典型生態攔截措施水質凈化效果研究

　　摘要：為探討生態攔截系統對洱海流域農田尾水氮()、磷()和化學需氧量(COD)的去除效應，提高生態攔截系統對農業面源污染物的凈化效果，研究了生態溝渠、表流庫塘、潛流庫塘、生態溝渠表流庫塘種改建的生態攔截系統對水質凈化效果的影響。結果表明，與進水口污染物濃度相比，經生態攔截系統凈化后，各系統出水口污染物濃度均有所下降。種生態攔截系統以生態溝渠表流庫塘系統對污染物總氮()、總磷(TP)和COD的削減效果較好，平均削減率為59.66%、55.99%和38.33%，出流全年各月可用于各類型農田灌溉，且TN、TP和COD濃度全年分別有個月、10個月和10個月可滿足地表水環境質量標準中Ⅴ類水質要求;潛流庫塘系統削減效果次之，平均削減率為42.13%、31.31%和34.29%，出流全年各月可用于旱作回灌，個月可用于水作灌溉，TN、TP和COD濃度全年分別有10個月、個月和個月可達到地表Ⅳ類水質要求;生態溝渠系統和表流庫塘系統則削減能力相對較弱，平均削減率分別為40.59%、21.03%、25.25%和37.60%、27.69%、26.07%，但這個系統出水全年可用于水作和旱作灌溉，其中生態溝渠系統出流TN和TP濃度全年分別有個月和11個月可達到地表水Ⅴ類和Ⅳ類水質要求，表流庫塘系統出流、TP和COD濃度全年分別有個月、11個月和個月可達到地表Ⅴ類、Ⅳ類和Ⅴ類水質要求。綜合而言，改建的個生態攔截系統對污染物的平均凈化效果由大到小分別為生態溝渠表流庫塘、潛流庫塘、表流庫塘、生態溝渠。

　　關鍵詞：生態攔截系統;削減率;水質;凈化效果

　　洱海是云南省大理白族自治州的生命源泉，具有供水、農灌、發電、調節氣候、漁業、航運、旅游七大主要功能。近20年來，由于各種因素的影響，造成入湖污染負荷量持續增加，洱海水質下降，生態環境受到破壞[1,2。大量的研究工作表明，流域內農田面源排放是洱海水中氮磷的主要來源之一3,4。洱海流域現存有大量灌排溝渠和庫塘，其水質狀況與周邊種植類型農田尾水的排放存在非常密切的關系，這些溝渠和庫塘以及下游農田是地表水灌排和村莊供排水的水源，但位于農田與水體的過渡帶，能有效攔截農田排水產生的、和COD等農業面源污染物，已成為研究農業面源污染阻斷的關鍵環節12。

　　生態論文范例：應對氣候變化與生態環境保護協同政策研究

　　近幾年，有關洱海流域生態溝渠的研究主要集中在不同種植類型、不同年份生態溝渠[1和農田灌排溝渠,1對水質凈化的影響等方面。例如陳安強等[7]研究表明，不同種植類型對生態溝渠出水口徑流氮磷濃度的影響從大到小依次為菜地、稻田和苗木地;田昌等[1]研究表明，2016年和2017年生態溝渠對農田排水TN平均攔截率為58.49%、47.61%，對NH平均攔截率為77.29%、69.72%。謝坤等研究表明，生態溝渠農田入口、農田出口、村落出口等處生態溝渠的水質明顯不同，晝夜節律變化明顯。有關生態庫塘的研究則主要集中在不同水生植物[14,15]和生態植草16對水質凈化的影響等方面。例如不同水生植物的庫塘對總氮的年均去除率表現為荇菜(83.1%)蘆葦(73.9%)黑藻(73.3%)無植物庫塘(65.5%)15。

　　但上述研究都僅將生態溝渠或者庫塘作為單一研究對象進行研究，在洱海流域“田村”景觀單元交替分布模式中[5]，實際存在很多灌排水先流經生態溝渠，后入庫塘繼續凈化的情況。同時，洱海流域生態庫塘包括表流生態庫塘和潛流生態庫塘，截止目前有關生態庫塘的研究僅涉及表流庫塘，鮮有關于潛流生態庫塘的研究報導。

　　因此本研究將洱海流域主要的生態溝渠、表流庫塘、潛流庫塘和生態溝渠表流庫塘種排灌系統進行改造提升(即清淤疏浚、種植水生植物，生態植草植樹等)，分析經不同生態攔截系統后和COD濃度的變化特征，并探討污染物經過種生態攔截系統后、和COD濃度的削減貢獻率，以期為生態攔截工程設計和應用提供參考，提高灌排系統對農業面源污染物的攔截效果。

　　1試驗區概況與研究方法

　　1.1試驗區概況

　　試驗地點位于大理市灣橋鎮(100°00′5″100°09′08″N,25°44′48″25°49′22″)，覆蓋面積63.8km，地形西高東低，位于蒼山與洱海之間的寬谷平壩區，屬北亞熱帶高原季風氣候，受西南季風控制，冬無嚴寒，夏無酷暑，年平均氣溫15.5℃，年均降雨量1080mm，但85%~96%的降雨集中在10月份，海拔1980，年均氣溫14.6℃。

　　1.2試驗設計

　　在不影響農田溝渠和庫塘正常的灌排水功能前提下，對現有的溝渠和庫塘進行改造提升。即根據實際情況進行清淤疏浚、合理配置水生植物群落，適當配置水位調節閘門，在溝渠和庫塘周邊適當生態植草、放置生態多孔磚和種植經濟林果等(表)，以延長溝渠和庫塘內的水力滯留時間，削減農田排水中的污染物的含量。

　　其中種生態攔截系統溝壁和塘壁均為帶孔預制板，孔內配置水生植物，溝底為土工溝底，配置水生植物群落。潛流庫塘為水平潛流人工庫塘，采用基質搭配與植物配置相結合的形式，系統分為進水區、濾料區和出水區，其中進水區和出水區搭配基質從下到上為石灰巖細碎石、礫石和火山巖，鋪設厚度分別為0.4、0.25m和1m，各層鋪設寬度均為5m，鋪設完后在進水區和出水區填泥，并生態植草，濾料區(系統土工溝底)石灰巖細碎石填料層先鋪設厚0.4m,然后再用礫石鋪設厚0.25。系統改造提升后，分別在進水口和出水口定時采集水樣，測定污染凈化效果。

　　1.3樣品采集與分析方法

　　所有工程建設于2019年月完成后，在監測期內(2019年月2020年月)，每周于個工程區的進水口、出水口采集水樣次(2020年月因受疫情影響未采集)，計算經個工程區后，污染物去除率，方法見下式()，主要分析指標和具體分析方法均選用國標測試方法17。同時參照《地表水環境質量標準》(GB8382002)和《國家農田灌溉水質標準》(GB50842005)對個系統的污水處理效果進行綜合評價。

　　1.4數據處理與分析

　　采用MicrosoftExcel2010軟件對數據處理后，用SPSS13.0軟件進行差異性分析。

　　2結果與分析

　　2.不同生態攔截系統對TN凈化效果的影響

　　與進水口TN濃度相比，經生態攔截系統凈化后，各系統各月出水口TN濃度均有所下降，絕大多數月份出水口TN濃度均顯著低于進水口TN濃度。各措施TN濃度變化范圍為進水時1.989.24、1.687.47、0.692.52mg·L和3.4712.46mg·L，出水時0.983.20、1.035.35、0.42.06mg·L和1.474.41mg·L，TN凈化率變化范圍依次是13.5076.08%、16.3171.52%、18.2564.77%、19.5786.59%。平均進水TN濃度由高到低為生態溝渠表流庫塘(8.06mg·L)表流庫塘(4.77mg·L)生態溝渠(3.86mg·L)潛流庫塘(1.35mg·L)，但平均削減效果由大到小卻分別是生態溝渠表流庫塘(59.66%)、潛流庫塘(42.13%)、生態溝渠(40.59%)、表流庫塘(37.60%)。個生態攔截系統各月削減率變幅均較大，且呈不同的削減趨勢。

　　個措施的進水濃度分別是9.24mg·(10月)和4.55mg·L(11月)、5.26mg·L(月)和4.88mg·L(月)、1.361.79mg·L(月)、10.4012.46mg·L(12月和月)時，系統對污染物的凈化效果較高，對應的凈化率分別是76.08%和61.98%、61.22%和71.52%、55.8864.77、69.2586.59%。出流TN濃度參照《地表水環境質量標準》(GB38382002)，生態溝渠有個月可以達到Ⅴ類水水質要求(9、10、11和12月)，個月可以達到Ⅳ類水水質要求(和12月);表流庫塘有個月可以達到Ⅴ類水水質要求(11月、和12月)，個月可以達到Ⅳ類水水質要求(年和月);潛流庫塘有10個月(月除外)可以達到Ⅳ類水水質要求;生態溝渠表流庫塘有個月可以達到Ⅴ類水水質要求(年、和月)，個月可以達到Ⅳ類水水質要求(月)。

　　3討論

　　3.1不同生態攔截系統削減率差異原因分析

　　生態攔截系統是一種特殊的濕地生態系統，具有排灌功能和良好的景觀效果，其內部環境條件能夠使植物和微生物等維持較好生物穩定性，從而達到凈化水質的目的[1820]。本試驗條件下，種生態攔截系統凈化效率最佳的為生態溝渠表流庫塘，這是因為與其余個系統相比，生態溝渠表流庫塘不僅大大提升了水力停留時間(水力停留時間分別是生態溝渠、表流庫塘和潛流庫塘的1.44、1.83和1.57倍)，而且還使水生植物存量更大(水生植物面積分別是生態溝渠、表流庫塘和潛流庫塘的2.94、1.89和2.25倍)，加上系統維護良好，使削減凈化效率進一步加強[21]。

　　因此，在具體應用其余個系統時，需定時對系統進行維護，比如定期清淤疏浚、采收水生植物、去除死亡根系等。本研究中生態溝渠表流庫塘系統對TN和TP的平均去除率為59.66%和55.99%，與朱金格等[21]在太湖區研究的TN和TP平均去除率為59.60%和51.69%較接近，這進一步證明生態溝渠表流庫塘系統應用性較廣，可為洱海流域農田尾水的處理提供一種參考。有研究表明，潛流人工濕地對COD的去除率為64%82%[22]，本研究結果卻表明，潛流庫塘對COD的去除率僅在15.2049.15%，平均去除率僅為34.29%。

　　這應與本研究所選潛流人工濕地或因運行時間較久，相關基質的物理吸附及化學反應絡合作用)達到一定限度，導致對COD的去除效果逐漸降低[23,24];另外當基質吸附達到飽和時，基質中吸附的污染物可能會釋放進入水體，使濕地對COD去除效率進一步降低[21]，因此在實際應用潛流人工濕地時應注意選擇合適基質粒徑和級配以及優化潛流人工濕地工藝等。劉福興[8]和田昌[12]等研究表明生態溝渠對TN、TP的平均去除率均高達50%以上，本研究表明生態溝渠對TN、TP的平均去除率為40.59%、21.03%。

　　這是因為劉福興[8]和田昌[12]研究的生態溝渠觀察期較短，僅集中在20d和個月，加上不同的研究生態溝渠長度不同，配備的水生植物也各異等，導致以往研究與本研究削減效果各有差異。本研究結果還表明表流庫塘對TN的平均去除率僅為37.60%，但張俊朋[16]研究表明表流庫塘對平均去除率在70%以上，這應與張俊朋[16]研究系統本底值很低，進水為自來水，植物種類配備單一，本研究進水則為農田尾水，本底值較高，配備植物也較多有關。

　　本研究證實，2019年10月，除生態溝渠表流庫塘COD削減率下降外，其余系統TN、TP和COD削減率均逐月上升，這是因為其余系統水生植物2019年月種植后，月和10月正好處于旺盛生長期，植物吸收污染物能力較強，微生物活動頻繁，加速了水體污染物的分解[25,26]。生態溝渠表流庫塘2019年10月COD削減率逐月下降原因，則應與該系統運行之初(2019年月)削減率便較高，為52.62%，已達系統較高的削減效率等有關，但具體原因有待進一步分析研究。個系統TN、TP和COD削減率均在11月、12月或月出現削減效果較低的情況，這與此個月是冬季，溫度較低，植物枯萎死亡，微生物活動降低，導致生態攔截系統削減率下降有關2728。

　　4結論

　　(1)改建的個系統都對水體污染物TN、TP和COD具有較強的凈化作用。個系統對污染物TN、TP和COD的平均凈化效果由大到小分別為生態溝渠表流庫塘(59.66%、55.99%和38.33%)、潛流庫塘(42.13%、31.31%和34.29%)、表流庫塘(37.60%、27.69%、26.07%)和生態溝渠(40.59%、21.03%、25.25%)。生態溝渠和生態溝渠表流庫塘進水濃度較高時，系統對污染物的削減效果較強，潛流庫塘和表流庫塘進水濃度和系統對污染物削減效果間相關性不強。

　　(2)參照《國家農田灌溉水質標準》(GB50842005)和《地表水環境質量標準》(GB38382002)，生態溝渠和表流庫塘出水全年可用于水作和旱作灌溉，生態溝渠出流TN和TP濃度有個月和11個月達到Ⅴ類和Ⅳ類水質要求，表流庫塘出流TN、TP和COD濃度有個月、11個月和個月可達到Ⅴ類、Ⅳ類和Ⅴ類水質要求，潛流庫塘出水全年各月可用于旱作灌溉，個月可用于水作灌溉，TN、TP和COD濃度有10個月、個月和個月可達到Ⅳ類水質要求;生態溝渠表流庫塘出水全年各月可用于各類型農田灌溉，TN、TP和COD濃度有個月、10個月和10個月可達到Ⅴ類水質要求。

　　參考文獻：

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　　作者：段四喜,2,3，張磊1,2,3，楊芳,3，沈仕洲，倪喜云，趙正雄，于良君2,

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