洪建權，馬 勇，丁世洪，鄒家榮，賀園春，羅 紈

(1.揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009； 2.揚州市江都區(qū)昭關灌區(qū)管理處，江蘇 揚州 225261)

隨著經濟水平的提高，農業(yè)生產過程中對化肥農藥的使用量增加，農田排水造成的水體污染，水環(huán)境惡化等問題也日益突出。此類農業(yè)非點源污染一般是在降雨、灌溉過程中，隨地表、地下徑流進入農田排水系統。從土壤中淋洗出來的化肥、農藥等污染物直接排入接納水體，會導致接納水體污染物超標、水體富營養(yǎng)化等一系列水環(huán)境問題，是目前農業(yè)水環(huán)境治理問題的瓶頸。農業(yè)排水溝塘系統作為一種連接農田與接納水體的天然緩沖帶，具有類似于濕地的功能，可去除農田排水中的化肥、農藥等營養(yǎng)物質，是最直接的污染物凈化場所，也是農業(yè)生產中不可替代的生態(tài)資源[1]。

研究發(fā)現，溝塘濕地系統對污染物的去除效果與其在田間復雜的分布以及與農田的水力聯系密切相關[2]。除了現場觀測試驗以外，現有研究中較多采用河流水質模型預測方式來分析農田排水溝中污染物濃度沿程變化情況，以及溝塘系統對水質凈化的效果。河流水質模型描述河流污染物的遷移和轉化過程及其它們之間的復雜聯系[3]，可以預測河流水質的變化情況，研究水體的污染自凈能力以及排污的情況等[4]。相關水質模型包括QUAL2K模型、Streeter-Phelps 模型、WASP 模型、QUASAR 模型和MIKE模型等。其中，由美國國家環(huán)保局推出的QUAL2K河流水質模型是目前應用最為廣泛，綜合性較強的模型之一[5]，能夠全面準確地模擬污染物在不同水體中的降解過程。QUAL2K模型在中國用于水質分析的研究仍處于初期階段，部分學者將其用于模擬一維、穩(wěn)態(tài)的中小型河流水質變化[6]。如郭永彬等[7]利用QUAL2K模型，探討了漢江中下游的水質變化的趨勢，并對比QUAL2K模型和QUAL2E模型模擬結果的差異；結果發(fā)現QUAL2K模型比QUAL2E模型模擬的精度要高。方曉波等[8]利用QUAL2K模型和一維水質模型模擬了2009年錢塘江流域的水質情況，利用TMDL管理模型，對典型河段的COD、NH3-N和BOD負荷的減少和分布進行研究，為流域總量的控制提供理論依據。楊樂等[9]根據秦淮河水情水質特點，選取DO、NH3-N、COD作為控制因子，利用QUAL2K模型構建了秦淮河水質優(yōu)化管理模型，驗證了模型適用于秦淮河水質優(yōu)化管理。

農田溝塘排水系統類似于河道水流匯集系統，但現有研究中對此類水系水質的變化過程研究相對較少。因此，本文以江蘇省揚州市江都區(qū)京杭大運河東側的昭關灌區(qū)一個農田排水溝塘系統為研究對象，選取氨氮、總磷為控制因子，運用QUAL2K模型模擬分析了污染物在農田排水溝塘水系內沿程的變化情況，在檢驗模型適用性的基礎上，探討了優(yōu)化排水溝塘系統的污染物去除能力。研究結果可為類似農田溝塘系統污染物治理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 QUAL2K模型介紹

QUAL2K模型是美國國家環(huán)保局(U.S.EPA)推出的一個一維的穩(wěn)態(tài)綜合性河流水質模型。模型適用于枝狀復雜河流網路，允許沿河有多個排污口、取水口、支流分析入流點、面源負荷對受納水體水質的影響。QUAL2K模型的基本方程是一維平流—擴散物質遷移方程，該方程考慮了平流彌散、稀釋、水質組分自身反應、水質組分間的相互作用以及組分的外部源和匯對組分濃度的影響[10]。對于任意一種水質組分都可以按如下方程進行計算[11]，方程如下：

(1)

式中：C為污染物濃度，mg/L；t為時間，d；A為斷面面積，m2；DL為河流縱向彌散系數，m2/d；X為河流縱向坐標，m；U為河流平均流速，m/s；S為組分外部的源和匯，mg/L；V為計算單元體積，m3。方程等式右側的4項分別代表彌散、平流、水質組分反應、水質組分的源和匯[12]。

1.2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省揚州市江都區(qū)內京杭大運河東側的昭關灌區(qū)(119°25′E、32°22′N)，研究區(qū)地勢平坦，屬于典型的南方平原河網地區(qū)；年平均溫度 14.9 ℃，年降水量約1 000 mm；研究區(qū)內普遍實行稻麥輪作。圖 1 顯示了研究區(qū)主要排水分布區(qū)域的農田與溝塘的分布及水力聯系，圖2概化了該排水區(qū)域的溝塘與農田水力聯系及水流方向網絡圖。本文研究的排水區(qū)域包含14個單元，包括9條農溝、4條支溝和1個池塘，占溝塘面積的比例為46.8%，占農田面積的比例為6.7%。根據QUAL2K模型原理，本文計算中做了如下概化：

圖1 研究區(qū)主要溝塘排水系統分布以及排水分區(qū)情況

圖2 研究區(qū)主要溝塘系統與農田水力聯系及水流方向網絡圖

根據水質模擬需要，對該區(qū)農田排水溝流網進行概化并劃分其河段及計算單元。模型的概化工作，首先將排水溝劃分成一系列恒定非均勻流河段，然后再將每個河段劃分成若干個等長的計算單元。河段的劃分原則如下：同一河段具有相同的水力、水質特性和參數，各河段間的水力、水質參數各不相同。其中，計算單元是QUAL2K模型進行水質計算的最小單元，模型要求各個河段上的計算單元是等長的[13]。

根據圖1、圖2所顯示的研究區(qū)主要溝塘分布及排水分區(qū)情況，并且區(qū)內排水基本上集中在此，所以選擇區(qū)內主要排水區(qū)域作為模型模擬區(qū)域。該排水區(qū)域主干段全長500 m，分為5段；其中2條支流匯入，分別劃分為3個河段和2個河段，分別為300 m和200 m，共劃分10個河段。由于農田排水溝排水距離短，排水范圍小，故每個河段設置2個計算單元；另外還有3處點源匯入。研究區(qū)主要排水區(qū)域河段劃分及污染源匯入示意圖,見圖3。

圖3 研究區(qū)主要排水區(qū)域河段劃分及污染源匯入示意

1.3 QUAL2K模型參數率定

模型參數的確定是建模工作的核心內容，可靠的參數是模擬結果成敗的關鍵。本研究涉及的主要參數為水力參數和水質參數，包括排水溝平均氮磷濃度、平均氣象數據以及排水溝的平均入流流量等監(jiān)測值，其他參數均采用模型推薦值。本文選定2017年稻作期間水質監(jiān)測數據平均值為模型率定期，2018年稻作期間水質監(jiān)測數據平均值為模型驗證期，經過多次模擬調試，確定最終的參數值(表1～2)。

主要水質參數包括有機氮水解系數khn、氨氮硝化系數kna、有機磷水解系數khp等?；谖墨I報道的參數適宜取值區(qū)間[14]，對參數進行合理調試，直至得到滿意的擬合結果。率定后得到的主要水質參數,見表1。

表1 QUAL2K模型水質參數率定結果

QUAL2K模型提供了3種方法來計算各河段水力學特征，分別是溢流堰法、流量系數法和曼寧系數法。本研究采用的是曼寧系數法，根據相關資料得到人工混凝土襯砌河道取值0.02；對于天然河道，模型推薦取值0.04，故研究區(qū)排水支溝取值0.04。主要水力學特征參數如表2所示。

2 結果與討論

2.1 2018年稻作期間農田排水溝系統污染物氨氮濃度實測值與模擬值對比

稻作期間農田排水溝系統污染物氨氮濃度實測值與模擬值,見圖4，由圖可見，研究區(qū)6個監(jiān)測點，從左至右依次標為G1、 G2、G3、G4、G5、G6。監(jiān)測點G2、G3、G4、G5、G6的氨氮模擬值分別為340、520、610、288、221 μg/L，與相對應實測值為395、813、867、101、253 μg/L，除去G5監(jiān)測點，平均相對誤差為23.06%。因此利用QUAL2K模型能較好反映出該研究區(qū)排水溝系統氨氮沿程的變化情況。

從初始上游邊界到下游邊界氨氮質量濃度呈現先緩慢下降再急劇上升最后再持續(xù)下降的趨勢。一開始由于排水溝的自凈作用加上沒有點源與支流的匯入，氨氮質量濃度緩慢下降，而后隨著點源與支流1的匯入氨氮質量濃度很快上升的最大，說明支流1匯入的水質較差；之后降低說明農田排水溝對污染物有一定的凈化作用，且凈化作用大于支流2的匯入，也說明支流2匯入的水質較支流1匯入的水質狀況較好。經計算，實測值與模擬值對氨氮質量濃度的去除率分別為49.4%和55.8%。

圖4 研究區(qū)排水溝氨氮模擬結果

2.2 2018年稻作期間農田排水溝系統污染物總磷濃度實測值與模擬值對比

稻作期間農田排水溝系統污染物總磷質量濃度實測值與模擬值,見圖5，由圖可知，研究區(qū)5個監(jiān)測點G2、G3、G4、G5、G6的總磷質量濃度模擬值分別為235、209、255、247、148.5 μg/L，與相對應實測值221、197、269、287、146 μg/L的相對誤差保持在15%以內，平均相對誤差為6.66%。因此QUAL2K模型具有較好的模擬精度，且模擬精度要高于氨氮，能準確的反映出該研究區(qū)排水溝系統總磷沿程的變化情況。

從初始上游邊界到下游邊界總磷質量濃度總體呈現上下波動態(tài)勢。造成上述變化的主要原因是由于沿程點源與支流的匯入，一開始總磷質量濃度上升緩慢，基本保持不變，而后隨著沿程有段下降的趨勢。接著由于支流1的匯入，造成總磷的質量濃度上升到最高值，說明支流1匯入的水質很差，遠超過了排水溝本身的自凈作用。而后隨著沿程的距離下降到最低，說明支流2匯入的稀釋作用，對排水溝水質有所改善。經計算，實測值與模擬值對總磷的去除率分別為27%和25.8%。

圖5 研究區(qū)排水溝總磷模擬結果

2.3 農田排水溝塘系統污染物去除效果模擬綜合評價

取6個監(jiān)測點的實測值與模擬值進行排水溝塘系統污染物去除效果模擬評價，采用相關系數R2和Nash-Sutcliffe系數NSE作為水質模擬精度評價指標，Nash-Sutcliffe系數一般用以驗證水文模型模擬結果的好壞。一般來說，對于R2和NSE大于等于0.50即認為結果是可接受的，其值越接近1，則模型可信度越高[15]。從表3整體來看，模擬值與實測值之間的相關系數R2都在90%以上。模型驗證期R2和NSE值都大于0.5，R2值在0.9以上，NSE值在0.5以上，模擬值和實測值擬合程度較好，表明模型能夠較好地模擬農田排水溝污染物氨氮及總磷在溝內的遷移轉化過程，對于優(yōu)化分析排水溝水質凈化能力具有一定的指導意義。

表3 氨氮、總磷模擬精度評價結果

3 結 論

本文以江都某一研究區(qū)為例，建立了農田排水溝的QUAL2K水質模型，對排水溝氨氮、總磷2種污染物水質指標進行模擬驗證，結果表明：

1)農田排水溝主干段6個監(jiān)測點的水質指標模擬，除去個別監(jiān)測點，平均相對誤差均在25%左右，采用相關系數R2和Nash-Sutcliffe系數NSE進行模擬評價，兩者值都大于0.5，模擬值與實測值相關性較好，能夠達到模型精度的要求。

2)對農田排水溝污染物水質指標模擬精度總磷要高于氨氮，農田排水溝對2種氮磷污染物的去除率在25% ～ 60%之間不等。

3)通過QUAL2K 模型模擬農田排水溝塘系統氮磷污染物隨排水溝沿程變化規(guī)律，能夠較好地對農田排水溝進行水質模擬預測。