哈尔滨松北湿地对农业非点源污染截留和去除效应研究

哈尔滨松北湿地对农业非点源污染截留和去除效应研究王忠良;陈丹娃;王树力【摘要】哈尔滨松北湿地位于松花江北岸,属于典型的农田与地表水体中间缓冲地带,通过选取有代表性的地点进行监测试验,运用SCS模型和溶解态氮磷污染负荷模型进行径流量和污染负荷估算,并进行相关数据的实验和分析,结果表明:(1)哈尔滨松北湿地地表径流中非点源污染负荷:TN的平均浓度11.56 mg/L、NO3--N平均浓度3.68 mg/L、NH4--N平均浓度2.02 mg/L、TP平均浓度0.99 mg/L;(2)降雨径流形成初期,TN、硝态氮、氨氮的浓度较高,1个小时后,浓度开始下降.TN峰值出现在径流形成后55 min,TP峰值出现在径流形成25 min,呈波浪型下降;(3)降雨两日后湿地水体中的TN、NO3--N、NH4+-N、TP浓度均有大幅度的下降,且浓度均低于农田径流中污染物的浓度,其中,TN减少了74.22％、NO3-N减少了50.38％、NH4+-N减少了77.94％、TP减少了17.91％.说明松北湿地对农业非点源污染物有很好的截留和去除效果.【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】3页(P844-846)【关键词】哈尔滨;湿地;农业非点源;污染负荷;去除效应【作者】王忠良;陈丹娃;王树力【作者单位】东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨师范大学,黑龙江哈尔滨150025;哈尔滨师范大学,黑龙江哈尔滨150025;东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040【正文语种】中文【中图分类】S181.3湿地作为降雨径流和农田排水的最初汇集地，通过增加径流下渗量、延长径流流速、增加停留时间等，可以更有效的将污染物滞留在湿地系统内，并将其降解、转化，从而减少进入受纳水体的污染物负荷量［1－2］。

农业非点源污染最终主要以雨水径流的形式产生。

农田地表降雨产流过程是非点源污染过程中的一个非常重要的环节，但是量化地表径流量是件非常困难的事情，从开始降雨到形成地表径流进入地表水体，中间环节较多，受到影响的条件比较复杂［3－4］。

哈尔滨松北湿地位于松花江北岸哈尔滨段农田与地表水体松花江中间，是农田和地表水体中间的缓冲地带。

通过选取有代表性的地点进行监测试验，并进行相关数据的实验和分析，旨在搞清楚哈尔滨松北湿地对农业非点源的截留和去除效应，为进一步控制揭示农田非点源污染与松花江水环境的关系提供科学依据。

1 实验方法1.1 径流量和非点源污染负荷的确定为确定某次典型降雨流入湿地的量，即湿地对径流的截留能力，以2013年5月29日为典型降雨日，确定此次降雨径流汇入湿地的量。

降雨于2013年5月29日约13:25开始，降雨强度较大，属中到大雨，13:35产流，约14:20降雨强度变小，14:39转为细雨状态，15:49降雨基本停止，历时2小时24分钟。

降雨结束后，现场分别称量出两处农田实验区的2个汇水收集池内的径流量，根据1 m×5 m实验小区的径流收集量，估算出2块农田实验区在此次降雨中产生的径流量。

因为两处农田实验地块特性变化不大，而且每个实验小区一次降雨产流量也不是很大，所以，该实验采用产生的2个收集池的径流水样混合后所得的浓度作为平均浓度计算，现场取部分农田径流样与湿地水样一并送至哈尔滨市环境监测中心站。

对降雨径流过程的研究，大多是以水文学为基础，重点研究作为非点源污染动力的径流的产流汇流特性［5－7］。

在非点源污染研究中，重点考虑产流条件的空间差异，有助于深刻揭示农业非点源污染的形成。

代表性的有美国水土保持局提出的SCS模型，该模型综合考虑了流域降雨、土壤类型、土地利用方式及管理水平，前期土壤湿润状况(AMC)与径流间的关系，建立了产流计算公式［8－9］:按渗水性把土壤分为4类，计算每次降雨(P)的径流量(Q)，即式中P为降雨量(mm);R为径流(mm);S为流域最大滞蓄量(mm)。

流域最大滞蓄量由下式计算:式中CN为径流曲线值，与土壤渗水性、植被、不透水层比例和土壤含水量等因素有关，一般为60～98，CN值越高，其S值越小。

此法曾在美国广泛应用，国内也有介绍和应用。

实际使用时，根据流域的上述特征，查标准CN值表，求出流域的平均CN值，即可由降雨量P计算产流量Q。

SCS模型的汇流计算是采用一条统一的无因次单位线。

通过计算，将无因次单位线转化为D时段单位线。

再根据产流公式和累积降雨过程计算出每一时段D的径流量，与单位线的纵坐标相乘，按叠加原理即得出径流过程。

由于考虑了下垫面(土壤、植被、人类活动等)性质对产流的影响，被广泛用于非点源污染的研究。

1.2 对降雨径流中污染物的去除效果的研究该实验时间是2008年5月末，正值黑龙江省地区春耕后播种完，农作物未出苗的大量施肥时期，故径流中的污染物浓度较同类研究结果稍高。

混合后的径流各污染物浓度全部超过地表水环境质量(GB3838－2002)Ⅲ类标准，其中最严重的是TN。

农田径流如不经过湿地处理直接排入受纳水体必将对水体产生严重污染。

本次降雨过程选取Ⅱ号农田地块作为实验区，监测了2013年5月29日的一次降雨全过程中总氮和总磷的浓度变化情况，本次降雨历时2小时24 min，每隔10 min取一次样，共计13次。

溶解态氮磷污染负荷估算参照王晓燕等的研究，输出负荷模型为［10－12］:式中DLkt为溶解态污染物负荷(kg/mh);DCkt为径流溶解态污染物浓度(mg/L);Qkt为年径流量(mm);TDkt为迁移系数(表示溶解态污染物从地面向流域出口迁移的百分比，此处仅探讨可溶态污染物的空间分异，不考虑其迁移过程中的变化与转化)。

式中除已求得的流域年径流量Q外，只有径流溶解态N、P浓度DCkt一个未知数。

2 结果与分析2.1 哈尔滨松北湿地的降雨径流非点源污染负荷农田的施肥量和施肥时间对非点源污染负荷有重要影响。

除了农田的施肥状况对非点源污染负荷有重要影响外，农业非点源污染的发生伴随流域暴雨过程产生，丰水年污染负荷较大，枯水年相对较小，污染负荷主要集中在年内的暴雨期。

径流量大小取决于降雨量、降雨强度、降雨历时、流域下渗和蓄水特征等因素。

降雨径流过程的研究，大多以水文学为基础，重点研究农业非点源污染的产流、汇流特性。

农田实验区径流量的具体采样结果见表1。

那么，假设实验区产生的径流总量为Qi，污染物平均浓度为Ui，可据此换算出实验区产生的污染物总量Wi，即湿地对农田实验区地块本次降雨随径流进入湿地的污染物的量，亦即湿地对二农田实验区的污染物的截留量。

降雨停止后，Ⅰ号地块二处1 m×5 m实验小区收集到的径流总量为6 100 ml，面积约3 000 m2，共产生径流总量1 830 L，TN 的平均浓度 10.95 mg/L、NO3－-N 平均浓度 3.18 mg/L、NH4+-N 平均浓度 2.08 mg/L、TP 平均浓度0.90 mg/L，则总计产生 TN 20.04 g、NO3－-N 5.82 g、NH4+-N 3.81 g、TP1.65 g;Ⅱ号地块两处1 m×5 m实验小区收集到的径流D总量4 800 ml，面积约8 500 m2，共产生径流总量为4 080 L，平均浓度 TN 12.33 mg/L、NO3－-N 4.32 mg/L、NH4+-N3.21 mg/L、TP 1.11 mg/L，总计产生 TN 为 50.31 g、NO3－-N 17.63 g、NH4+-N 13.10 g、TP4.53 g。

表1 农田实验区径流量污染物浓度 mg/L注:①、②分别表示①号和②号收集池。

污染物Ⅰ号实验地块Ⅱ号实验地块Ⅰ、Ⅱ号实验地采样混合后平均径流量∥① ② ① ②ml 3000 3100 2500 2300 10 900 TN 9.19 12.65 11.84 12.86 11.54 NO3－-N 2.73 3.61 3.63 5.07 3.68 NH4+-N 1.97 2.19 2.58 3.89 2.02 TP 1.01 0.79 0.917 1.32 0.99Ⅰ号和Ⅱ号地块样本混合后，径流量总量10 900 L，平均浓度 TN 11.54 mg/L、NO3－-N 3.68 mg/L、NH4+-N 2.02 mg/L、TP 0.99 mg/L。

降雨停止后，根据收集到的径流量和农田实验区的面积相乘，估算出整个实验区地块的径流量，再根据测得的污染物的浓度，与径流量相乘，得到农田实验区地块产生的污染物的总质量。

利用以上方法可以估算出某次降雨松北湿地对周围汇水面积内产生的污染物的总截留量。

但松北湿地属于河漫滩湿地，面积较大，为88 km2，汇水面积相应的大，实地测量可行性很小，需借助3S手段作为技术支持，且松北湿地距离村庄较近，地形受人为影响较大。

由于受实验条件和手段所限，该实验无法确定松北湿地的汇水面积，进而没能对整片湿地此次降雨的总结流量进行估算。

但通过以上实验方法对实验区进行长期的跟踪监测可以较为准确的估算出在一年内松北湿地对周围农田产生的非点源污染物的截留量。

2.2 哈尔滨松北湿地对降雨径流中污染物的去除效果通过对降雨径流过程的监测和模型分析发现，湿地对周围农田地块氮、磷的截留量和截留率与农田的施肥水平、湿地植物种类和生长情况、湿地蓄水量、湿地面积和降雨强度都密切相关［13－15］。

降雨径流形成初期，TN、硝态氮、氨氮的浓度较高，1 h后，浓度开始下降。

TN峰值出现在径流形成后55 min;TP峰值出现在径流形成后25 min，之后呈波浪型下降。

径流输出浓度随时间变化(图1、2)。

由图1可见，农田地块总氮初始浓度为10.23 mg/L，在降雨径流产流后约50 min，总氮输出浓度达到最大值15.81 mg/L，之后成波浪形变化，总体呈下降趋势，到降雨快要结束时，总氮的输出浓度已降至6.87 mg/L。

由图2可见，农田地块总磷初始浓度为0.88 mg/L，产流约20 min后，总磷输出浓度达到最大值1.14 mg/L，之后呈波浪形下降趋势变化，降雨径流停止后，总磷的输出浓度为0.28 mg/L，较径流刚刚产生时浓度降低显著。

图1 降雨径流过程总氮浓度变化图2 降雨径流过程总磷浓度变化降雨停止后对湿地水体进行了采样和监测，发现降雨刚刚停止后湿地水体污染物浓度高于降雨径流中污染物的浓度，分析其原因，可能有一下几个方面:①5月份为哈尔滨的春雨期，降雨频繁。

5月29日之前的1周左右小雨不断，进入湿地中的污染物未来得及处理，部分存留与本次降雨径流混合;②实验区局部的农田化肥施用量较其他农田少;③除了农田径流排入湿地内，松北湿地周围村庄的家禽饲养产生的非点源污染随降雨径流进入湿地系统。