農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)構建方法

王沛芳，錢 進，胡 斌，王 洵，金秋彤，胡詩瑤，邱衛(wèi)國

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210098; 3.深圳市水務規(guī)劃設計有限公司上海分公司，上海 201208)

我國人均水資源比較缺乏，有16個省(自治區(qū)、直轄市)重度缺水，6個省、區(qū)屬于極度缺水。同時，我國的水資源開發(fā)利用中農(nóng)業(yè)用水占61.2%，遠高于居民生活用水(占14.5%)和工業(yè)生產(chǎn)用水(占20.2%)[1]。然而，當前我國農(nóng)田灌溉水有效利用率僅為55.9%[2]，與發(fā)達國家70%～80%的差距較大[3]。特別是農(nóng)業(yè)灌溉的排水回用不受重視，造成水資源的巨大浪費。近年來，國內(nèi)外關于農(nóng)業(yè)節(jié)水方面開展了大量的研究，主要包括：根據(jù)作物不同生長期需水要求，進行精準灌溉[4]；改進灌水技術，如噴灌、滴灌、微灌等[5-6]；處理后的中水進行消毒后再生利用[7-8]，但由于再生水可能存在污染風險，近年來已經(jīng)不再作為灌溉水源[9]。

我國南方地區(qū)和中東部地區(qū)的農(nóng)田區(qū)域均分布有一定面積的自然坑塘濕地，可用于儲存降雨徑流和農(nóng)田灌溉退水，并在作物需水時循環(huán)回用補充灌溉水源。這種方法不僅可以有效補充灌溉水和肥力，還可減少農(nóng)田灌溉退水外排造成的面源污染[10-11]。然而自然的坑塘洼地面積大小不等、數(shù)量不定，如何科學確定濕地面積和循環(huán)回用水系統(tǒng)仍是一項亟待深入研究的工作。本文給出了水循環(huán)回用的濕地儲水池體積估算方法及影響因素，提出了農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)的構建方法，并通過實例計算了上海崇明水稻田循環(huán)調蓄濕地的體積，旨在為我國農(nóng)田灌排系統(tǒng)水資源節(jié)約提供新思路，為我國鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明發(fā)展提供技術支撐。

1 水循環(huán)利用系統(tǒng)中調蓄濕地適宜體積的估算方法

農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)中，調蓄濕地的體積直接決定著一定面積的農(nóng)田區(qū)域中儲存水量的多少，即可以循環(huán)利用的水量大小。理論上調蓄濕地體積越大，通過循環(huán)利用節(jié)約的水量就越多。但是受土地利用面積有限的影響、水質保障的約束、地形地勢等條件限制，水循環(huán)調蓄濕地的體積設計需要有科學依據(jù)。前人從農(nóng)田排水水質凈化的角度，研究了濕地面積與農(nóng)田面積的比例(較小1%～2%[12]，較大5%～7%[13])。國外一般采用農(nóng)田緩沖帶的概念，在土地利用不緊張的地區(qū)設計比例更大的緩沖帶(10%～15%)[14]。近年來的工程實踐中，為保障干旱狀況下農(nóng)田灌溉用水量，也有將現(xiàn)有坑塘改造擴大以滿足特定條件下的抗旱要求。這部分坑塘容積主要與區(qū)域干旱程度、干旱條件下農(nóng)田灌溉保證率的選取有關。

調蓄濕地體積設計與區(qū)域氣象條件、降水量、土地利用情況和地形地勢及水質情況等密切相關。本文根據(jù)這些主要影響因素，給出考慮區(qū)域降水、灌溉水量、水量蒸發(fā)散失和滲漏損失、土地利用及水質保障的水力停留時間5個主要方面的調蓄濕地體積V估算方法[15-16]：

V=Spt1+(Qin-Qlos)t2-Qoutt3

(1)

式中：S為調蓄濕地所涉及農(nóng)田區(qū)域的面積；p為農(nóng)田區(qū)域降水強度；t1為農(nóng)田區(qū)域降水歷時；Qin為單位時間的農(nóng)田灌溉水量；Qlos為單位時間的農(nóng)田區(qū)域水量損失；Qout為單位時間的農(nóng)田區(qū)域外排水量；t2為農(nóng)田灌溉時長；t3為超額降水外排歷時。

1.1 降水強度

降水強度對農(nóng)田灌溉影響最直接，能夠顯著影響農(nóng)田水利工程提供的灌溉水量。降水量豐沛的地區(qū)，汛期時大氣降水可有效作為灌溉水源；非汛期時可以通過農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的水循環(huán)調蓄工程，將雨季儲存的水進行循環(huán)利用，減少農(nóng)田灌溉新水量的需求，實現(xiàn)節(jié)約用水。對降水量缺乏的地方，有效地收集儲存暴雨徑流，減少降雨徑流的外排損失，可實現(xiàn)水資源節(jié)約。另一方面，單位時間內(nèi)的降水量越大，通過農(nóng)田徑流外排的水量損失越大，因此需要收集存蓄的水量越大，循環(huán)調蓄濕地體積需求也越大。

我國南方地區(qū)主要農(nóng)作物水稻的生長期一般在4—10月[17]；在華北地區(qū)，作物一年兩季，夏收小麥，秋收玉米，其主要的生長期和降水量較大的時期也在4—10月[18]。因此，式(1)的降水強度可取當?shù)孛磕?—10月的平均降水強度作為設計值。而在東北地區(qū)，作物一年一季，降量集中在7月、8月，因此東北地區(qū)在設計循環(huán)調蓄濕地時降雨強度可根據(jù)7—8月的平均降水強度進行計算。

1.2 凈灌溉流量

循環(huán)調蓄濕地所涉及區(qū)域的農(nóng)田凈灌溉流量(Qin-Qlos)一般是綜合考慮農(nóng)田作物生長期需水量、區(qū)域降水量、蒸發(fā)量、滲漏及地下水補給等因素確定，可通過農(nóng)作物灌溉凈需水量W凈來獲得。

W凈主要與農(nóng)作物種類、作物生長期、區(qū)域蒸發(fā)量、土壤滲漏量密切相關，同時也與作物的灌溉制度有關[17]。如稻田灌溉需水量的確定，需考慮泡田、返青期、分蘗期、曬田、拔節(jié)期、乳熟期、黃熟期7個生長期對淹水層和淹水時長的要求，即根據(jù)不同時期灌水定額進行計算。W凈可根據(jù)作物的灌溉面積和灌水定額計算[19]：

W凈=mS

(2)

式中m為該作物灌水定額。

農(nóng)田的凈灌溉需水流量計算公式為

Qin-Qlos=W凈/t2

(3)

1.3 外排水量

外排水量Qout是指循環(huán)調蓄濕地所涉及農(nóng)田區(qū)域的單位時間外排水量，與降水量、灌水量、滲漏量、蒸發(fā)量和調蓄濕地儲存水量的水量平衡直接相關。另外，因為水稻各生長期需要的淹水層厚度不同，因此稻田的外排流量在計算時需考慮不同作物生長期需要保持的淹水層厚度及淹水時長。一般循環(huán)調蓄濕地的外排流量與調蓄濕地的儲水能力呈負相關，估算中可以通過試算確定。

1.4 調蓄濕地水力停留時間

調蓄濕地水力停留時間t的取值與水池中儲存的水量大小和水質凈化及保持所需要的時間密切相關。同時，t與調蓄濕地構筑物的設計形狀有關，如水面面積與水深的比例大小影響著水體的溶解氧條件和氧化還原環(huán)境，對水質的保持和變化也有重要影響。實際上，在調蓄濕地應用時，為保持水體水質，設計時應根據(jù)水體水質條件，因地制宜地規(guī)劃采用不同類型組合的人工強化凈化等技術對污染物進行去除。

1.5 調蓄濕地水面面積

調蓄濕地水面面積A主要受農(nóng)田區(qū)域土地利用緊張度限制，過大的面積會占用緊缺的農(nóng)田土地，影響作物產(chǎn)量和農(nóng)民的收入。因此，在確定調蓄濕地水面面積時，需要將儲水水量最大、水質良好保持、土地利用效益等因素綜合考慮，設計時需尋求最優(yōu)。

2 水循環(huán)利用系統(tǒng)構建

農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)(圖1)主要包括水循環(huán)動力系統(tǒng)、循環(huán)調蓄濕地系統(tǒng)、形態(tài)、體積及循環(huán)水量設計、調蓄濕地水質凈化與保持、循環(huán)回用水配水系統(tǒng)等。

圖1 農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)Fig.1 Recycle system for irrigation water of farmland

2.1 水循環(huán)動力系統(tǒng)

農(nóng)田灌溉的水循環(huán)動力系統(tǒng)，其規(guī)劃設計與農(nóng)田區(qū)域的地形地勢密切相關。一般在地勢平坦的平原地區(qū)和地勢低洼的南方圩區(qū)，水循環(huán)調蓄濕地中收集的水體需進行再次泵站提升后再輸送到灌溉渠道，再次進入農(nóng)田灌溉的系統(tǒng)中。而在有一定坡度的丘陵地區(qū)和梯田區(qū)，收集儲存的雨水和退水，可借助地形高差，向下級渠道自流進行灌溉補充利用。

2.2 水循環(huán)調蓄濕地設計

調蓄濕地設計包括調蓄濕地形態(tài)、體積、循環(huán)水量確定等方面。設計時主要應考慮以下方面：①當現(xiàn)狀條件下農(nóng)田區(qū)域已存在一定面積的自然坑塘洼地時，盡可能地有效利用現(xiàn)有的洼地，因地制宜地進行調蓄濕地容積的核算、水面面積和平面形態(tài)的確定；同時在水質凈化和保持時，保留現(xiàn)有洼地的自然水面，并應用人工濕地中潛流濕地的設計原理和方法，對調蓄濕地的進水和出水進行規(guī)劃。② 對沒有坑塘洼地的農(nóng)田區(qū)域，根據(jù)式(1)估算調蓄濕地體積，并根據(jù)人工濕地中的潛流濕地進行平面和形態(tài)設計，最后依據(jù)田塊具體條件對調蓄濕地進出水進行設計。③對于用地比較緊張，或者冬季溫度較低的北方地區(qū)，可采取挖深方式，形成地下儲水與地面養(yǎng)水的結合，使大部分水儲存在地表以下，不僅可以實現(xiàn)節(jié)水，還能減少對農(nóng)田的占用。

水循環(huán)調蓄濕地體積和循環(huán)水量的設計依據(jù)式(1)確定，其調蓄濕地形態(tài)則依據(jù)當?shù)氐牡貏莸匦巍⑼寥捞匦?、田塊形狀及進出水位置因地制宜地進行規(guī)劃設計。例如，在毗鄰河流的農(nóng)田中，可借助臨河的自然坑塘，構建水生植物和多級透水丁壩組合的長條形凈污濕地[20-21]。在一些城市近郊的農(nóng)田區(qū)域，也可采用人工濕地進行退水的水質凈化和保持[22-24]。

2.3 調蓄濕地水質凈化與保持

調蓄濕地收集的水體，除大氣降水外，灌溉后的農(nóng)田退水中含有大量未被農(nóng)作物吸收的氮磷營養(yǎng)元素和除草劑、殺蟲劑等污染物，這些物質在調蓄濕地中如果停留時間過長，會引起水體富營養(yǎng)化和水質惡化，從而使灌溉水循環(huán)系統(tǒng)遭受破壞。常用的調蓄濕地水質凈化技術包括凈水基質、高效微生物篩選與附著、水生植物選配、調蓄濕地三維水動力微循環(huán)交換系統(tǒng)。

a.凈水基質的選用。依據(jù)人工濕地中各種基質材料的類型和特點進行凈水基質的選用，如在氮磷的去除方面，沸石對NH3-N的吸附能力較強，紅黏土、粉煤灰及活性炭對磷的吸附量較大，疏水性較高的有機磷農(nóng)藥容易被陶粒、礫石等基質吸附去除[25]。生物炭與其他基質，如礫石、混凝土塊等相比具有更強的污染物去除能力，Guo等[26]研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭后可以顯著提高化學需氧量和總氮的去除率。王沛芳等[21]在農(nóng)田面源凈污濕地中對幾種填料的滲濾壩開展了現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)自主研發(fā)的生態(tài)砌塊對氨氮和磷的去除率分別可達71.36%和86.10%，優(yōu)于火山巖、石灰石和礫石。

d.調蓄濕地三維水動力微循環(huán)交換系統(tǒng)。在調蓄濕地水體凈化關鍵技術中，除了基質吸附、微生物降解和植物吸收去除，水池中上層水體和下層水體，中間區(qū)和四周區(qū)水體的全面交換凈化，也是影響整個水池水質的重要因素。因此，借助風光電一體化驅動的微氣泡強化溶氧的微循環(huán)交換系統(tǒng)，實現(xiàn)整個水池容積水質的凈化與保持，是近年來被廣泛關注的技術之一[34-35]。該系統(tǒng)可以在實現(xiàn)污染水體局部溶解氧強化提升的同時，改善水池不同深度和區(qū)域水體的水動力條件，達到整個水池水質的高效改善。另外，也有其他類型的技術應用于水動力微循環(huán)和水質凈化的耦合，如課題組研發(fā)的水景觀浮島和浮床[36-38]，浮床植物可以吸收過量的營養(yǎng)物質和農(nóng)藥等污染物，植物根系的微生物可對污染物進行降解去除，同時通過太陽能提供動力，實現(xiàn)調蓄濕地水體垂向交換， 從而達到整個水池水質的保持和改善。

2.4 循環(huán)水配置系統(tǒng)

調蓄濕地一般位于農(nóng)田中地勢較低的區(qū)域，以利于通過自流進行徑流水體的收集蓄納。因此，一般農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)需設計循環(huán)水配置系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要構筑物包括調節(jié)池、進水口、水泵、回灌渠道系統(tǒng)。其中調節(jié)池體積和水泵選擇均由設計的循環(huán)水流量估算和選取，回灌系統(tǒng)通常與現(xiàn)有灌溉渠道和排水溝道結合，或采用移動式地龍將循環(huán)水輸送到渠首進行利用。另外，對于地形有統(tǒng)一坡度的農(nóng)田區(qū)域，也可利用自然水頭將循環(huán)水配送給下級田塊進行回用。

3 農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)構建實例

上海市崇明區(qū)三星鎮(zhèn)玉海棠生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)，位于上海市崇明區(qū)的三星鎮(zhèn)，是一座以農(nóng)業(yè)為主，集農(nóng)田、果園、林地和湖塘養(yǎng)殖一體的生態(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)，示范區(qū)水稻田占地面積13 hm2。近年來，崇明島在國家長三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略指導下著力建設生態(tài)崇明島，但由于農(nóng)田退水的面源污染導致區(qū)域河流水質劣Ⅴ類，損壞了生態(tài)系統(tǒng)健康。為此，該生態(tài)農(nóng)業(yè)園規(guī)劃建設的首要任務是節(jié)水減污和生態(tài)保護。具體措施包括節(jié)水減排、節(jié)肥減污和水循環(huán)利用。

水循環(huán)利用系統(tǒng)構建時需要根據(jù)崇明當?shù)氐臍夂蛱卣鳌⒔邓畻l件、土壤特性及水稻灌溉排水要求等計算水循環(huán)調蓄濕地的體積。設計概況如下：①確定調蓄濕地體積V。為充分考慮水資源和肥力的節(jié)約利用，調蓄濕地的設計原則是在非降雨期能最大限度地利用農(nóng)田排水進行循環(huán)回灌，因此調蓄濕地體積按照全部承納農(nóng)田灌溉量進行設計。依據(jù)式(1)得到循環(huán)調蓄濕地體積為31 199.8 m3。其中，m取值根據(jù)上海市水稻的灌水率和灌溉定額泡田期定額1 200.0 m3/hm2，一般農(nóng)田灌溉時間為3 d，即t2=3 d；②濕地外排水量的設計。當降雨強度p與降雨歷時t1及農(nóng)田面積S之積大于農(nóng)田作物需水量和調蓄濕地所承納的水量時，即開啟泵站將澇水外排，因此，Qout由降水量(上海市崇明區(qū)多年平均降水量約為1 049.3 mm)、作物需水量和調蓄濕地調節(jié)體積共同決定。③調蓄濕地形態(tài)設計。根據(jù)當?shù)卦锌犹撩娣e，并考慮地形條件和土壤特性，取水深為3 m，計算調蓄濕地水面面積A為1.04 hm2。經(jīng)核算，上述水循環(huán)調蓄濕地水面面積占示范區(qū)農(nóng)田面積的8.0%，其比例略高于與國內(nèi)濕地面積比例值的范圍(5%～7%)，但略低于國外農(nóng)田緩沖帶的面積比例(10%～15%)。這與上海溫暖濕潤的氣候特征及崇明島長江三角洲的地理位置相適應。該水循環(huán)系統(tǒng)運行至今，每年進行水量循環(huán)使用3次，每次回用水量占總體積的20%～30%，共節(jié)約灌溉水量6 239.9～9 359.9 m3，有效節(jié)約了水資源并減輕了農(nóng)田面源對長江口的水環(huán)境的富營養(yǎng)化壓力。

4 結 語

農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)的實施可以有效促進農(nóng)田水資源的節(jié)約，同時支撐農(nóng)田退水水肥近零排放與低碳發(fā)展的戰(zhàn)略目標。本文給出了水循環(huán)回用的濕地調蓄濕地體積估算方法及關鍵影響因素，闡釋了各主要因子的取值依據(jù)和優(yōu)化途徑；給出了農(nóng)田灌溉水循環(huán)利用系統(tǒng)的構建技術，并通過實例計算了上海崇明水稻田循環(huán)濕地的體積，為我國農(nóng)田灌排系統(tǒng)水資源高效節(jié)約和肥力綜合利用提供了新思路和新方法，為我國鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明發(fā)展戰(zhàn)略提供技術支持。