［美國］J.S.斯特洛克 等

自殖民地時代以來，排水已成為北美發(fā)展的關(guān)鍵問題。排水對改善公共交通、降低公眾健康風(fēng)險、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等有重要意義。農(nóng)業(yè)排水系統(tǒng)正逐漸成為污染物的輸送管道，特別是營養(yǎng)物污染。盡管擴展排水系統(tǒng)對作物生產(chǎn)具有重要意義，但有些區(qū)域仍然存在阻力，在有些州至今仍超過50%的農(nóng)田是人工排水。為實現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量和水質(zhì)保護雙贏目標，排水管理應(yīng)運而生。有效的排水管理戰(zhàn)略必須對當(dāng)今農(nóng)業(yè)系統(tǒng)進行較全面的考慮。沒有一項措施能夠獨自承擔(dān)排水管理，同樣也沒有一種策略可以適合所有的系統(tǒng)。

在某種程度上，聯(lián)合利用田間、邊緣和外圍管理，可以控制農(nóng)業(yè)排水的出水量和地表水的相關(guān)污染物。所有措施的適應(yīng)性和效果取決于執(zhí)行地點的狀況(包括地貌學(xué)、管理系統(tǒng)和關(guān)注的污染物)。以下是排水管理中有關(guān)水質(zhì)保護的幾個要素。

1 排水系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)對舊排水系統(tǒng)進行升級改造或更替、新建排水系統(tǒng)時，改善排水管理的最佳時期是在設(shè)計階段。影響排水設(shè)計的因素包括土壤排水特性(即動態(tài)飽和程度)、成本(安裝、維護)、田間管理(例如耕作方式、作物品種、養(yǎng)分管理)、現(xiàn)有排水設(shè)施(管道類型、現(xiàn)有間距、深度和排水口的位置)和環(huán)境因素(如棲息地、流域主要環(huán)境問題)。與污染物排放有關(guān)聯(lián)的最直接的兩個設(shè)計變量是排放強度和排水口位置。

排水強度(深度和排水間距)決定了排水系統(tǒng)是否能夠在排水管線之間降低水位，以在雨后的24～48 h 內(nèi)達到最有利于作物生長發(fā)育的水位。典型的排水深度范圍是0.6～1.5 m，而間距范圍是10～100 m。排水強度對污染負荷起到?jīng)Q定性的作用，污染損失主要受排水量的影響。深度密集的設(shè)計比淺而稀疏的系統(tǒng)具有更大的輸送潛能。

為了保護水質(zhì)，排水系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有足夠的排水能力，并且要避免過度排水。農(nóng)田排水管理系統(tǒng)選址一般強調(diào)農(nóng)業(yè)因素，而不考慮水質(zhì)因素。然而，重要污染源地區(qū)水質(zhì)保護管理，即在污染源產(chǎn)生和遷移轉(zhuǎn)化沿程地區(qū)進行修復(fù)實踐，為選址中考慮水質(zhì)因素提供了很好的機遇。因為排水系統(tǒng)將景觀中的污染源與接納水體聯(lián)系起來，在設(shè)計排水系統(tǒng)時，必須考慮避免污染源。例如，在土壤磷含量高的地區(qū)，溶解性磷吸附到排水中的潛能高，排水會成為重要的磷污染源輸出途徑。從水質(zhì)考慮方面，應(yīng)用簡單的現(xiàn)場評估指標(磷指數(shù)、氮浸出指標)，能夠有助于決定安裝的人工排水設(shè)施是否會成為一重要的污染源。

2 控制排水

近年來，在國家和地區(qū)的倡導(dǎo)和推廣(例如農(nóng)田排水管理特別小組)下，控制排水得到廣泛關(guān)注?？刂婆潘O(shè)施既可以安裝在地下排水管道，也可以安裝在明渠，允許在地表和排水深度之間調(diào)整地下水位，防止過量排水(圖1)。

圖1 田間暗管控制排水系統(tǒng)中田間水位控制結(jié)構(gòu)原理(也適用于明渠)

理論上，不需要排水時，控制排水可以提高土壤含水量。通過控制土壤剖面的水分，為作物提供更好的生長條件。但必須考慮水質(zhì)權(quán)衡，因為控制排水通過排水增加地表徑流，同時還存在氮元素留存的問題?？刂婆潘到y(tǒng)中關(guān)于氮元素命運的幾個假說已經(jīng)得到證實，但相應(yīng)的調(diào)查還不夠充分，包括深層滲透及之后的反硝化作用、提高的作物利用效率。

大量研究闡述了控制排水在不同條件下的優(yōu)勢。北卡羅來納州的重要研究表明，控制排水能夠降低排水量和硝態(tài)氮損失量，與傳統(tǒng)的非控制排水相比，硝態(tài)氮損失量降低了40%～50%，磷損失減少了25%～30%。這些研究成果也在其他地方得到了證實。

概括來講，與非控制排水相比，適當(dāng)?shù)倪x址和管理，控制排水可使排水量和污染物負荷量大約降低30%?？刂婆潘谧魑锂a(chǎn)量方面的作用很大程度上依賴于管理和土壤條件，一些研究表明，控制排水系統(tǒng)下的作物產(chǎn)量比傳統(tǒng)或非控制排水下高5%～10%。

雖然控制排水使用范圍很廣，但在美國的應(yīng)用仍受到限制，主要原因在于投資回報率的不確定性、對作物成苗和生長的潛在負面影響以及系統(tǒng)維護。改進目前的排水網(wǎng)絡(luò)以安裝流量控制系統(tǒng)取決于現(xiàn)有設(shè)計，對暗管來講，還包括使用時長和管道類型。

理論上，現(xiàn)有的排水系統(tǒng)都可以改造并裝備控制結(jié)構(gòu)，然而影響區(qū)將受當(dāng)前設(shè)計和地形的限制。排水管理要求排水設(shè)計不僅要利用地形優(yōu)勢，還要考慮地形對控制排水影響景觀的程度。一般來說，控制排水在平原地區(qū)具有最好的經(jīng)濟效益，簡單的結(jié)構(gòu)即能影響較大范圍的區(qū)域。新技術(shù)的出現(xiàn)使必需通過地下排水的坡地采用控制排水成為可能。

3 排水渠道管理

排水明渠的特點各有不同，從而為保護水質(zhì)提供了機遇。在某些情況下，支流經(jīng)過渠道化、順直化或者新建溝渠來促進田間排水。土壤滲透率低的地區(qū)，植被化明渠是典型的田間地下排水輸送系統(tǒng);在土壤滲透率和地下水位高的地區(qū)，通過明渠實現(xiàn)田間地下排水。在低流量條件下，從生物學(xué)和物理學(xué)考慮，溝渠類似一個線型的濕地，具有相對長的水力滯時;高流量條件下，溝渠類似流動的河流，但不同于河流系統(tǒng)，定期的溝渠維護破壞了自然河道演變和濕地結(jié)構(gòu)。

大量的研究文獻概述了排水渠道在田間污染物輸出中所起的管道作用，并且能夠影響溝渠的例行維護活動，例如清淤渠道以打破其自然緩沖能力。

然而，越來越多的研究表明，植被化明渠有潛力作為最好的管理措施來減輕潛在的農(nóng)業(yè)污染。在對兩條渠道進行對比的研究中，利用水位控制結(jié)構(gòu)去限制水流以及改變明渠地下水位。增加溝渠里水的滯留時間將促進顆粒物的沉降，并且相對于一個非控制的溝渠會降低硝態(tài)氮和總磷的輸出。在溝渠中使用水位控制結(jié)構(gòu)要注意一個問題，即溝渠水位居高不下可能對田間排水系統(tǒng)的排水產(chǎn)生負面的影響。可以沿溝渠安裝多個保持低水位的結(jié)構(gòu)來補救。

在俄亥俄州，基本梯形排水渠道的設(shè)計被質(zhì)疑，研究人員在排水渠道的設(shè)計中借鑒了天然排水體系的關(guān)鍵特征(圖2)。兩級溝渠包括低徑流的渠道和洪泛平原地區(qū)，可提高河岸的穩(wěn)定性、降低溝渠水流的侵蝕以及增加沉積物的存儲能力。這種設(shè)計可降低維護成本(疏浚、穩(wěn)定河岸)，并且可以減少下游泥沙量。最初，兩級溝渠的開挖成本大于傳統(tǒng)溝渠的成本，因為其寬度通常是3～6 m，這就會導(dǎo)致兩級溝渠沿程每英里的土地損失達0.4～1.2 hm2。另外，兩級溝渠由25% 的流量處理能力增加到100%，并且可能增加下游洪水發(fā)生的概率。

圖2 傳統(tǒng)的排水溝渠梯形設(shè)計和兩級設(shè)計的剖面

3.1 濕地

對于人工排水系統(tǒng)，許多排水管理活動力求模擬或恢復(fù)一些濕地功能。沿渠建立濕地(袋狀污水處理濕地，滯留地)是改善水質(zhì)的有效措施。不管是地表水徑流還是地下排水，一直以來利用天然、修復(fù)和人工的濕地處理農(nóng)業(yè)排水。

在愛荷華州，一項創(chuàng)新示范項目(愛荷華州排水和濕地景觀系統(tǒng)創(chuàng)建)，集成田間養(yǎng)分管理、排水系統(tǒng)設(shè)計及濕地戰(zhàn)略定位，在減少非點源的面源污染的同時，還提高了農(nóng)業(yè)盈利能力。通過該項目的技術(shù)集成，發(fā)現(xiàn)地面徑流、地下徑流污染共存，在參與運行管理的過程中，可以減少徑流量、流速、洪峰流量，增加景觀的濕地服務(wù)功能，甚至可以減少溫室氣體的排放。

濕地處理排水的效率取決于很多因素，包括氣候、滯留時間和水力負荷，起作用的單元區(qū)域和排水特征，濕地生態(tài)群落。一般來說，減少污染物最佳條件是，在經(jīng)過濕地時水力滯留時間長，并且水力負荷率低。在合適的條件下，濕地促進沉積、通過反硝化作用去除排水中的氮等方面是高效的。濕地可以去除排水中的溶解性磷。去除溶解性磷的能力也會隨著時間的推移，特別是排水中磷負荷高的時候會逐漸降低。當(dāng)濕地土壤對磷飽和時，它們可能會成為磷的污染源。

即使在排水系統(tǒng)中的濕地，例如，明渠中的濕地，在水質(zhì)改善方面可以發(fā)揮重要作用，盡管常常不對，但被認為是排水系統(tǒng)能力下降的征兆。事實上，多數(shù)情況下過于強調(diào)疏浚渠道是不必要的，這樣一來反而破壞了已重建的濕地和濕地功能，甚至水動力特征沒被天然濕地群落影響時。然而，真正的障礙存在于將濕地與排水系統(tǒng)有機結(jié)合起來。例如，即便是最優(yōu)的目標過程，建設(shè)濕地因占用土地會破壞耕作的連續(xù)性，也許利用濕地處理污水最大的障礙是恢復(fù)、建設(shè)的成本和土地損失。

3.2 植被緩沖過濾帶

許多研究已經(jīng)量化了植被緩沖帶在減少徑流和養(yǎng)分的能力。將緩沖過濾帶結(jié)合到排水系統(tǒng)中，不僅要能達到改善水質(zhì)的目的，而且還能夠長期提高排水體系的效率。緩沖過濾帶主要用來攔截坡面徑流，在一些時候降低地下水位。其主要作用是通過緩沖帶密集的多年生植物產(chǎn)生的阻力而減少流速。流速的減少可能會導(dǎo)致更多的水滲透和懸浮固體顆粒物的沉淀。后一過程不但能保護下游的水體，而且也能保持排水系統(tǒng)的完整性和其功能。除此之外，緩沖帶還是營養(yǎng)物質(zhì)同化和脫氮的作用區(qū)域。

植被緩沖帶性能關(guān)系到幾個因素，包括排水面積到緩沖區(qū)面積所占的比率、降水事件的特性(年代)、排水地區(qū)的狀況、地表徑流匯合的程度和物種組成。美國農(nóng)業(yè)部自然資源保護局的保護實踐標準對緩沖區(qū)的設(shè)計作了闡述，包括輪廓緩沖帶、河岸草本帶、河岸森林緩沖區(qū)、植草排水道以及植被障礙。而對傳統(tǒng)而言，緩沖帶寬度的需求可能會限制它的應(yīng)用。大量證據(jù)表明，有著戰(zhàn)略地位的緩沖帶，即使再小也可以有效地提高水質(zhì)。

3.3 側(cè)進控制

無論是否有地表排水溝渠，側(cè)進作為地表徑流從農(nóng)業(yè)用地進入排水溝渠是很普遍的。在農(nóng)業(yè)人工排水景觀中，這些側(cè)入的泥沙和營養(yǎng)物質(zhì)一起進入地表水。側(cè)進控制如涵洞和地下埋管可以防止侵蝕，控制進入溝渠的流量，增加沉淀區(qū)域進而來改善水質(zhì)。當(dāng)前的設(shè)計未考慮水質(zhì)的影響?，F(xiàn)研究還處于起步階段，并且需要在懸浮物和營養(yǎng)負荷上去量化這些研究的實踐效益，進而開發(fā)設(shè)計指南以便側(cè)進控制可以廣泛實施。

3.4 反應(yīng)墻

滲透性反應(yīng)墻在地下水污染修復(fù)方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在排水系統(tǒng)方面還處于初期探索階段。主要理念是攔截排水時要利用去除化學(xué)污染物的材料?？紤]排水系統(tǒng)中兩種主要養(yǎng)分需進行處理，因而需要不同的材料和過程。建議減少幕墻及滲透材料，以降低進入溝渠的氮負荷。用這些方法，填滿木屑或其他有機材料的溝槽，變成加強反硝化作用的生物反應(yīng)器。如果合理位置攔截地下或地表水，幕墻和滲透材料中的反硝化作用可去除大量進入溝渠水中的硝酸鹽。

兩個不同的碳基礎(chǔ)(木屑)生物反應(yīng)器設(shè)計已經(jīng)用于處理農(nóng)業(yè)地下排水:田間排水和田邊排水設(shè)計。木屑是細菌繁殖的碳源和基質(zhì)，通過微生物介導(dǎo)的反硝化過程，這些細菌將水中的氮從硝酸鹽形式轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮。

在愛荷華州，田間開挖的溝渠與地下排水系統(tǒng)的地下管道臨近和平行，填充木屑并覆土以便耕種。當(dāng)水經(jīng)過生物反應(yīng)器濾墻時，水中的硝酸鹽在進入排水管道之前被去除。伊利諾斯州大學(xué)的研究人員已經(jīng)研究出田邊生物反應(yīng)器的效能，并制定了設(shè)計規(guī)范。在這些生物反應(yīng)系統(tǒng)中，木屑層一直延伸到地表。這些系統(tǒng)包括兩個水位控制結(jié)構(gòu)、一個導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和一個容量控制結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)控制在生物反應(yīng)器中轉(zhuǎn)移的水量，能量控制結(jié)構(gòu)控制水在生物反應(yīng)器中的停留時間。

在暗管排水區(qū)域，生物反應(yīng)器是潛在的降低氮負荷的最佳管理措施，因為現(xiàn)有的地下排水系統(tǒng)很容易被改建成生物反應(yīng)器，且占用較少耕地;通過設(shè)計可使排水系統(tǒng)效率、效益的減少降至最小，同時不需要太多維護管理。仍需要進一步研究生物反應(yīng)器可能存在的負面影響，例如溫室氣體排放量和速率、甲基汞產(chǎn)生和釋放。

雖然提出了大量過濾磷的方法，但很少得到試驗驗證。影響明渠處理結(jié)構(gòu)、磷吸附材料最佳性能的因素和屏障建造方法一般有3 種:①土壤或應(yīng)用材料的田間處理;②田邊屏障;③渠道內(nèi)(明渠或暗管)過濾器。

從一項關(guān)于磷反應(yīng)墻的評估研究中可以看出，與傳統(tǒng)安裝工藝相比，在管道安裝時回填熔渣混合物，可使磷流失減少2/3，熔渣使用壽命超過25 a。磷吸附材料的水力特征——水力滯時和成本是影響這些過濾器應(yīng)用的主要障礙。

4 農(nóng)業(yè)管理

從水質(zhì)管理角度，排水系統(tǒng)的性能取決于通過排水阻止污染物轉(zhuǎn)移的農(nóng)業(yè)管理。農(nóng)業(yè)管理中必須將排水管理作為考慮的重要部分。農(nóng)業(yè)管理在大多數(shù)情況下影響?zhàn)B分、沉積物和排水系統(tǒng)中的其他污染物的傳輸擴散。養(yǎng)分管理、灌溉管理，作物耕作、輪作(例如多年生植物和覆蓋作物)，害蟲管理都起到一定作用。

改善水質(zhì)最重要的第一步是幫助生產(chǎn)者理解農(nóng)業(yè)活動和排水水質(zhì)之間的聯(lián)系。例如覆蓋耕作或者對于生產(chǎn)者是不必要的、昂貴的措施，直到措施的采納和水質(zhì)之間的聯(lián)系確定。另一方面，免耕對地表徑流水質(zhì)有明顯的益處，但是對地下排水水質(zhì)卻有一定關(guān)系。一旦建立聯(lián)系，需要持之以恒努力使農(nóng)業(yè)污染物擴散轉(zhuǎn)移量最小，但毫無疑問，與傳統(tǒng)生產(chǎn)相比，生產(chǎn)者需要承受額外的成本。

5 結(jié) 語

2003 年，有學(xué)者提出精確保護的概念(也稱為目標保護)，即在提高區(qū)域和景觀保護效率時，要考慮空間和時間的變化。綜上所述，確定了一些能夠用于減少排水中污染物運輸?shù)姆椒ù胧?排水系統(tǒng)設(shè)計、控制排水、排水渠道管理、蓄水、植被緩沖過濾帶、側(cè)進控制、反應(yīng)墻、和農(nóng)業(yè)管理)。2008 年，有人指出，精確保護的概念可以策略性用于景觀和周圍區(qū)域的實踐活動，以提高排水徑流和營養(yǎng)負荷水文特征方面的管理效率。