宁夏引黄灌区典型排域农田退水污染物时空变化规律研究

马秀霞，仝炳伟，陆 阳，王 乐

（宁夏水利科学研究院灌溉排水研究室,宁夏 银川 750021）

0 引言

宁夏作为全国十大商品粮基地之一,担负着稳定区域粮食安全的任务,对保障我国粮食安全具有重要战略意义[1]。农业作为宁夏的主导产业[2],对全区经济发展起着关键作用,伴随着区内种养殖业的快速发展,过量施用氮肥和不合理灌溉方式引起氮素流失[3-4],导致水体富营养化[5-6],引发水生态、水安全等一系列问题[7-8]。2020 年6 月,习总书记在宁夏视察时提出宁夏要努力建设黄河流域生态保护和高质量发展先行区,改善宁夏全区环境质量对推进黄河流域高质量发展、维护西北乃至全国生态安全至关重要[9]。因此掌握流域的污染负荷具有重要意义,河流污染物通量能直观反映单位时间内研究断面以上流域的污染负荷总量,表征了流域污染物的产输特征,是制定流域污染总量控制规划及措施的基础[10-11]。本文以宁夏引黄灌区第六排水沟排域为研究对象,通过对沟道内的水质取样监测,掌握沟道污染物时空变化规律,从而为灌区排水沟水环境治理提供支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

宁夏引黄灌区位于黄河上游下河沿——石嘴山两水文站之间,沿黄河两岸地形呈“J”型带状分布。总面积6573 m2,其中耕地面积22 万hm2,灌溉面积21 万hm2,以青铜峡水利枢纽为界,将其分割为上游的卫宁灌区和下游的青铜峡灌区。本文选取引黄灌区第六排水干沟为研究对象,开展第六排水沟排域干沟及主要支沟农业种植氨氮污染负荷时空变化特征及其发展规律研究,以期为引黄灌区排水沟水环境治理提供支撑。

第六排水沟地处青铜峡河西灌区下游,始于宁夏平罗县头闸镇邵家桥村,走向基本在昌润渠与昌滂渠之间,经头闸、灵沙和宝丰三乡镇,并在宝丰镇的马家桥（农场渠口以上）穿昌润渠与农场渠平行,向北经宁夏石嘴山市惠农区庙台乡在乐土岭子以下入五排。全长28.71 km,平罗段长19.7 km。控制排水面积1.3 万hm2,其中平罗段0.54 万hm2,平、惠交界处设计流量为3.42 m3/s。

1.2 数据来源

在第六排水沟选取4 个典型控制断面（见图1）,对典型断面的水质进行监测。排水沟水样采集时间跨度为灌区头水至冬灌结束；作物灌溉期每灌溉1 次需采集一次排水沟沟道水样；作物全生育期采集水样4 次～5 次；灌溉高峰期加测1次～2 次,春灌及冬灌加测1 次。取样时在排水沟断面水面以下1/3 处进行采集,采集水样位点距离排水沟岸边2/4 和3/4处,分别各取一个水样,每个水样1 L。水样若非当天测试,置于冰柜中保存待测。

图1 第六排水沟排域及监测点

图2 第六排水沟主要控制断面排水流量变化过程线

结合面源污染相关研究,本文选取了铵态氮、硝态氮、总氮和总磷四项指标进行研究。铵态氮采用靛酚蓝法,硝态氮采用硝态氮酚二磺酸分光光度法,总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法,总磷采用钼酸铵分光光度法[12-13]。

流量数据来源于当地水文局实测值。

1.3 污染物通量计算方法

河流污染物通量指断面在一定时间内某种污染物的通过量,它可分为瞬时通量和时段通量[14-16]。本文采用时段通量计算通过第六排水沟各控制断面的污染物,计算公式如下：

式中：WD为时段通量；Ci为瞬时浓度,mg/L；Qi为瞬时流量,m3/s；K 为估算时间段转化系数；n 为估算时段内样品数量。

2 结果与分析

2.1 第六排水沟排水量年内动态变化特征

第六排水沟逐日流量过程线大致反映了第六排水沟排域内灌区的灌溉规律,作为灌溉的后续水运动过程,排水过程与排域内灌水过程具有很好的一致性,排水主要集中在灌水高峰期。年内主要控制断面流量过程呈现多峰特征：5 月～8 月（春夏灌期）,这一时期是灌区农作物生长期,也是农田灌溉期,灌溉、施肥等农事活动频繁；由于整个排域作物种植结构复杂,农田灌溉时段分散且持续时间长,因此第2 个峰形较为矮胖且退水过程具有明显的滞后性；9 月～10 月,随着灌区灌水期结束,这个排水沟几乎无流量；10 月～11 月（冬灌期）由于冬灌仅为一次灌溉过程,灌溉历时较短,且以大水漫灌为主,所以退水过程峰形尖瘦,而末端控制断面的排水流量过程线出现两个峰值,这是由于马家桥至六排末端之间存在排水沟取水泵站取水的结果。

各控制断面流量变化过程具体表现为：上游裕民控制断面5 月～8 月出现两个峰值第1 个峰值出现在6 月中旬,第2 个峰值出现在7 月下旬,由于该断面处于第六排水沟上游,控制排域面积较小,断面排水流量也较小,两个峰值分别为0.081 m3/s 和0.099 m3/s；10 月～11 月断面排水流量更小,排水流量过程线几乎无变化。中游控制断面灵沙和马家桥的排水流量过程线基本一致,5 月～8 月出现两个峰值,其中灵沙控制断面的排水流量为最大0.348 m3/s,第一个峰形尖瘦,第2 个蜂形较为矮胖,这是由于整个排域农田灌溉时段分散且持续时间长所致；10 月～11 月出现一个峰值,峰值出现的最大控制断面为马家桥控制断面峰值为0.344 m3/s。六排末端控制断面的排水流量过程线6 月中旬～8 月底均低于上游马家桥的排水流量过程线,主要是排水沟沿途有多处取水泵从沟中取用水的结果。

2.2 第六排水沟排水质年内动态变化规律

对比分析第六排水沟上下游控制断面污染物浓度（见图3）,水体中污染物浓度变化与径流量的关系比较密切,呈现出一定的季节性变化,6 月份TN 浓度最大,且峰值早于流量峰值。各监测断面污染物随时间持续表现出增大一减小一增大的趋势。作物在种植前会施用大量的氮肥和磷肥作为底肥,5 月～6 月为作物的生长期,为了增产还会进行追肥,导致6 月份沟道内水体中污染物浓度增大；7 月～8 月灌溉期,随着农田退水和降水对沟道内污染物的稀释和沟道内植物吸收消解作用[16-17],污染物浓度减小；9 月灌区停止灌溉,排水量大幅减少,农田流失的各类污染物减少,沟道内水体中污染物浓度减少；11 月由于冬灌以及水生植物枯萎腐烂,植物体内氮磷等污染物释放进入水体和沟道底泥中,致使污染物浓度又上什。

图3 六排各控制断面污染物浓度的变化特征

上游裕民、灵沙和马家桥三个控制断面排水中TN 浓度在6 月12 日左右出现一次峰值,六排末端控制断面TN 浓度峰值出现在7 月2 日,较上游时间有所延迟；6 月～7 月初所有断面TN 浓度值均超过2 mg/L,均属超Ⅴ类水；7 月～9 月TN 浓度值在0.186 mg/L～0.984 mg/L 之间,属于Ⅱ-Ⅳ类水。

NO3--N 浓度在各断面的峰值出现在7 月初,NH4+-N和TP 浓度变化过程比较相似,相同时间段上下游控制断面NH4+-N 和TP 浓度差值不显著,这与农田灌水周期和施肥密切相关；NH4+-N 浓度值0.084 mg/L～1.236 mg/L 之间,属于Ⅱ-Ⅳ类水,TP 浓度0.005 mg/L～0.954 mg/L 之间。10 月～11 月,裕民控制断面无流量,灵沙、马家桥和六排末端断面处NO3--N和TN 浓度远远低于5 月～9 月的；灵沙、马家桥断面处NH4+-N 和TP 浓度变化特征的相似,浓度逐渐升高而后降低。

2.3 各控制断面污染物通量变化特征

第六排水沟各控制断面的污染物通量见图4,其中TN 是排水沟排放量最大的污染物,其次是NO3--N,第三是NH4+-N,最后是TP。从上游裕民、灵沙、马家桥至下游六排末端监测段面的TN 和TP 年通量表现为逐步累积,但NO3--N 和NH4+-N 通量六排末端断面较上游断面马家桥处有所降低,主要原因由于马家桥至六排末端断面之间存在沟水回灌农田导致流速放缓,沟内植物及沟底底泥吸收部分污染物[18]。

图4 第六排水沟各控制断面的污染物通量

6 月～8 月灌溉期各污染通量占年通量比例在70%以上,这是由于污染通量受污染物浓度和径流影响,随着农田灌水、施肥增加最大值出现在7 月份。冬灌期六排末端控制断面TP 月通量突然上升,这是由于灌溉期停水后,排水沟流量逐渐减少为零,但沟内仍存留一定量的水,加之沟内水生植物腐烂和生活污水及养殖渗漏的等磷含量比较高污水长期滞留在沟内,随着冬灌农田排水增加,上游污水冲向下游,致使通过末端控制断面总磷月通量的大幅增加。

3 结论

（1）第六排水沟排水流量过程与排域内灌水过程具有很好的一致性,灌溉期农田灌溉时段分散且持续时间长,这一时期第六排水沟年内主要控制断面流量过程呈现多峰特征；冬灌期仅有一次灌溉过程,灌溉历时较短,且以大水漫灌为主,退水过程峰形尖瘦。

（2）水体中污染物浓度均表现出一定的季节性变化,第六排水沟上下游控制断面污染物浓度的变化特征表现为各控制断面排水中的TN 浓度在6 月中旬达到最大值,下游控制断面TN 浓度的出现峰值时间较上游断面有所延后；各断面处NO3--N 浓度的峰值出现在7 月初,NH4+-N 和TP 浓度变化过程比较相似,相同时间上下游控制断面NH4+-N 和TP 浓度差值不显著,冬灌期（10 月～11 月）,裕民控制断面无流量,灵沙、马家桥和六排末端断面处污染物浓度远远低于5 月～9 月。

（3）第六排水沟上下游各控制断面TN 和TP 通量表现一致：从上游裕民、至下游六排末端断逐渐增大,NH4+-N 和NO3--N 也从上游至下游表现为逐步增加,但末端断面的通量较上游马家桥断面有所降低,主要原因是马家桥至六排末端断面之间沟内存在取水泵站抽水灌溉以及流速放缓被沟底淤泥吸收。

（4）第六排水沟排放量最大的污染物是TN,其次是NO3--N,第三是NH4+-N,最后是TP,建议相关部门根据作物的目标产量和土壤的供氮能力,确定氮肥的合理用量,并且合理掌握底肥、追肥比例及施用时期,并与灌溉、耕作等农艺措施相结合,减少氮元素的流失。