陸 陽，仝炳偉，王 樂，韓小龍

（寧夏水利科學研究院，寧夏銀川 750021）

當工業(yè)點源污染問題得以解決后，面源污染成為導致目前全球水質(zhì)惡化的主要原因，且其對水體污染的貢獻率逐年增加[1]。研究表明，面源污染中以農(nóng)業(yè)面源污染對水體污染貢獻率最大，全球有30%～50%的地表水體受到農(nóng)業(yè)面源污染的影響[2-3]。2021年，生態(tài)環(huán)境部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合印發(fā)《農(nóng)業(yè)面源污染治理與監(jiān)督指導實施方案（試行）》通知，明確指出，農(nóng)業(yè)面源污染治理是生態(tài)環(huán)境保護的重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)農(nóng)業(yè)污染源類型分布、地理氣候條件、環(huán)境質(zhì)量狀況等，確定農(nóng)業(yè)面源污染優(yōu)先治理區(qū)域，推進重點區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染防治；在種植業(yè)面源污染突出區(qū)域，實施化肥農(nóng)藥減量增效行動，優(yōu)化生產(chǎn)布局，推進“源頭減量-循環(huán)利用-過程攔截-末端治理”工程等。

寧夏銀北灌區(qū)地處青銅峽河西灌區(qū)下游，面積3 471 km2。灌區(qū)現(xiàn)有西干渠、唐徠渠、漢延渠、惠農(nóng)渠四大引水干渠，總長726.9 km。灌區(qū)排水溝系統(tǒng)自20 世紀50 年代開始修建，形成了目前的主要干溝，并逐年將各級支、斗、農(nóng)、毛級溝道進行合理配置。主要排水干溝有第二排水溝、銀新溝、第三排水溝、第四排水溝、第五排水溝，總長277.6 km。研究排域農(nóng)業(yè)面源污染，對規(guī)范肥料、灌溉水的施用量和方式，提高氮磷的利用效率，降低農(nóng)業(yè)氮磷對水環(huán)境的荷載，更好地推動“兩減一增”行動，促進農(nóng)業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展具有十分重要的意義[5]。本文以引黃自流灌區(qū)第五排水溝排域為典型區(qū)域，開展農(nóng)田退水對干支溝排水氮磷污染物負荷變化特征規(guī)律研究。在第五排水溝的干溝和主要支干溝布設(shè)監(jiān)測斷面[4]，監(jiān)測排水溝農(nóng)田退水水量及水質(zhì)中總氮（TN）、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷（TP）4 項農(nóng)業(yè)面源污染特征指標，旨在評估排域農(nóng)業(yè)面源污染程度，揭示第五排水溝農(nóng)田區(qū)域退水氮磷輸移量。

1 材料與方法

1.1 第五排水溝基本情況

第五排水溝于1958 年建成，西起賀蘭縣東南，東至石嘴山市園藝鎮(zhèn)入黃河，流經(jīng)賀蘭縣、平羅縣、惠農(nóng)區(qū)，與第四排水溝相通，全長87.2 km，排水面積8.33 萬hm2，現(xiàn)狀排水能力56.5 m3·s-1，年排水量1.02 億m3。第五排水溝排域主要種植作物有水稻、玉米、小麥、露地蔬菜、油葵、枸杞等，地下水埋深1.1～4.0 m，主要作物的種植結(jié)構(gòu)、灌溉及施肥方式在引黃自流灌區(qū)具有代表性，區(qū)域溝道排水以農(nóng)田退水為主，農(nóng)田退水按農(nóng)-斗-支-干溝進行排放最終匯入黃河。

第五排水溝主要支干溝有8 條，分別為：周城支溝（全長8.15 km），新五一支溝（13.17 km），老五一支溝（3.60 km），五二支溝（17.95 km），第六排水溝（五三支溝）（28.7 km），五四支溝（18.75 km），五五支溝（12.8 km），黑龍溝（14.94 km）。

1.2 監(jiān)測斷面布設(shè)

在第五排水溝首部、主要支干溝匯入點后、縣界、入黃口等關(guān)鍵節(jié)點處，沿排水溝水流方向分別設(shè)置監(jiān)測斷面[6]。監(jiān)測于2021 年進行。自上游到下游依次選取的監(jiān)測斷面為姚伏沙渠、新橋四隊、李崗、廟臺和熊家莊，支干溝選取的監(jiān)測斷面為周城、新五一、老五一、五二、五三、五四、五五支溝。監(jiān)測斷面布設(shè)如圖1所示。

圖1 第五排水溝監(jiān)測斷面布設(shè)示意圖

1.3 監(jiān)測指標及方法

主要監(jiān)測指標有：排水干溝、支干溝監(jiān)測斷面的溝道水量、水質(zhì)，排水溝農(nóng)田退水的污染負荷。

1.3.1 排水溝溝道水量

采用標準斷面量水法監(jiān)測溝道排水量，用ADCP或流速儀率定水位流量關(guān)系曲線，用電子水尺和雷達水位計測量水位，經(jīng)過計算分析得出溝道實時排水流量和不同時段累計水量[7]。

1.3.2 排水溝溝道水質(zhì)

水樣采集方法：在排水溝各斷面水面以下1/3 處取樣，采集水樣位點距離排水溝岸邊2/4 和3/4 處，分別各取一個水樣，每個水樣1 L。

水樣采集頻次：水樣采集時間為灌區(qū)頭水至冬灌結(jié)束；主要作物灌溉期每灌溉1次采集水樣1次；作物全生育期采集水樣4～5 次；灌溉高峰期加測1～2 次，春灌及冬灌加測1次。

水質(zhì)指標檢測方法：TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP 采用鉬酸銨分光光度法采用靛酚藍法采用酚二磺酸分光光度法[8]。

1.3.3 排水溝農(nóng)田退水污染負荷的水文估算方法

依據(jù)水文學原理，本文利用有限的水量水質(zhì)觀測資料對排水溝的非點源污染負荷進行估算[9-10]?；谂潘疁稀澳陜?nèi)點源排放相對穩(wěn)定，農(nóng)田面源集中發(fā)生于灌溉期”的特點，點源污染負荷通過排水溝“基流”推求，非點源污染負荷利用排水溝總負荷減去點源污染負荷間接得出。排水溝匯入接納的主要為農(nóng)田退水，年內(nèi)接納點源污染較少，排水溝農(nóng)田退水污染物負荷采用下述公式計算：

（1）式中：L為污染物負荷，kg；φ為污染物濃度，mg·L-1；q為流量，m3·s-1；t為過水時間，s。

2 結(jié)果與分析

2.1 退水水量和水質(zhì)變化特征

2.1.1 排水量年內(nèi)動態(tài)

從5個監(jiān)測斷面流量動態(tài)（見圖2）可知，姚伏沙渠監(jiān)測斷面處于排水溝最上游，農(nóng)田較少，主要為湖泊和魚池，該監(jiān)測斷面流量變化比較平穩(wěn)，周期性變化不明顯。姚伏沙渠夏灌期，6—7 月初，監(jiān)測斷面流量較大，流量在0.509～0.549 m3·s-1；冬灌期，監(jiān)測斷面流量較小，流量在0.033～0.05 m3·s-1。下游4 個監(jiān)測斷面的逐日平均流量動態(tài)隨排域內(nèi)灌水呈現(xiàn)較明顯的周期性上下波動，6—8 月，各監(jiān)測斷面流量均較大，新橋四隊以下斷面流量為李崗＞廟臺＞熊家莊，主要原因是姚伏沙渠到廟臺監(jiān)測斷面之間存在多處取水泵站。比較各監(jiān)測斷面流量，李崗變化最明顯，夏秋灌期，6—9 月，監(jiān)測斷面流量較大，在3.42～10.60 m3·s-1；冬灌期，監(jiān)測斷面流量較小，在0.56～1.86 m3·s-1。下游入黃河監(jiān)測斷面熊家莊，斷面最大過流量時段為5 月中下旬，最大流量為10.60 m3·s-1，最小過流量時段為10月中下旬至11月上旬，平均流量為0.34 m3·s-1。

圖2 第五排水溝5個監(jiān)測斷面流量動態(tài)

2.1.2 退水污染物日負荷變化特征

圖3 第五排水溝5個監(jiān)測斷面污染物日負荷變化過程

上游姚伏沙渠斷面排水污染TP日負荷變化過程與其他斷面有明顯差別，可能由于養(yǎng)殖廢水和生活污水對該斷面的影響更大。姚伏沙渠斷面排水污染負荷變化特征表現(xiàn)為：5—8月氮素以為主，TN 其次，6 月22 日左右日負荷（185.738 kg·d-1）和TN日負荷（158.877 kg·d-1）同時達到峰值日負荷達到峰值持續(xù)十幾天后迅速下降，在8月1日和9月22 日左右又各出現(xiàn)一次較小的峰值，而TN 日負荷同時達到峰值即刻迅速下降；在6—8 月日負荷高于TN 日負荷，這是由于上游湖泊來水和農(nóng)田施肥，排水量相對很小，污染物濃度較高，污染負荷相對較大[11]。

2.1.3 退水污染物負荷年內(nèi)分布規(guī)律及負荷估算

表1 熊家莊監(jiān)測斷面排水污染月負荷估算值單位：kg

5—11 月第五排水溝過熊家莊斷面污染物量為377 984.458 kg，其中TN 為185 524.720 kg，占污染排放總量的49.08%；，占污染排放總量的33.33%；，占污染排放總量的10.90%；TP 為25 249.499 kg，占污染排放總量的6.68%?？梢钥闯?，TN 是排水溝排放量最大的污染物，其次是，第三是TP 最小。

2.2 第五排水溝支干溝退水水量和水質(zhì)變化特征

2.2.1 支干溝退水流量及污染物濃度

周城支溝流量和污染物濃度變化過程如圖4a 所示，在作物夏秋灌期（5—8 月）支溝有徑流，其余時段無徑流、TN 濃度在6 月22 日左右出現(xiàn)峰值，分別為6.205、9.605 mg·L-1，這與農(nóng)田施肥關(guān)系密切。4—8 月、TN 濃度的平均值分別為2.863、3.256 mg·L-1。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[14]，TN 濃度值超過2 mg·L-1屬超Ⅴ類水，表明該排域農(nóng)田施肥量過多，肥料流失嚴重；4—8 月，、TP 濃度均值分別為0.715、0.155 mg·L-1，在Ⅲ類水范圍。

新五一支溝、老五一支溝流量和污染物濃度動態(tài)如圖4b、4c所示，二者比較相近，由于它們控制排域面積大，在作物夏秋灌期及冬灌期支溝均有徑流。TN濃度在6月12日和7月2日左右出現(xiàn)較大峰值，表明該時段前排域內(nèi)農(nóng)田施肥頻繁且施肥量超標；4—8 月，新五一支溝、老五一支溝TN 濃度平均值分別為2.611、3.079 mg·L-1，均屬于超Ⅴ類水；兩支溝濃度在7 月2 日和8 月11 日左右出現(xiàn)峰值，第一次峰值最高，兩支溝分別為3.149 mg·L-1（7 月2 日）、5.105 mg·L-1（6月12日）；兩支溝和TP濃度均在6月下旬出現(xiàn) 峰值，4—8 月、TP 濃度平均值分別為0.546～0.556、0.164～0.196 mg·L-1，屬Ⅲ-Ⅳ類水。冬灌期，農(nóng)田無施肥，TN 濃度均值1.3 mg·L-1左右，屬Ⅲ-Ⅳ類水、TP 濃度均值分別在0.011、0.280 mg·L-1左右，屬Ⅱ-Ⅲ類水。

五二支溝流量和污染物濃度動態(tài)如圖4d所示，作物夏秋灌期支溝有徑流，其余時段無徑流TN 和濃度在7月2日左右出現(xiàn)相對較大峰值，較上游三個支溝峰值出現(xiàn)時間晚，可能與該排域內(nèi)作物灌水時間滯后有關(guān)；污染物濃度平均值、TN、、TP分別為3.045、4.756、0.639、0.166 mg·L-1，屬Ⅳ-Ⅴ類水。

五四支溝、五五支溝流量和污染物濃度動態(tài)如圖4e、4f所示，作物夏秋灌期支溝有徑流，其余時段無徑流濃度平均值2.5 mg·L-1左右，TN 濃度平均值3.5 mg·L-1左右，屬超Ⅴ類水、TP濃度平均值分別為0.64、0.23 mg·L-1左右，屬Ⅱ-Ⅲ類水。

圖4 第五排水溝支干溝退水流量及污染物濃度動態(tài)

五三支溝（第六排水溝）流量和污染物濃度動態(tài)如圖4g 所示，5—6 月初，溝水流量逐漸增大，6 月12 日左右受上游溝道取水影響流量減小，而后上升到最大值并一直持續(xù)到8 月初，夏秋灌期結(jié)束流量逐漸減小到零，此后隨著冬灌期來臨，溝水流量又逐漸增大。TN 濃度在7 月2 日和冬灌期10 月22 日左右各出現(xiàn)一次峰值，最大峰值7.566 mg·L-1出現(xiàn)在7 月2 日左右；5—8 月期間，TN 濃度平均值2.754 mg·L-1左右，屬超Ⅴ類水濃度雖然也在7 月2 日和冬灌期10 月1 日左右各出現(xiàn)一次峰值，但濃度較小，分別為1.594、1.250 mg·L-1，遠低于其他支溝；5—8月時段的濃度平均值為0.397、0.404 mg·L-1，屬于Ⅱ或Ⅴ類水。冬灌期，排水中、TN 和TP的濃度均顯著升高，可能由于田間灌水大量流入排水溝，沖擊沉積在溝底的廢水引起TN 和TP 濃度的升高。

2.2.2 支干溝污染物日負荷

計算支干溝各監(jiān)測斷面主要污染物TP 和TN 日負荷量，繪制日負荷動態(tài)圖。由圖5 可以看出，各支溝排水污染負荷動態(tài)差別明顯，灌溉和排水引起了TN和TP 較大的差異。在灌水期，排水溝TN 主要來自農(nóng)田，TN 雖然濃度相對較低，但由于排水量較大，TN的污染負荷相對較大，隨著排域灌水停止，排水量減少，TN 濃度升高，TN 的污染負荷卻相對較小。TP 主要來源于養(yǎng)殖廢水和生活污水，周城支溝、五二支溝和五三支溝排放比較穩(wěn)定，TP負荷變化不大；五一支溝和五四支溝，在8 月中下旬TP 升高，出現(xiàn)了峰值，主要是退水沖洗溝道使沉積在溝底淤泥中的磷釋放出來遷移到出水口的緣故[15]。

圖5 第五排水溝支干溝監(jiān)測斷面TN、TP負荷動態(tài)

2.2.3 支干溝污染物負荷年內(nèi)分布規(guī)律及負荷估算

表2 第五排水溝各支溝監(jiān)測斷面的各類面源污染負荷估算值 單位：kg

3 結(jié)論與討論

1）第五排水溝干溝的5 個監(jiān)測斷面流量變化特征：呈現(xiàn)周期性上下波動趨勢，年內(nèi)峰值出現(xiàn)在6—8月（夏灌期），冬灌歷時較短且以漫灌為主，所以退水過程峰形較低。上下游監(jiān)測斷面流量呈現(xiàn)周期性的上下波動但差異性很大，上游姚伏沙渠監(jiān)測斷面以上農(nóng)田較少，流量變化比較平穩(wěn)，周期性的變化不明顯；下游4 個監(jiān)測斷面的平均流量呈現(xiàn)周期性的上下波動，尤其以李崗斷面波動幅度最為顯著，下游熊家莊入黃河處流量低于新橋四隊、李崗和廟臺監(jiān)測斷面流量，主要原因為姚伏沙渠到廟臺監(jiān)測斷面之間存在多處取水泵站。入黃河監(jiān)測斷面熊家莊處，監(jiān)測斷面最大過流量時段為5月中下旬，最大流量為10.60 m3·s-1，最小過流量時段為10 月中下旬至11 月上旬，平均流量為0.34 m3·s-1。

4）第五排水溝支干溝流量變化特征：各支干排水溝匯入接納的水源主要來自農(nóng)田退水，部分支干溝接納了少量的養(yǎng)殖廢水和生活污水。各支溝的流量呈現(xiàn)周期性的上下波動，這種變化規(guī)律與各支溝排域的灌溉制度密切相關(guān)。

5）第五排水溝支干溝污染負荷年內(nèi)分布規(guī)律和水質(zhì)變化特征：支溝退水污染負荷主要發(fā)生在5—8月農(nóng)田灌水期，說明支溝退水污染主要來源為農(nóng)田退水；TN是排水溝排放量最大的污染物，其次是第三是，TP最小。