關(guān)鍵詞：平原河網(wǎng)地區(qū)；水文水質(zhì)協(xié)同監(jiān)測；農(nóng)田面源污染入河系數(shù)；自動(dòng)采樣；負(fù)荷分類評(píng)估；微積分算法

中圖分類號(hào)：X52；X83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）12-2838-10 doi：10.11654/jaes.2024-0862

我國農(nóng)田氮磷流失特征具有明顯的空間差異性，南方農(nóng)田地表徑流量整體高于北方，其中南方濕潤平原區(qū)是地表徑流氮磷流失的重點(diǎn)區(qū)域，以20%的耕地面積產(chǎn)生占全國總量62% 和68% 的氮、磷徑流流失，其農(nóng)業(yè)面源污染排放不容忽視[1]。上述客觀條件為平原河網(wǎng)地區(qū)的農(nóng)田面源污染負(fù)荷精準(zhǔn)評(píng)估和精細(xì)化管控帶來了極大的挑戰(zhàn)[2]?！笆濉逼陂g，上海市等平原河網(wǎng)地區(qū)的碧水保衛(wèi)戰(zhàn)水環(huán)境治理成效顯著，但在河湖水質(zhì)整體提升的同時(shí)汛期河道水質(zhì)波動(dòng)現(xiàn)象仍較普遍；隨著工業(yè)點(diǎn)源污染逐步得到控制，農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)村生活污水等農(nóng)村污染源逐漸成為郊區(qū)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步提升的重要制約因素之一[3]?！笆奈濉币詠?，國家高度重視農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測評(píng)估工作，先后密集發(fā)布了30余份政府文件對(duì)相關(guān)工作進(jìn)行部署。2021年10月，生態(tài)環(huán)境部辦公廳印發(fā)《關(guān)于同意開展農(nóng)業(yè)面源污染治理與監(jiān)督指導(dǎo)試點(diǎn)的通知》（環(huán)辦土壤函〔2021〕507號(hào)），在全國建立了26 個(gè)農(nóng)業(yè)面源污染治理與監(jiān)督指導(dǎo)試點(diǎn)地區(qū)，各試點(diǎn)于2022 年底完成了監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)，2023年實(shí)際開展了71個(gè)監(jiān)測區(qū)的監(jiān)測工作，全國農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測評(píng)估系統(tǒng)更加完善，省級(jí)農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測能力和評(píng)估系統(tǒng)初步建立，基本形成天地協(xié)同、多級(jí)聯(lián)動(dòng)的全國農(nóng)業(yè)面源污染綜合監(jiān)測評(píng)估體系[4]。然而，部分地區(qū)在實(shí)際工作過程中遇到了面源污染監(jiān)測評(píng)估技術(shù)體系亟待完善的問題；特別是在平原河網(wǎng)地區(qū)[5]，其農(nóng)田破碎化特征顯著，入河排放口分散且密布[6]，導(dǎo)致排水難以集中，在監(jiān)測成本控制要求下通過較少的監(jiān)測點(diǎn)位獲得科學(xué)的監(jiān)測評(píng)估結(jié)果難度較大；農(nóng)田面源污染輸出呈高度隨機(jī)性、脈沖式特征[7]，且輸出特征時(shí)空異質(zhì)性明顯。同時(shí)，受前期農(nóng)田水文狀況的影響，相近的入河排放口單次降水產(chǎn)流事件的污染輸出強(qiáng)度亦有可能有較大差異，難以捕捉面源污染排放真實(shí)過程。

自Johnes[8]于1996年提出優(yōu)化的輸出系數(shù)（Exportcoefficient）法以來，該方法已成為農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷評(píng)估最常用的方法，至今仍是農(nóng)業(yè)面源污染領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。對(duì)于監(jiān)測區(qū)域的空間尺度而言，農(nóng)業(yè)面源污染輸出系數(shù)具體可以細(xì)分為在農(nóng)田排放口（田-溝）監(jiān)測得到的流失系數(shù)或離田系數(shù)、在入河排放口（溝-河）監(jiān)測得到的入河系數(shù)、在（?。┝饔颍ㄗ恿饔?流域）監(jiān)測得到的排放系數(shù)。傳統(tǒng)的流失系數(shù)監(jiān)測采用徑流小區(qū)法，得到的數(shù)據(jù)并非真實(shí)的入河負(fù)荷。耿潤哲等[9]提出了農(nóng)業(yè)面源污染物入河系數(shù)測算體系的總體方案，指出在全國范圍內(nèi)，根據(jù)流域分區(qū)結(jié)果采取嵌套式典型流域和標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的必要性，但較多的南方平原河網(wǎng)地區(qū)地勢(shì)低平、河道上下游關(guān)系不明，因此流域的概念并不完全適用，從而限制了上述方案在南方水網(wǎng)區(qū)的適用性。農(nóng)田面源污染物在農(nóng)田排水溝塘系統(tǒng)運(yùn)移過程中一般會(huì)經(jīng)歷一個(gè)沿程降解的過程[10-11]，故理論上單位面積、單位時(shí)間的面源污染入河系數(shù)應(yīng)當(dāng)小于離田系數(shù)。然而，在實(shí)際監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，排水系統(tǒng)中有時(shí)會(huì)存在水質(zhì)濃度沿程上升的現(xiàn)象，究其原因，包括但不限于以下幾點(diǎn)：（1）排水溝兩邊斜坡（自留地）種菜施肥期間的岸坡徑流入溝；（2）排水溝底泥內(nèi)源釋放[12]；（3）稻田田埂的土壤淋溶水側(cè)滲[13]；（4）田間干濕沉降[14]；（5）入河排放口附近河道水倒灌對(duì)排水溝末端水質(zhì)的影響[15]。針對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)灌區(qū)尺度入河排放口的農(nóng)田面源污染入河系數(shù)研究目前較少[16]?？傮w而言，現(xiàn)有研究對(duì)各地區(qū)本地化農(nóng)田面源污染入河系數(shù)精準(zhǔn)測算研究較少，無法滿足平原河網(wǎng)地區(qū)幾十公頃灌區(qū)微觀空間尺度下的面源污染負(fù)荷評(píng)估及河道水質(zhì)波動(dòng)原因剖析的需要。

本文針對(duì)當(dāng)前的農(nóng)田面源污染排放系數(shù)較難支撐當(dāng)前愈發(fā)精細(xì)化的管理需求的問題，著重對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田面源污染監(jiān)測重難點(diǎn)問題進(jìn)行分析，進(jìn)而闡述本研究團(tuán)隊(duì)“十四五”期間在上海市構(gòu)建的平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田面源污染入河系數(shù)精準(zhǔn)測算方法體系，并開展2024 年9 月自有記錄以來雙臺(tái)風(fēng)首次同時(shí)登陸上海期間的典型案例研究，以期為類似的平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田面源污染監(jiān)測與負(fù)荷精準(zhǔn)評(píng)估提供成套方法技術(shù)體系支撐，為后續(xù)的農(nóng)業(yè)面源污染關(guān)鍵源區(qū)精準(zhǔn)識(shí)別與污染防治工作提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田面源污染監(jiān)測重難點(diǎn)分析

1.1 監(jiān)測區(qū)域選取的可行性和代表性問題

在構(gòu)建平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田面源污染入河系數(shù)精準(zhǔn)測算體系之前，首先需要考慮監(jiān)測區(qū)域代表性問題，這一點(diǎn)在以往的研究中常被忽視[17]。在選取監(jiān)測區(qū)的過程中至少需要注意以下幾點(diǎn)：①水陸聯(lián)動(dòng)。應(yīng)以主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)周邊水環(huán)境影響較為突出（主要體現(xiàn)為汛期水質(zhì)波動(dòng)較為明顯）的區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)，農(nóng)田入河排放口的污染負(fù)荷主要來源于單一種植類型的農(nóng)田面源污染排放，且農(nóng)田產(chǎn)匯流過程在周邊區(qū)域具有較好的代表性。②灌排集中。監(jiān)測區(qū)域應(yīng)為能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立灌排的連片農(nóng)田，入河排放口、灌溉取水口數(shù)量盡可能少，灌排控制措施相對(duì)集中，入河排放口與對(duì)應(yīng)排水分區(qū)的上下游水力關(guān)系明確，以利于監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量和成本控制。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)種植類型相對(duì)單一，基本無農(nóng)村生活污水、村宅地表徑流等其他污染源排放影響。③管理便捷。管理主體盡可能為農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社，以確保監(jiān)測區(qū)域及周邊區(qū)域的農(nóng)事活動(dòng)具有統(tǒng)一的管理責(zé)任主體，利于監(jiān)測期的農(nóng)事活動(dòng)調(diào)查以及后續(xù)可能的面源污染防治措施實(shí)施；設(shè)置在線設(shè)備的監(jiān)測點(diǎn)位周邊接電便利性較好。

1.2 監(jiān)測評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性和精準(zhǔn)性問題①

農(nóng)田水文：以上海市為例，上海地區(qū)雨熱同期，水稻種植期（5—11月）與汛期（6—9月）、梅雨期（6—7月）、臺(tái)風(fēng)暴雨期（7—10月）等高度重疊，水稻施肥后的面源污染流失高風(fēng)險(xiǎn)期、灌溉期、河道水倒灌（回灌）期、曬田（又稱擱田、烤田）期交替發(fā)生，導(dǎo)致水稻生育期土壤一直處于干濕交替條件[18]，加之農(nóng)田小微水體廣泛分布[19]，農(nóng)田排水系統(tǒng)特征及農(nóng)田水文狀況極其復(fù)雜。②監(jiān)測點(diǎn)位：應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注入河排放口的農(nóng)業(yè)面源污染入河負(fù)荷（入河系數(shù)），以便于建立農(nóng)業(yè)面源污染排放與河道水質(zhì)波動(dòng)的聯(lián)系，而現(xiàn)有的監(jiān)測體系多關(guān)注田塊尺度或流域尺度面源污染監(jiān)測、農(nóng)田周邊河道水質(zhì)監(jiān)測，較難客觀反映農(nóng)業(yè)面源污染的真實(shí)排放情況。③流量監(jiān)測：農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測與傳統(tǒng)的河道水質(zhì)監(jiān)測有很大區(qū)別，只有負(fù)荷通量才能代表面源污染排放量，流量監(jiān)測不容忽視，甚至在流量變幅較大的汛期其對(duì)負(fù)荷測算精準(zhǔn)度的影響可能比水質(zhì)更大[20]，且難以通過人工獲得準(zhǔn)確的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)。④監(jiān)測頻次：監(jiān)測頻次直接決定了監(jiān)測評(píng)估結(jié)果的精準(zhǔn)度，同時(shí)也直接決定了監(jiān)測成本，如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測成本與監(jiān)測成效的平衡，需要對(duì)監(jiān)測頻次進(jìn)行仔細(xì)衡量和把關(guān)。流量自動(dòng)監(jiān)測屬于一次性投入，后期除少量運(yùn)維費(fèi)之外一般不產(chǎn)生監(jiān)測費(fèi)用，而不論何種形式的水質(zhì)監(jiān)測都需要有持續(xù)的費(fèi)用投入，由于流量在線自動(dòng)監(jiān)測的頻次可達(dá)分鐘級(jí)甚至秒級(jí)，遠(yuǎn)高于水質(zhì)監(jiān)測的頻次，所以如何設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測間隔、通過有限的監(jiān)測經(jīng)費(fèi)獲得更好的監(jiān)測評(píng)估結(jié)果就顯得尤為重要。

1.3 面源監(jiān)測工作的綜合性和集成性問題

目前，國家層面推動(dòng)的農(nóng)業(yè)面源污染試點(diǎn)監(jiān)測工作開展尚不到3年時(shí)間，農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測與傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測不同，是一項(xiàng)較新的工作任務(wù)，涉及到農(nóng)田水利、農(nóng)藝學(xué)和農(nóng)業(yè)資源環(huán)境等各專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)技能，需要扎實(shí)做好資料搜集、區(qū)域選取、方案編制、現(xiàn)場踏勘、儀器布設(shè)、數(shù)據(jù)采集、分析評(píng)估、質(zhì)量保障等各項(xiàng)工作，工作集成度較高，工作完成質(zhì)量需要以工作人員的團(tuán)隊(duì)通力配合和整體綜合能力作為重要保障。

2平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田面源污染入河系數(shù)精準(zhǔn)測算方法體系建立

筆者及所在研究團(tuán)隊(duì)在上海市構(gòu)建了“4+9”種植業(yè)面源污染監(jiān)測評(píng)估體系（4個(gè)市級(jí)試點(diǎn)+9個(gè)區(qū)級(jí)試點(diǎn)），涵蓋水田、旱地、果園和設(shè)施大棚等主要種植類型，在上海市所有涉農(nóng)區(qū)構(gòu)建了統(tǒng)一的入河系數(shù)精準(zhǔn)測算技術(shù)方法體系。以上海市為例，平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田面源污染入河系數(shù)精準(zhǔn)測算方法包括監(jiān)測區(qū)域選取、基礎(chǔ)資料搜集、監(jiān)測單元?jiǎng)澏?、監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)、采樣監(jiān)測周期與方式選擇、自動(dòng)采樣觸發(fā)條件和監(jiān)測頻次設(shè)置、監(jiān)測指標(biāo)選定、（凈）入河系數(shù)計(jì)算、負(fù)荷分類評(píng)估和質(zhì)量控制10個(gè)步驟。以下分別闡述各個(gè)步驟的具體技術(shù)細(xì)節(jié)要求。

（1）監(jiān)測區(qū)域選取：應(yīng)在主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、農(nóng)田面源污染問題較為突出的區(qū)域選擇監(jiān)測區(qū)域。監(jiān)測區(qū)域一般由單個(gè)或多個(gè)灌區(qū)組成，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)基本無農(nóng)村生活污水、垃圾、養(yǎng)殖等其他污染源排放的影響。監(jiān)測區(qū)域的選取情況與實(shí)際工作需求緊密相關(guān)，其面積一般不固定，一般在66.7 hm²以內(nèi)。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的農(nóng)田面源污染入河排放口一般較多，須對(duì)其入河排放口及對(duì)應(yīng)的匯水區(qū)域、排水路徑開展前期調(diào)查。

（2）基礎(chǔ)資料搜集：監(jiān)測區(qū)域和監(jiān)測單元確定后，對(duì)監(jiān)測區(qū)域在監(jiān)測周期內(nèi)的基礎(chǔ)資料進(jìn)行持續(xù)搜集，為負(fù)荷評(píng)估關(guān)鍵性結(jié)論作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐（表1）。

（3）監(jiān)測單元?jiǎng)澏ǎ焊鶕?jù)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)入河排放口及其對(duì)應(yīng)的匯水區(qū)域、排水路徑調(diào)查結(jié)果，結(jié)合已搜集的重要基礎(chǔ)資料信息，選擇1～2個(gè)（最多不宜超過3個(gè)）主要入河排放口，將其對(duì)應(yīng)的連片匯水區(qū)域劃定為監(jiān)測單元（面積較小的監(jiān)測區(qū)域可整體劃定為監(jiān)測單元），用監(jiān)測單元的監(jiān)測結(jié)果表征監(jiān)測區(qū)域的整體情況。監(jiān)測單元的面積相對(duì)可控，一般在3.3～20.0hm²之間。

（4）監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)：在監(jiān)測單元的灌溉取水口布設(shè)農(nóng)田灌溉用水監(jiān)測點(diǎn)位（以下簡稱灌溉監(jiān)測點(diǎn)位），開展水質(zhì)監(jiān)測；在監(jiān)測單元的農(nóng)田排放口布設(shè)農(nóng)田面源污染入河排放口監(jiān)測點(diǎn)位（以下簡稱排口監(jiān)測點(diǎn)位），開展流量和水質(zhì)同步監(jiān)測。應(yīng)盡可能在排口數(shù)量較少的監(jiān)測單元開展監(jiān)測，可選擇其中的部分入河排放口設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)位，其對(duì)應(yīng)的總農(nóng)田面積應(yīng)達(dá)到監(jiān)測單元農(nóng)田面積的50% 以上，以確保監(jiān)測結(jié)果能夠代表監(jiān)測單元的總體情況。

（5）采樣監(jiān)測周期和方式選擇：監(jiān)測周期應(yīng)包含至少1個(gè)完整的自然年。流量監(jiān)測應(yīng)覆蓋整個(gè)監(jiān)測周期，水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)針對(duì)入河排放口的降雨和灌溉產(chǎn)流事件進(jìn)行，每年4月至9月應(yīng)適當(dāng)增加降水產(chǎn)流事件和水田灌溉高峰期灌溉產(chǎn)流事件的監(jiān)測次數(shù)。4月應(yīng)盡可能捕捉到清明節(jié)期間連陰雨天氣的降水產(chǎn)流排放過程；對(duì)于水田，5—6月應(yīng)充分把握水稻施基肥后的第一次產(chǎn)流事件，7—8月應(yīng)把握水稻施蘗肥和穗肥后的第一次產(chǎn)流事件；對(duì)于旱地、小麥（稻麥輪作）[21]、設(shè)施大棚，均應(yīng)聚焦汛期（5—9月）和非汛期的施肥期產(chǎn)流事件，以充分掌握豐水期和枯水期的面源污染排放底數(shù)；對(duì)于設(shè)施大棚，如采取揭棚洗鹽措施的，應(yīng)針對(duì)揭棚期產(chǎn)流事件開展監(jiān)測。為提高入河系數(shù)測算精度，建議在汛期、非汛期每月開展至少1～2次監(jiān)測。有限推薦通過在線設(shè)備實(shí)現(xiàn)面源污染水樣的自動(dòng)采樣或自動(dòng)監(jiān)測，輔以必要的人工采樣；推薦優(yōu)先采用流量在線自動(dòng)高頻監(jiān)測、通過流速閾值觸發(fā)水質(zhì)自動(dòng)采樣的監(jiān)測方式，監(jiān)測經(jīng)費(fèi)足夠的情況下也可以選擇水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測的方式。如果需要對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染防治措施進(jìn)行績效評(píng)價(jià)，考慮到措施的滯后效應(yīng)[22]，在實(shí)施措施后建議開展連續(xù)3 a或以上的監(jiān)測評(píng)估[23]。

（6）自動(dòng)采樣觸發(fā)條件和監(jiān)測頻次設(shè)置：水質(zhì)自動(dòng)采樣器的觸發(fā)條件分為時(shí)間間隔觸發(fā)和水量間隔觸發(fā)2種模式[24]，本文提出的監(jiān)測方法建議采用時(shí)間間隔觸發(fā)，以便于在沒有水質(zhì)自動(dòng)采樣器的條件下降低人工采樣的技術(shù)門檻。根據(jù)上海市試點(diǎn)監(jiān)測的大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，汛期觸發(fā)水質(zhì)自動(dòng)采樣的流速閾值一般設(shè)在0.2～0.5 m·s^-1較為合適，非汛期的農(nóng)田排水流量一般較小，可根據(jù)各地實(shí)際情況將流速閾值設(shè)低，以確保能夠采到非汛期產(chǎn)流期間的水樣。應(yīng)遵循“先密后疏”原則[25-26]確定排口監(jiān)測點(diǎn)位的采樣頻次，入河排放口產(chǎn)流初期（一般為產(chǎn)流開始之后8 h內(nèi)）采用0.5～1 h的采樣間隔，產(chǎn)流中后期（8～24 h）采用1～4 h的采樣間隔，產(chǎn)流后期（24 h以后）采用4～12 h的采樣間隔，非汛期可適當(dāng)降低采樣頻率。如果經(jīng)費(fèi)有限，非施肥期產(chǎn)流可在產(chǎn)流初、中、后期的樣品中分別挑選至少3、1、1個(gè)進(jìn)行水質(zhì)檢測。針對(duì)灌溉事件，應(yīng)在灌溉期間采集至少1個(gè)灌溉取水口水樣。由于提高流量在線自動(dòng)監(jiān)測的頻次并不會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測成本的增加，且流量監(jiān)測頻次直接決定了對(duì)面源污染排放起止時(shí)間的識(shí)別精度，故對(duì)于流量一般設(shè)置高頻自動(dòng)監(jiān)測，其監(jiān)測間隔建議設(shè)為10 min以內(nèi)，降水量監(jiān)測的頻次建議設(shè)為15 min以內(nèi)。

（7）監(jiān)測指標(biāo)選定：監(jiān)測單元的降水量、設(shè)置水質(zhì)采樣點(diǎn)位的入河排放口的流量（應(yīng)當(dāng)對(duì)正向和反向水流的流量都進(jìn)行監(jiān)測）、灌溉取水口的灌溉起止時(shí)間為必測指標(biāo)，如果監(jiān)測單元附近1 km以內(nèi)已有雨量站且數(shù)據(jù)符合要求，可使用其數(shù)據(jù)。水質(zhì)必測指標(biāo)為總磷、總氮和氨氮；水質(zhì)選測指標(biāo)包括但不限于高錳酸鹽指數(shù)、可溶性磷酸鹽、硝酸鹽氮、溶解氧和懸浮物等。相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)采用的檢測方法參考《全國農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測評(píng)估實(shí)施方案（2022—2025年）》（環(huán)辦監(jiān)測〔2022〕23號(hào)）中推薦的方法，溶解氧、懸浮物的檢測分別采用《水質(zhì)溶解氧的測定電化學(xué)探頭法》（HJ506—2009）、《水質(zhì)懸浮物的測定重量法》（GB 11901—1989）進(jìn)行。

（8）（凈）入河系數(shù)計(jì)算

根據(jù)入河排放口的農(nóng)田排水流速大于或等于流速閾值的時(shí)段識(shí)別農(nóng)田面源污染排放事件，流速上升過程中實(shí)測流速大于閾值即開始水質(zhì)自動(dòng)采樣、自動(dòng)監(jiān)測或人工采樣，流速下降過程中實(shí)測流速小于閾值之后水質(zhì)自動(dòng)采樣、自動(dòng)監(jiān)測或人工采樣即停止，有限的樣品采滿亦會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)采樣停止，獲得水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)期即為監(jiān)測期。在整個(gè)監(jiān)測周期內(nèi)逐月計(jì)算入河系數(shù)，每月內(nèi)分監(jiān)測期（開展農(nóng)田面源污染水質(zhì)監(jiān)測的時(shí)段）和非監(jiān)測期分別計(jì)算農(nóng)田排水量、農(nóng)田面源污染入河負(fù)荷。

不論采用何種水質(zhì)采樣/監(jiān)測方式，其頻次一般遠(yuǎn)低于流量在線自動(dòng)監(jiān)測的頻次[27]，從而導(dǎo)致流量、水質(zhì)監(jiān)測的時(shí)刻可能不完全匹配，此時(shí)應(yīng)當(dāng)按照水質(zhì)采樣/監(jiān)測的時(shí)刻對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，以確保所有的水質(zhì)數(shù)據(jù)均有同時(shí)間匹配的流量數(shù)據(jù)，進(jìn)而以相鄰兩個(gè)水質(zhì)濃度對(duì)應(yīng)的采樣/監(jiān)測時(shí)間段為步長推算得到監(jiān)測期的入河負(fù)荷，并以流量高頻監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)非監(jiān)測期的入河負(fù)荷進(jìn)行估算，最終實(shí)現(xiàn)逐月入河負(fù)荷和入河系數(shù)的精準(zhǔn)核算。

（9）負(fù)荷分類評(píng)估：根據(jù)降水和灌溉情況、入河排放口的流量等對(duì)降水（自然因素）、灌溉（人為因素）和倒灌（自然因素）產(chǎn)流事件的起止時(shí)間進(jìn)行科學(xué)劃定，分類開展入河負(fù)荷精細(xì)化評(píng)估。其中倒灌是指對(duì)于感潮河網(wǎng)地區(qū)、行洪或通航河道等，在河道水位高于農(nóng)田排水溝水位形成的水力梯度或船行波作用下，河道水進(jìn)入農(nóng)田排水溝，待河道水位下降之后農(nóng)田排水溝的水將重新排入河道，這一過程形成的農(nóng)田排水不屬于農(nóng)田面源污染。由于倒灌期入河排放口的流速為負(fù)值，在農(nóng)田排水水量計(jì)算過程中已將倒灌水量扣除，故本研究的入河負(fù)荷不包含倒灌導(dǎo)致的負(fù)荷。入河排放口流速/流量大于一定的閾值且持續(xù)超過一定時(shí)長（具體取值須結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)初期監(jiān)測結(jié)果確定，下同），按照前2 d內(nèi)（2 d的時(shí)長視農(nóng)田水文條件可作調(diào)整，下同）發(fā)生降水且未進(jìn)行灌溉、進(jìn)行灌溉且未發(fā)生降水、既發(fā)生降水也進(jìn)行灌溉3種情況分別認(rèn)定為降水產(chǎn)流事件、灌溉產(chǎn)流事件、降水和灌溉共同導(dǎo)致的產(chǎn)流事件；非降水/灌溉產(chǎn)流期發(fā)生入河排放口流速先負(fù)后正則認(rèn)定為倒灌產(chǎn)流事件。按照上述產(chǎn)流事件對(duì)農(nóng)田面源污染入河負(fù)荷進(jìn)行分類核算評(píng)估。

（10）質(zhì)量控制：樣品保存和運(yùn)輸按照《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》（HJ 493—2009）的規(guī)定執(zhí)行，樣品在水質(zhì)自動(dòng)采樣器內(nèi)的存儲(chǔ)溫度不超過4 ℃。采集的水樣應(yīng)及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室，盡可能在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)效完成樣品分析。水質(zhì)自動(dòng)采樣器的日常檢驗(yàn)和監(jiān)督校驗(yàn)應(yīng)執(zhí)行《水質(zhì)自動(dòng)采樣器技術(shù)要求及檢測方法》（HJ/T 372—2007）的要求。水位觀測的精度和質(zhì)量控制應(yīng)執(zhí)行《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138—2010）的要求，流量測驗(yàn)的精度和質(zhì)量控制應(yīng)執(zhí)行《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》（SL 537—2011）和《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》（SL 337—2006）的要求。需要特別說明的是，在開展農(nóng)田面源污染監(jiān)測的過程中，設(shè)置水質(zhì)自動(dòng)采樣器的目的是降低人力成本，并及時(shí)捕捉徑流期的排水水樣，一般自動(dòng)采樣過程持續(xù)2 d左右，水樣采集完畢后將樣品一次性取回實(shí)驗(yàn)室分析，故部分樣品無法滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的時(shí)效性要求，這一點(diǎn)是可以接受的。

3 典型案例研究

2024年9月，臺(tái)風(fēng)“貝碧嘉”（1949年以來登陸上海的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)）、“普拉?！保ㄔ斐刹糠钟^測站雨量打破歷史記錄）先后登陸上海，系上海自有氣象記錄歷史以來首次雙臺(tái)風(fēng)在3 d內(nèi)同時(shí)登陸，風(fēng)暴潮疊加天文潮增水，造成了局部地區(qū)超強(qiáng)降雨，給上海市乃至長三角地區(qū)的防汛排澇和水環(huán)境生態(tài)保護(hù)工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。本文以2024年9月上海市某水田面源污染市級(jí)試點(diǎn)的入河系數(shù)精準(zhǔn)測算作為典型案例（研究區(qū)如圖1所示），展示最新的相關(guān)成果。試點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測單元的主要農(nóng)事活動(dòng)為：5月20日施基肥，隨后泡田插秧，6月12日施蘗肥，8月1—2日施穗肥，11月13日收割。監(jiān)測期9月為非施肥期，農(nóng)田面源污染輸出基本不受施肥影響。

“貝碧嘉”和“普拉?！钡顷懫陂g造成的監(jiān)測區(qū)降水量和降水時(shí)段分別為123 mm（9月16日3：00—21：00）、38.5 mm（9月19日7：00—9月20日20：00），其徑流系數(shù)分別為0.288和0.492，表明“貝碧嘉”登陸前期農(nóng)田水分含量較低、地下水位較深，蓄滿產(chǎn)流發(fā)生的較晚；而“普拉?！钡顷懺斐傻慕邓侩m然僅為“貝碧嘉”的1/3左右，但由于蓄滿產(chǎn)流迅速發(fā)生[29]，近一半的降水排入河道，形成面源污染。徐云強(qiáng)等[30]研究得到太湖流域（江蘇宜興）某直播水稻田8月中旬單次降水56.3 mm 下的徑流系數(shù)為0.259，本文研究期（9月）水稻灌溉量相對(duì)更少，在雙臺(tái)風(fēng)登陸期間的徑流系數(shù)更高，說明即使處于水稻生育中后期、汛期末端，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨亦有可能造成農(nóng)業(yè)面源污染短期內(nèi)的集中輸出。2024 年9 月，監(jiān)測區(qū)于2 日（9.1 h）、3 日（5.5 h）、5日（9.5 h）和8日（10.3 h）進(jìn)行了灌溉（括號(hào)內(nèi)為灌溉時(shí)長），2日（13.5 mm）、10—11 日（83.0mm）、15—16日（124.0 mm）、19—21日（39.5 mm）、24日（1.5 mm）、27日（7.5 mm）、30日（0.5 mm）發(fā)生了降水（括號(hào)內(nèi)為日降水量），與往年同期相比為典型的豐水月。本研究于9月4—6日、11—13日、16—18日、19—21日在監(jiān)測區(qū)開展了水質(zhì)高頻監(jiān)測，共計(jì)分析了95個(gè)水樣的總磷、磷酸鹽、總氮、氨氮、硝氮和高錳酸鹽指數(shù)等水質(zhì)指標(biāo)，流量持續(xù)自動(dòng)監(jiān)測的間隔為10 min。監(jiān)測評(píng)估結(jié)果見表2。

根據(jù)降水量和灌溉時(shí)段監(jiān)測結(jié)果，表2的3個(gè)時(shí)段基本代表9月上、中、下旬，其農(nóng)田面源污染的驅(qū)動(dòng)因素各有不同，9月上旬主要為灌溉驅(qū)動(dòng)（僅9月2日降水13.5 mm），9月中旬為降水驅(qū)動(dòng)（未進(jìn)行灌溉），9月下旬降水驅(qū)動(dòng)影響較小、無灌溉驅(qū)動(dòng)（僅降水9.5mm，未灌溉）。另外，整個(gè)9月入河排放口流速為負(fù)值時(shí)對(duì)應(yīng)的倒灌水量為4.8 mm（304.9 m³），流速為正值時(shí)的排水量為187.9 mm（12 027 m³），發(fā)生倒灌的時(shí)段占比為10.6%，但倒灌總水量僅占2.5%，說明其對(duì)面源排放的影響很小，故未對(duì)倒灌導(dǎo)致的負(fù)荷輸出占比進(jìn)行計(jì)算。本文建立的方法體系在強(qiáng)降雨強(qiáng)排期間得到典型應(yīng)用，充分運(yùn)用在線技術(shù)手段很好地捕捉了農(nóng)田面源污染排放全過程[31]，獲得了較為精準(zhǔn)的月尺度入河系數(shù)。9月的排水量及各水質(zhì)指標(biāo)的大小排序均為中旬gt;上旬gt;下旬，說明研究期內(nèi)臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)農(nóng)田面源污染輸出的影響最大。上旬和下旬硝酸鹽氮的入河系數(shù)均是在氨氮的2倍以上，而降水驅(qū)動(dòng)主導(dǎo)的中旬氨氮的入河系數(shù)大于硝酸鹽氮，同時(shí)中旬氨氮的排放量占9月的74.0%，較其他氮磷指標(biāo)的56.1%～69.8%更高，說明強(qiáng)降雨條件有加強(qiáng)氨氮面源污染輸出的潛在風(fēng)險(xiǎn)。研究區(qū)9月硝酸鹽氮入河負(fù)荷高于氨氮的主要原因主要為：（1）在水稻生育中后期受作物需水量和灌溉頻次降低的影響，農(nóng)田地下水水位開始逐步降低，土壤透氣性提高，促進(jìn)了硝化作用；（2）稻田施肥期氨氮濃度較高，水稻抽穗之后一般不再施肥，故穗肥之后氨氮濃度會(huì)隨著水稻的生育進(jìn)程逐步降低[32-33]。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

（1）本文基于上海市種植業(yè)面源污染試點(diǎn)監(jiān)測的前期研究成果，構(gòu)建了平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田面源污染入河系數(shù)精準(zhǔn)測算的方法體系，具體包括監(jiān)測區(qū)域選取和監(jiān)測單元?jiǎng)澏ǖ?0個(gè)步驟，該監(jiān)測體系已應(yīng)用于上海市13個(gè)試點(diǎn)監(jiān)測區(qū)，從一定程度上豐富了類似地區(qū)農(nóng)田面源污染監(jiān)測的理論技術(shù)體系。

（2）本文建立的農(nóng)田面源污染監(jiān)測方法聚焦灌區(qū)尺度的入河排放口監(jiān)測，使用流量在線自動(dòng)高頻監(jiān)測，通過流速閾值觸發(fā)水質(zhì)“先密后疏”自動(dòng)采樣的方法，完整捕捉農(nóng)田面源污染入河典型事件全過程，基于統(tǒng)一的方法體系形成月尺度（凈）入河系數(shù)清單，對(duì)于面源污染真實(shí)入河量的本底值排摸具有重要的參考意義。

（3）2024年9月雙臺(tái)風(fēng)同時(shí)登陸上海期間的典型監(jiān)測評(píng)估結(jié)果表明，當(dāng)月總磷、磷酸鹽、總氮、氨氮、硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數(shù)的入河系數(shù)分別為0.225、0.093、1.719、0.597、0.775、4.916 kg·hm^-2·月^-1，相關(guān)技術(shù)路徑和研究成果可為輸出系數(shù)法在平原河網(wǎng)地區(qū)灌區(qū)尺度的應(yīng)用提供有益借鑒和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

4.2 展望

今后有必要進(jìn)一步針對(duì)各地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)河網(wǎng)水系及水利調(diào)度特點(diǎn)研究構(gòu)建農(nóng)村多源污染監(jiān)測評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方法體系，因地制宜開展面源污染監(jiān)測、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防治工作，以排摸各地本地化面源污染月尺度或季節(jié)尺度（凈）入河系數(shù)為抓手圍繞“查-測-劃-治-評(píng)”五步法開展相關(guān)工作，助力農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展與鄉(xiāng)村生態(tài)振興。