基于QUAL2K模型的農田排水溝塘去污能力研究

洪建權　鄒家榮　丁世洪　張志秀　賈忠華

摘要：QUAL2K水質模型可以模擬污染物在排水通道中的降解過程，分析排水溝塘對農業污染物的凈化效果。以江蘇省揚州市江都區水稻灌區一典型排水系統為例，利用QUAL2K模型模擬農田溝塘排水過程中氨氮和總磷兩種污染物的削減情況;在利用實地調查與監測數據進行模型檢驗以后，根據實際水力聯系情況，預測分析了調整水力聯系及采用部分重點治理措施對改善整體水質凈化效果的作用。結果顯示：① 研究區6個主要水質監測點模擬的平均相對誤差均在20%左右，相關系數R2和Nash-Sutcliffe系數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>調整溝塘流網系統，模擬顯示排水系統經過少數可行的水力關系調整，就可以顯著提高整體水質改善效果。QUAL2K模型可以靈活調整排水溝塘水力聯系，預演不同治理措施，為優化農田排水溝塘系統提供依據。

關鍵詞：農田排水溝塘; QUAL2K模型; 水質凈化; 農業污染

中圖法分類號： S276.3

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.009

0引 言

隨著農業生產過程中化肥農藥的使用量不斷增加，農田排水帶來的水環境惡化等問題也越發突出，農業非點源污染治理成為我國環境治理工作的一項重要內容[1]。農業非點源污染的產生一般是在降雨、灌溉的過程中，化肥和農藥等污染物隨地表、地下徑流進入農田排水系統[2]。這不僅會造成農田的養分流失嚴重，而且會導致接納水體污染物的超標，引起水體富營養化等一系列水環境污染問題。農業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，是目前農業水環境治理問題的瓶頸[3]。農業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，可以通過一系列生物化學過程去除農田排水中的化肥、農藥等污染物。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、不可替代的生態資源[4]。

研究發現農田溝塘濕地系統對污染物的去除效果與溝塘在田間的分布特性密切相關，很多情況下，不利的分布和水力條件會影響溝塘系統的整體去污效率[5-6]。利用水質模型不僅能夠模擬預測不同氣象和農田灌排布置條件下復雜溝塘系統的去污能力，還能夠探求優化溝塘水力聯系。其中，河流水質模型可用來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，預測河流水質的變化情況[7]。由美國國家環保局推出的QUAL系列河流水質模型經歷了4個階段的開發研究，最新的、比較完善的QUAL2K水質模型在國內外的應用比較廣泛，其功能全面、通用性強，能夠全面準確地反映污染物在不同水體中的轉化規律[8-9]。QUAL2K模型在國內主要將其用于模擬一維、穩態的中小型河流水質變化情況。如馬丁等[10]應用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測，優化了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律，從而預測了該區域氨氮量。農田溝塘排水系統類似于枝狀復雜河道水流匯集系統，但現有研究中對于應用相關水質模型模擬農田排水污染物的變化規律研究較少。本文以江蘇省揚州市江都區京杭大運河東側沿運灌區的一個農田排水溝塘系統為研究對象，選取污染物氨氮、總磷為控制因子，應用QUAL2K模型模擬農田排水過程中兩種因子在排水溝水系內沿程的變化情況，在檢驗模型適用性的基礎上，探討優化排水溝塘系統的水質凈化能力，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

1.1QUAL2K模型介紹

QUAL2K模型是美國國家環保局推出的一個一維穩態綜合性河流水質模型，適用于枝狀復雜河流網絡，允許沿河有多個取水口、排污口、支流分析入流點、面源負荷。該模型的水質基本方程是一維平流-擴散物質遷移反應方程[12-13]，考慮了平流彌散、稀釋、水質組分的自反應、水質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研究區概況

研究區位于江蘇省揚州市江都區京杭大運河東側的沿運灌區（119°25′E、32°22′N），區內地勢平坦，年平均溫度14.9 ℃，年降雨量約1 000 mm。研究區內普遍實行稻麥輪作。圖1為研究區農田與溝塘的分布及水力聯系。區內農田總面積為5.61 hm2，溝塘總面積為0.80 hm2，兩者的面積比為14.3%。研究區主要包括3個排水支路，但各支路控制的農田面積差異較大，3條排水支路所占溝塘面積以及控制農田面積如表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。

根據實地調查監測，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） 根據水質模擬需要，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和水質特征），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。由于農田排水溝排水距離短，排水范圍小，故在每個溝段設置2個計算單元;另外還有3處點源匯入。研究區溝段劃分及污染源匯入情況如圖3所示。

1.3QUAL2K模型參數率定

模型涉及的主要參數為研究區排水溝塘的水力參數和水質參數，其中，實測輸入數據包括排水溝氨氮、總磷濃度均值，氣象數據以及排水溝流量均值等。本文將2017年研究區稻作期間水質監測數據用于模型的率定，2018年稻作期間水質監測數據用于模型的驗證。

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，其他參數均采用模型推薦值。基于文獻報道的適宜參數取值范圍[18]，對上述參數進行合理調試，直至得到滿意的擬合結果。主要水質參數取值如表2所列。

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

2結果與分析

2.1QUAL2K模型模擬及驗證

基于上述水質參數和水力參數，結合實際監測數據進行了模型的驗證，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。研究區稻作期間農田排水溝污染物總磷、氨氮濃度實測值與QUAL2K模擬值的比較結果如表4～5所列。

數據顯示，研究區監測點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監測點處，最大相對誤差為13.94%。

研究區監測點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監測點處，相對誤差為185.15%。若考慮實驗監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模型對平原河網地區農田排水溝塘總磷、氨氮模擬結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農田排水溝塘水質狀況進行模擬。表6列出了氨氮、總磷模擬精度評價結果，表中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田溝塘排水過程中氨氮和總磷污染物的運移削減規律。

2.2排水溝塘系統不同優化措施提升水質凈化效果模擬

為了探討提高研究區溝塘下游斷面污染物去除效果的優化方案，根據以上模擬分析，結合排水系統現狀，針對排水溝塘水力條件提出以下3種情景設置進行不同優化方案的模擬（見表7）。

2.2.1調整水力聯系對溝塘水質凈化效果的影響

南方平原地區排水溝塘交錯分布，導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”的關系[20-21]。目前的排水溝塘分布和水力聯系受到自然、歷史和農業生產等多種因素的影響，分布上存在一定的隨機性[22]。溝塘與農田面積匹配可能不合理，大面積農田的附近可能分布著較小的溝塘，或是小面積農田的附近分布著較大的溝塘，影響排水溝塘的水質凈化功能。為了分析排水溝塘分布現狀對排水水質凈化效果的影響，以研究區溝塘系統為例，在不改變現有溝塘總體分布的情況下，利用QUAL2K模型進行排水系統流網優化（見圖5），目的是在水力條件允許的情況下，發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通過調整水力聯系，對排水系統流網進行優化后，在一定程度上改善了排水溝的水質。下游斷面總磷質量濃度從優化前的146? μg/L降至136 μg/L，降幅為6.85%。下游斷面氨氮質量濃度從優化前的253 μg/L降至214 μg/L，降幅為15.4%，

可知優化效果優于總磷。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凈化效果的影響

農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，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量濃度減至70 μg/L，同比下降52.1%，氨氮質量濃度減至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凈化效果的影響

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

3討 論

研究結果表明：3種情景的排水溝塘水力條件優化措施均可提高水質凈化能力，其水質凈化效果排序為截污>減小排水流量>調整溝塘流網系統。農田排水溝塘系統，作為去除氮磷污染物的最直接的凈化場所，關于它的研究也不勝枚舉，國內學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對氮磷污染物的去除。針對溝塘現存問題，現有研究關于溝塘分布特性以及溝塘與農田之間的水力聯系對于污染物去除關注不多。通過QUAL2K模型針對溝塘存在問題進行溝塘潛力優化，具有一定的創新性。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，加大排水水質的監測力度，注重排水流量過程監測，為模擬水質因子的日均沿程變化提供更加可靠的數據。

4結 論

本文以揚州江都區京杭大運河東側的沿運灌區為例，基于QUAL2K建立了農田排水溝的水質模型，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排水系統進行優化方案預測分析，結果表明：

（1） 應用QUALZK模型對農田排水溝主干段6個監測點的水質指標模擬，除去個別監測點，平均相對誤差均在20%左右，相關系數R2和Nash-Sutcliffe系數NSE大都大于0.50，表明模擬值與實測值相關性較好，符合模型精度要求，表明QUAL2K模型能夠較好地模擬農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律。

（2） 應用QUAL2K模型分3種情景進行模擬，對研究區溝塘水質改善進行了優化分析，3種情景的實施效果為截污>減小排水流量>調整溝塘流網系統。

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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