污染治理｜内蒙古河套灌区农田排水污染特征及防控措施

内蒙古河套灌区是全国乃至亚洲最大的“一首制”自流灌区，现有灌溉面积76.93万hm ² ，其中引黄灌溉面积62.37万hm ² 。该灌区从三盛公水利枢纽引入黄河水，经总干渠向灌区供水，随后经各级排水沟道汇入乌梁素海，形成“黄河—河套灌区—乌梁素海”水系统。乌梁素海是河套灌区水利工程的重要组成部分，是农田灌溉排水的唯一受纳水体。然而，近年来随着河套灌区工农业生产的发展，乌梁素海流域多个监控断面的水质经常处于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》的Ⅳ类及以下状态。2017年内蒙古自治区公布的中央环境保护监督整改方案表明，乌梁素海接纳河套灌区超过90%的农田排水，其中超过36%的总氮（TN）、55%的化学需氧量（COD）和62%的总磷（TP）来自农业污染，农田排水是乌梁素海污染的主要来源。Shi等运用主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA）对乌梁素海水质数据进行评价，进一步确认了乌梁素海的主要污染来自河套灌区的农田排水。因此，为提升乌梁素海的生态环境综合治理成效，河套灌区农田排水污染的防控是关键环节。

乌梁素海的水源主要来自河套灌区的总排干、八至十排干排水以及降水，这些水汇集了灌区上中下游区域农田排水。因此，入湖排水沟的水质直接影响乌梁素海的生态环境安全。魏学敏等分析了2018—2020年短期时间尺度下入湖排水沟的水质现状，结果表明，以地表水Ⅴ类水为标准值，入湖排水沟中COD最大值超标9倍， 氨氮（NH ₄ ⁺ -N）浓度最大值超标96%， TN浓度最大值超标9.25倍，TP浓度最大值接近标准值或略微超标。同时，田志强等发现入湖排水沟中的氮素污染主要来自农田排水。目前的研究多集中于乌梁素海水体的污染特性、灌区内农田氮磷流失量以及不同污染源的入湖负荷量等方面，但针对河套灌区农田排水的产汇过程、污染特征及防控措施的研究较少。

本研究总结了农田灌排系统及制度现状，分析了河套灌区农田排水污染特征，阐明了农田排水污染物产排路径，并基于农田排水污染的影响因素提出了具体防控建议，以期为改善和治理乌梁素海湖泊水环境提供参考。

1.1   河套灌区灌排系统及制度现状

河套灌区是“黄河—河套灌区—乌梁素海”系统中面积最大的组成部分，是黄河流域的一个大型灌溉农业区。由于地形平坦和农业生产的需要，河套灌区修建了密集的灌溉和排水系统，如 图1 所示。经过多年的建设，河套灌区已经形成了包括引水、排水、乌梁素海调蓄及退水入黄在内的完整水循环系统。灌排系统已初具规模，是河套灌区农业发展和维持良好生态环境的重要组成部分。灌溉系统分为七级灌渠：总干渠、支干渠、分干渠、支渠、斗渠、农渠和毛渠。其中，总干渠位于灌区南部，顺黄河流向为自西向东。排水系统同样分为七级沟道：总排干、支排干、分排干、支沟、斗沟、农沟和毛沟。总排干位于灌区北部，自西向东将支排干与乌梁素海连接起来，兼具农业退水、山洪泄水和乌梁素海生态补水等功能。由 图1 可以看出，河套灌区灌排系统沟系纵横，这对水分排出具有重要作用。河套灌区排水系统具有面广量大、逐级排水的特点，通过与乌梁素海直接相连的总排干、八排干、九排干和十排干，灌区的农业排水被汇集。可见，排水沟作为农田与下游地表水之间的主要通道，对农田排水污染物的输送起着关键作用。

图1 河套灌区的灌排水系统

然而，实地调查表明，近年来河套灌区排水系统的排水能力正在减弱。具体原因包括：1）退水量减少。近年来，河套灌区年均引黄水量已减少至（4.40~4.50）×10 ⁹ m ³ ，较20世纪80年代的5.20×10 ⁹ m ³ 有所下降，导致补给地下水和剩余灌溉水量减少，进而减少了农田排水沟的退水量。2）排水受阻。现有农田排水沟主要采用传统土质沟，其工程耐久性和边坡稳定性较差。部分田间排水沟已被摧毁转为耕地，失去了排水功能；斗农级沟道发生塌坡，淤积严重，导致田间排水受阻。3）地下水埋深增加。随着引黄水量的减少，河套灌区地下水埋深逐渐增加。当地下水位降至排水沟深度以下时，侧向流无法汇入排水沟，由此导致排水沟只能承接灌溉驱动的侧渗流和少量地表径流。因此，各级排水沟仅能起到地表排水的作用，而对地下水深层排水功能下降。

经过文献研究和实地调查，发现河套灌区的农业灌排制度具有特殊性。首先，河套灌区属于典型的温带大陆性气候，降水量少、蒸发量大，多年平均降水量仅约200 mm，而平均蒸发量可达2 000~3 000 mm。因此，该地区的农业灌溉主要依赖于黄河引水。其次，独特的气候和地理条件导致河套灌区的农业灌溉分为夏灌、秋灌和秋浇。其中，秋浇是传统的秋后洗盐、春季保墒的一种特殊灌水制度。秋浇洗盐的用水定额比正常值增加15%，每年洗盐用水量占全年灌溉用水量的1/3。然而，由于存在有灌无排的问题，导致地下水位抬升，进而加剧了次生盐碱化的风险。最后，河套灌区土地盐碱化严重，属于地下水位较浅的干旱地区。在盐碱化和播种前土壤墒情的共同影响下，产生了播种前的春灌和收获后的秋浇的非生长期灌溉措施，这种非生长期灌溉用水量占全年用水量的55%~60%，使水资源利用率较低。

1.2   河套灌区农田排水污染特征

农业面源污染负荷估算是研究农田排水污染特征的重要前提。目前用于河套灌区农业面源污染负荷定量估算的模型主要有土壤和水评估工具（SWAT）、输出系数模型（ECM）等。易绍荣等采用SWAT模型估算了河套灌区流域面源污染负荷，指出种植业源贡献率为28.76%。SWAT模型能够模拟复杂的水文过程和污染物迁移转化路径，但河套灌区缺乏多点、长期的实测数据支撑，一定程度上造成农业面源污染负荷核算的不确定性。在观测数据和已有研究不足的地区，ECM模型由于参数少、建模成本低等特点具备一定的优势。然而，河套灌区缺乏污染物输出系数的监测数据，导致估算时所使用的输出系数需参考其他地理环境相似流域的平均值，并做出相应的调整。尤其是河套灌区与南方地区的地表径流污染因素不同，该地区农田面源污染物会经过农作物、土壤以及排干等的滞留作用，并不会完全进入水体，因此入河系数的选择尤为关键。王艳等根据河套灌区传统灌溉方式将农田面源污染TN和TP的入河系数分别确定为0.11和0.04，并引入降雨影响因子和地形影响因子改进ECM模型，计算出2021年河套灌区农田面源TN和TP污染负荷分别为3 521.00和407.13 t，入河量分别为387.31和16.29 t/a。

在“黄河—河套灌区—乌梁素海”水系统中，灌区农田排水污染特征存在时空差异性。从空间尺度上分析，河套灌区的农田排水产排过程涉及总干渠—各级干渠—农田—各级排干—总排干多级系统，排干沟起到农田排水污染物的汇集和输送作用。张中华研究发现，排干沟中COD、NH ₄ ⁺ -N、TN、溶解性总固体（TDS）以及盐度（Sal）等污染物浓度明显超过黄河以及各级干渠，说明以上污染物来自于河套灌区内部。在时间尺度上分析，杜军等研究发现，秋浇期河套灌区土壤中NO ₃ ⁻ -N最易发生淋洗，是灌区产生农业面源污染最严重的时期。河套灌区以农业生产为主，农业生产活动主要以氮素污染为主，贡献了整个水系统中90.76％的TN污染和37.12％的硝态氮（NO ₃ ⁻ -N）污染，而其中农业施肥引起的污染占面源污染的89%以上，是造成农田排水污染的主要原因。

河套灌区复杂的农业灌排水文条件导致农田排水污染物的产排路径具有特殊性。河套灌区引黄灌溉是农业生产的必要条件，调查数据显示，2021年引黄水量为4.04×10 ⁹ m ³ ，是地下水使用量的8.42倍。引黄灌溉造成灌区地下水埋深较浅，且由于区域地形平缓导致地下水径流条件较差，主要以垂直交替为主。同时，河套灌区地势西南高东北低，农田退水流向呈现由西南向东北再到东南，最后流入乌梁素海再汇入黄河的趋势。另一方面，河套灌区的地下水主要为浅层地下水，主要补给来源包括引黄干渠、田间灌溉水、大气降水以及北部山洪的侧向补给，其中灌溉水量对浅层地下水变化影响最大。地下水在灌区地势的影响下呈现自西向东的流动趋势，但由于东南部的乌拉山拦截，加上灌区坡度较小、土壤颗粒较细、整体渗透性差，地下水由水平流动改变为垂直蒸发，形成灌溉—入渗—蒸发为主的基本形式。河套灌区复杂的水文条件将直接影响灌区内农田排水污染物的产排路径。

灌溉及降水是农田面源污染形成的主要动力。河套灌区是地下水位较浅的干旱地区，农田面源污染迁移路径具有特殊性。灌区的灌溉水和降水可渗入土壤补给地下水，通过地下水流入排水沟，同时灌渠和农田中多余水分可通过地表径流直接流入排水沟，这2种方式都可以将农田污染物输送至排水沟。农田排水污染物产生和排放过程见 图2 。水文过程根据驱动力分为灌溉和降水，根据发生空间又可分为地表径流和入渗。农田排水过程主要通过灌溉排水系统传输。由灌溉驱动的农田排水过程中，进入农田的灌溉水大致有两大去向，分别为地表径流和入渗。其中入渗水一部分进入土壤储存或渗透进排水沟，一部分经过土壤浅表层侧向流动汇入排水沟，其余部分则深层渗漏至地下水。一部分地下水会经过侧向流动最终汇入排水沟。因此，河套灌区由灌溉驱动的农田排水过程中，侧向流为主要关注对象。一方面，由于灌区地形平缓，水利坡度小，具有多级复杂的排水网络，农田排水的传输路径较长；另一方面，由于灌区灌排制度的特殊性、地下水位的季节变化性以及水文地质条件的多样性，农田排水的传输场景具有复杂性。总之，农田污染物经各级排水沟传送至外界受纳水体，传输路径长且场景复杂。

图2 河套灌区农田排水产生和污染物排放过程分析

不同污染物在农田土壤和浅层地下水中的迁移传输路径存在差异。郭富强通过田间实测数据以及应用HYDRUS-1D模型对河套灌区灌溉模式下农田氮、磷污染物的传输路径进行分析。结果表明，污染物在土壤淋溶水中的分布特点：NH ₄ ⁺ -N主要集中在地表以下40 cm以内，向下运移量较小；NO ₃ ⁻ -N主要集中在地表以下60~120 cm；TN主要集中在地表以下60~100 cm；TP主要集中在地表以下20 cm以内（图2）。污染物在侧渗水中的分布特点：TN侧渗主要发生在0~80 cm深度，以0~40 cm深度最为明显，TP侧渗也主要发生在0~40 cm深度，但其水平侧渗量较小。Zhang等利用SWAT模型模拟河套灌区水流以及氮、磷负荷的研究结果表明，排干水体中NO ₃ ⁻ -N主要来源是浅层地下水，约占NO ₃ ⁻ -N总负荷的82%，其余18%与侧向饱和流或地表径流有关。Wu等进一步证实了河套灌区农田氮素主要是通过地下水迁移排放，而磷素流失量远小于氮素流失量。

3.1   灌溉制度

河套灌区的灌溉制度直接影响农田排水中污染物的排放量。作为我国设计灌溉面积最大的灌区，河套灌区传统上通过引黄河水以畦灌或漫灌方式满足作物生长和淋洗盐分的需求。该灌区的农业灌溉分为夏灌（4—6月份）、秋灌（7—9月份）和秋浇（10—11月份），其中秋浇的主要目的是压盐和保墒，是一年中灌水量最大的一次，也是非生长期的灌溉。农田污染物的淋失需要满足2个条件：一是土壤中存在大量的可溶性氮、磷营养物，二是有迁移的水分。秋灌后作物进入成熟期，土壤中有残留未被利用的氮、磷元素，而秋浇期间的大量灌溉为污染物排出提供了充足的可迁移土壤水分。杜军等的研究表明，农田土壤、浅层地下水和沟道中的氮素质量分数具有良好的时间相关性，并指出秋浇期是河套灌区产生农业面源污染最严重的时期，可导致大量的NO ₃ ⁻ -N流失到地下水中，因此，秋浇期间的灌溉水量和灌溉时间严重影响着农田排水污染物的产排过程。

3.2   农田内排水过程

农田内排水过程是农田氮、磷污染物流失的重要影响因素。田间排水不畅是造成农田面源污染程度增加的主要原因之一。灌溉和降水对农田污染物的冲洗和淋溶起着重要作用。一方面，如果田间排水不畅会导致面源污染在土壤中累积并随水分向下运移进入地下水，同时增加地下水浅层污染风险；另一方面，田间排水不畅会导致浅层地下水水位抬高，促使盐分随水分移动到土壤表面，加重土壤次生盐碱化。因此，农田内排水过程严重影响农田污染物迁移、地下水污染负荷以及土壤盐碱化程度。

3.3   排水沟外排水过程

河套灌区农田排水流入排水沟，经过多级排水沟转运至干沟，最终注入乌梁素海。因此，排水沟在农田排水污染物进入乌梁素海之前扮演着重要角色。排水沟是污染物向下游水体迁移的主要通道，也是灌区农业面源污染截流和净化的第一关。目前，河套灌区排干沟作为主要排污通道，水质普遍不达标，多年来水质达标率不足50%。排水沟的外排过程对农田面源污染的影响直接取决于排水沟的设计。如果排水系统缺乏控制性建筑物和生态化设计来拦截污染物，大多数排水沟将自由排放废水，而排水沟内的植被若缺乏筛选和种植管理，容易对农田排水造成二次污染。因此，河套灌区排水沟的外排水过程对最终流入乌梁素海的农田面源污染具有重要影响。

针对乌梁素海流域的污染防控和生态修复，财政部、自然资源部、生态环境部于2018年联合发文，将乌梁素海流域山水林田湖草沙生态保护修复工程纳入国家第三批山水林田湖草沙生态保护修复工程试点，在河套灌区开展了水系生态保护网建设。同时，乌梁素海流域的点源污染得到了有效控制。当地政府实施了一系列措施，如关闭污染严重的工厂、改造污水处理厂、提高再生水的回用率、提升集约化畜禽养殖场设施利用率等，以控制该地区的点源污染。近年来乌梁素海入湖养分负荷的减少和湖泊水质的改善主要归功于有效的点源控制和生态环境修复措施。

在河套灌区面源污染防控中，排水沟的水量和水质对乌梁素海流域的污染防控起到关键作用。这些因素主要受灌排制度、土地利用类型、土壤性质、施肥量和其他农业生产活动的影响。除了改变种植结构、调整施肥量和施肥方式等措施外，本研究从河套灌区农田排水的产排路径和影响因素出发，在源头水分调节、排水沟优化和过程拦截方面，总结提出适合本地区农田排水污染防控的有效措施。

4.1   源头水分调节

灌溉水量的调节是农田排水污染的源头控制手段。近年来河套灌区引黄水量在（4.3~4.8）×10 ⁹ m ³ ，而在最近的流域用水安排中，要求河套灌区用水总量控制在4.0×10 ⁹ m ³ 以内。为适应当前用水情况，河套灌区应加快推进现代化改造和精细化管理，推广高效节水灌溉及水资源绿色高效利用技术。截至2022年，河套灌区高效节水灌溉面积占有效灌溉面积的22.7%，灌溉水有效利用系数达到0.457。秋浇是非生长期灌溉，具有巨大的节水潜力，2015—2022年秋浇年平均水量为14.77亿m ³ ，占年平均用水量的34.1%，但是有近1/2秋浇水量用来补充地下水，非生长期灌溉对生态的贡献率仅为56%。可以通过压缩秋浇面积，分区域、分年度轮流秋浇等方式实现源头节水，优先保证作物生长敏感期的用水量，并且从长期效果分析来看，秋浇节水制度同样可以起到控盐的作用。2023年通过以上措施完成29.33万hm ² 秋浇灌溉任务，实际耗水量缩减为8.8×10 ⁸ m ³ ，是有统计数据以来实际耗水量最少的一次。但是灌区也需要综合考虑下游生态环境需求，结合灌区生态补水实际需求，调节并确定最佳用水管理方案。在现有灌排模式下，灌区年排水量呈现先减少后逐渐稳定的趋势，年排水量平均值为5.31×10 ⁸ m ³ 。

实现源头水分调节，除了控制作物非生长期灌溉水量外，生长期灌溉水量的调控同样至关重要。河套灌区可以通过改进灌溉方式，如滴灌和喷灌等，减少灌溉水量，控制氮素流失，增加作物产量。双重作用的结果是减少农田排水量，降低农田排水污染负荷，实现农田排水面源污染的源头控制。因此建议河套灌区相关部门在积极争取生态用水指标的同时，继续科学压减作物非生长期用水，加快推进工程节水，科学布局引黄滴灌工作，推广覆膜灌溉方式，逐步推进河套灌区水量精准计量全覆盖，积极利用信息通信技术切实提高水资源利用效率。

4.2   排水沟优化

从农田排水沟承担的排水和输移两大功能出发，河套灌区排水沟优化应包括2个方面：一方面是优化排水沟深度和间距的规划布置；另一方面是提升排水沟的生态净化能力。

河套灌区排水沟的深度和间距对农田排水量大小产生影响。经实地调查，目前河套灌区分干沟深度一般为2~3 m，支斗沟深度约为2 m，末级排水沟的深度多在1.2 m左右；各级支农沟间距从200 m到600 m不等。农田排水量与地下水位变化密切相关，而排水沟的深度和间距直接影响地下水的埋深和排水量。在排水沟深度不变的情况下，增加排水间距会减少地下水排水量，从而减小地下水的埋深；而在排水间距不变的情况下，增加排水沟深度会增加地下水排水量，从而增大地下水埋深。根据现状，增加排水沟深度，缩小排水沟间距有利于增加田间的内排量，保持适宜地下水位。一方面，可以抑制土壤中氮、磷污染物和盐分随着潜水蒸发向土壤表层运移，减少土壤的盐碱次生危害；同时，一部分氮、磷污染物和盐分会通过排水沟排出田间。孙玲玉通过DRAINMOD模型模拟不同的排水沟深度和间距对地下水埋深与地下水排水量的影响，初步提出适宜当地的排水沟设计指标：当排水沟间距为250 m时，排水沟的深度以200 cm为宜，此时模拟排水量比实际排水量增加了7%；当排水沟间距为500 m时，排水沟深度以250 cm为宜，此时模拟排水量比实际排水量增加了4.5%。因此，合理设计排水沟深度和间距布局可以有效调控地下水水位、农田排水量和污染负荷。