基于QUAL2K模型的农田排水沟塘去污能力研究

洪建权　邹家荣　丁世洪　张志秀　贾忠华

摘要：QUAL2K水质模型可以模拟污染物在排水通道中的降解过程，分析排水沟塘对农业污染物的净化效果。以江苏省扬州市江都区水稻灌区一典型排水系统为例，利用QUAL2K模型模拟农田沟塘排水过程中氨氮和总磷两种污染物的削减情况;在利用实地调查与监测数据进行模型检验以后，根据实际水力联系情况，预测分析了调整水力联系及采用部分重点治理措施对改善整体水质净化效果的作用。结果顯示：① 研究区6个主要水质监测点模拟的平均相对误差均在20%左右，相关系数R2和Nash-Sutcliffe系数NSE的计算值均大于0.5，验证了模型的可靠性，但是田间沟塘一些人为及自然等不确定因素对模型的精度具有一定的影响。② 3种治理措施的效果为截污>减小排水流量>调整沟塘流网系统，模拟显示排水系统经过少数可行的水力关系调整，就可以显著提高整体水质改善效果。QUAL2K模型可以灵活调整排水沟塘水力联系，预演不同治理措施，为优化农田排水沟塘系统提供依据。

关键词：农田排水沟塘; QUAL2K模型; 水质净化; 农业污染

中图法分类号： S276.3

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.009

0引 言

随着农业生产过程中化肥农药的使用量不断增加，农田排水带来的水环境恶化等问题也越发突出，农业非点源污染治理成为我国环境治理工作的一项重要内容[1]。农业非点源污染的产生一般是在降雨、灌溉的过程中，化肥和农药等污染物随地表、地下径流进入农田排水系统[2]。这不仅会造成农田的养分流失严重，而且会导致接纳水体污染物的超标，引起水体富营养化等一系列水环境污染问题。农业非点源污染具有污染源比较分散、涉及范围很广、控制难度较大等特点，是目前农业水环境治理问题的瓶颈[3]。农业排水沟塘系统作为一种连接农田与接纳水体的天然缓冲带，具有类似于湿地的功能，可以通过一系列生物化学过程去除农田排水中的化肥、农药等污染物。处在排水通道上的沟塘具备去除污染物的便利条件，是一种天然的、不可替代的生态资源[4]。

研究发现农田沟塘湿地系统对污染物的去除效果与沟塘在田间的分布特性密切相关，很多情况下，不利的分布和水力条件会影响沟塘系统的整体去污效率[5-6]。利用水质模型不仅能够模拟预测不同气象和农田灌排布置条件下复杂沟塘系统的去污能力，还能够探求优化沟塘水力联系。其中，河流水质模型可用来描述河流污染物的迁移和转化过程及其它们之间的复杂联系，预测河流水质的变化情况[7]。由美国国家环保局推出的QUAL系列河流水质模型经历了4个阶段的开发研究，最新的、比较完善的QUAL2K水质模型在国内外的应用比较广泛，其功能全面、通用性强，能够全面准确地反映污染物在不同水体中的转化规律[8-9]。QUAL2K模型在国内主要将其用于模拟一维、稳态的中小型河流水质变化情况。如马丁等[10]应用QUAL2K模型对四川省某中小流域总磷的沿程变化进行了模拟和预测，优化了4种水污染治理措施，从而验证了QUAL2K模型在中小型河流水质模拟中较高的模拟精度。刘瑾等[11]利用QUAL2K模型模拟浑河流域氨氮的变化情况，得到了氨氮在不同水期的变化规律，从而预测了该区域氨氮量。农田沟塘排水系统类似于枝状复杂河道水流汇集系统，但现有研究中对于应用相关水质模型模拟农田排水污染物的变化规律研究较少。本文以江苏省扬州市江都区京杭大运河东侧沿运灌区的一个农田排水沟塘系统为研究对象，选取污染物氨氮、总磷为控制因子，应用QUAL2K模型模拟农田排水过程中两种因子在排水沟水系内沿程的变化情况，在检验模型适用性的基础上，探讨优化排水沟塘系统的水质净化能力，研究结果可为类似农田沟塘系统污染物治理提供借鉴。

1材料与方法

1.1QUAL2K模型介绍

QUAL2K模型是美国国家环保局推出的一个一维稳态综合性河流水质模型，适用于枝状复杂河流网络，允许沿河有多个取水口、排污口、支流分析入流点、面源负荷。该模型的水质基本方程是一维平流-扩散物质迁移反应方程[12-13]，考虑了平流弥散、稀释、水质组分的自反应、水质组分之间的相互作用以及组分外部源汇对组分浓度的影响[14-15]。

1.2研究区概况

研究区位于江苏省扬州市江都区京杭大运河东侧的沿运灌区（119°25′E、32°22′N），区内地势平坦，年平均温度14.9 ℃，年降雨量约1 000 mm。研究区内普遍实行稻麦轮作。图1为研究区农田与沟塘的分布及水力联系。区内农田总面积为5.61 hm2，沟塘总面积为0.80 hm2，两者的面积比为14.3%。研究区主要包括3个排水支路，但各支路控制的农田面积差异较大，3条排水支路所占沟塘面积以及控制农田面积如表1所列。支路1流程较长，包括6个阶段;其余2个支路的流程都很短，农田排水直接排入附近的池塘和支沟。因此，本文选取支路1进行QUAL2K模型的模拟研究。

根据实地调查监测，基于QUAL2K模型的原理，对支路1中的13个排水沟单元进行概化，其中排水沟分段的原则及水流汇入情况如下：

（1） 根据水质模拟需要，首先将沟道划分成一系列恒定的非均匀流沟段（同一沟段要求具有相同的水力参数和水质特征），然后将划分好的各个沟段再划分为若干个等长的计算单元[16-17]。

（2） 研究区模拟的排水沟主干段全长500 m，分为5段，其中2条支流汇入，长度分别为300 m和200 m，各划分为3段和2段，共划分10段。由于农田排水沟排水距离短，排水范围小，故在每个沟段设置2个计算单元;另外还有3处点源汇入。研究区沟段划分及污染源汇入情况如图3所示。

1.3QUAL2K模型参数率定

模型涉及的主要参数为研究区排水沟塘的水力参数和水质参数，其中，实测输入数据包括排水沟氨氮、总磷浓度均值，气象数据以及排水沟流量均值等。本文将2017年研究区稻作期间水质监测数据用于模型的率定，2018年稻作期间水质监测数据用于模型的验证。

主要水质参数包括有机氮水解系数khn、氨氮硝化系数kna、有机磷水解系数khp等，其他参数均采用模型推荐值。基于文献报道的适宜参数取值范围[18]，对上述参数进行合理调试，直至得到满意的拟合结果。主要水质参数取值如表2所列。

QUAL2K模型提供了3种方法来计算各沟段水力学特征，分别是溢流堰法、流量系数法和曼宁系数法。本文采用了曼宁系数法，根据查阅相关资料，研究区较大的排水支沟取值0.04，排水农沟取值0.02。率定后得到的水力学特征参数列于表3。

2结果与分析

2.1QUAL2K模型模拟及验证

基于上述水质参数和水力参数，结合实际监测数据进行了模型的验证，2018年稻作期间排水沟平均流量为0.001 5 m3/s，图4为排水沟流量过程图。研究区稻作期间农田排水沟污染物总磷、氨氮浓度实测值与QUAL2K模拟值的比较结果如表4～5所列。

数据显示，研究区监测点G2、G3、G4、G5、G6的QUAL2K总磷模拟值与实测值间平均相对误差为6.72%;误差最小值位于排水沟长0.500 km的G6监测点处，最小相对误差为2.05%;误差最大值位于排水沟长0.405 km的G5监测点处，最大相对误差为13.94%。

研究区监测点G2、G3、G4、G5、G6的QUAL2K氨氮模拟值与实测值的平均相对误差为55.48%;误差最小值位于排水沟长0.500 km处的G6监测点处，相对误差为12.65%，误差最大值位于排水沟长0.405 km的G5监测点处，相对误差为185.15%。若考虑实验监测过程中的过失误差，去除最大相对误差为185.15%的点，平均相对误差为23.06%。

QUAL2K模型对平原河网地区农田排水沟塘总磷、氨氮模拟结果的平均相对误差均在20%左右，说明QUAL2K模型能够较好地对该研究区农田排水沟塘水质状况进行模拟。表6列出了氨氮、总磷模拟精度评价结果，表中模拟值与实测值之间的相关系数R2都在90%以上。模型验证期R2和NSE值大多大于0.5，R2值在0.9以上，模拟值和实测值拟合程度较好，表明QUAL2K模型能够较好地模拟农田沟塘排水过程中氨氮和总磷污染物的运移削减规律。

2.2排水沟塘系统不同优化措施提升水质净化效果模拟

为了探讨提高研究区沟塘下游断面污染物去除效果的优化方案，根据以上模拟分析，结合排水系统现状，针对排水沟塘水力条件提出以下3种情景设置进行不同优化方案的模拟（见表7）。

2.2.1调整水力联系对沟塘水质净化效果的影响

南方平原地区排水沟塘交错分布，导致不同田块的排水从多点、多级进入/排出沟塘，几乎不存在单一的“出口-入口”的关系[20-21]。目前的排水沟塘分布和水力聯系受到自然、历史和农业生产等多种因素的影响，分布上存在一定的随机性[22]。沟塘与农田面积匹配可能不合理，大面积农田的附近可能分布着较小的沟塘，或是小面积农田的附近分布着较大的沟塘，影响排水沟塘的水质净化功能。为了分析排水沟塘分布现状对排水水质净化效果的影响，以研究区沟塘系统为例，在不改变现有沟塘总体分布的情况下，利用QUAL2K模型进行排水系统流网优化（见图5），目的是在水力条件允许的情况下，发挥尺寸较大排水支沟的作用。

图6～7为各情景下总磷、氨氮控制效果。

由图6～7可知，情景1通过调整水力联系，对排水系统流网进行优化后，在一定程度上改善了排水沟的水质。下游断面总磷质量浓度从优化前的146  μg/L降至136 μg/L，降幅为6.85%。下游断面氨氮质量浓度从优化前的253 μg/L降至214 μg/L，降幅为15.4%，

可知优化效果优于总磷。从排水过程上来看，

排水主干沟前段部分沿程氨氮、总磷浓度下降较快，可见，较大支沟对于污染物的去除达到了较好的效果。

2.2.2排水沟入流流量变化对沟塘水质净化效果的影响

农田排水沟塘在作物种植期间流量变化大，由于水稻种植需水量大，灌溉用水多，灌溉期排水流量大，排水速度过快，导致水力停留时间短，对氮磷污染物去除效果差。为保证排水沟对污染物的去除效果，可以通过控制田间排水技术，提高排水沟排水深度，减小排水流量，从而提高水力停留时间。在利用QUAL2K模型进行模拟时，使排水沟流量保持在0.001 m3/s，以期达到类似的效果。此情景实施下，排水沟下游断面总磷质量浓度减至70 μg/L，同比下降52.1%，氨氮质量浓度减至206 μg/L，同比下降18.6%（见图6～7）。

2.2.3排水沟截污治理对沟塘水质净化效果的影响

研究区农田排水集中分布在排水农沟，经统计，2018年研究区某些排水农沟农田排水氮磷入沟质量浓度过高，排水沟取样时明显看出水样颜色偏深，营养物质含量丰富，因此，未来可对营养物质严重聚集的排水沟进行截污整治。在情景3实施后，排水沟水质得到很大程度的提升，排水沟下游断面总磷质量浓度减少至57 μg/L，下降了约61%;氨氮质量浓度减少至182 μg/L，下降了28.1%（见图6～7）。

3讨 论

研究结果表明：3种情景的排水沟塘水力条件优化措施均可提高水质净化能力，其水质净化效果排序为截污>减小排水流量>调整沟塘流网系统。农田排水沟塘系统，作为去除氮磷污染物的最直接的净化场所，关于它的研究也不胜枚举，国内学者主要集中在沟塘底泥、水生植物、微生物方向，通过研究沟塘土壤吸附、微生物降解、水生植物吸收等作用实现对氮磷污染物的去除。针对沟塘现存问题，现有研究关于沟塘分布特性以及沟塘与农田之间的水力联系对于污染物去除关注不多。通过QUAL2K模型针对沟塘存在问题进行沟塘潜力优化，具有一定的创新性。但是对模型的精度评价可知NSE值并不是那么的理想，由于农田沟塘的不确定因素，包括一些人为及自然因素，对模型的模拟精度影响较大。后期需要定期观察水位的变化，加大排水水质的监测力度，注重排水流量过程监测，为模拟水质因子的日均沿程变化提供更加可靠的数据。

4结 论

本文以扬州江都区京杭大运河东侧的沿运灌区为例，基于QUAL2K建立了农田排水沟的水质模型，对排水溝氨氮、总磷两种污染物的去除效果进行了模拟验证，并利用率定后的模型对研究区排水系统进行优化方案预测分析，结果表明：

（1） 应用QUALZK模型对农田排水沟主干段6个监测点的水质指标模拟，除去个别监测点，平均相对误差均在20%左右，相关系数R2和Nash-Sutcliffe系数NSE大都大于0.50，表明模拟值与实测值相关性较好，符合模型精度要求，表明QUAL2K模型能够较好地模拟农田沟塘排水过程中污染物氨氮和总磷在排水沟中的运移削减规律。

（2） 应用QUAL2K模型分3种情景进行模拟，对研究区沟塘水质改善进行了优化分析，3种情景的实施效果为截污>减小排水流量>调整沟塘流网系统。

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（编辑：刘 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