農(nóng)業(yè)排水溝塘系統(tǒng)污染物去除監(jiān)測區(qū)代表性分析

賈忠華，陳 誠，羅 紈，孫少江，鄒家榮，巫 旺，張志秀，朱衛(wèi)彬

0 引 言

農(nóng)業(yè)排水溝塘系統(tǒng)作為一種天然生態(tài)緩沖帶，可去除農(nóng)田排水中攜帶的化肥、農(nóng)藥等污染物，是農(nóng)業(yè)區(qū)一種不可替代的生態(tài)環(huán)境資源[1-5]。國內(nèi)外現(xiàn)有研究得到的污染物去除效果差別很大，相對去除率最低的只有 10%左右，而最高的高達(dá)100%[6-7]；與之相應(yīng)的緩沖區(qū)與農(nóng)田面積合理的配置比少則1%～2%[8-9]，多則5%～7%[10-13]。這種差異在一定程度上會造成對溝塘功能認(rèn)識上的混亂，影響對其環(huán)境價值的認(rèn)可。造成上述現(xiàn)象的原因很多，除了一些客觀條件，一個不能忽視的主觀因素是評價系統(tǒng)的數(shù)據(jù)代表性問題。這是由于溝塘的排水功能要求決定了它們必須與農(nóng)田交錯分布，農(nóng)田排水逐級、多點(diǎn)地進(jìn)入和排出溝塘系統(tǒng)，一般不存在單一的“出口→入口”關(guān)系。對于這樣的系統(tǒng)，難以直接進(jìn)行水力和水質(zhì)監(jiān)測[14-18]。此外，若對所有溝塘單元長期進(jìn)行監(jiān)測，勢必會消耗大量的人力和財力，在實際研究過程中并不是最經(jīng)濟(jì)的選擇[19-20]。因此，一般通過設(shè)立監(jiān)測區(qū)，利用局部監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)來推求系統(tǒng)的整體表現(xiàn)[21-24]。由于溝塘水力關(guān)系和分布的復(fù)雜性造成了不同溝塘單元在污染物去除能力上的差異[25]，選取不同監(jiān)測區(qū)就可能會得到不同的結(jié)果。因此，如何在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，選擇最具有代表性的局部監(jiān)測區(qū)就成為正確評價系統(tǒng)表現(xiàn)的1個關(guān)鍵問題。Griffiths等[26]分析了某人工設(shè)計的濕地系統(tǒng)對城市雨洪中的污染物去除效果。Ma等[27]研究了某天然的農(nóng)田溝塘系統(tǒng)對氮磷污染物的削減效果，并選取了4個監(jiān)測點(diǎn)持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。Zhang等[28]分別設(shè)置了具有不同分布的排水溝系統(tǒng)，研究排水溝分布對總氮、氨氮和硝氮的削減效果，但對每一個系統(tǒng)僅在出口處進(jìn)行監(jiān)測。上述研究在選取監(jiān)測區(qū)時均未考慮其代表性的問題，并存在一定的隨機(jī)性。本文以江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)昭關(guān)灌區(qū)試驗站的溝塘系統(tǒng)作為研究區(qū)，基于對于溝塘內(nèi)部污染物動態(tài)變化的前期研究[25]，通過比較局部監(jiān)測區(qū)以及整個溝塘系統(tǒng)對污染物的去除情況，研究了監(jiān)測區(qū)代表性的問題；探討了復(fù)雜情況下的監(jiān)測區(qū)選擇原則及方法，以期為正確評價溝塘系統(tǒng)的污染物去除能力提出經(jīng)濟(jì)合理的監(jiān)測方案。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于于江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)內(nèi)京杭大運(yùn)河?xùn)|側(cè)的昭關(guān)灌區(qū)（119°25?E、32°22?N），其溝塘系統(tǒng)分布的詳細(xì)情況可參考文獻(xiàn)[25]。圖1顯示了研究區(qū)農(nóng)田與溝塘的分布及水力聯(lián)系，表 1列出了不同類型溝塘的面積：農(nóng)田總面積5.61 hm2，溝塘面積合計0.80 hm2，與農(nóng)田面積的比例為14.3%。研究區(qū)溝塘分布特征如下

圖1 研究區(qū)溝塘系統(tǒng)分布、排水分區(qū)情況及監(jiān)測點(diǎn)位置Fig.1 Distribution of ditch-pond system, drainage zoning and monitoring unit locations in study area

表1 研究區(qū)溝塘類型、數(shù)量及面積統(tǒng)計Table 1 Type, number and area of ditches and ponds in study area

1）研究區(qū)的溝塘可以分成3種類型：寬度為1 m左右的農(nóng)溝，寬度為8~10 m的支溝，以及形狀為不規(guī)則多邊形的池塘。該溝塘系統(tǒng)由18個單元組成，包括：10條農(nóng)溝（0.09 hm2，占總面積的12%）、6條較寬（8～10 m）的排水支溝（0.48 hm2，占總面積的60%）、以及2個池塘（0.23 hm2，占總面積的28%）；

2）研究區(qū)分為3個排水分區(qū)，其中大部分農(nóng)田經(jīng)過上游的農(nóng)溝系統(tǒng)匯集后排入左上角的池塘，下游小部分農(nóng)田的排水直接排入了池塘。表1中列出了3個排水支路上的溝塘分布，其中位于上部的支路1包含16個單元，占58%的溝塘面積以及79%的農(nóng)田面積；下部支路2和3都只包括1個單元，其中支路2占22%的溝塘面積和2%的農(nóng)田面積；支路3占20%的溝塘面積和19%的農(nóng)田面積。整個溝塘系統(tǒng)中，支路1流程較長，包括6個階段；其余 2個支路的流程很短，都未經(jīng)過農(nóng)溝而直接排入池塘和支溝；

3）研究區(qū)排水系統(tǒng)布置規(guī)則，其中支溝寬度較大的原因一方面是其鄰近農(nóng)田邊緣，另一方面是從中蓄水可以在干旱時段用于灌溉；池塘則是原來較大水面的殘存區(qū)域，成為匯集排水的結(jié)點(diǎn)。

圖 1所示的這種農(nóng)溝呈網(wǎng)格狀分布、溝塘單元與農(nóng)田交錯、不均勻分布的農(nóng)田溝塘排水系統(tǒng)在昭關(guān)灌區(qū)較為普遍，因而研究區(qū)具有較好的代表性。需要特別說明的是，研究區(qū)雖然包括了1 hm2農(nóng)業(yè)水利試驗站用地，但是排灌系統(tǒng)以及溝塘并沒有經(jīng)過任何改造，與當(dāng)?shù)仄渌麉^(qū)域沒有差別。盡管目前上述較大溝塘保持了相對穩(wěn)定的水面面積，但是在未來農(nóng)業(yè)發(fā)展中，有可能被進(jìn)一步擠占。因此，及時對其生態(tài)環(huán)境功能進(jìn)行客觀評價十分重要。

1.2 針對不同表征指標(biāo)的的代表性分析

1.2.1 監(jiān)測區(qū)代表性指標(biāo)

與監(jiān)測區(qū)數(shù)據(jù)代表性密切相關(guān)的 1個問題是評價系統(tǒng)所采用的標(biāo)準(zhǔn)，即用來表征污染物去除效果的指標(biāo)。這是由于在實際工作和研究中，根據(jù)目的和需求的不同，可能采取不同的污染物去除表征指標(biāo)。通常可以分成以下2類：

1）相對去除指標(biāo)[25,29-30]：表征指標(biāo)中最直接、最關(guān)鍵，同時也是最簡單的就是污染物去除率，即相對比例。由于去除率只是反映了污染物量的變化，而沒有考慮溝塘的具體情況，在一定程度上影響了這一指標(biāo)的移植性。但是它反映溝塘對污染物的真實表現(xiàn)，對于溝塘分布類似的農(nóng)業(yè)區(qū)具有很好的參考價值，是應(yīng)用最廣的指標(biāo)之一。

2）絕對去除指標(biāo)[31-33]：表征污染物去除能力的1個重要指標(biāo)是絕對去除量；如果考慮溝塘面積的影響，則可以用單位面積的去除量，即去除強(qiáng)度來代表。相對于去除率，去除強(qiáng)度可以更好地代表溝塘的去除能力，也具有更好的移植性，適于自然條件相近，但溝塘分布差別較大的地區(qū)。

對上述 2類指標(biāo)的計算有著不同的數(shù)據(jù)需求，有簡有繁、有易有難。計算去除率需要監(jiān)測水質(zhì)和水力過程，而計算去除強(qiáng)度還需要確定溝塘面積，此處定義 2個相應(yīng)的代表性評價指標(biāo)。首先，將去除強(qiáng)度代表性指標(biāo)定義為監(jiān)測區(qū)（monitoring unit, MU）與整個系統(tǒng)對某一污染物去除強(qiáng)度的比值α，計算式為

式中mmu和M分別為監(jiān)測區(qū)和整個系統(tǒng)單位面積上對某一污染物的去除強(qiáng)度，M/L-2。

將去除率代表性指標(biāo)定義為監(jiān)測區(qū)與整個溝塘系統(tǒng)對污染物去除率的比值β，計算式為

式中ηmu和η分別為監(jiān)測區(qū)和整個系統(tǒng)對某一污染物的去除率。

由于研究區(qū)溝塘單元較多，本文借助于同一類型溝塘單元（如支溝、農(nóng)溝和池塘）的代表性評價指標(biāo)的平均值來進(jìn)行分析，計算式為

式中 αmean為去除強(qiáng)度比的平均值；αi為某一溝塘相對于系統(tǒng)的去除強(qiáng)度比；βmean為去除率比的平均值；βi為某一溝塘相對于系統(tǒng)的去除率比。

1.2.2 監(jiān)測區(qū)及整個溝塘系統(tǒng)污染物去除能力的評價方法

復(fù)雜溝塘系統(tǒng)內(nèi)不同水文單元對污染物的去除能力存在差別，確定整個系統(tǒng)或某一單元監(jiān)測區(qū)內(nèi)污染物濃度或質(zhì)量的變化，需要從系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮溝塘的分布及水力關(guān)系[25]。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然從污染物凈化過程來講，代表溝塘緩沖區(qū)大小的應(yīng)該是水體體積，但更多情況下，由于面積更易于統(tǒng)計，且農(nóng)業(yè)區(qū)溝塘內(nèi)水深變化不大，本文也采用了面積作為代表溝塘大小的依據(jù)[34-35]。

1）溝塘計算單元對污染物去除效果的評價方法

對于某一溝塘單元i，其入流流量qi及其中污染物初始濃度c0,i可以表示為

式中qf和 c0為農(nóng)田直接排入該單元的水量（L3/T）及濃度（M/L3），qk和ck為來自上游單元的流量（L3/T）和濃度（M/L3），N為上游單元的數(shù)量。

某單元的水力停留時間 Ti（T）（hydraulic retention time, HRT）

式中 Ai為計算單元的水面面積，L2，由此得到的水力停留時間的量綱為，T/L。

如果采用一級反應(yīng)動力學(xué)方程來描述污染物在溝塘水體內(nèi)的去除過程，通過計算單元后，污染物的濃度 ci（M/L3）

式中r為污染物的降解系數(shù)（又稱衰減系數(shù)），反映了污染物在水體中降解速度的快慢，量綱為L/T。

污染物的單位時間去除量Mi（M/T）可表示為

單位面積水面對污染物的去除強(qiáng)度mi（M/(T·L2)）可表示為

溝塘單元的去除率為

式中M0,i為進(jìn)入該單元i的污染物總量，根據(jù)下式進(jìn)行計算

2）整個溝塘系統(tǒng)對污染物去除效果的評價方法

對于溝塘系統(tǒng)整體而言，其污染物去除量和去除率可以對所有組成單元的作用求和得出：

式中I為溝塘單元總數(shù)。系統(tǒng)的去除強(qiáng)度

式中A為溝塘總面積，L2。系統(tǒng)的去除率

式中M0為初始污染物總量，M/T，其值為

式中Q為系統(tǒng)的總排水流量，L3/T，可以表示為

式中hi為排水徑流深，L/T；Aag為農(nóng)田面積，L2。

1.2.3 監(jiān)測區(qū)的評價方法

在得到各溝塘單元去除指標(biāo)以后，就可以計算比較不同監(jiān)測區(qū)的指標(biāo)。如果監(jiān)測區(qū)僅包括 1個溝塘單元，則可以直接采用計算結(jié)果；如果監(jiān)測區(qū)包括數(shù)個單元，則污染物總的去除量為

式中U為監(jiān)測區(qū)的溝塘單元數(shù)。

進(jìn)入監(jiān)測區(qū)的污染物總量（M0,mu）包括農(nóng)田直接排入的部分和上游進(jìn)入的部分，其計算式為

式中kc′和kq′為監(jiān)測區(qū)外匯入的流量和污染物濃度，J為監(jiān)測區(qū)上游溝塘單元的數(shù)量。

則上述監(jiān)測范圍污染物的去除率為

去除強(qiáng)度為

式中Amu為監(jiān)測區(qū)總的溝塘面積，L2，根據(jù)下式進(jìn)行計算

污染物降解系數(shù)是反映污染物在水體中被降解能力的重要參數(shù)，其變化會影響溝塘單元去除效果的計算值[25]。因此，本文采用了較為寬泛的降解系數(shù)取值（0.01～0.10 m/d），對不同降解能力的影響進(jìn)行了全面的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 局部監(jiān)測溝塘單元的代表性分析

表 2列出了污染物降解特性不同時，不同溝塘監(jiān)測單元的代表性指標(biāo)的計算結(jié)果。就整體而言，單個監(jiān)測單元對整個系統(tǒng)的代表性不好，去除強(qiáng)度比和去除率比2個指標(biāo)的計算值有一定差別。對所有單元的統(tǒng)計結(jié)果顯示，去除強(qiáng)度比α的平均值大于1，而去除率比β的平均值小于1。對于污染物降解系數(shù)適中的情形（r=0.05 m/d），α為1.54，而β為0.59（若不特別說明，全文數(shù)值均指平均值），表明與溝塘系統(tǒng)整體對污染物的去除效果相比，采用監(jiān)測單元值會導(dǎo)致對整個溝塘系統(tǒng)的污染物去除強(qiáng)度平均高估50%左右，對去除率則平均低估 40%左右。另外，某一單元監(jiān)測結(jié)果的代表性還會受到溝塘類型的影響；有些溝塘單元可能在某些方面較好地代表了整個系統(tǒng)，而在其他方面則代表性較差。例如，對于農(nóng)溝而言，當(dāng)污染物降解系數(shù)適中（0.05 m/d）時，去除強(qiáng)度比α平均為1.90，而去除率比值β卻只有0.29；表明若只監(jiān)測農(nóng)溝內(nèi)水質(zhì)變化，會導(dǎo)致對整個溝塘系統(tǒng)去除強(qiáng)度高估近 1倍，對于去除率則會被嚴(yán)重低估，不及系統(tǒng)值的1/3。對于水面較大的池塘亦存在這種現(xiàn)象，但對2個指標(biāo)的影響效果與農(nóng)溝相反，且差別略小一些。例如，降解系數(shù)為0.05 m/d，由池塘監(jiān)測區(qū)得到的污染物去除強(qiáng)度比α為0.64；而去除率比β為2.39，即去除強(qiáng)度被低估了36%，而去除率被高估了139%。與農(nóng)溝和池塘相比，支溝監(jiān)測的代表性總體更好，且一致性地略微偏高，2個指標(biāo)的平均值都為1.10（1.02～1.13）左右，即高估系統(tǒng)凈化能力10%。池塘除率比β在降解系數(shù)r為0.05時為0.94。

表2 污染物降解特性不同時，單個溝塘監(jiān)測區(qū)的代表性指標(biāo)計算結(jié)果Table 2 Calculation results of representative indices of single monitoring unit on condition that pollutant degradation properties differ

污染物降解能力越弱，監(jiān)測單元有關(guān)去除強(qiáng)度的代表性越好，但是污染物降解能力的加強(qiáng)對于不同類型溝塘的水質(zhì)凈化能力的影響不同。針對所有溝塘單元代表性指標(biāo)的統(tǒng)計顯示，降解系數(shù)越小，單元的代表性越好。例如，當(dāng)降解系數(shù)很?。?.01 m/d）時，計算出的所有溝塘單元的平均去除強(qiáng)度比α為1.19；當(dāng)降解系數(shù)增加到0.05和0.10 m/d時，α分別上升到1.54和1.85，說明對于降解迅速的污染物，根據(jù)溝塘單元監(jiān)測結(jié)果會更加高估整個溝塘系統(tǒng)的去污能力；降解性能對于去除率比 β的影響相對較小，在降解系數(shù)取值較低（0.01 m/d）、適中（0.05 m/d）和較高（0.10 m/d）的3種情況下，β分別為 0.69，0.59和 0.61，即對于降解性能不同的污染物，根據(jù)局部監(jiān)測結(jié)果低估整個系統(tǒng)去污能力的范圍維持在40%左右?？傊?，采用局部溝塘單元監(jiān)測的方法獲得的污染物去除強(qiáng)度大都高于系統(tǒng)平均值，而去除率則相反。這種似乎“反?！钡默F(xiàn)象是因為溝塘系統(tǒng)的整體表現(xiàn)更多地受到少數(shù)面積較大溝塘的影響。例如，當(dāng)降解系數(shù)適中（0.05 m/d）時，農(nóng)溝監(jiān)測獲得的α為1.90，此時支溝和池塘的α值分別為1.11和0.64，而所有單元的平均值為1.54。

溝塘單元的代表性還受到單元大小即水力停留時間的影響；其中面積較大的支溝和池塘獲得的 2個代表性指標(biāo)均優(yōu)于農(nóng)溝。表 3顯示，當(dāng)污染物降解系數(shù)取值分別為0.01、0.05和0.10 m/d時，2個系數(shù)指標(biāo)都與單元的水力停留時間有密切的關(guān)系：去除強(qiáng)度比 α與水力停留時間呈負(fù)相關(guān)，而去除率比 β則呈正相關(guān)關(guān)系，即水力停留時間越長，α值越小，β值則越大。從α和β值趨近1的程度來看，水力停留時間較長的單元代表性更好；農(nóng)溝單元因面積較小，水力停留時間太短，其去除強(qiáng)度和去除率代表性均很差，即α太大，β太小。支溝的去除強(qiáng)度以及去除率的代表性都比農(nóng)溝好；對于支路1，自上游到下游，處于系統(tǒng)中游的支溝能夠更好地代表整個溝塘系統(tǒng)對污染物的去除能力。池塘的代表性受到排水分區(qū)的影響較大，其中，池塘1（pd-1）由于匯流面積很小，水面面積卻很大，水力停留時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)值（比例為10），其代表系數(shù)受降解系數(shù)影響很大：降解系數(shù)很小時（0.01 m/d），α和β僅為0.44和1.09；當(dāng)降解系數(shù)達(dá)到0.10 m/d時，α和β進(jìn)一步分別降低到0.12和1.89。不同的是，水力停留時間與整個系統(tǒng)類似的池塘 2（pd-2），在降解系數(shù)由0.01增加到0.10 m/d時，α一直維持在1.1左右，而β則一直在0.20以下。可見，采用不同的評價指標(biāo)，不同溝塘單元水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的代表性相差很大。

綜上所述，監(jiān)測區(qū)的代表性受到溝塘尺寸以及污染物自身降解能力的影響；對于表征污染物絕對去除量，如果污染物的降解能力較弱，監(jiān)測區(qū)的選擇余地較大；如果污染物的降解能力較強(qiáng)，則應(yīng)避免面積較小的單元（如fd-3、fd-4和fd-8）。對于表征污染物相對去除量，要避免較小的水文單元并且選擇處于排水路徑中游的單元（如fd-1和bd-2），并避免選擇處于最下游的單元（如pd-2和bd-6）；對于存在多個排水支路、農(nóng)田和溝塘單元分布不均勻的情況，監(jiān)測區(qū)則應(yīng)盡量選擇流量較大的支路（如bd-5），避免溝塘與匯流農(nóng)田面積比偏大或偏小的支路。

表3 溝塘單元污染物去除強(qiáng)度和去除率指標(biāo)隨污染物降解系數(shù)的變化Table 3 Change of removal intensity and rate indices of individual ditch-pond segment for different pollutant degradation coefficients

2.2 溝塘排水支路水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的代表性分析

圖1中，支路2和支路3都只包括一個溝塘單元（pd-1和bd-5）。表4顯示了不同排水支路去除強(qiáng)度和去除率代表性指標(biāo)以及相應(yīng)的水力停留時間，去除強(qiáng)度比 α 與去除率比 β 對應(yīng)的支路1、2、3的排水支路與系統(tǒng)的水里停留時間比均為 0.73、1.05、10.54?？梢?，支路 1和支路 3的代表性都較好，且受污染物降解性質(zhì)影響很小；由一個池塘組成支路2的代表性卻很差。采用支路1和支路3作為監(jiān)測區(qū)，去除強(qiáng)度比α高于系統(tǒng)值；而對于去除率比的計算結(jié)果顯示，支路1會低估系統(tǒng)值，支路3則會高估。對于代表性較好的支路1和支路3，當(dāng)降解系數(shù)在0.01～0.10 m/d之間變化時，支路1的α值在1.28～1.14之間，支路3的α值在1.21～1.16之間變化，表明采用這2個支路作為監(jiān)測區(qū)會導(dǎo)致20%左右的計算誤差。對于去除率比β，支路1在0.84～0.94之間，而支路3在1.27～1.33之間，說明采用支路 1會低估系統(tǒng)凈化能力10%左右，而采用支路3則會高估30%左右。對于代表性性較差的支路3，系統(tǒng)污染物降解能力計算值都有隨2個代表性指標(biāo)加大的趨勢。在同樣的降解系數(shù)變化范圍，α僅為0.12～0.44，而β卻高達(dá)1.28～4.67。上述結(jié)果表明，監(jiān)測支路1和支路3都能較好代表整個系統(tǒng)的實際情況，但是支路1包括了全系統(tǒng)18個溝塘單元中的16個，其監(jiān)測難度與全面監(jiān)測沒有太大的差別，因此對于研究區(qū)而言，選用支路3即支溝5（bd-5）是最佳選擇。

表4 各排水支路污染物去除強(qiáng)度和去除率指標(biāo)比隨污染物降解系數(shù)的變化Table 4 Change of removal intensity and rate indices of drainage paths for different pollutant degradation coefficients

2.3 計算結(jié)果與研究區(qū)實際情況的比較與分析

上述計算結(jié)果是在研究區(qū)溝塘分布及水力條件調(diào)查以及理論分析基礎(chǔ)上得到的。為了檢驗計算結(jié)果，在2016年不同的水稻生育期，作者在研究區(qū)農(nóng)田排水口以及溝塘的一些定點(diǎn)位置進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測。表5顯示了bd-1等4個監(jiān)測點(diǎn)總氮（total nitrogen, TN）濃度的實測值與計算值，雖然 2個結(jié)果變化趨勢一致，但是計算值變化更為劇烈，這可能是計算時未考慮到較大溝塘單元（支溝和池塘）中植物的影響而造成的。支溝 1內(nèi)污染物濃度實測值變化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計算值，這主要是因為支溝 1內(nèi)茂密的植物上減少了水體實際的有效處理空間所致。在清淤前后，由于水體中植被生長的影響，研究區(qū)某支溝在2016年8月（水稻生長旺季）和2017年5月（小麥生育后期）的水力特性是完全不同的，茂密的植物會大大降低發(fā)揮作用的有效溝塘面積，同時又會對溝塘單元的污染物降解能力造成一定的影響。由于研究區(qū)清淤工作存在一定的隨機(jī)性，本文的理論分析中難以考慮其具體影響；這一不足將在后期觀測資料增加的情況下進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

在對研究區(qū)水質(zhì)的監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，除了當(dāng)?shù)氐貏萜教梗髁勘O(jiān)測困難以外，實際的溝塘形態(tài)以及水力關(guān)系都受到一些不確定性因素的影響，這包括

1）灌溉退水的影響。農(nóng)戶節(jié)水意識薄弱，灌溉量過大，造成相當(dāng)數(shù)量的灌溉水直接進(jìn)入了溝塘系統(tǒng)；這種現(xiàn)象普遍存在，且水量變化隨機(jī)性大，對監(jiān)測結(jié)果干擾較大；

2）水力聯(lián)系的干擾。溝塘與農(nóng)田的水力聯(lián)系遭到不定期的干擾，如植物過度生長以及清除過程都會局部改變水力聯(lián)系；有時還會存在一些人為破壞因素，如短時間圍堵排水溝等；

3）農(nóng)田管理的差異。研究區(qū)包括幾個不同農(nóng)戶的責(zé)任田，在灌溉、排水及施肥等生產(chǎn)管理措施方面存在一定差異，增加了研究區(qū)水文、水質(zhì)變化的不確定性。

上述變化或影響因素增加了原本復(fù)雜的溝塘系統(tǒng)水文過程的隨機(jī)性，使其水質(zhì)變化過程難以預(yù)測?，F(xiàn)有的計算方法，包括一些較為復(fù)雜的模型，尚難對天然溝塘系統(tǒng)的實際水文和污染物運(yùn)移過程進(jìn)行精確的描述。實際工作中，一般采用平均情況來代表。本文提出的理論分析方法可用于確定合理的監(jiān)測單元，以期獲得具有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)和研究成果。

表5 溝塘監(jiān)測點(diǎn)總氮（TN）濃度實測值及計算值比較Table 5 Comparison of measured and computed total nitrogen concentrations of monitoring points

3 結(jié)論與討論

本文針對南方平原河網(wǎng)地區(qū)排水溝塘系統(tǒng)的特點(diǎn)，以江都昭關(guān)灌區(qū)作為研究區(qū)，通過建立理論模型進(jìn)行實例計算，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)，分析了不同溝塘單元對污染物凈化能力以及利用部分監(jiān)測結(jié)果評價整個溝塘系統(tǒng)去污能力的代表性，結(jié)果表明：

1）在溝塘分布不均勻和水力關(guān)系復(fù)雜條件下，對部分排水單元的監(jiān)測結(jié)果不能準(zhǔn)確代表整個系統(tǒng)的水質(zhì)凈化效果。

2）當(dāng)降解系數(shù)r=0.05 m/d，池塘、支溝和農(nóng)溝的去除強(qiáng)度比α的平均值分別為1.90、1.11和0.64，去除率比β的平均值分別為0.29、1.10和0.94；在上述3種r取值情況下，支溝的去除強(qiáng)度 α比及去除率比 β介于1.02~1.13之間，整體代表性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于池塘和農(nóng)溝，能較好地反映系統(tǒng)對污染物的整理降解能力。

3）r=0.01～0.10 m/d時，支路1的去除強(qiáng)度比α和去除率比β分別介于1.28～1.14和1.21～1.16之間，支路3則分別介于0.84～0.94和1.27～1.33之間，支路1和支路 3均能較好地表征研究區(qū)溝塘的整體污染物降解能力?？紤]到監(jiān)測的難度和工作量，選取支路3（支溝5）進(jìn)行監(jiān)測更為合理且代表性較強(qiáng)。

4）溝塘單元表征整體去除能力的代表性受單元的水力停留時間影響較大，去除強(qiáng)度比 α與水力停留時間呈負(fù)相關(guān)，而去除率比β則呈正相關(guān)關(guān)系；從α和β值趨近1的程度來看，水力停留時間較長的單元代表性更好。對于存在多個排水支路、農(nóng)田和溝塘單元分布不均勻的情況，監(jiān)測區(qū)則應(yīng)盡量選擇流量較大的支路，避免溝塘與匯流農(nóng)田面積比偏大或偏小的支路。

根據(jù)本文的研究結(jié)論，研究區(qū)溝塘系統(tǒng)對農(nóng)田面源污染去除能力的監(jiān)測工作量可大大減小。本文即是在理論計算的基礎(chǔ)上試圖對監(jiān)測區(qū)代表性的問題進(jìn)行分析，結(jié)合一定的現(xiàn)場調(diào)查，為監(jiān)測區(qū)的選取提供必要的參考。另外，在無法詳細(xì)、定量確定水文水質(zhì)過程的情況下，對系統(tǒng)的水力過程以及污染物降解特性進(jìn)行必要的調(diào)查是做好監(jiān)測工作的前提條件；本文得到的結(jié)論不僅可以為選擇監(jiān)測區(qū)提供依據(jù)，同樣重要的是為理解監(jiān)測結(jié)果可能存在的誤差范圍提供一定的根據(jù)，從而為正確估算類似區(qū)域溝塘濕地系統(tǒng)的環(huán)境功能提供參考。在不同的作物生長季，監(jiān)測區(qū)的水文和氣象條件會有所變化。比如對農(nóng)田溝塘排水系統(tǒng)采取的不同管理維護(hù)措施，會改變溝塘的水力條件和植被狀況，進(jìn)而其污染物降解能力產(chǎn)生影響，造成溝塘水質(zhì)監(jiān)測的季節(jié)性差異。今后有必要進(jìn)一步展開不同作物生長季研究區(qū)的水力條件及植被變化的測驗工作，并實測降解系數(shù)，為理論計算提供更為精確的計算參數(shù)。

[1] Vollée R, Sylvie D, David B. Water residence time and pesticide removal in pilot-scale wetlands[J]. Ecological Engineering, 2015, 85: 76－84.

[2] 王曉玲，李建生，李松敏，等．生態(tài)塘對稻田降雨徑流中氮磷的攔截效應(yīng)研究[J]．水利學(xué)報，2017，48(3)：291－298.Wang Xiaoling, Li Jiansheng, Li Songmin, et al. Study on the interception effects of ecological pond on Nitrogen and Phosphorus in the rainfall runoff of rice field[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2017, 48(3): 291－298. (in Chinese with English abstract)

[3] 彭世彰，高煥芝，張正良．灌區(qū)溝塘濕地對稻田排水中氮磷的原位削減效果及機(jī)理研究[J]．水利學(xué)報，2010，41(4)：406－411.Peng Shizhang, Gao Huanzhi, Zhang Zhengliang. Effect of pond wetland on N and P removal in drainage water from paddy field and its mechanism[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2010, 41(4): 406－411. (in Chinese with English abstract)

[4] Gregoire C, Elsaesser D, Huguenot D, et al. Mitigation of agricultural nonpoint-source pesticide pollution in artificial wetland ecosystems[J]. Environmental Chemistry Letters,2009, 7(3): 205－231.

[5] Bromilow R H, De Carvalho R F, Evans A A. Behavior of pesticides in sediment/water systems in outdoor mesocosms[J]. Journal of Environmental Science and Health,Part B-Pesticides, Food, Contaminants and Agricultural Wastes, 2006, 41(1): 1－16.

[6] Vymazal J, B?ezinová T. The use of constructed wetlands for removal of pesticides from agricultural runoff and drainage:A review[J]. Environment International, 2015, 75: 11－20.

[7] Kay P, Edwards A C, Foulger M. A review of the efficacy of contemporary agricultural stewardship measures for ameliorating water pollution problems of key concern to the UK water industry[J]. Agricultural Systems, 2009, 99(2/3):67－75.

[8] Moreno-Mateos D, Mander ü, Comín F A, et al.Relationships between landscape pattern, wetland characteristics, and water quality in agricultural catchments[J]. Journal of Environmental Quality, 2008, 37(6):2170－2180.

[9] Mitsch W J, Day J W, Gilliam W, et al. Reducing nitrogen loading to the Gulf of Mexico from the Mississippi River Basin: Strategies to counter a persistent ecological problem[J].BioScience, 2001, 51(5): 373－388.

[10] Verhoeven J T A, Arheimer B, Yin C, et al. Regional and global concerns over wetlands and water quality[J].Trends Ecology and Evolution, 2006, 21(2): 96－103.

[11] Fink D F, Mitsch W J. Seasonal and storm event nutrient removal by a created wetland in an agricultural watershed[J].Ecological Engineering, 2004, 23(4/5): 313－325.

[12] Asmussen L E, White A W, Hauser E W, et al. Reduction of 2,4-D load in surface runoff down a grassed waterway[J].Journal of Environmental Quality, 1977, 6(2): 159－162.

[13] Mickelson S K, Baker J L, Ahmed S I. Vegetative filter strips for reducing atrazine and sediment runoff transport[J].Journal of Soil and Water Conservation, 2003, 58(6): 359－367.

[14] Gregoire C, Elsaesser D, Huguenot D, et al. Mitigation of agricultural nonpoint-source pesticide pollution in artificial wetland ecosystems[J]. Envi. Chem. Let., 2009, 7(3): 205－231.

[15] Mahabali S, Spanoghe P. Mitigation of two insecticides by wetlands plants: feasibility study for the treatment of agricultural runoff in Suriname (South America)[J]. Water,Air, and Soil Pollution, 2014, 225(1): 1771.

[16] Arora K, Mickelson S K, Baker J L. Effectiveness of vegetative buffer strips in reducing pesticides transport in simulated runoff[J]. Transactions of the ASAE, 2003, 46(3):635－644.

[17] 李強(qiáng)坤，宋常吉，胡亞偉，等．模擬排水溝渠非點(diǎn)源溶質(zhì)氮遷移實驗研究[J]．環(huán)境科學(xué)，2016，37(2)：520－526.Li Qiangkun, Song Changji, Hu Yawei, et al. Transformation of non-point source soluble nitrogen in simulated drainage ditch[J]. Environmental Science, 2016, 37(2): 520－526. (in Chinese with English abstract)

[18] 薛利紅，楊林章．太湖流域稻田濕地對低污染水中氮磷的凈化效果[J]．環(huán)境科學(xué)研究，2015，28(1)：117－124.Xue Lihong, Yang Linzhang. Purification of water with low concentrations of N and P in paddy wetlands in Taihu Lake region[J]. Research of Environmental Sciences, 2015, 28(1):117－124. (in Chinese with English abstract)

[19] Zhai J, Rahaman M H, Chen X, et al. New nitrogen removal pathways in a full-scale hybrid constructed wetland proposed from high-throughput sequencing and isotopic tracing results[J]. Ecological Engineering, 2016, 97: 434－443.

[20] S?nderup M J, Egemose S, Hansen A S, et al. Factors affecting retention of nutrients and organic matter in stormwater ponds[J]. Ecohydrology, 2016, 9(5): 796－806.

[21] Kr?ger R, Moore M T, Locke M A, et al. Evaluating the influence of wetland vegetation on chemical residence time in Mississippi Delta drainage ditches[J]. Agricultural Water Management, 2009, 96(7): 1175－1179.

[22] Campo-Bescós M A, Mu?oz-Carpena R, Kiker G A, et al.Watering or buffering? Runoff and sediment pollution control from furrow irrigated fields in arid environments[J].Agriculture, Ecosystems, and Environment, 2015, 205: 90－101.

[23] Cooper R J, Hama-Aziz Z., Hiscock K M, et al. Assessing the farm-scale impacts of cover crops and non-inversion tillage regimes on nutrient losses from an arable catchment[J].Agriculture, Ecosystems and Environment, 2017, 237: 181－193.

[24] Hodaj A, Bowling L C, Frankenberger J R, et al. Impact of a two-stage ditch on channel water quality[J]. Agricultural Water Management, 2017, 192: 126－137.

[25] 羅紈，朱金成，賈忠華，等．排水溝塘分布特性及與農(nóng)田水力聯(lián)系對水質(zhì)凈化能力的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(10)：161－167.Luo Wan, Zhu Jincheng, Jia Zhonghua, et al. Effect of distribution and complicated hydraulic connections of drainage ditches and ponds on water quality improvement[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10), 161－167. (in Chinese with English abstract)

[26] Griffiths L N, Mitsch W J. Removal of nutrients from urban stormwater runoff by storm-pulsed and seasonally pulsed created wetlands in the subtropics. Ecological Engineering,2017, 108: 414－424.

[27] Ma L, He F, Sun J. et al. Remediation effect of pond–ditch circulation on rural wastewater in southern China[J].Ecological Engineering, 2015, 77: 363－372.

[28] Zhang Z Y, Kong L L, Zhu L, et al. Effect of drainage ditch layout on nitrogen loss by runoff from an agricultural watershed[J]. Pedosphere, 2013, 23(2): 256－264.

[29] 吳軍，崔遠(yuǎn)來，趙樹君，等．塘堰濕地對農(nóng)田排水氮磷凈化效果試驗研究[J]．排灌機(jī)械工程學(xué)報，2014，32(2)：167－172.Wu Jun, Cui Yuanlai, Zhao Shujun, et al. Research on removal effects of pond wetland system on nitrogen and phosphorus in paddy field drainage[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2014, 32(2): 167－172. (in Chinese with English abstract)

[30] Xiong Y, Peng S, Luo Y, et al. A paddy eco-ditch and wetland system to reduce non-point source pollution from rice-based production system while maintaining water use efficiency[J]. Environmental Science and Pollution Research,2015, 22(6): 4406－4417.

[31] Liu F, Wang Y, Xiao R. et al. Influence of substrates on nutrient removal performance of organic channel barriers in drainage ditches[J]. Journal of Hydrology, 2015, 527: 380－386.

[32] 張樹楠，肖潤林，劉鋒，等．生態(tài)溝渠對氮、磷污染物的攔截效應(yīng)[J]．環(huán)境科學(xué)，2015，36(12)：4516－4522.Zhang Shunan, Xiao Runlin, Liu Feng, et al. Interception effect of vegetated drainage ditch on nitrogen and phosphorus from drainage ditches[J]. Environmental Science, 2015,36(12): 4516－4522. (in Chinese with English abstract)

[33] Vymazal J. The use of hybrid constructed wetlands for wastewater treatment with special attention to nitrogen removal: A review of a recent development[J]. Water Research, 2013, 47(14): 4795－4811.

[34] 劉方平，才碩，時紅，等．鄱陽湖流域防治面源污染的稻田濕地面積比分析[J]．灌溉排水學(xué)報，2015，34(10)：69－72.Liu Fangping, Cai Shuo, Shi Hong, et al. Analysis of Poyang Lake basin paddy wetland area ratio for the prevention and control of non-point source pollution[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(10): 69－72. (in Chinese with English abstract)

[35] 潘樂，茆智，董斌，等．塘堰濕地減少農(nóng)田面源污染的試驗研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(4)：130－135.Pan Le, Mao Zhi, Dong Bin, et al. Experimental research on reduction of agricultural non-point source pollution using pond wetland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012,28(4): 130－135. (in Chinese with English abstract)