暗管排水条件下人工湿地的环境效应分析.pdf

第 1 2期( 总第 4 0 3期 ) 吉 林水利 2 0 1 5年 1 2月 文章编号1 o o 9 2 8 4 6( 2 o 1 5 )1 2 0 0 2 0 0 4 暗管排水条件下人工湿地的环境效应分析 王旭 ( 沈 阳市水利 局 ，辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 4 3 ) 摘要 通过 室内人工模拟湿地试验 和野 外湿地试验 ，分析 了暗 管排水条件下人工 湿地 的环境效应。结果表 明： l 、在 室 内人工模拟湿地试验 中，除 了池塘水流湿地对 总氮的截 留率只有 3 3 以外 ，两种类型湿地对 氮、磷 的 截留效率均在 5 0 以上 且 回形水流湿地对农业 污染物的截 留作 用更 为明显 ；2 、在野 外湿地试验 中，5种 湿 地对水体全 氮的平均去除率分别为 4 2 2 、5 0 -4 、6 1 5 、5 2 O 和 6 3 5 ，5种湿地对水体全磷 的去 除率分别 为 5 4 6 、6 0 1 、6 4 8 、6 1 9 和 6 8 2 ，5种湿地对全磷的去除率都在 5 0 以上。通过综合分析 可知 ，暗管 排水条件下人 工湿地对 氮元素和磷 元素的去 处效 率都很 高，有利于生态环境 的保护。 关键词 】暗管排水 ；人 工湿地 ；环境效应 中图分类号 T V 6 7 1 【 文献标识码B 为实现滩涂 围垦区农业高产 ，大量的有机无 机肥投入成为主要途径之一 。沿海滩涂高钠盐胁 迫降低土壤养分的有效性 阻碍养分吸收利用【 。 农 田中“ 过剩 ” 的营养盐在 降雨或灌 溉的冲刷 下 通过地表径流排水和地下暗管排水等途径 汇人 下游受纳水体 导致水体富营养加剧 。 危害了生态 系统的 良性循环5 1 因此 农业非点源污染成为滩 涂 围垦区生态建设 中人们所关注 的主要生态过程 之一 为减少海涂 围垦区暗管排水 中养分对近海 水体的污染与促进新淤积滩地植被的形成 探索 滩地人工湿地植被构建技术 通过对排水 中氮磷 负荷通量 、 季节变化规律 、 不同湿地植被条件吸收 排水中氮磷 能力与数量等分析 确定 暗管及农 田 排水与湿地系统配置 研究暗管及农 田排水与湿 地建设配套技术 可有效指导滩涂 围垦区土地管 理决策和生态建设 维持海涂围垦 区生态 系统功 能提供理论依据和技术支撑 对这一科学问题 的 研究 可以促进农业水土工程与国土整治等学科 的交叉与发展 具有重要的实践和科学意义 1 材料 与方法 1 1 室 内模 拟湿 地试 验设 计 室内模拟湿地试验 以南方地 区高效灌排与农 业水土环境教育部重点实验室温室大棚为模拟试 验场地 选取如东试验区土壤作为模拟湿地的底 泥 设计 2条模拟湿地f 长X 沟宽为 4 0 0 5 m， 底泥 深度约为 0 4 m 1 ， 开展模拟控制试验。 2种湿地类型 分别为池塘水流湿地 ( I ) 和回形水 流湿地 ( I I ) ， 湿 地 内种 植 芦 苇 用 配水 箱 通过 水 泵分 别 向两 条湿 地 中通入等浓度的营养液f 一定量氯化铵和磷酸盐 溶液1 。根据试验 区多年降水资料计算设计沟渠排 水量和排水频率 分别在两条湿地的进水处和出 口处设置取样段面进行定位监测 明确湿地 生态 系统土壤养分物质的输入 和输 出的途径 和通量 分 析湿 地对 农 业 污染 物 质 的消 解 规律 。室 内试 验 装 置示 意图见 图 1 收稿 日期2 o 1 5 1 o 一 0 9 【 作者简介 王旭 ， 男， 高级 工程师 ， 现从事水利技 术推广与管理 应用工作 。 一 2 0一 R ( mm ) I池塘水流湿地 回形水流湿地 图 1 室 内模 拟 试 验 湿地 示意 图 吉林水利 暗管排水条件下人工湿地的环境效应分析 王 旭 2 0 1 5年 1 2月 1 2野外 试验 区湿地 定位 试 验设计 野外试验 区人工湿地定位试验 主要依托暗管 试验区修建的 5个类型湿地进行定位监测 在每 个湿地处理水流人 口处 和出口处分别安装一个 明 渠流量计 ( 矩形 薄壁堰或三角量水堰 ) ， 测定 每个 湿地进 出口水流流量动态变化 ： 试验运行后 每隔 3 4天在每个湿地的水流人 口处 、 出 口处和湿地中 部取水样 ， 测定水样 的电导率 、 氮磷含量 ： 每隔 l 0 天 左 右 ， 在 湿地 水 流 入 口处 、 湿 地 中部 和近 出 口处 钻 取 0 2 0 c m 土层 底 泥运 回实验 室 风 干后 测 定底 泥土壤中盐分含量和氮磷含量变化 ：选择典型降 雨事件后 湿地水流人 V I 处和出 口处每隔半个小 时左右取一次水样 测定水样中的含盐量和氮磷 含量 分析人工湿地降雨后湿地水流 中盐分和养 分的动态变化过程 。人工湿地地位试验处理见表 1 。 表 1 人 工 湿 地 环 境 效 应 对 比试 验 处 理， m 2 试验结果分析 2 1 室 内模 拟湿 地试 验 结果 分析 图 2描述了模拟试验条件下两种类 型湿地对 氮 、 磷 的截留效果 。从图中可 以看 出 ， 除了池塘水 流湿地对总氮的截 留率只有 3 3 以外 两种类型 湿地对氮 、 磷的截 留效率均在 5 O 以上 。 且 回形水 流湿地对农业污染物的截留作用更为明显 7 0 口池塘 水流湿地 6 0 5 0 柏 匝 墓3 0 2 0 1 0 0 r_ 总氯 图 2 模 拟试验条件下 2种类型湿地 对排水中氮、磷 的截 留效率 植物在 湿地净 化过程 中起到很重要 的作用 。 模拟试验湿地芦苇通过两年的生长 ，通过收获地 上部分分析芦苇茎叶、 根等部位 N、 P元素的含量。 分析结果如表 2所示 。两种类 型湿地分别可带走 氮 6 2 7 k g h m 和 6 3 3 k g h m 去 除磷 8 8 7 k g h m 和 9 0 4 k g h m 2 。 因此 湿地植 物 是净 化农 业非 点源 污 染 物 的有 效 因子 通过恒定水流连续向湿地排水 模拟一次强 降雨下 的持续排水过程 两种类型湿地系统 出水 口处全氮 、氨氮和硝氮浓度特征如图 3和图 4所 示 。从 图 中可 以看 出 ， 尽 管两 湿地 进水 口处 水流 水 量 和氮素浓度保持基本恒定 湿地氮输 出的变化 随排水持续时间出现波动 。全氮浓度在排水开始 时较多 ， 排水 当天i 贝 4 得 的池塘水 流湿地 (I) 输 出 氮浓 度 为 3 4 mg L， 回形 水 流 湿 地 ( ) 输 出 的氮 浓 度为 2 6 m g L 试验期间其总的变化趋势是先降低 后小 幅回升 。 并保持稳定 。 I类型湿地输出氮浓度 稳 定 在 2 5 m C L左 右 而 类 型湿 地输 出氮浓 度 基 本 稳 定在 1 5 mg L左 右 湿地 输 出的氨 氮浓 度 的变 化范 围 在 I 类 湿 地为 O 2 2 6 mg L ， I I 类湿 地 为 0 3 1 8 m g L 。连续排水 l 0天 ， 湿地输出水 中氨氮 的浓度变化趋势与全氮相似。与全氮和氨氮相 比。 湿地输 出水 中硝态氮浓度初始值较低 随排水过 程的持续呈增加 的趋势 。湿地输 出水 中全氮与氨 氮 和硝 氮 之 和相 近 说 明湿地 氮 输 出 的 主要 形 态 有 氨氮和硝氮 且在开始时输 出的氮 以氨氮为主， 而随着时间的增加， 硝态氮逐渐成为主要成份。对 比分析 的结果也表明 。类型湿地输 出水中氮浓 度均显著低于 I类湿地 说明 类型湿地对氮素 截留效率高 其主要原 因是 回形水流湿地改变 了 表 2 模 拟试 验条 件下 2种 类型湿地植物( 芦苇 )中氮磷浓度 一 2l一 吉林水利 暗管排水条件下人工湿地的环境效应分析 王 旭 2 0 1 5年 1 2月 4 0 3- 0 。 l O 0 0 图 3 模拟试验池塘水流湿地 ( I)连续排水 l O天氮素输 出规律 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 时间 ( d 图 4 模 拟试验 回形水流湿地 ( )连续排水 1 0天氮素输 出规律 图 5 模拟试验池塘水流湿地( I)底泥氮磷剖面分布 图 6 模拟试验 回形水流湿地 ( I I l底泥氮磷剖面分布 水流运动方向 ， 增大 了水流阻力 ： 水力停 留时间是 影响湿地系统有效去除氮磷污染 的重要 因子 污 染物随排水进入 回形水流湿地后 水流流速慢 水 中悬移质和颗粒态 的氮得以部分沉淀 加速 了水 中氮素浓度衰减 通过两年模拟排水试 验后 两模拟湿地底泥 中全 氮和全磷 含量 的剖面分 布特征进一 步证实 了人工湿地对农业非点源 污染 的截 留作用 ( 图 5 和 图 6 ) 。 模 拟 试 验 所 用 土 壤 初 始 全 氮 含 量 为 一 2 2 0 2 1 g k g ， 全磷含量为 0 0 7 g k g ， 养分含量低 。湿 地底泥能够直接吸附或释放氮磷 并通过 微生物 的作用影响氮磷 的转化 因此底泥对湿地 水体氮 磷 吸收起 重要作用 从湿地 剖面 的氮 磷分 布来 看 两类 型湿地底泥 中全氮含 量从 表层至 4 0 c m 急剧下降 而全磷在表层 0 2 0 c m底泥 中含量显 著高于 2 0 4 0 c m 且剖 面的氮磷含量均高于土壤 的初始 氮 、 磷 含量 ， 说 明湿地底 泥能够有 效截 留 氮磷 。回形水 流湿地 ( I I ) 延缓 了排水在湿地中的 吉林水利 暗管排水条件下人工湿地的环境效应分析 王 旭 2 0 1 5年 1 2月 流速 ， 经 过两 年的累积 ， 湿地 4 0 c m 深底泥 ， 单 位 面 积氮 素含 量 由 0 1 1 7 k g m2 增 加 为 0 2 1 8 k g m2 磷素含量 由 0 0 3 9 k g mz 增加 为 0 0 8 4 k g m 2 氮磷 截 留量相当可观 ， 高于池塘水流湿地 ( I ) 。且姜翠 玲等研究认为 沟塘湿地 4 0 c m以下 底泥全氮含 量远较农 田高 未计入 深度 的湿地底 泥 尚有更大 的吸附空间 2 2 野外 湿 地试 验 区试验 结 果分 析 由野外试验数据可以看 出进入各 人工湿地 的全氮和全磷浓度均保持较低水平 表明 ， 海涂新 垦 区土壤贫瘠 土壤养分随降雨排水过程进入沟 道湿地 经沟道湿地的初步净化后 再进入人工湿 地的养分含量均较低 试验 区 5种人工湿地控制 的排水面积一致 。 均为 8 1 万 m 2 ( 5 4 0 x 1 5 0 ) ， 5种湿 地进水 中氮磷浓度差别不显著 在 7月份之前 ， 排 水 中全氮的浓度有逐步增加 的趋势 而在 7月份 以后 随着时间动态变化 ， 排水进人人工湿地 的全 氮含量逐步降低 主要是由于实验后期 。 各小 区基 本没有养分物质的投入 排出的氮素含量本身较 少 ， 另外 。 7月份该研究 区进入雨季 ， 降雨量大 ， 也 导致排水中氮素浓度较低 人工湿地进水全磷浓 度在 5月份测得相对较高 而后显著降低 。 一直保 持在 0 7 ra g 1 的水平左右。人工湿地是土壤一 水生 植物一 微生物复合生态 系统 通过土壤 的吸附和截 留、 微生物降解 、 植物吸收以及根系效应等综合作 用而实现 N、 P等营养物质 的去除 。 除植物吸收外 ， 湿地系统脱 N 的主要途径是微 生物的硝化 反硝 化作用 ： P的去除主要依靠植 物的吸 收及 同化作 1 0 0 8 0 堡 6 0 鍪 稍 署 4 0 2 0 0 I 1 I 2 I 3 11 1 I I 2 人工湿地类型 a 全氮 用 ， 同时 P也可与底泥基质 中 A 1 3 + 、 F e 3 + 、 C a 2 + 等发生 化学反应 ， 生成沉淀并滞 留在湿地 中。表 l和 2中 5种湿地的出水浓度分别为湿地排水 出流中水体 全氮和全磷 的平均浓度。经湿地净化后 。 人工湿地 出水中 N、 P营养物质 的浓度均显著降低 。营养物 质 的去除率= ( C 0 一 C t ) C 0 x 1 0 0 ， 式 中 C 0为湿地 进水 13水体营养物质浓度( m g 1 ) C t 为湿地 出水 口 水体营养物质浓度 ( m ) 。经计算 ， 5种湿地对水 体 全 氮 的 平 均 去 除 率 分 别 为 4 2 2 、 5 0 4 、 6 1 5 、 5 2 0 和 6 3 5 ， 除 I 1 处理外 ， 其他处理对 全氮的去除率均达在 5 0 以上 5种湿地对全氮的 去除效果顺序是 2 f 回形水流湿地 。面积 1 5 7 x 8 0 m) I 3 ( 池塘水流湿地 。 面积 3 1 4 x 8 0 m) 1 I 1 ( 回 形水流湿地 。 面积 7 8 x 8 0 m) I 2 ( 池塘 水流湿地 ， 面积 2 3 5 x 8 0 m) I 1 ( 池 塘 水 流 湿 地 面积 1 5 7 8 0 m) ( 图 7 a ) 。5种湿地对水体全磷的去除率分别 为 5 4 6 、 6 O 1 、 6 4 8 、 6 1 9 和 6 8 2 ， 5种 湿 地 对全磷的去除率都在 5 0 以上 对全磷去除效果 顺序为 2 I 3 1 I 2 I 1 ( 图 7 b ) 。因此 。 从分 析的结果可以看出 回形水流湿地对营养物质 的 去除效果要好于池塘水流湿地。回形水流湿地 。 增 长径流在湿地 中的流动路程 延长排水历 时 降低 排水峰流量 ， 有利于 N、 P等污染物的持留。 相 同类 型湿地情况下 随着湿地 的配置面积增大 。 湿地对 N、 P的截留效果更明显。综合本研究的结果表明， 排水控制面积在 8 1 万 m 的试 验区 2对暗管 排水带出的 N、 P污染物的去除效果最优 ；湿地的 配置面积 比例在 1 3 左右。 l 0 0 8 0 堡6 0 墓 慧 4 0 I 1 I 2 I 3 I I 1 II 2 人工温地类 型 图 7 人工湿地对全氯 、磷的去除效果 b 全磷 ( 下转第 2 6页) 一 2 3一 一二 J一 吉林水利 辽西北风沙区不同农艺措施对播期土壤风蚀的影响 吕子超 2 0 1 5年 1 2月 3 结论 1 ) 播种前不同农艺措施对土壤输沙量具有较 大影响 其中输沙量最大的是旋耕地膜覆盖地 ， 其 次是旋耕无覆盖地 最小的是免耕无覆盖地。说明 在播种前地面留茬可有效 的减少土壤风蚀 2 ) 播种期不 同农 艺措施对土壤输沙量具有较 大影 响 其 中输沙量最大的是旋耕无覆盖 。 其次是 免耕无覆盖 。 输沙量最小的是旋耕地膜覆盖。此阶 段 旋耕地膜覆盖地 已经铺设地膜 地表被大面积 地膜覆盖 土壤抗风蚀能力有所增强 说 明在播种 期增加地表覆盖可有效的减少土壤风蚀 3 ) 苗期不同农艺措施对土壤输沙量具有较大 影响 ， 其中输沙量最大的是旋耕无覆盖 ， 其次是免 耕无覆盖 输沙量最小的是旋耕地膜覆盖 。此阶 段 玉米苗 已经大面积覆盖地表 土壤抗风蚀能力 已经 明显增强 说 明在苗期增加地表覆盖依然可 有效的减少土壤风蚀。口 参考文献 ： 【 l 】 陈渭南 ， 董 光荣 ， 董 治宝 中国北方土壤 风蚀 问题研 究的进展 与 趋势【 J J 地球科 学进展 ， 1 9 9 4， 9 ( 5 ) ： 6 1 2 【 2 朱朝云 ， 丁 国栋 ， 杨明远 风沙物理 学【 M】 北京 ： 中国林业 出版社 ， 1 9 9 2 【 3 Z o b e e k T M， F r y r e a r D W C h e mi c a l a n d p h y s i c al c h a r a c t e ri s t i c s o f w i n d b l o w n s e d i m e n t I Q u a n t i t i e s a n d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s J T r a n s a c t i o n s o f t h eAS A E， 2 9 ( 4) ： 1 0 3 2 - 1 0 3 6 【 4 S a x t o n K， C h a n d l e r D， S t c t e r J e t a1Wi n d c r o s i o n a n d f u g i - t i v e d u s t fl u x e S o n a g r i c u l t u r al l a n d s i n t h e P a c i fi c N o r t h - w e s t J A m e r i c a n S o c i e t y o f Ag r i c u l t u r a l E n g i n e e r s ， 2 0 0 0 ， 4 3 ( 3 ) ： 6 2 3 6 3 O 一 4 0 0 Ef f e c t O f Li a o n i ng No r t hwe s t Di f f e r e nt Ag r i c ul t ur a l M e a s ur e s o n So i l Er o s i o n s o wi ng Lu Zi c h a o Ab s t r a c t ： I n S o i l e r o s i o n t e s t a r e a o f f a r ml a n d， t h e u s e o f h o me ma d e i n s t r u me n t s me a s u rin g d u s t c o l l e c t i o n c a s e S o i l e r o s i o n u n d e r d i f f e r e n t a g r o n o mi c me a s u r e s T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t ： t h e l a r g e s t a mo u n t o f s e d i me n t i s n o Ro t a r y c o v e r a g e ， l l o w e d b y t i l l a g e wi t h o u t c o v e r a g e； t h e s ma l l e s t i s t h e r o t a r y mu l c h i n g Ke y wor ds： S o i l ； di f f e r e nt a g r o n o mi c me a s u r e s； S e d i me n t l o a d 3 结论 通过以上试验分析 暗管排水经排水沟道进 行 了初次净化 。 进入人工湿地 ； 在 回形水流湿地 ， 水力停 留时间在 3 5天 ， 排水 中氮 、 磷等污染物 经湿地 中植物吸收、底泥的吸附和截 留、根区反 应、 微生物降解等途径净化 。 最终减少进入下游水 体的污染负荷 排水沟+ 回形水流湿地对暗管排水 中的氮去除率平 均值为 7 2 对全磷 的去除率平 均值为 6 6 。口 参考文献： 【 1 】 王荣 华 ， 王书 生 暗管排 水 工程 的效 果与 施工 J 新农 业 ， 1 9 9 7 ( 2 ) ： 4 8 2 】 雷璇 ， 蒋卫 国， 潘荚姿 ， 王文杰 湿地规 划环境 影响评价的研 究现 状及 发展趋 势 J 】 世 界林业研 究， 2 0 1 2 ( 0 6 ) 【 3 高辉巧 ， 牛光辉 郑 州市郑 东新 区生态湿地规 划及 生物 多样性 保 护研 究【J 】 华北水利水 电学院学报 ， 2 0 0 8 ( 0 5 ) 4 】 黄金 国， 郭志永 鄱阳湖湿地生物 多样性及其保护对策叽 水土保 持研 究， 2 0 0 7 ( O 1 ) 【 5 邵孝侯 ， 刘 才良， 俞双 恩， 等 暗管排 水对滨海新 垦区土壤 盐分动 态的影响及脱盐效果 J 1 河海大学学报 。 1 9 9 5， 2 3 ( 2 ) ： 8 8 9 3 Ana l y s i s o f En v i r o n me n t a l Effe c t s o f we t l a n d wi t h s ub s u r f a c e dr a i na g e W a n g Xu Abs t r a c t ： Th r o u g h i nd o o r a r t i fic i a l we t l a nd s t e s t s a n d fie l d we t l a n d t ria l s ， T hi s p a p e r a n aly z e s t h e e n v i r o n me n t a l e f f e c t s o f s u b s u r f a c e d r a i n a g e u n d e r t h e a rti fic i al w e t l a n d s T h e r e s u l t s s h o w t h a t ： 1 ， i n t h e i n d o o r a r t i fi c i a l w e t l a n d s t r i a l s ， i n a d d i t i o n t o b a c k s h a p e d w a t e r p o n d wa t e r we t l a n d s T N r e j e c t i o n r a t e o f o n l y b e y o n d 3 3 t h e t w o t y p e s o f w e t l a n d s f o r n i t r o g e n a n d p h o s p h o rus r e t e n t i o n e f fic i e n c y a b o v e 5 0 a n d we t l a n d s i n t e r c e p t i o n o f a g r i c u l t ur a l p o l l u t a n t s i s mo r e o b v i o us ； 2， i n t he fie l d o f we t l a nd t e s t ， t h e a v e r a g e r e mo v al r a t e o f fiv e k i n d s o f we t l a n d s o n w a t e r T N we r e 4 2 2 ， 5 O 4 ， 6 1 5 ， 5 2 O a n d 6 3 5 ， fi v e k i n d s o f we t l a n d s o n wa t e r t o t al p h o s p h o r u s r e mo v a l r a t e wa s 5 4 6 。 6 0 1 ， 6 4 8 ， 6 1 9 a n d 6 8 2 ， fi v e k i n d s o f we t l a n d s for t o t a l p h o s p h o rus r e mo v al r a t e a b o v e 5 O T h r o u g h c o mp r e h e n s i v e a n aly s i s ， u n d e r s u b s u r f a c e d r a i n a g e ， we t l a n d i d e a s e f f i c i e n c y o f ni t r o g e n a n d p ho s p ho ru s a r e h i g h， he l p p r o t e c t t h e e n v i r o n me n t Ke y wo r d s ： s u b s u rf a c e d r a i n a g e； we t l a n d： E n v i r o n me n t a l E f f e c t s 一 2 6