兼顧排澇標(biāo)準與水質(zhì)凈化要求的農(nóng)業(yè)圩區(qū)最優(yōu)水面率確定

程吉林，徐 兢，汪 靚，蔣曉紅，高 山

（1. 揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，揚州 225009；2. 江蘇省水利工程建設(shè)局，南京 210029）

0 引 言

水域作為人居環(huán)境的重要組成部分，不僅具有一定的防洪排澇功能，還能美化環(huán)境、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等。隨著城鎮(zhèn)化進程的加速，農(nóng)村地區(qū)大量的水域被侵占，隨之而來的是河溝斷面縮窄以及區(qū)域行洪排澇能力下降，水環(huán)境、水質(zhì)惡化，自然景觀和生態(tài)環(huán)境被破壞等一系列問題。然而，適宜的水面具有一定的調(diào)節(jié)能力，如：坑塘湖泊防洪滯蓄的功能不僅可以增加可攔蓄水量，減少地區(qū)所產(chǎn)生的徑流量，使得進入河道的水量減少，提高地區(qū)防洪排澇體系的安全性；又能夠直接降解污染物、保護生物多樣性、調(diào)節(jié)氣候等，因此，維護適宜的水域面積，發(fā)揮水域的多種功能十分重要。

國內(nèi)外許多學(xué)者對區(qū)域水面率的優(yōu)化配置問題進行了研究。郭元裕等從工程經(jīng)濟出發(fā)，運用線性規(guī)劃模型確定湖區(qū)最優(yōu)水面率。丁繼輝等從防洪、抗旱、除澇等多角度出發(fā)，提出了土地開發(fā)整理項目區(qū)適宜水面率模型。Bu等采用個人電腦風(fēng)暴水管理模型模擬城市降雨過程，構(gòu)建未來極端淹沒情景，確定了城市地區(qū)合理的水域率。Pal等研究濕地流失、轉(zhuǎn)換的趨勢發(fā)現(xiàn)：河道的減少導(dǎo)致濕地供水不規(guī)律、農(nóng)用地占用濕地導(dǎo)致水面率減小是環(huán)境資本縮減的主要原因。Clara等擬定危害、暴露、影響、脆弱性和風(fēng)險地圖對Júcar流域區(qū)的海平面上升（Sea level rise）相關(guān)風(fēng)險進行評估，研究結(jié)果表明：氣候變化導(dǎo)致的水面增加反而會降低沿海濕地系統(tǒng)中生物多樣性以及水體更新時間。盛子涵等針對圩垸地區(qū)的城市排澇問題，基于海綿城市建設(shè)理念，考慮城市內(nèi)部下沉式綠地率和透水鋪裝率對降雨的集蓄和滲吸作用，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型確定水面率。以上研究均指出水面率與區(qū)域的防洪除澇、生態(tài)環(huán)境相關(guān)，但都沒有考慮到水面率與水質(zhì)間的定量關(guān)系。

近年來，許多研究指出：分布于農(nóng)田之間的坑塘湖泊、排水溝道等組成的分布式溝塘系統(tǒng)具有濕地功能，在滿足區(qū)域排水要求的同時，還具有凈化水質(zhì)、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境的作用。Vymazal等通過調(diào)查研究表明：防止農(nóng)藥輸入水體最常用的緩解技術(shù)包括田間邊緣和河岸緩沖帶、植被溝渠和濕地系統(tǒng)，具有自由水面的濕地對農(nóng)藥的去除效果是最好的。Gregoire等研究結(jié)果表明：濕地系統(tǒng)能夠有效地降低農(nóng)藥造成的污染及其在環(huán)境中擴散，從而減輕農(nóng)業(yè)面源農(nóng)藥污染。許青等指出：排水溝塘在承擔(dān)農(nóng)田排水任務(wù)同時還具有削減農(nóng)業(yè)面源污染和提供野生動物棲息地的功能，農(nóng)田間的排水溝道是改善農(nóng)業(yè)排水水質(zhì)的重要場所，排水溝道具備優(yōu)越的去除農(nóng)業(yè)污染物的水利條件。羅紈等分別計算考慮與不考慮水力聯(lián)系2種情況下溝塘的污染物去除能力，結(jié)果表明：水質(zhì)凈化作用主要集中在一些面積較大的支溝和池塘。Yang等和Gro等證明：濕地中總氮的去除服從一級推流反應(yīng)動力學(xué)，濕地可作為一個不斷攪拌的反應(yīng)器。Arheimer等將自然濕地在水流流速緩慢且僅在汛期排水的條件下看作一個完全混合的批量反應(yīng)器，因此，氮的去除和濕地面積相關(guān)。上述研究均指出排水溝道、坑塘水面、濕地對河湖水質(zhì)降解凈化有顯著作用。

針對江蘇省里下河地區(qū)的排澇和水環(huán)境問題，本文在圩區(qū)排澇工程規(guī)劃時，考慮圩內(nèi)坑塘-排水溝道濕地系統(tǒng)的水質(zhì)凈化作用，在傳統(tǒng)南方圩區(qū)最優(yōu)水面率模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，考慮圩內(nèi)水體與農(nóng)田面源的總氮、總磷以及化學(xué)需氧量COD去除效率等約束條件，構(gòu)建了里下河圩區(qū)滿足排澇標(biāo)準以及水質(zhì)凈化要求的最優(yōu)水面率數(shù)學(xué)模型，以期為水系發(fā)達的平原河網(wǎng)地區(qū)在國土整治與水利規(guī)劃中，優(yōu)化排澇設(shè)計參數(shù)、減輕農(nóng)業(yè)面源污染，凈化河湖水質(zhì)等方面提供依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)概化

本文以江蘇省里下河農(nóng)業(yè)圩區(qū)為研究對象。該研究系統(tǒng)由圩堤、圩口閘等水利工程，圩內(nèi)坑塘（包括湖泊）、排水溝道（或河道）系統(tǒng)、農(nóng)田與居民區(qū)等組成，里下河圩區(qū)現(xiàn)狀排澇工程及分布式溝塘系統(tǒng)概化見圖1。

圖1 里下河圩區(qū)分布式溝塘系統(tǒng)概化圖Fig.1 System generalization map of distributed ditches and ponds in Lixiahe polder area

里下河圩區(qū)水網(wǎng)密布，一般呈“豐”字型或“井”字型布置，外河、中心河（大溝）、生產(chǎn)河（中溝），農(nóng)溝（小溝）等溝道系統(tǒng)與圩內(nèi)坑塘水面（包括湖泊）組成一個排澇與分布式溝塘濕地系統(tǒng)，承擔(dān)圩區(qū)的排澇與水質(zhì)凈化作用。垂直中心河布置生產(chǎn)河，相距500 m左右，生產(chǎn)河將圩區(qū)劃分為若干小框，每666.67 hm約10框，每框66.67 hm左右，與外河相交處建閘站，用以排水、活水，農(nóng)溝間距為200 m左右，長度為500 m左右。

1.2 模型構(gòu)建思路

模型構(gòu)建的主要思想是當(dāng)遭遇設(shè)計暴雨時，通過圩區(qū)坑塘與排水溝道水面滯蓄與泵站搶排，及時排出設(shè)計暴雨產(chǎn)生的徑流、不成災(zāi)；當(dāng)非排澇時期，農(nóng)田排水系統(tǒng)維持日常水位可控制地下水深、防止農(nóng)田漬害，同時，流動的水體（排水溝道日常流量）還能夠推動圩內(nèi)坑塘和排水溝道中水體流動，利于水體水質(zhì)凈化、污染物降解。

1.3 目標(biāo)函數(shù)

在滿足圩區(qū)規(guī)定的排澇標(biāo)準情況下，兼顧圩區(qū)坑塘水面、排水溝道系統(tǒng)組成的分步式溝塘濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化要求，對圩區(qū)排澇工程系統(tǒng)進行整治優(yōu)化。圩區(qū)排澇工程整治包括：坑塘整治、排水溝道改造與排澇泵站建設(shè)。由于坑塘、排水溝道工程與泵站的運行經(jīng)濟壽命不一致，為此，計算分析期取泵站經(jīng)濟壽命?；谏鲜龇治?，以排澇工程計算分析期內(nèi)的總費用折算現(xiàn)值最小為目標(biāo)函數(shù)。

式中為規(guī)劃區(qū)總面積，km；為每平方米坑塘的管理維護費現(xiàn)值（包括清淤、除草費等），元/m。為每平方米排水溝道的管理維護費現(xiàn)值（包括清淤、除草費等），元/m；為排澇泵站單位裝機流量的運行管理費現(xiàn)值（包括年大修理費提存、年維護費、職工工資及福利費、燃料動力費及其他費用），萬元·s/m；、分別為坑塘溝道整治工程與泵站的經(jīng)濟壽命；為社會折現(xiàn)率。C、C分別為每立方米開挖、填埋河網(wǎng)費用，元/m；C為泵站單位裝機流量的投資折算現(xiàn)值，元·s/m；H、G分別為現(xiàn)有圩內(nèi)坑塘、排水溝道系統(tǒng)水面率（以占圩區(qū)總面積的百分比計），%；、分別為圩內(nèi)坑塘湖泊、排水溝道系統(tǒng)的日常平均水深，m。

1.4 約束條件

1.4.1 排澇流量與水面率的關(guān)系

水面率是指一定區(qū)域范圍內(nèi)承載水域功能的區(qū)域面積占區(qū)域總面積的比率。對于遠景用地規(guī)劃為農(nóng)業(yè)用地和生態(tài)旅游區(qū)的片區(qū)，按圩區(qū)設(shè)計排澇標(biāo)準（分別以10年、20年一遇暴雨，雨后1天排出），采用平均排除法計算設(shè)計排澇流量，見式（5）。

式中為設(shè)計徑流深，mm；為設(shè)計排澇歷時，d；為泵站在1 d內(nèi)的運行時間，h；、、和分別為坑塘湖泊、排水溝道水面、水田，旱田和非耕地的設(shè)計徑流深，mm；、、和分別為坑塘湖泊、排水溝道水面、水田，旱田和非耕地的面積，km；其余符號同前。

設(shè)圩區(qū)總面積，水田面積在圩區(qū)規(guī)劃前后保持不變。則：規(guī)劃后的坑塘水面=·，溝道系統(tǒng)水面=·、水 田 面 積=，旱 田 和 非 耕 地 的 面 積=-()-。

1）坑塘湖泊水面設(shè)計徑流深(，mm)

式中為設(shè)計暴雨量，mm；為坑塘滯蓄水深，mm；為排水期間坑塘的水面蒸發(fā)量，mm；其余符號同前。

2）排水溝道水面設(shè)計徑流深(，mm)

式中為排水溝道滯蓄水深，mm；為排水期間溝道水面蒸發(fā)量，mm；其余符號同前。

3）水田設(shè)計徑流深(，mm)

式中為水田滯蓄水深，mm；為水田耗水量，mm；其余符號同前。

4）旱田、非耕地設(shè)計徑流深(，mm)

根據(jù)前期影響雨量，查()～關(guān)系圖，得。

式中為徑流系數(shù)，為前期影響雨量，mm；其余符號同前。

將式（6）～式（9）和規(guī)劃后的坑塘、溝道系統(tǒng)水面、水田，旱田與非耕地面積代入式（5）得排澇流量與水面率、的關(guān)系。

1.4.2 水面率上下限約束

一個地區(qū)的水面與當(dāng)?shù)氐淖匀弧⑧l(xiāng)土文化等因素有關(guān)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貒烈?guī)劃確定區(qū)域水面率的上下限：

式中、分別為坑塘和排水溝道系統(tǒng)總水面率的上下限；、分別為排水溝道系統(tǒng)水面率的上下限，其中，里下河圩區(qū)排水溝道系統(tǒng)的水面率一般為2%～4%（根據(jù)里下河地區(qū)國土整治高標(biāo)準農(nóng)田建設(shè)的排水溝道大、中、小溝統(tǒng)計）。

1.4.3 水質(zhì)約束

水環(huán)境容量是指水體使用功能不受破壞條件下，受納污染物的最大數(shù)量。為保證區(qū)域水體使用功能不受破壞，圩區(qū)需要有足夠的容納污染物質(zhì)的能力，根據(jù)國家對污染物總量控制的要求，選擇總氮（Total Nitrogen，TN），總磷（Total Phosphorus，TP），鉻的化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand of Chrome，COD）作為水環(huán)境容量的控制因子。根據(jù)一級推流反應(yīng)動力學(xué)可知：污染物質(zhì)經(jīng)過水體凈化后的濃度見式（12）。

式中C和C分別為出水、入水污染物濃度，mg/L；為水質(zhì)衰減數(shù)，d；為水力停留時間，d。

江淮地區(qū)地下水位較高，經(jīng)常出現(xiàn)長時間的陰雨天氣，這一時期降雨形成的地下徑流量（日常流量）需要外排，否則會影響作物生長，形成漬害；同時，水體流動時，利于濕地系統(tǒng)對水體中雜質(zhì)的降解凈化。本文的水力停留時間通過坑塘與排水溝道系統(tǒng)中水體的有效容積（即坑塘與溝道系統(tǒng)平均水深與對應(yīng)水面的乘積）與日常排水流量（即農(nóng)田降漬模數(shù)與對應(yīng)耕地面積的乘積）之比確定，見式（13）。

式中為水體有效容積，m；為排水流量，m/s。

1）TN的去除和水面率的關(guān)系

圩區(qū)地面坡度平坦，排水不暢，日常降雨使地下水位抬升，此時，可按規(guī)定的排水線路（如圖1）排除日常流量，經(jīng)過坑塘湖泊、排水溝道組成的分布式濕地系統(tǒng)對水質(zhì)的凈化，最終流出圩區(qū)水體中TN濃度應(yīng)小于水質(zhì)類別對應(yīng)TN的水質(zhì)標(biāo)準值。

式中和分別為流出、流入圩內(nèi)水體TN濃度，mg/L；為TN的水質(zhì)標(biāo)準值，mg/L；為TN的水質(zhì)降解系數(shù)，d；為農(nóng)田降漬模數(shù)，m/(skm)；為耕地面積，km；其余符號同前。

2）TP的去除和水面率的關(guān)系

圩區(qū)日常排水時，按規(guī)定排水線路排除日常流量，根據(jù)相似系統(tǒng)氮的去除可得：最終流出圩內(nèi)水體中TP濃度應(yīng)小于水質(zhì)類別對應(yīng)TP的水質(zhì)標(biāo)準值。

式中和分別為流出、流入圩內(nèi)水體TP濃度，mg/L；為TP的水質(zhì)標(biāo)準值，mg/L；為TP的水質(zhì)衰減系數(shù)，d；其余符號同前。

COD的去除和水面率的關(guān)系

式中和分別為流出、流入圩內(nèi)水體COD濃度，mg/L；為COD的水質(zhì)標(biāo)準值，mg/L；為COD的水質(zhì)衰減系數(shù)，d；其余符號同前。

2 模型求解方法

模型求解是通過逐次迭代尋求目標(biāo)的最值，遺傳算法就是一種解決最值類問題的智能型優(yōu)化方法，本文所建立的非線性數(shù)學(xué)模型是為了求解目標(biāo)函數(shù)的最小值，因此，采用遺傳算法對模型求解。遺傳算法求解本模型具體的流程見圖2。

圖2 遺傳算法流程圖Fig.2 Flowchart of genetic algorithm

本文所建立的模型中有3個決策變量，其中，決策變量的變化區(qū)間為[，]；的變化區(qū)間為[，]；決策變量通過式（5）確定。采用罰函數(shù)法對約束條件進行處理，若規(guī)劃水面率不滿足總氮（TN）、總磷（TP）以及COD的去除率約束，則構(gòu)造障礙函數(shù)P（=1,2,3），如式（17）～式（19）所示。記：流出圩內(nèi)水體中TN、TP以及COD的濃度表達式分別為g(，)（=1,2,3）。

如果(，)＞，則構(gòu)造障礙函數(shù)：

如果(，)＞，則構(gòu)造障礙函數(shù)：

如果(，)＞，則構(gòu)造障礙函數(shù)：

在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造懲罰函數(shù)：

式中R為懲罰函數(shù)，P為障礙函數(shù)，為罰因子；其余符號同前。

依次進行選擇、交叉、變異操作和迭代，直至滿足終止條件，算法終止。

3 實例分析

江蘇省里下河洼地阜寧縣渠南灌區(qū)以平原和低洼圩區(qū)為主，經(jīng)度介于119°27′49″E～119°58′22″E之間，緯度介于33°26′52″N～33°59′22″N之間，土質(zhì)多為粉砂土和砂壤土，設(shè)計排漬模數(shù)（）為0.04 m/(skm)，約有195.1 km屬低洼圩區(qū)，需通過建設(shè)排澇泵站抽排，以滿足排澇、降漬要求；規(guī)劃區(qū)是處于小中河和大沙河之間的南部低洼圩區(qū)，面積約48 km，圩區(qū)現(xiàn)狀水面率為9.4%，其中，圩內(nèi)坑塘水面率為6.2%，排水溝道水面率為3.2%；灌溉設(shè)計保證率為80%，主要河道基本達5年一遇、10年一遇的排澇標(biāo)準，理論排澇模數(shù)雖然達到0.7 m/(s·km)，但圩內(nèi)部分排澇泵站老化、失修現(xiàn)象嚴重，難以正常發(fā)揮其效益，實際排澇模數(shù)約0.65 m/(s·km)，排澇流量約30 m/s。同時，隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人類活動對水系干擾加重，河道淤積、渠溝斷面縮窄等問題突出，入河污染物的來源也日益增多，圩外、圩內(nèi)水體長期處于V類水質(zhì)標(biāo)準。因此，對阜寧渠南灌區(qū)南部圩區(qū)的排澇工程進行優(yōu)化，確定圩區(qū)最優(yōu)水面率與泵站設(shè)計排澇流量，提高圩區(qū)排澇標(biāo)準與提升圩內(nèi)水體水質(zhì)、水環(huán)境。

3.1 渠南灌區(qū)最優(yōu)水面率數(shù)學(xué)模型的確定

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)中參數(shù)的確定

采用工程概算指標(biāo)法結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖ牧闲星閷こ藤M用現(xiàn)值進行估算，模型中相關(guān)參數(shù)確定見表1。

3.1.2 約束條件中參數(shù)的確定

1）排除設(shè)計暴雨時，排澇相關(guān)參數(shù)的確定

20年一遇設(shè)計排澇標(biāo)準時，設(shè)計代表年為2007年。設(shè)計暴雨為225.5 mm，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田水利試驗站資料得知：為30 mm、為14 mm、為460 mm、為400 mm，==6 mm。代入式（6）～式（9）計算得：為?240.5 mm；為?180.5 mm；為181.5 mm；為160 mm。

據(jù)統(tǒng)計，渠南灌區(qū)水稻種植區(qū)水田比例為65%，即=29.12 km。規(guī)劃后的坑塘水面=48、規(guī)劃后的溝道水面=48、規(guī)劃后的水田面積=29.12 km，規(guī)劃后的旱田與非耕地面積=18.88-48()。將計算的徑流深和規(guī)劃后的面積F′（=1…4）代入式（5）得：108102-53.050。

表1 模型中相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters in model

2）日常運行時，水質(zhì)降解參數(shù)的確定

低洼地區(qū)的灌區(qū)溝塘-排水溝道系統(tǒng)在非排澇時間，一般保持日常水位，以保證農(nóng)田降漬、滯澇蓄水、養(yǎng)殖等一種或多種功能。本文選取里下河地區(qū)渠南灌區(qū)枯水季節(jié)11月的水質(zhì)為代表，進行典型分析，確定日常排水時的相關(guān)水質(zhì)參數(shù)。其中，污染物初始濃度以及IV類水的水質(zhì)標(biāo)準值根據(jù)文獻[23]確定；水質(zhì)降解系數(shù)根據(jù)文獻[24]和中國環(huán)境規(guī)劃院制定的《全國地表水水環(huán)境容量核定技術(shù)復(fù)核要點》確定，具體取值見表2。

表2 渠南灌區(qū)11月水質(zhì)相關(guān)參數(shù)Table 2 Relevant parameters of water quality in Qunan irrigation district in November

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 灌區(qū)優(yōu)化模型

根據(jù)3.1節(jié)相關(guān)參數(shù)計算可得渠南灌區(qū)優(yōu)化模型

采用遺傳算法對模型進行求解得：坑塘水面率=8.15%，排水溝道水面率=3.17%，排澇流量=41.01 m/s，對應(yīng)的排澇模數(shù)為0.86 m/(s·km)，工程總費用現(xiàn)值為56.411百萬元。將圩內(nèi)現(xiàn)狀情形下的排澇參數(shù)和水質(zhì)類別同規(guī)劃情形下的參數(shù)進行對比，結(jié)果見表3。

綜上，當(dāng)規(guī)劃規(guī)劃總水面率為11.32%，其中：坑塘水面率為8.15%、溝道水面率為3.17%，設(shè)計排澇模數(shù)為0.86 m/(s·km)時，圩區(qū)可達20年一遇設(shè)計排澇標(biāo)準；圩內(nèi)水體可達到IV類水標(biāo)準。

表3 圩內(nèi)現(xiàn)狀水面與規(guī)劃水面下排澇相關(guān)參數(shù)及水質(zhì)類別Table 3 Waterlogging related parameters and water quality categories of present and planned water surface in polder area

3.2.2 現(xiàn)狀灌排系統(tǒng)情況與基于暗管排水高標(biāo)準農(nóng)田模式下工程系統(tǒng)的優(yōu)化

1）高標(biāo)準農(nóng)田建設(shè)，如果依然采用明渠灌溉、明溝排水方式，即溝道系統(tǒng)水面率保持3.20%不變。當(dāng)坑塘水面率為8.15%，總水面率為11.35%時，工程建設(shè)總費用最??；圩區(qū)可達20年一遇設(shè)計排澇標(biāo)準，圩內(nèi)水體可達到IV類水標(biāo)準。

2）塑料暗管排水技術(shù)能夠有效防止農(nóng)田漬害、提高作物品質(zhì)、保證農(nóng)業(yè)機械及時下田耕作等優(yōu)點，是世界公認的低洼地區(qū)高標(biāo)準農(nóng)田建設(shè)發(fā)展的方向。如果渠南灌區(qū)高標(biāo)準農(nóng)田建設(shè)推廣塑料暗管排水工程，采用文獻26的田塊、暗管布置模式（一級暗管，布置暗管后，田間排水明溝僅僅承擔(dān)排澇任務(wù)、不再承擔(dān)降漬與農(nóng)田地下水位控制功能），即田塊規(guī)格為180 m×360 m。以此推算，規(guī)劃區(qū)內(nèi)的溝道系統(tǒng)水面率僅為1.4%。當(dāng)總水面率為13.75%，坑塘水面率為12.35%時，規(guī)劃區(qū)達到20年一遇排澇設(shè)計標(biāo)準，圩內(nèi)水體可達到IV類水標(biāo)準。

3）總水面率相同，溝道水面率分別為3.2%（情形1）、1.4%（情形2）時對應(yīng)污染物的去除率與不同排澇設(shè)計標(biāo)準對應(yīng)的排澇模數(shù)，見表4。

由表4可知：隨著總水面率增加，圩內(nèi)水體滯蓄澇水能力增強，排澇模數(shù)逐漸減??；但當(dāng)總水面率相同時，坑塘水面率越大，對應(yīng)的排澇模數(shù)越小，圩內(nèi)坑塘水體承擔(dān)著主要排澇作用。隨著總水面率增加，水體對污染物的吸附、降解能力增強，TN、TP、COD的去除率增加；但當(dāng)總水面率相同，坑塘以及溝道水面率占比不同時，對應(yīng)的TN、TP、COD去除率不同，水面的分布一定程度上影響了水體對污染物的截留、凈化。

4）繪制情形1、情形2下污染物去除率，見圖3。

由圖3可知：在總水面率相同時，情形1對應(yīng)污染物的去除率比情形2高；但隨著總水面率增加，情形1、情形2對應(yīng)TN以及TP的去除率差值逐漸減小，說明隨著水面率增加，坑塘（湖泊）對污染物的凈化作用增強。因此，在總水面率一定時，可適當(dāng)增加圩內(nèi)的坑塘面積，減小溝道系統(tǒng)面積，推廣基于暗管排水的高標(biāo)準農(nóng)田模式，具有現(xiàn)實意義。

表4 不同排澇標(biāo)準與水面率下排澇模數(shù)和污染物去除率Table 4 Drainage modulus and pollutant removal rate under different drainage standards and water surface ratio

圖3 不同水面率下污染物的去除率Fig.3 Removal rate of pollutants under different water surface ratio

本文采用情形1下的溝道水面率，即保持溝道水面率為3.2%不變，增加坑塘水面率的工程模式，可提升圩區(qū)的防洪除澇與水質(zhì)凈化能力。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了兼顧圩區(qū)排澇與水質(zhì)要求的非線性數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法進行求解，并對江蘇省里下河地區(qū)渠南灌區(qū)進行實例分析。當(dāng)圩內(nèi)總水面率為11.35%，其中坑塘水面率為8.15%、溝道系統(tǒng)水面率為3.20%，設(shè)計排澇模數(shù)為0.86 m/(s·km)時，圩區(qū)的排澇能力以及水質(zhì)類別均有提升，排澇標(biāo)準由5年一遇、10年一遇提高到20年一遇，水質(zhì)類別由V類水提升為IV類水。該研究方法為水系發(fā)達的南方平原河網(wǎng)地區(qū)在國土整治與水利規(guī)劃中，改善土地利用結(jié)構(gòu)、優(yōu)化排澇設(shè)計參數(shù)、減輕農(nóng)業(yè)面源污染、凈化河湖水質(zhì)等方面提供一條新的途徑。

本文在模型構(gòu)建中采用了一級推流方程來描述農(nóng)田排水中污染物的降解過程，這雖然是一種簡化處理，但是對于污染物濃度相對穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)污染，可以很好地描述污染物的動態(tài)變化。另外，本文將坑塘與溝道系統(tǒng)組成的河網(wǎng)水系看作是濕地系統(tǒng)，并沒有考慮兩者降解能力的差別，將水體對污染物的物理、化學(xué)和生物凈化作用概化為水質(zhì)綜合衰減系數(shù)，用以反映污染物在水體中的降解速率。其實，坑塘系統(tǒng)的分布及形態(tài)、水生植物的配置等都會影響圩區(qū)的排澇與水質(zhì)凈化能力，后續(xù)研究可就坑塘與溝道降解能力開展試驗測定，分析坑塘與溝道系統(tǒng)的生態(tài)功能。