稳定及工程量较小等原则。

生态排水沟边坡系数需满足保持边坡稳定与排水通畅的要求。由于排水沟中土壤水、地下水汇入时有一定的渗透压力，坡面径流冲刷和沟内水流动时有冲蚀作用，沟坡容易坍塌淤积，所以排水沟边坡通常较灌溉渠道边坡为缓。土质排水沟边坡系数主要与排水沟土质、沟深及地下水位有关，设计时可参考《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288—2018）选用。另外，还需要结合边坡构筑材料的力学特性、排水沟道规模通过边坡稳定分析来确定。

4.2 生态排水沟边坡构筑材料选择

河套灌区地处季节性冻土地区，灌区特有的秋浇灌溉制度造成冰冻期地下水位较高，渠、沟等水工建筑物冬季冻胀破坏严重，因此，在河套灌区构建生态排水沟首先需要保持断面结构稳定、工程耐久性良好。另外，生态排水沟中还要有良好的植被条件才能吸收、降解农田排水中的氮磷等污染物。这就需要在原有的土质排水沟沟道边坡两侧铺设可透水且具有一定力学强度、抗冻性良好的边坡防护材料。边坡防护构造要同时满足结构稳定性、工程耐久性，农田排水畅通性并能够为植物、微生物提供适合的生长环境。

生态排水沟是在原有土质排水沟基础上加设生态护坡建成的，现阶段国内外的生态护坡常分为单纯植物护坡和植物工程复合护坡两大类。单纯植物护坡技術在河套灌区生态排水沟特殊的工作条件下难以保证其稳定性和耐久性，植物工程复合技术的核心是通过人造土工材料构造植被生长所需环境并与成型的植被结合，形成具有抗破坏能力强并且适合植被生长的坡面，在不影响排水沟排水排盐功能条件下通过工程技术保证沟道的稳定性[7]。

在内蒙古临河黄河湿地公园多蓝湖西侧现场开展生态排水沟构建关键技术及净化农田排水试验研究。采用多孔生态混凝土、石膏基质固化土、蜂巢格室系统三种边坡构筑材料分别修建50 m生态排水沟，与传统的土质排水沟开展对照实验，筛选出一种适合在河套灌区生态排水沟应用的新型植物工程复合技术。

多孔生态混凝土作为护坡材料，继承了传统刚性防护材料的优点，施工技术成熟。石膏基质固化土是将适量的石膏基质固化剂按比例掺入土中，经搅拌、压实、形成水稳性好、密实泥化的固化土层，采用人工打孔保证排水的畅通性。蜂巢格室边坡防护系统则由固土种植基与蜂巢格室两部分组成。考虑到排水沟要接纳由边坡土壤入渗的农田排水，为避免土壤水携带泥沙进入排水沟，造成沟道坍塌、淤积，试验段采用聚丙烯长丝无纺土工布做为新型固土种植基材料，在排水沟坡面和沟底铺设聚丙烯长丝土工布作为反滤层，聚丙烯长丝土工布强度高，伸长率大，顶破、撕破强度高，具有天然的化学稳定性和良好的物理机械性能，使其在工程工艺上有着排水、隔离、加筋、防护、过滤、排水、缓冲、养护等功能，能够在河套灌区农田排水高盐碱、高矿化度、冬季沟体土壤冻胀破坏严重的条件下持续工作，满足工程耐久性要求。另外，这种材料具有特殊的多孔结构兼具透水、透气性能，可生长植物又可作为微生物载体。高分子蜂巢格室作为主体结构固定于固土种植基上，具备普通土工格室特点的同时又进行了新的优化，其内部构成稳定的导流空腔结构，可以实现排水和种植植物的功能，同时又具有良好的固土、抗冲蚀特性[8]。

两年的观测和对比研究发现，多孔生态混凝土、石膏基质固化土两种材料构筑的试验段均破坏严重，沟道边坡开裂、坍塌、滑坡现象均有发生，难以满足稳定性和耐久性要求。主要原因是为满足排水和种植植物要求，对材料的孔隙率要求比较高，导致材料达不到河套灌区水工建筑物材料要求的力学指标和抗冻标号，排水沟边坡土壤在冬季含水率较高，材料在低温下结冰体积膨胀，当这种作用引起的应力超过材料强度时就会使坡表面产生一定数量的小裂缝，再经过数次的周期性冻融循环，裂缝不断扩展，最终导致边坡表面产生隆起开裂、剥蚀、坍塌。而采用固土种植基与蜂巢格室组合系统构筑的生态排水边坡防护系统效果良好，实验中在蜂巢格室内添加了种植土，并种植了适应河套灌区气候条件、水质条件且氮、磷吸附作用较强的植物。结果表明，植物浅根在蜂巢格室表层土体内纵横交错，起到了加筋的作用，整个防护层结构的稳定性随着植被的生长而逐渐加强[8]，而且固土种植基和植物根系形成对坡面的整体横向连接和覆盖，避免了在排水流量比较大、排水沟土质较差段边坡发生流土、管涌等水力破坏现象。该种结构不仅能满足生态排水沟断面结构稳定性和工程耐久性，而且完全满足了排水排盐、种植植物、附着微生物等功能，为河套灌区生态排水沟构建提供了一种新的技术路线。

4.3 生态排水沟的植物筛选

植物是生态排水沟中的重要部分，不仅可以防止水土流失，还可吸收水中的氮、磷等污染物。要在河套灌区推广应用生态排水沟，需要筛选在边坡构筑材料的透水孔洞内栽种成活容易，吸收氮、磷、农药等污染物效果好且不太阻水的植物[9]。关于生态排水沟沟壁和沟底的植物配置，国内外学者进行了大量研究，但不同于国内其它地区的生态排水沟，河套灌区农田排水盐碱含量高、水质差、排水沟边坡土壤盐碱化严重，需要在沟道两侧种植吸附氮、磷作用强，耐盐碱且在水质较差的排水沟内能够成活的植物。

根据河套灌区的地域特点，本次试验选择了紫花苜蓿、三棱蒲、草木犀三种植物种植于生态排水沟试验段。结果表明，紫花苜蓿在固土种植基与蜂巢格室组成的边坡防护系统中生长速度最快，三棱蒲、草木犀生长速度则较慢。紫花苜蓿为多年生草本植物，富含蛋白质和多种氨基酸、维生素，适口性好，生长速度快，每年可收割多次，单位面积营养物质产量高[9]，属于畜禽养殖较为常见的优质饲料。紫花苜蓿作为优质牧草具有市场流通能力，可以避免排水沟中植物过度生长没人收割，腐败后落到沟底对农田排水造成二次污染的情况发生，由于生饲动物可转化的经济价值高，还能适当补贴工程后期维护资金，因此，建议紫花苜蓿草可以作为河套灌区生态排水沟种植的优势植物（见图1）。

4.4 生态排水沟控制性物选择

生态排水沟不仅需要在满足农田排涝、防渍标准的前提下作为农田多余土壤水或地下水的排水通道，还必须具有充分降解农田排水中污染物的功能，这就需要在各级排水沟中修建排水闸、堰等控制水流的建筑物。

实验中在沟道中间隔一定距离设置一字平板闸门，起到蓄积农田排水、调节适宜水位、延长农田排水在沟道中停留时间的作用，既能为沟中植物生长提供充足养分，便于流水携带的颗粒物质和养分等沉淀和降解，又能避免农田排水携带有害物质向区域水体自由排放，有效提升了生态排水沟的截污净化能力。

5 建 议

针对河套灌区农业面源污染严重及农田排水系统存在的诸多问题，建议综合采用自然生态与人工强化的技术改造河套灌区传统的排水系统，增设由固土种植基与蜂巢格室两部分组成的生态护坡及控制性建筑物构建生态排水沟，并种植有一定经济价值且具有市场流通能力的植物，在生态沟内形成有机物、植物、微生物之间的生物链[10]，利用拦截、阻断和降解技术对农田退水中的氮、磷等污染物进行深度处理与再净化，基于河套灌区面广量大的排水系统建立具有消纳农业面源污染物质的健康生态系统，为河套灌区农业面源污染防治及乌梁素海水环境治理提供技术支撑。

参考文献：

[1] 李刚. 内蒙古河套灌区节水对乌梁素海的影响研究[D].北京：中国农业科学院，2007.

[2] 张燕. 农田排水沟渠对氮磷的去除效应及管理措施[D].哈尔滨：中国科学院研究生院（东北地理与农业生态研究所），2013.

[3] 徐红灯，王京刚，席北斗，等.降雨径流时农田沟渠水体中氮、磷迁移转化规律研究[J].环境污染与防治，2007，29（1）：18-21.

[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] 姜波.生态型农田排水沟设计[J].水利科技与经济，2014，20（6）：101-103.

[6] 陸海明，孙金华，邹鹰，等.农田排水沟渠的环境效应与生态功能综述[J].水科学进展，2010，21（5）：719-725.

[7] 张原培. 寒区河道生态护坡适宜植物优选研究[D].哈尔滨：黑龙江大学，2019.

[8] 尹永强. 蜂巢约束植被护坡的稳定性研究[D].天津：中国民航大学，2019.

[9] 刘泽民，闫炜.紫花苜蓿生饲养羊的经济效益分析[J].北方牧业，2023（10）：19，21.

[10] 孙春敏，陈子平. 新型生态排水沟的试验研究与应用探讨 [J]. 广东水利水电，2013，（3）：44-46，69.

Ecological Drainage Ditch Construction Technology Based on the Reduction and Control of Agricultural Non-point Source Pollution in Hetao Irrigation District

XU Hongmei1，4，HUO Yizhen1，4，6，ZENG Xiang2，4，HU Zhen3，LI Shengyong1，4，GUO Fuqiang4，5

（1.Hetao University，Bayannur 015000，China；2. Changjiang River Scientiffic Research Institute，Wuhan 430000，China；3. Wuhan Huzhenyu Environmental Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China；4. Inner Mongolia Hetao Irrigation District Irrigation and Drainage  Engineering Technology Research Center，Bayannur 0150000，China；5. College of Desert Science and Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，Inner Mongolia 010000，China；6. Inner Mongolia Arge Life Science Co.，Ltd.，Ulanqab 011800，China）

Abstract：At present，the severity of agricultural surface source pollution in Hetao irrigation area is escalating，the eutrophication of the Wuliangsuhai Lake is intensifying and the water ecological environment is deteriorating. To address these problems，we suggest to make full use of the existing irrigation and drainage infrastructure in the Hetao irrigation area，and to build ecological drainage ditches as an extension of the traditional soil drainage ditches. Meanwhile，we conducted field tests  to study the environmental effects of various factors of the ecological drainage ditch，including cross-sectional structural type，cross-sectional design parameters，materials employed for slope construction，and plant species planted in the ecological ditch. The aim is to enhance the pollutant interception and purification capabilities of the drainage system in the Hetao irrigation area，thereby minimizing the discharge of pollutants into the Wuliangsuhai Lake from farmland drainage，and meanwhile reducing eutrophication levels. The research findings serve as a reference for the management of agricultural surface source pollution in the Hetao irrigation area.

Key words：Hetao Irrigation District；Wuliangsuhai Lake；farmland drainage；drainage ditch

收稿日期：2023-09-26

基金项目：内蒙古自治区科技成果转化专项资金项目（2021CG0013）；内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目（NJZY21190）；巴彦淖尔市科技计划项目（K202014）；内蒙古自治区科技计划项目（2022YFHH0088）；乌梁素海流域山水林田湖草生态保护修复试点工程支持计划项目（2019HYYSZX）；加强我国北方重要生态安全屏障建设研究专项（STAQZX202320）

作者简介：徐红梅，女，副教授，硕士，主要从事水环境治理技术研究。E-mail：372451694@qq.com

通信作者：霍轶珍，女，教授，主要从事节水灌溉技术及水环境治理工作。E-mail：805296445@qq.com