謝 娟

（浙江同濟科技職業(yè)學院，杭州 311231）

0 引言

國內外大量的研究表明農業(yè)排水溝渠對農業(yè)非點源污染中的污染物質總磷（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，結果表明這個系統(tǒng)對總氮、總磷的去除率達到50%和90%。 國外學者Meuleman[2]等的研究結果表明， 天然溝渠對磷元素的去除率竟然高達90%～95%；Kr?ger[3]等也做了一條長約400m，寬約7m 農田排水溝對氮去除率的試驗，結果表明氮去除率可以達到57%，磷的去除率也達到44%；李強坤[4]等對農田排水溝渠各介質間非點源總氮的遷移轉化進行了研究。 從上述國內外的研究成果，可以發(fā)現農田排水溝渠對總磷有非常好的去除率，但是目前對于總磷的遷移轉化機制尚不清楚，關于排水溝渠中磷的運移模擬的研究鮮見。

杭州蕭山區(qū)路下院村作為區(qū)級美麗鄉(xiāng)村示范村建設單位， 該村對農業(yè)排水溝渠進行了系統(tǒng)整治，新建排水溝渠形成了新的生態(tài)結構，對排水溝渠中總磷的遷移轉化機理及總磷的運移模擬研究對于確定面源污染的過程有現實意義。

本課題研究通過分析磷在排水溝渠中的遷移轉化過程， 進而采用模型對總磷在排水溝渠中的運移進行模擬，并與樣品實測值進行對比，說明模型對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：新建排水溝渠斷面寬小于50m，在溝渠中間設一條中泓垂線，由于水深小于5m，采樣點在2-2 斷面中泓垂線的1/2 處。

采樣時間： 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： 總磷的測定方法采用鉬酸銨分光光度法（GB11893-89）。

1.2 模型構建、參數確定及評價方法

1.2.1 溝渠系統(tǒng)水體及污染物遷移模型

本次研究只關注此類溝渠縱向遷移， 水體采用一維水流連續(xù)方程， 運用污染物遷移擴散方程模擬總磷， 得到排水溝渠中水體和污染物運移模型如下[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時刻通過溝渠斷面A 的流量，m3/s；C上支干級排水溝渠所接納的深層排水中某污染物的濃度，mg/L；A過水斷面面積，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，m2/s；K綜合衰減系數，1/d。

本項研究試驗溝渠選定杭州市蕭山區(qū)樓塔鎮(zhèn)路下院村農田中一處長300m 的排水溝渠，因為此段上下游的控制斷面間不連接溝渠，呈封閉式，上下游斷面的變化亦不大，水深也較淺，深層二次排水及側滲可以忽略。 因此可以對公式（1）、（2）進行如下簡化。

式中：Q流量，m3/s；C排水溝渠中污染物的濃度，mg/L；A過水斷面面積，m2；u水體流速,m/s；以上參數可由試驗測定或者公式推求。

1.2.2 參數確定

1.糙率

式中：Q流量，m3/s；A過水斷面面積，m2；R水力半徑。

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

2.污染物剪切流彌散系數

3.污染物綜合衰減系數

污染物綜合衰減系數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，還與水溫有很大關系，水溫減小，衰減系數減小，反之水溫變大，衰減系數也增大[6]。

因此在計算污染物衰減系數K 時， 將總磷在排水溝渠中的生物降解、 沉降和物理化學過程綜合為衰減系數K,可利用試驗實測確定。 計算公式如下：

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，1/s；x研究溝渠長度，m。

1.2.3 評價方法

用Nash-Suttcliffe 評價法可以對模擬結果作出評價。 NSC 越大說明模擬值和實測值匹配性越好，當NSC 為1 時，效果最好。 計算公式如下。

式中：xobs實測值；xcalc模擬值；xobs實測值的算術平均值。

1.3 數據處理

邊界條件的選擇： 水量計算運用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；總磷的模擬計算運用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算的初始數據。

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

2 結果與討論

2.1 磷在試驗溝渠中的遷移轉化過程

試驗段農業(yè)排水溝渠斷面圖如圖1 所示，兩側采用直立式漿砌石護坡， 溝渠中種植香蒲等水生植物。 新建農業(yè)排水溝渠是一個由底泥-植物-微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)，其結構可分為上、中、下3個區(qū)域[7]。 污染物質磷等在其中發(fā)生物理、化學和生物反應。 磷在溝渠中的遷移轉化過程如圖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動態(tài)平衡過程。溝渠中的水生植物會直接吸收PO43-，同時還給微生物提供了良好的微生態(tài)環(huán)境， 植物吸收是一個不可逆過程。微生物可以分解有機磷為PO43-，微生物的同化和積累也吸收了PO43-。

2.2 模型應用效果

2.2.1 模型應用

將模型應用于蕭山區(qū)樓塔鎮(zhèn)路下院村農田中一處長300m 的溝渠進行驗證。 該渠順水流方向西流入支渠，溝渠南、北兩側是農田，化肥、農藥及農田排水匯入其中，水質狀況不好。 該渠從支渠交叉口至上游300m 范圍內無其他進水口和排水口，可視為封閉式溝渠。 在試驗段沿水流方向布設1-1、2-2 兩個斷面，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 斷面的總磷實測濃度為輸入濃度，2-2 斷面作為目標濃度進行模擬。同時將2-2 斷面實測總磷濃度繪于圖4， 與模擬濃度進行對比，從圖中兩條曲線分析： 模型的模擬值與樣品的實測值吻合比較好，變化趨勢基本一致。

圖4 總磷濃度實測數據與模擬數據（2-2 斷面的濃度） 對比圖

用Nash-Suttcliffe 評價法可以對模擬結果作出評價。 NSC 越大說明模擬值和實測值匹配性越好，當NSC 為1 時，效果最好。 根據模擬值和實測值，通過公式計算出總磷的NSC 為0.9，說明模型具有很好的適用性，模擬值和實測值匹配性較好。

3 結論

（1）本文分析了排水溝渠生態(tài)結構，得出了總磷在排水溝渠系統(tǒng)內遷移轉化過程是底泥-植物-微生物共同作用的結果。

（2）結合農田排水溝渠水污運移特點，構建了排水溝渠總磷運移模型， 運用模型和獲得的參數進行了排水溝渠的試驗，對總磷的指標進行模擬，最后模擬出的結果跟樣品實測值吻合比較好，模擬系數更是達到了0.9，說明構建的模型適合此類封閉式溝渠。 □