農(nóng)業(yè)排水溝渠系統(tǒng)中總磷的運(yùn)移模擬研究

謝 娟

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311231）

0 引言

國(guó)內(nèi)外大量的研究表明農(nóng)業(yè)排水溝渠對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中的污染物質(zhì)總磷（P）等有很好的攔截作用。 晏維金[1]等通過水稻田濕地系統(tǒng)氮、磷截留試驗(yàn)，結(jié)果表明這個(gè)系統(tǒng)對(duì)總氮、總磷的去除率達(dá)到50%和90%。 國(guó)外學(xué)者M(jìn)euleman[2]等的研究結(jié)果表明， 天然溝渠對(duì)磷元素的去除率竟然高達(dá)90%～95%；Kr?ger[3]等也做了一條長(zhǎng)約400m，寬約7m 農(nóng)田排水溝對(duì)氮去除率的試驗(yàn)，結(jié)果表明氮去除率可以達(dá)到57%，磷的去除率也達(dá)到44%；李強(qiáng)坤[4]等對(duì)農(nóng)田排水溝渠各介質(zhì)間非點(diǎn)源總氮的遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行了研究。 從上述國(guó)內(nèi)外的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)農(nóng)田排水溝渠對(duì)總磷有非常好的去除率，但是目前對(duì)于總磷的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制尚不清楚，關(guān)于排水溝渠中磷的運(yùn)移模擬的研究鮮見。

杭州蕭山區(qū)路下院村作為區(qū)級(jí)美麗鄉(xiāng)村示范村建設(shè)單位， 該村對(duì)農(nóng)業(yè)排水溝渠進(jìn)行了系統(tǒng)整治，新建排水溝渠形成了新的生態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)排水溝渠中總磷的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理及總磷的運(yùn)移模擬研究對(duì)于確定面源污染的過程有現(xiàn)實(shí)意義。

本課題研究通過分析磷在排水溝渠中的遷移轉(zhuǎn)化過程， 進(jìn)而采用模型對(duì)總磷在排水溝渠中的運(yùn)移進(jìn)行模擬，并與樣品實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明模型對(duì)此類封閉性溝渠是否具有適用性。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

采樣點(diǎn)：新建排水溝渠斷面寬小于50m，在溝渠中間設(shè)一條中泓垂線，由于水深小于5m，采樣點(diǎn)在2-2 斷面中泓垂線的1/2 處。

采樣時(shí)間： 2021 年5 月1 日，2021 年5 月15日，2021 年6 月1 日，2021 年6 月15 日，2021 年7 月1 日，2021 年7 月5 日，2021 年8 月1 日，2021 年8 月15 日，2021 年9 月1 日，2021 年9 月15 日。

分析方法： 總磷的測(cè)定方法采用鉬酸銨分光光度法（GB11893-89）。

1.2 模型構(gòu)建、參數(shù)確定及評(píng)價(jià)方法

1.2.1 溝渠系統(tǒng)水體及污染物遷移模型

本次研究只關(guān)注此類溝渠縱向遷移， 水體采用一維水流連續(xù)方程， 運(yùn)用污染物遷移擴(kuò)散方程模擬總磷， 得到排水溝渠中水體和污染物運(yùn)移模型如下[5]：

式中：C污染物的濃度，mg/L；Cq各排水溝渠匯入口污染物的濃度，mg/L；Q-t時(shí)刻通過溝渠斷面A 的流量，m3/s；C上支干級(jí)排水溝渠所接納的深層排水中某污染物的濃度，mg/L；A過水?dāng)嗝婷娣e，m2；x模擬斷面距控制斷面的距離，m；u溝渠中的水體流速，m/s；Ks縱向剪切流彌散系數(shù)，m2/s；K綜合衰減系數(shù)，1/d。

本項(xiàng)研究試驗(yàn)溝渠選定杭州市蕭山區(qū)樓塔鎮(zhèn)路下院村農(nóng)田中一處長(zhǎng)300m 的排水溝渠，因?yàn)榇硕紊舷掠蔚目刂茢嗝骈g不連接溝渠，呈封閉式，上下游斷面的變化亦不大，水深也較淺，深層二次排水及側(cè)滲可以忽略。 因此可以對(duì)公式（1）、（2）進(jìn)行如下簡(jiǎn)化。

式中：Q流量，m3/s；C排水溝渠中污染物的濃度，mg/L；A過水?dāng)嗝婷娣e，m2；u水體流速,m/s；以上參數(shù)可由試驗(yàn)測(cè)定或者公式推求。

1.2.2 參數(shù)確定

1.糙率

式中：Q流量，m3/s；A過水?dāng)嗝婷娣e，m2；R水力半徑。

式中：Pw水流與固體邊界接觸部分的周長(zhǎng)，稱為濕周；i比降，當(dāng)明渠恒定均勻流時(shí)J=i。

2.污染物剪切流彌散系數(shù)

3.污染物綜合衰減系數(shù)

污染物綜合衰減系數(shù)的涵義是每秒或每天污染物在水體中衰減掉的百分率，單位常用1/s 或1/d。 它的大小與污染物可降解性有關(guān)，還與水溫有很大關(guān)系，水溫減小，衰減系數(shù)減小，反之水溫變大，衰減系數(shù)也增大[6]。

因此在計(jì)算污染物衰減系數(shù)K 時(shí)， 將總磷在排水溝渠中的生物降解、 沉降和物理化學(xué)過程綜合為衰減系數(shù)K,可利用試驗(yàn)實(shí)測(cè)確定。 計(jì)算公式如下：

式中：u水平均流速，m/s；C下，C上研究溝渠上、下斷面污染物濃度，mg/L；K衰減系數(shù)，1/s；x研究溝渠長(zhǎng)度，m。

1.2.3 評(píng)價(jià)方法

用Nash-Suttcliffe 評(píng)價(jià)法可以對(duì)模擬結(jié)果作出評(píng)價(jià)。 NSC 越大說(shuō)明模擬值和實(shí)測(cè)值匹配性越好，當(dāng)NSC 為1 時(shí)，效果最好。 計(jì)算公式如下。

式中：xobs實(shí)測(cè)值；xcalc模擬值；xobs實(shí)測(cè)值的算術(shù)平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

邊界條件的選擇： 水量計(jì)算運(yùn)用Dirichlet 第一類邊界條件， 模擬上邊界條件采用溝渠起始端的水量，下邊界條件采用溝渠出口處的控制水位；總磷的模擬計(jì)算運(yùn)用Neumann 第二類邊界條件，采用模擬溝渠起始端總磷的濃度作為計(jì)算的初始數(shù)據(jù)。

模擬過程： 先采用四點(diǎn)隱式差分格式離散求解水流連續(xù)方程，得到有關(guān)的水利要素，然后運(yùn)用顯式差分格式求污染物彌散方程， 得出總磷的輸出結(jié)果。 模型計(jì)算時(shí)段選擇2021 年5 月到2021年9 月。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷在試驗(yàn)溝渠中的遷移轉(zhuǎn)化過程

試驗(yàn)段農(nóng)業(yè)排水溝渠斷面圖如圖1 所示，兩側(cè)采用直立式漿砌石護(hù)坡， 溝渠中種植香蒲等水生植物。 新建農(nóng)業(yè)排水溝渠是一個(gè)由底泥-植物-微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)可分為上、中、下3個(gè)區(qū)域[7]。 污染物質(zhì)磷等在其中發(fā)生物理、化學(xué)和生物反應(yīng)。 磷在溝渠中的遷移轉(zhuǎn)化過程如圖2 所示。

圖1 研究溝渠橫斷面圖

圖2 磷在溝渠中的遷移轉(zhuǎn)化過程

在溝渠中，磷的存在形態(tài)有顆粒態(tài)和溶解態(tài)，顆粒態(tài)磷的截留方式主要是吸附和沉淀兩種作用[8]， 但是底泥中的吸附和解吸是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程。溝渠中的水生植物會(huì)直接吸收PO43-，同時(shí)還給微生物提供了良好的微生態(tài)環(huán)境， 植物吸收是一個(gè)不可逆過程。微生物可以分解有機(jī)磷為PO43-，微生物的同化和積累也吸收了PO43-。

2.2 模型應(yīng)用效果

2.2.1 模型應(yīng)用

將模型應(yīng)用于蕭山區(qū)樓塔鎮(zhèn)路下院村農(nóng)田中一處長(zhǎng)300m 的溝渠進(jìn)行驗(yàn)證。 該渠順?biāo)鞣较蛭髁魅胫?，溝渠南、北兩?cè)是農(nóng)田，化肥、農(nóng)藥及農(nóng)田排水匯入其中，水質(zhì)狀況不好。 該渠從支渠交叉口至上游300m 范圍內(nèi)無(wú)其他進(jìn)水口和排水口，可視為封閉式溝渠。 在試驗(yàn)段沿水流方向布設(shè)1-1、2-2 兩個(gè)斷面，見圖3 所示。

圖3 斷面布置示意圖

2.2.2 模擬效果分析

采用1-1 斷面的總磷實(shí)測(cè)濃度為輸入濃度，2-2 斷面作為目標(biāo)濃度進(jìn)行模擬。同時(shí)將2-2 斷面實(shí)測(cè)總磷濃度繪于圖4， 與模擬濃度進(jìn)行對(duì)比，從圖中兩條曲線分析： 模型的模擬值與樣品的實(shí)測(cè)值吻合比較好，變化趨勢(shì)基本一致。

圖4 總磷濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)（2-2 斷面的濃度） 對(duì)比圖

用Nash-Suttcliffe 評(píng)價(jià)法可以對(duì)模擬結(jié)果作出評(píng)價(jià)。 NSC 越大說(shuō)明模擬值和實(shí)測(cè)值匹配性越好，當(dāng)NSC 為1 時(shí)，效果最好。 根據(jù)模擬值和實(shí)測(cè)值，通過公式計(jì)算出總磷的NSC 為0.9，說(shuō)明模型具有很好的適用性，模擬值和實(shí)測(cè)值匹配性較好。

3 結(jié)論

（1）本文分析了排水溝渠生態(tài)結(jié)構(gòu)，得出了總磷在排水溝渠系統(tǒng)內(nèi)遷移轉(zhuǎn)化過程是底泥-植物-微生物共同作用的結(jié)果。

（2）結(jié)合農(nóng)田排水溝渠水污運(yùn)移特點(diǎn)，構(gòu)建了排水溝渠總磷運(yùn)移模型， 運(yùn)用模型和獲得的參數(shù)進(jìn)行了排水溝渠的試驗(yàn)，對(duì)總磷的指標(biāo)進(jìn)行模擬，最后模擬出的結(jié)果跟樣品實(shí)測(cè)值吻合比較好，模擬系數(shù)更是達(dá)到了0.9，說(shuō)明構(gòu)建的模型適合此類封閉式溝渠。 □