賈忠華，陳 誠(chéng)，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(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究得到的污染物去除效果差別很大，相對(duì)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(huì)造成對(duì)溝塘功能認(rèn)識(shí)上的混亂，影響對(duì)其環(huán)境價(jià)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(gè)不能忽視的主觀因素是評(píng)價(jià)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(cuò)分布，農(nóng)田排水逐級(jí)、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(duì)于這樣的系統(tǒng)，難以直接進(jìn)行水力和水質(zhì)監(jiān)測(cè)[14-18]。此外，若對(duì)所有溝塘單元長(zhǎng)期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，勢(shì)必會(huì)消耗大量的人力和財(cái)力，在實(shí)際研究過(guò)程中并不是最經(jīng)濟(jì)的選擇[19-20]。因此，一般通過(guò)設(shè)立監(jiān)測(cè)區(qū)，利用局部監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)來(lái)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(cè)區(qū)就可能會(huì)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(cè)區(qū)就成為正確評(píng)價(jià)系統(tǒng)表現(xiàn)的1個(gè)關(guān)鍵問題。Griffiths等[26]分析了某人工設(shè)計(jì)的濕地系統(tǒng)對(duì)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(duì)氮磷污染物的削減效果，并選取了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(duì)總氮、氨氮和硝氮的削減效果，但對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)僅在出口處進(jìn)行監(jiān)測(cè)。上述研究在選取監(jiān)測(cè)區(qū)時(shí)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(yàn)站的溝塘系統(tǒng)作為研究區(qū)，基于對(duì)于溝塘內(nèi)部污染物動(dòng)態(tài)變化的前期研究[25]，通過(guò)比較局部監(jiān)測(cè)區(qū)以及整個(gè)溝塘系統(tǒng)對(duì)污染物的去除情況，研究了監(jiān)測(cè)區(qū)代表性的問題；探討了復(fù)雜情況下的監(jiān)測(cè)區(qū)選擇原則及方法，以期為正確評(píng)價(jià)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(cè)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(jì)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(cè)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(jì)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(gè)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(gè)池塘（0.23 hm2，占總面積的28%）；

2）研究區(qū)分為3個(gè)排水分區(qū)，其中大部分農(nóng)田經(jīng)過(guò)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(gè)排水支路上的溝塘分布，其中位于上部的支路1包含16個(gè)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(gè)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(gè)溝塘系統(tǒng)中，支路1流程較長(zhǎng)，包括6個(gè)階段；其余 2個(gè)支路的流程很短，都未經(jīng)過(guò)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(shí)段用于灌溉；池塘則是原來(lái)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(cuò)、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(shuō)明的是，研究區(qū)雖然包括了1 hm2農(nóng)業(yè)水利試驗(yàn)站用地，但是排灌系統(tǒng)以及溝塘并沒有經(jīng)過(guò)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(duì)穩(wěn)定的水面面積，但是在未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展中，有可能被進(jìn)一步擠占。因此，及時(shí)對(duì)其生態(tài)環(huán)境功能進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)十分重要。

1.2 針對(duì)不同表征指標(biāo)的的代表性分析

1.2.1 監(jiān)測(cè)區(qū)代表性指標(biāo)

與監(jiān)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)代表性密切相關(guān)的 1個(gè)問題是評(píng)價(jià)系統(tǒng)所采用的標(biāo)準(zhǔn)，即用來(lái)表征污染物去除效果的指標(biāo)。這是由于在實(shí)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?？梢苑殖梢韵?類：

1）相對(duì)去除指標(biāo)[25,29-30]：表征指標(biāo)中最直接、最關(guān)鍵，同時(shí)也是最簡(jiǎn)單的就是污染物去除率，即相對(duì)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(duì)污染物的真實(shí)表現(xiàn)，對(duì)于溝塘分布類似的農(nóng)業(yè)區(qū)具有很好的參考價(jià)值，是應(yīng)用最廣的指標(biāo)之一。

2）絕對(duì)去除指標(biāo)[31-33]：表征污染物去除能力的1個(gè)重要指標(biāo)是絕對(duì)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(lái)代表。相對(duì)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(duì)上述 2類指標(biāo)的計(jì)算有著不同的數(shù)據(jù)需求，有簡(jiǎn)有繁、有易有難。計(jì)算去除率需要監(jiān)測(cè)水質(zhì)和水力過(guò)程，而計(jì)算去除強(qiáng)度還需要確定溝塘面積，此處定義 2個(gè)相應(yīng)的代表性評(píng)價(jià)指標(biāo)。首先，將去除強(qiáng)度代表性指標(biāo)定義為監(jiān)測(cè)區(qū)（monitoring unit, MU）與整個(gè)系統(tǒng)對(duì)某一污染物去除強(qiáng)度的比值α，計(jì)算式為

式中mmu和M分別為監(jiān)測(cè)區(qū)和整個(gè)系統(tǒng)單位面積上對(duì)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(cè)區(qū)與整個(gè)溝塘系統(tǒng)對(duì)污染物去除率的比值β，計(jì)算式為

式中ηmu和η分別為監(jiān)測(cè)區(qū)和整個(gè)系統(tǒng)對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值來(lái)進(jìn)行分析，計(jì)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(duì)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(duì)于系統(tǒng)的去除率比。

1.2.2 監(jiān)測(cè)區(qū)及整個(gè)溝塘系統(tǒng)污染物去除能力的評(píng)價(jià)方法

復(fù)雜溝塘系統(tǒng)內(nèi)不同水文單元對(duì)污染物的去除能力存在差別，確定整個(gè)系統(tǒng)或某一單元監(jiān)測(cè)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(guò)程來(lái)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(jì)，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(jì)算單元對(duì)污染物去除效果的評(píng)價(jià)方法

對(duì)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(lái)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(shí)間 Ti（T）（hydraulic retention time, HRT）

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

如果采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述污染物在溝塘水體內(nèi)的去除過(guò)程，通過(guò)計(jì)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(zhǎng)/T。

污染物的單位時(shí)間去除量Mi（M/T）可表示為

單位面積水面對(duì)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(jì)算

2）整個(gè)溝塘系統(tǒng)對(duì)污染物去除效果的評(píng)價(jià)方法

對(duì)于溝塘系統(tǒng)整體而言，其污染物去除量和去除率可以對(duì)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(cè)區(qū)的評(píng)價(jià)方法

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

式中U為監(jiān)測(cè)區(qū)的溝塘單元數(shù)。

進(jìn)入監(jiān)測(cè)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(jì)算式為

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

則上述監(jiān)測(cè)范圍污染物的去除率為

去除強(qiáng)度為

式中Amu為監(jiān)測(cè)區(qū)總的溝塘面積，L2，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)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(huì)影響溝塘單元去除效果的計(jì)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(duì)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(cè)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(shí)，不同溝塘監(jiān)測(cè)單元的代表性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。就整體而言，單個(gè)監(jiān)測(cè)單元對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的代表性不好，去除強(qiáng)度比和去除率比2個(gè)指標(biāo)的計(jì)算值有一定差別。對(duì)所有單元的統(tǒng)計(jì)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(duì)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(shuō)明，全文數(shù)值均指平均值），表明與溝塘系統(tǒng)整體對(duì)污染物的去除效果相比，采用監(jiān)測(cè)單元值會(huì)導(dǎo)致對(duì)整個(gè)溝塘系統(tǒng)的污染物去除強(qiáng)度平均高估50%左右，對(duì)去除率則平均低估 40%左右。另外，某一單元監(jiān)測(cè)結(jié)果的代表性還會(huì)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(gè)系統(tǒng)，而在其他方面則代表性較差。例如，對(duì)于農(nóng)溝而言，當(dāng)污染物降解系數(shù)適中（0.05 m/d）時(shí)，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(cè)農(nóng)溝內(nèi)水質(zhì)變化，會(huì)導(dǎo)致對(duì)整個(gè)溝塘系統(tǒng)去除強(qiáng)度高估近 1倍，對(duì)于去除率則會(huì)被嚴(yán)重低估，不及系統(tǒng)值的1/3。對(duì)于水面較大的池塘亦存在這種現(xiàn)象，但對(duì)2個(gè)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(cè)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(cè)的代表性總體更好，且一致性地略微偏高，2個(gè)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(shí)為0.94。

表2 污染物降解特性不同時(shí)，單個(gè)溝塘監(jiān)測(cè)區(qū)的代表性指標(biāo)計(jì)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(cè)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(duì)于不同類型溝塘的水質(zhì)凈化能力的影響不同。針對(duì)所有溝塘單元代表性指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)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(shí)，計(jì)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(shí)，α分別上升到1.54和1.85，說(shuō)明對(duì)于降解迅速的污染物，根據(jù)溝塘單元監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)更加高估整個(gè)溝塘系統(tǒng)的去污能力；降解性能對(duì)于去除率比 β的影響相對(duì)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(duì)于降解性能不同的污染物，根據(jù)局部監(jiān)測(cè)結(jié)果低估整個(gè)系統(tǒng)去污能力的范圍維持在40%左右。總之，采用局部溝塘單元監(jiān)測(cè)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?yàn)闇咸料到y(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(shí)，農(nóng)溝監(jiān)測(cè)獲得的α為1.90，此時(shí)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(shí)間的影響；其中面積較大的支溝和池塘獲得的 2個(gè)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(shí)，2個(gè)系數(shù)指標(biāo)都與單元的水力停留時(shí)間有密切的關(guān)系：去除強(qiáng)度比 α與水力停留時(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，α值越小，β值則越大。從α和β值趨近1的程度來(lái)看，水力停留時(shí)間較長(zhǎng)的單元代表性更好；農(nóng)溝單元因面積較小，水力停留時(shí)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(duì)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(gè)溝塘系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(shí)（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(shí)，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(shí)間與整個(gè)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(shí)，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(píng)價(jià)指標(biāo)，不同溝塘單元水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的代表性相差很大。

綜上所述，監(jiān)測(cè)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(duì)于表征污染物絕對(duì)去除量，如果污染物的降解能力較弱，監(jiān)測(cè)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(duì)于表征污染物相對(duì)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(duì)于存在多個(gè)排水支路、農(nóng)田和溝塘單元分布不均勻的情況，監(jiān)測(cè)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(cè)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(gè)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(shí)間，去除強(qiáng)度比 α 與去除率比 β 對(duì)應(yīng)的支路1、2、3的排水支路與系統(tǒng)的水里停留時(shí)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??；由一個(gè)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(cè)區(qū)，去除強(qiáng)度比α高于系統(tǒng)值；而對(duì)于去除率比的計(jì)算結(jié)果顯示，支路1會(huì)低估系統(tǒng)值，支路3則會(huì)高估。對(duì)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(shí)，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(gè)支路作為監(jiān)測(cè)區(qū)會(huì)導(dǎo)致20%左右的計(jì)算誤差。對(duì)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(shuō)明采用支路 1會(huì)低估系統(tǒng)凈化能力10%左右，而采用支路3則會(huì)高估30%左右。對(duì)于代表性性較差的支路3，系統(tǒng)污染物降解能力計(jì)算值都有隨2個(gè)代表性指標(biāo)加大的趨勢(shì)。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(cè)支路1和支路3都能較好代表整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際情況，但是支路1包括了全系統(tǒng)18個(gè)溝塘單元中的16個(gè)，其監(jiān)測(cè)難度與全面監(jiān)測(cè)沒有太大的差別，因此對(duì)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(jì)算結(jié)果與研究區(qū)實(shí)際情況的比較與分析

上述計(jì)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(yàn)計(jì)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(cè)。表5顯示了bd-1等4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總氮（total nitrogen, TN）濃度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值，雖然 2個(gè)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，但是計(jì)算值變化更為劇烈，這可能是計(jì)算時(shí)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(shí)測(cè)值變化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)算值，這主要是因?yàn)橹?1內(nèi)茂密的植物上減少了水體實(shí)際的有效處理空間所致。在清淤前后，由于水體中植被生長(zhǎng)的影響，研究區(qū)某支溝在2016年8月（水稻生長(zhǎng)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(huì)大大降低發(fā)揮作用的有效溝塘面積，同時(shí)又會(huì)對(duì)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(cè)資料增加的情況下進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

在對(duì)研究區(qū)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，除了當(dāng)?shù)氐貏?shì)平坦，流量監(jiān)測(cè)困難以外，實(shí)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(shí)薄弱，灌溉量過(guò)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(duì)監(jiān)測(cè)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(guò)度生長(zhǎng)以及清除過(guò)程都會(huì)局部改變水力聯(lián)系；有時(shí)還會(huì)存在一些人為破壞因素，如短時(shí)間圍堵排水溝等；

3）農(nóng)田管理的差異。研究區(qū)包括幾個(gè)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(guò)程的隨機(jī)性，使其水質(zhì)變化過(guò)程難以預(yù)測(cè)?，F(xiàn)有的計(jì)算方法，包括一些較為復(fù)雜的模型，尚難對(duì)天然溝塘系統(tǒng)的實(shí)際水文和污染物運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行精確的描述。實(shí)際工作中，一般采用平均情況來(lái)代表。本文提出的理論分析方法可用于確定合理的監(jiān)測(cè)單元，以期獲得具有代表性的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和研究成果。

表5 溝塘監(jiān)測(cè)點(diǎn)總氮（TN）濃度實(shí)測(cè)值及計(jì)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(duì)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(guò)建立理論模型進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了不同溝塘單元對(duì)污染物凈化能力以及利用部分監(jiān)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)整個(gè)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(duì)部分排水單元的監(jiān)測(cè)結(jié)果不能準(zhǔn)確代表整個(gè)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(duì)污染物的整理降解能力。

3）r=0.01～0.10 m/d時(shí)，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(cè)的難度和工作量，選取支路3（支溝5）進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(shí)間影響較大，去除強(qiáng)度比 α與水力停留時(shí)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(lái)看，水力停留時(shí)間較長(zhǎng)的單元代表性更好。對(duì)于存在多個(gè)排水支路、農(nóng)田和溝塘單元分布不均勻的情況，監(jiān)測(cè)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(duì)農(nóng)田面源污染去除能力的監(jiān)測(cè)工作量可大大減小。本文即是在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上試圖對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)代表性的問題進(jìn)行分析，結(jié)合一定的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，為監(jiān)測(cè)區(qū)的選取提供必要的參考。另外，在無(wú)法詳細(xì)、定量確定水文水質(zhì)過(guò)程的情況下，對(duì)系統(tǒng)的水力過(guò)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(cè)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(cè)區(qū)提供依據(jù)，同樣重要的是為理解監(jiān)測(cè)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(zhǎng)季，監(jiān)測(cè)區(qū)的水文和氣象條件會(huì)有所變化。比如對(duì)農(nóng)田溝塘排水系統(tǒng)采取的不同管理維護(hù)措施，會(huì)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(cè)的季節(jié)性差異。今后有必要進(jìn)一步展開不同作物生長(zhǎng)季研究區(qū)的水力條件及植被變化的測(cè)驗(yàn)工作，并實(shí)測(cè)降解系數(shù)，為理論計(jì)算提供更為精確的計(jì)算參數(shù)。

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