农业排水沟渠系统中总磷的运移模拟研究

谢 娟

（浙江同济科技职业学院，杭州 311231）

0 引言

国内外大量的研究表明农业排水沟渠对农业非点源污染中的污染物质总磷（P）等有很好的拦截作用。 晏维金[1]等通过水稻田湿地系统氮、磷截留试验，结果表明这个系统对总氮、总磷的去除率达到50%和90%。 国外学者Meuleman[2]等的研究结果表明， 天然沟渠对磷元素的去除率竟然高达90%～95%；KrÖger[3]等也做了一条长约400m，宽约7m 农田排水沟对氮去除率的试验，结果表明氮去除率可以达到57%，磷的去除率也达到44%；李强坤[4]等对农田排水沟渠各介质间非点源总氮的迁移转化进行了研究。 从上述国内外的研究成果，可以发现农田排水沟渠对总磷有非常好的去除率，但是目前对于总磷的迁移转化机制尚不清楚，关于排水沟渠中磷的运移模拟的研究鲜见。

杭州萧山区路下院村作为区级美丽乡村示范村建设单位， 该村对农业排水沟渠进行了系统整治，新建排水沟渠形成了新的生态结构，对排水沟渠中总磷的迁移转化机理及总磷的运移模拟研究对于确定面源污染的过程有现实意义。

本课题研究通过分析磷在排水沟渠中的迁移转化过程， 进而采用模型对总磷在排水沟渠中的运移进行模拟，并与样品实测值进行对比，说明模型对此类封闭性沟渠是否具有适用性。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

采样点：新建排水沟渠断面宽小于50m，在沟渠中间设一条中泓垂线，由于水深小于5m，采样点在2-2 断面中泓垂线的1/2 处。

采样时间： 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： 总磷的测定方法采用钼酸铵分光光度法（GB11893-89）。

1.2 模型构建、参数确定及评价方法

1.2.1 沟渠系统水体及污染物迁移模型

本次研究只关注此类沟渠纵向迁移， 水体采用一维水流连续方程， 运用污染物迁移扩散方程模拟总磷， 得到排水沟渠中水体和污染物运移模型如下[5]：

式中：C污染物的浓度，mg/L；Cq各排水沟渠汇入口污染物的浓度，mg/L；Q-t时刻通过沟渠断面A 的流量，m3/s；C上支干级排水沟渠所接纳的深层排水中某污染物的浓度，mg/L；A过水断面面积，m2；x模拟断面距控制断面的距离，m；u沟渠中的水体流速，m/s；Ks纵向剪切流弥散系数，m2/s；K综合衰减系数，1/d。

本项研究试验沟渠选定杭州市萧山区楼塔镇路下院村农田中一处长300m 的排水沟渠，因为此段上下游的控制断面间不连接沟渠，呈封闭式，上下游断面的变化亦不大，水深也较浅，深层二次排水及侧渗可以忽略。 因此可以对公式（1）、（2）进行如下简化。

式中：Q流量，m3/s；C排水沟渠中污染物的浓度，mg/L；A过水断面面积，m2；u水体流速,m/s；以上参数可由试验测定或者公式推求。

1.2.2 参数确定

1.糙率

式中：Q流量，m3/s；A过水断面面积，m2；R水力半径。

式中：Pw水流与固体边界接触部分的周长，称为湿周；i比降，当明渠恒定均匀流时J=i。

2.污染物剪切流弥散系数

3.污染物综合衰减系数

污染物综合衰减系数的涵义是每秒或每天污染物在水体中衰减掉的百分率，单位常用1/s 或1/d。 它的大小与污染物可降解性有关，还与水温有很大关系，水温减小，衰减系数减小，反之水温变大，衰减系数也增大[6]。

因此在计算污染物衰减系数K 时， 将总磷在排水沟渠中的生物降解、 沉降和物理化学过程综合为衰减系数K,可利用试验实测确定。 计算公式如下：

式中：u水平均流速，m/s；C下，C上研究沟渠上、下断面污染物浓度，mg/L；K衰减系数，1/s；x研究沟渠长度，m。

1.2.3 评价方法

用Nash-Suttcliffe 评价法可以对模拟结果作出评价。 NSC 越大说明模拟值和实测值匹配性越好，当NSC 为1 时，效果最好。 计算公式如下。

式中：xobs实测值；xcalc模拟值；xobs实测值的算术平均值。

1.3 数据处理

边界条件的选择： 水量计算运用Dirichlet 第一类边界条件， 模拟上边界条件采用沟渠起始端的水量，下边界条件采用沟渠出口处的控制水位；总磷的模拟计算运用Neumann 第二类边界条件，采用模拟沟渠起始端总磷的浓度作为计算的初始数据。

模拟过程： 先采用四点隐式差分格式离散求解水流连续方程，得到有关的水利要素，然后运用显式差分格式求污染物弥散方程， 得出总磷的输出结果。 模型计算时段选择2021 年5 月到2021年9 月。

2 结果与讨论

2.1 磷在试验沟渠中的迁移转化过程

试验段农业排水沟渠断面图如图1 所示，两侧采用直立式浆砌石护坡， 沟渠中种植香蒲等水生植物。 新建农业排水沟渠是一个由底泥-植物-微生物组成的生态系统，其结构可分为上、中、下3个区域[7]。 污染物质磷等在其中发生物理、化学和生物反应。 磷在沟渠中的迁移转化过程如图2 所示。

图1 研究沟渠横断面图

图2 磷在沟渠中的迁移转化过程

在沟渠中，磷的存在形态有颗粒态和溶解态，颗粒态磷的截留方式主要是吸附和沉淀两种作用[8]， 但是底泥中的吸附和解吸是一个动态平衡过程。沟渠中的水生植物会直接吸收PO43-，同时还给微生物提供了良好的微生态环境， 植物吸收是一个不可逆过程。微生物可以分解有机磷为PO43-，微生物的同化和积累也吸收了PO43-。

2.2 模型应用效果

2.2.1 模型应用

将模型应用于萧山区楼塔镇路下院村农田中一处长300m 的沟渠进行验证。 该渠顺水流方向西流入支渠，沟渠南、北两侧是农田，化肥、农药及农田排水汇入其中，水质状况不好。 该渠从支渠交叉口至上游300m 范围内无其他进水口和排水口，可视为封闭式沟渠。 在试验段沿水流方向布设1-1、2-2 两个断面，见图3 所示。

图3 断面布置示意图

2.2.2 模拟效果分析

采用1-1 断面的总磷实测浓度为输入浓度，2-2 断面作为目标浓度进行模拟。同时将2-2 断面实测总磷浓度绘于图4， 与模拟浓度进行对比，从图中两条曲线分析： 模型的模拟值与样品的实测值吻合比较好，变化趋势基本一致。

图4 总磷浓度实测数据与模拟数据（2-2 断面的浓度） 对比图

用Nash-Suttcliffe 评价法可以对模拟结果作出评价。 NSC 越大说明模拟值和实测值匹配性越好，当NSC 为1 时，效果最好。 根据模拟值和实测值，通过公式计算出总磷的NSC 为0.9，说明模型具有很好的适用性，模拟值和实测值匹配性较好。

3 结论

（1）本文分析了排水沟渠生态结构，得出了总磷在排水沟渠系统内迁移转化过程是底泥-植物-微生物共同作用的结果。

（2）结合农田排水沟渠水污运移特点，构建了排水沟渠总磷运移模型， 运用模型和获得的参数进行了排水沟渠的试验，对总磷的指标进行模拟，最后模拟出的结果跟样品实测值吻合比较好，模拟系数更是达到了0.9，说明构建的模型适合此类封闭式沟渠。 □