基于QUAL2K模型的農(nóng)田排水溝塘去污能力研究

洪建權(quán)　鄒家榮　丁世洪　張志秀　賈忠華

摘要：QUAL2K水質(zhì)模型可以模擬污染物在排水通道中的降解過程，分析排水溝塘對農(nóng)業(yè)污染物的凈化效果。以江蘇省揚州市江都區(qū)水稻灌區(qū)一典型排水系統(tǒng)為例，利用QUAL2K模型模擬農(nóng)田溝塘排水過程中氨氮和總磷兩種污染物的削減情況;在利用實地調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模型檢驗以后，根據(jù)實際水力聯(lián)系情況，預(yù)測分析了調(diào)整水力聯(lián)系及采用部分重點治理措施對改善整體水質(zhì)凈化效果的作用。結(jié)果顯示：① 研究區(qū)6個主要水質(zhì)監(jiān)測點模擬的平均相對誤差均在20%左右，相關(guān)系數(shù)R2和Nash-Sutcliffe系數(shù)NSE的計算值均大于0.5，驗證了模型的可靠性，但是田間溝塘一些人為及自然等不確定因素對模型的精度具有一定的影響。② 3種治理措施的效果為截污>減小排水流量>調(diào)整溝塘流網(wǎng)系統(tǒng)，模擬顯示排水系統(tǒng)經(jīng)過少數(shù)可行的水力關(guān)系調(diào)整，就可以顯著提高整體水質(zhì)改善效果。QUAL2K模型可以靈活調(diào)整排水溝塘水力聯(lián)系，預(yù)演不同治理措施，為優(yōu)化農(nóng)田排水溝塘系統(tǒng)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田排水溝塘; QUAL2K模型; 水質(zhì)凈化; 農(nóng)業(yè)污染

中圖法分類號： S276.3

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.009

0引 言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥農(nóng)藥的使用量不斷增加，農(nóng)田排水帶來的水環(huán)境惡化等問題也越發(fā)突出，農(nóng)業(yè)非點源污染治理成為我國環(huán)境治理工作的一項重要內(nèi)容[1]。農(nóng)業(yè)非點源污染的產(chǎn)生一般是在降雨、灌溉的過程中，化肥和農(nóng)藥等污染物隨地表、地下徑流進入農(nóng)田排水系統(tǒng)[2]。這不僅會造成農(nóng)田的養(yǎng)分流失嚴重，而且會導(dǎo)致接納水體污染物的超標(biāo)，引起水體富營養(yǎng)化等一系列水環(huán)境污染問題。農(nóng)業(yè)非點源污染具有污染源比較分散、涉及范圍很廣、控制難度較大等特點，是目前農(nóng)業(yè)水環(huán)境治理問題的瓶頸[3]。農(nóng)業(yè)排水溝塘系統(tǒng)作為一種連接農(nóng)田與接納水體的天然緩沖帶，具有類似于濕地的功能，可以通過一系列生物化學(xué)過程去除農(nóng)田排水中的化肥、農(nóng)藥等污染物。處在排水通道上的溝塘具備去除污染物的便利條件，是一種天然的、不可替代的生態(tài)資源[4]。

研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田溝塘濕地系統(tǒng)對污染物的去除效果與溝塘在田間的分布特性密切相關(guān)，很多情況下，不利的分布和水力條件會影響溝塘系統(tǒng)的整體去污效率[5-6]。利用水質(zhì)模型不僅能夠模擬預(yù)測不同氣象和農(nóng)田灌排布置條件下復(fù)雜溝塘系統(tǒng)的去污能力，還能夠探求優(yōu)化溝塘水力聯(lián)系。其中，河流水質(zhì)模型可用來描述河流污染物的遷移和轉(zhuǎn)化過程及其它們之間的復(fù)雜聯(lián)系，預(yù)測河流水質(zhì)的變化情況[7]。由美國國家環(huán)保局推出的QUAL系列河流水質(zhì)模型經(jīng)歷了4個階段的開發(fā)研究，最新的、比較完善的QUAL2K水質(zhì)模型在國內(nèi)外的應(yīng)用比較廣泛，其功能全面、通用性強，能夠全面準(zhǔn)確地反映污染物在不同水體中的轉(zhuǎn)化規(guī)律[8-9]。QUAL2K模型在國內(nèi)主要將其用于模擬一維、穩(wěn)態(tài)的中小型河流水質(zhì)變化情況。如馬丁等[10]應(yīng)用QUAL2K模型對四川省某中小流域總磷的沿程變化進行了模擬和預(yù)測，優(yōu)化了4種水污染治理措施，從而驗證了QUAL2K模型在中小型河流水質(zhì)模擬中較高的模擬精度。劉瑾等[11]利用QUAL2K模型模擬渾河流域氨氮的變化情況，得到了氨氮在不同水期的變化規(guī)律，從而預(yù)測了該區(qū)域氨氮量。農(nóng)田溝塘排水系統(tǒng)類似于枝狀復(fù)雜河道水流匯集系統(tǒng)，但現(xiàn)有研究中對于應(yīng)用相關(guān)水質(zhì)模型模擬農(nóng)田排水污染物的變化規(guī)律研究較少。本文以江蘇省揚州市江都區(qū)京杭大運河?xùn)|側(cè)沿運灌區(qū)的一個農(nóng)田排水溝塘系統(tǒng)為研究對象，選取污染物氨氮、總磷為控制因子，應(yīng)用QUAL2K模型模擬農(nóng)田排水過程中兩種因子在排水溝水系內(nèi)沿程的變化情況，在檢驗?zāi)Ｐ瓦m用性的基礎(chǔ)上，探討優(yōu)化排水溝塘系統(tǒng)的水質(zhì)凈化能力，研究結(jié)果可為類似農(nóng)田溝塘系統(tǒng)污染物治理提供借鑒。

1材料與方法

1.1QUAL2K模型介紹

QUAL2K模型是美國國家環(huán)保局推出的一個一維穩(wěn)態(tài)綜合性河流水質(zhì)模型，適用于枝狀復(fù)雜河流網(wǎng)絡(luò)，允許沿河有多個取水口、排污口、支流分析入流點、面源負荷。該模型的水質(zhì)基本方程是一維平流-擴散物質(zhì)遷移反應(yīng)方程[12-13]，考慮了平流彌散、稀釋、水質(zhì)組分的自反應(yīng)、水質(zhì)組分之間的相互作用以及組分外部源匯對組分濃度的影響[14-15]。

1.2研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省揚州市江都區(qū)京杭大運河?xùn)|側(cè)的沿運灌區(qū)（119°25′E、32°22′N），區(qū)內(nèi)地勢平坦，年平均溫度14.9 ℃，年降雨量約1 000 mm。研究區(qū)內(nèi)普遍實行稻麥輪作。圖1為研究區(qū)農(nóng)田與溝塘的分布及水力聯(lián)系。區(qū)內(nèi)農(nóng)田總面積為5.61 hm2，溝塘總面積為0.80 hm2，兩者的面積比為14.3%。研究區(qū)主要包括3個排水支路，但各支路控制的農(nóng)田面積差異較大，3條排水支路所占溝塘面積以及控制農(nóng)田面積如表1所列。支路1流程較長，包括6個階段;其余2個支路的流程都很短，農(nóng)田排水直接排入附近的池塘和支溝。因此，本文選取支路1進行QUAL2K模型的模擬研究。

根據(jù)實地調(diào)查監(jiān)測，基于QUAL2K模型的原理，對支路1中的13個排水溝單元進行概化，其中排水溝分段的原則及水流匯入情況如下：

（1） 根據(jù)水質(zhì)模擬需要，首先將溝道劃分成一系列恒定的非均勻流溝段（同一溝段要求具有相同的水力參數(shù)和水質(zhì)特征），然后將劃分好的各個溝段再劃分為若干個等長的計算單元[16-17]。

（2） 研究區(qū)模擬的排水溝主干段全長500 m，分為5段，其中2條支流匯入，長度分別為300 m和200 m，各劃分為3段和2段，共劃分10段。由于農(nóng)田排水溝排水距離短，排水范圍小，故在每個溝段設(shè)置2個計算單元;另外還有3處點源匯入。研究區(qū)溝段劃分及污染源匯入情況如圖3所示。

1.3QUAL2K模型參數(shù)率定

模型涉及的主要參數(shù)為研究區(qū)排水溝塘的水力參數(shù)和水質(zhì)參數(shù)，其中，實測輸入數(shù)據(jù)包括排水溝氨氮、總磷濃度均值，氣象數(shù)據(jù)以及排水溝流量均值等。本文將2017年研究區(qū)稻作期間水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)用于模型的率定，2018年稻作期間水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)用于模型的驗證。

主要水質(zhì)參數(shù)包括有機氮水解系數(shù)khn、氨氮硝化系數(shù)kna、有機磷水解系數(shù)khp等，其他參數(shù)均采用模型推薦值?；谖墨I報道的適宜參數(shù)取值范圍[18]，對上述參數(shù)進行合理調(diào)試，直至得到滿意的擬合結(jié)果。主要水質(zhì)參數(shù)取值如表2所列。

QUAL2K模型提供了3種方法來計算各溝段水力學(xué)特征，分別是溢流堰法、流量系數(shù)法和曼寧系數(shù)法。本文采用了曼寧系數(shù)法，根據(jù)查閱相關(guān)資料，研究區(qū)較大的排水支溝取值0.04，排水農(nóng)溝取值0.02。率定后得到的水力學(xué)特征參數(shù)列于表3。

2結(jié)果與分析

2.1QUAL2K模型模擬及驗證

基于上述水質(zhì)參數(shù)和水力參數(shù)，結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了模型的驗證，2018年稻作期間排水溝平均流量為0.001 5 m3/s，圖4為排水溝流量過程圖。研究區(qū)稻作期間農(nóng)田排水溝污染物總磷、氨氮濃度實測值與QUAL2K模擬值的比較結(jié)果如表4～5所列。

數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)監(jiān)測點G2、G3、G4、G5、G6的QUAL2K總磷模擬值與實測值間平均相對誤差為6.72%;誤差最小值位于排水溝長0.500 km的G6監(jiān)測點處，最小相對誤差為2.05%;誤差最大值位于排水溝長0.405 km的G5監(jiān)測點處，最大相對誤差為13.94%。

研究區(qū)監(jiān)測點G2、G3、G4、G5、G6的QUAL2K氨氮模擬值與實測值的平均相對誤差為55.48%;誤差最小值位于排水溝長0.500 km處的G6監(jiān)測點處，相對誤差為12.65%，誤差最大值位于排水溝長0.405 km的G5監(jiān)測點處，相對誤差為185.15%。若考慮實驗監(jiān)測過程中的過失誤差，去除最大相對誤差為185.15%的點，平均相對誤差為23.06%。

QUAL2K模型對平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田排水溝塘總磷、氨氮模擬結(jié)果的平均相對誤差均在20%左右，說明QUAL2K模型能夠較好地對該研究區(qū)農(nóng)田排水溝塘水質(zhì)狀況進行模擬。表6列出了氨氮、總磷模擬精度評價結(jié)果，表中模擬值與實測值之間的相關(guān)系數(shù)R2都在90%以上。模型驗證期R2和NSE值大多大于0.5，R2值在0.9以上，模擬值和實測值擬合程度較好，表明QUAL2K模型能夠較好地模擬農(nóng)田溝塘排水過程中氨氮和總磷污染物的運移削減規(guī)律。

2.2排水溝塘系統(tǒng)不同優(yōu)化措施提升水質(zhì)凈化效果模擬

為了探討提高研究區(qū)溝塘下游斷面污染物去除效果的優(yōu)化方案，根據(jù)以上模擬分析，結(jié)合排水系統(tǒng)現(xiàn)狀，針對排水溝塘水力條件提出以下3種情景設(shè)置進行不同優(yōu)化方案的模擬（見表7）。

2.2.1調(diào)整水力聯(lián)系對溝塘水質(zhì)凈化效果的影響

南方平原地區(qū)排水溝塘交錯分布，導(dǎo)致不同田塊的排水從多點、多級進入/排出溝塘，幾乎不存在單一的“出口-入口”的關(guān)系[20-21]。目前的排水溝塘分布和水力聯(lián)系受到自然、歷史和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等多種因素的影響，分布上存在一定的隨機性[22]。溝塘與農(nóng)田面積匹配可能不合理，大面積農(nóng)田的附近可能分布著較小的溝塘，或是小面積農(nóng)田的附近分布著較大的溝塘，影響排水溝塘的水質(zhì)凈化功能。為了分析排水溝塘分布現(xiàn)狀對排水水質(zhì)凈化效果的影響，以研究區(qū)溝塘系統(tǒng)為例，在不改變現(xiàn)有溝塘總體分布的情況下，利用QUAL2K模型進行排水系統(tǒng)流網(wǎng)優(yōu)化（見圖5），目的是在水力條件允許的情況下，發(fā)揮尺寸較大排水支溝的作用。

圖6～7為各情景下總磷、氨氮控制效果。

由圖6～7可知，情景1通過調(diào)整水力聯(lián)系，對排水系統(tǒng)流網(wǎng)進行優(yōu)化后，在一定程度上改善了排水溝的水質(zhì)。下游斷面總磷質(zhì)量濃度從優(yōu)化前的146? μg/L降至136 μg/L，降幅為6.85%。下游斷面氨氮質(zhì)量濃度從優(yōu)化前的253 μg/L降至214 μg/L，降幅為15.4%，

可知優(yōu)化效果優(yōu)于總磷。從排水過程上來看，

排水主干溝前段部分沿程氨氮、總磷濃度下降較快，可見，較大支溝對于污染物的去除達到了較好的效果。

2.2.2排水溝入流流量變化對溝塘水質(zhì)凈化效果的影響

農(nóng)田排水溝塘在作物種植期間流量變化大，由于水稻種植需水量大，灌溉用水多，灌溉期排水流量大，排水速度過快，導(dǎo)致水力停留時間短，對氮磷污染物去除效果差。為保證排水溝對污染物的去除效果，可以通過控制田間排水技術(shù)，提高排水溝排水深度，減小排水流量，從而提高水力停留時間。在利用QUAL2K模型進行模擬時，使排水溝流量保持在0.001 m3/s，以期達到類似的效果。此情景實施下，排水溝下游斷面總磷質(zhì)量濃度減至70 μg/L，同比下降52.1%，氨氮質(zhì)量濃度減至206 μg/L，同比下降18.6%（見圖6～7）。

2.2.3排水溝截污治理對溝塘水質(zhì)凈化效果的影響

研究區(qū)農(nóng)田排水集中分布在排水農(nóng)溝，經(jīng)統(tǒng)計，2018年研究區(qū)某些排水農(nóng)溝農(nóng)田排水氮磷入溝質(zhì)量濃度過高，排水溝取樣時明顯看出水樣顏色偏深，營養(yǎng)物質(zhì)含量豐富，因此，未來可對營養(yǎng)物質(zhì)嚴重聚集的排水溝進行截污整治。在情景3實施后，排水溝水質(zhì)得到很大程度的提升，排水溝下游斷面總磷質(zhì)量濃度減少至57 μg/L，下降了約61%;氨氮質(zhì)量濃度減少至182 μg/L，下降了28.1%（見圖6～7）。

3討 論

研究結(jié)果表明：3種情景的排水溝塘水力條件優(yōu)化措施均可提高水質(zhì)凈化能力，其水質(zhì)凈化效果排序為截污>減小排水流量>調(diào)整溝塘流網(wǎng)系統(tǒng)。農(nóng)田排水溝塘系統(tǒng)，作為去除氮磷污染物的最直接的凈化場所，關(guān)于它的研究也不勝枚舉，國內(nèi)學(xué)者主要集中在溝塘底泥、水生植物、微生物方向，通過研究溝塘土壤吸附、微生物降解、水生植物吸收等作用實現(xiàn)對氮磷污染物的去除。針對溝塘現(xiàn)存問題，現(xiàn)有研究關(guān)于溝塘分布特性以及溝塘與農(nóng)田之間的水力聯(lián)系對于污染物去除關(guān)注不多。通過QUAL2K模型針對溝塘存在問題進行溝塘潛力優(yōu)化，具有一定的創(chuàng)新性。但是對模型的精度評價可知NSE值并不是那么的理想，由于農(nóng)田溝塘的不確定因素，包括一些人為及自然因素，對模型的模擬精度影響較大。后期需要定期觀察水位的變化，加大排水水質(zhì)的監(jiān)測力度，注重排水流量過程監(jiān)測，為模擬水質(zhì)因子的日均沿程變化提供更加可靠的數(shù)據(jù)。

4結(jié) 論

本文以揚州江都區(qū)京杭大運河?xùn)|側(cè)的沿運灌區(qū)為例，基于QUAL2K建立了農(nóng)田排水溝的水質(zhì)模型，對排水溝氨氮、總磷兩種污染物的去除效果進行了模擬驗證，并利用率定后的模型對研究區(qū)排水系統(tǒng)進行優(yōu)化方案預(yù)測分析，結(jié)果表明：

（1） 應(yīng)用QUALZK模型對農(nóng)田排水溝主干段6個監(jiān)測點的水質(zhì)指標(biāo)模擬，除去個別監(jiān)測點，平均相對誤差均在20%左右，相關(guān)系數(shù)R2和Nash-Sutcliffe系數(shù)NSE大都大于0.50，表明模擬值與實測值相關(guān)性較好，符合模型精度要求，表明QUAL2K模型能夠較好地模擬農(nóng)田溝塘排水過程中污染物氨氮和總磷在排水溝中的運移削減規(guī)律。

（2） 應(yīng)用QUAL2K模型分3種情景進行模擬，對研究區(qū)溝塘水質(zhì)改善進行了優(yōu)化分析，3種情景的實施效果為截污>減小排水流量>調(diào)整溝塘流網(wǎng)系統(tǒng)。

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（編輯：劉 媛）

Abstract：QUAL2K water quality model can simulate the degradation process of pollutants in the drainage channels，and analyze the purification effect of drainage ditches and ponds on agricultural pollutants.Taking a typical drainage system of a rice irrigation area in Jiangdu District of Yangzhou City，Jiangsu Province as an example，we simulated the reduction of two pollutants of ammonia nitrogen and total phosphorus in the process of farmland drainage in ditches and ponds by QUAL2K model.After using the field survey and monitoring data for model test，according to the actual hydraulic connection，the effect of adjusting hydraulic connection and some key treatment measures on improving the overall water quality purification were predicted and analyzed.The results showed that： ① The average relative errors of simulated values of water quality indicators at six main monitoring points in the study area were all about 20%，and the calculated values of R2 and Nash Sutcliffe coefficient （NSE） were greater than 0.5，verifying the reliability of the model，but some uncertain factors such as man-made and natural factors had a certain impact on the accuracy of the model in the ditches and ponds of field.② The effect of the three treatment measures was "sewage interception>drainage flow reduction>ditch pond network adjustment".QUAL2K model can flexibly adjust the hydraulic connection of the drainage ditches and ponds，simualte different treatment measures，and provide basis for optimizing farmland drainage ditches and ponds system.

Key words：farmland drainage ditches and ponds;QUAL2K model;water purification;agricultural pollution