穩(wěn)定塘內(nèi)稻田降雨徑流中氮磷輸移的三維數(shù)值模擬

王曉玲，張福超，李松敏，張伯陽，李建生

?

穩(wěn)定塘內(nèi)稻田降雨徑流中氮磷輸移的三維數(shù)值模擬

王曉玲1，張福超2，李松敏3，張伯陽2，李建生2

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350； 2. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；3. 天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384)

掌握污染物在農(nóng)田排水穩(wěn)定塘中的輸移規(guī)律對控制農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義．已有的研究主要集中在通過野外與室內(nèi)試驗(yàn)監(jiān)測探究穩(wěn)定塘的污染物攔截效果與運(yùn)行機(jī)制上，而缺乏對降雨徑流過程中穩(wěn)定塘內(nèi)氮、磷污染物在三維空間輸移的數(shù)值模擬研究．本文以多級(jí)農(nóng)田排水穩(wěn)定塘為研究對象，首先，對2015年水稻生長期內(nèi)3場典型降雨進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測；然后，建立了多級(jí)穩(wěn)定塘的三維水動(dòng)力-水質(zhì)遷移耦合模型，并應(yīng)用坐標(biāo)輪換法以實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型的參數(shù)率定；最后，對稻田降雨徑流過程中穩(wěn)定塘內(nèi)氮磷的輸移進(jìn)行了三維數(shù)值模擬與模型驗(yàn)證，并探究了穩(wěn)定塘分級(jí)數(shù)對氮磷攔截效果的影響．結(jié)果表明：率定后的模型各水質(zhì)指標(biāo)模擬值與實(shí)測值擬合較好；在降雨徑流初期，總氮、總磷在垂向上表現(xiàn)為底層濃度大于表層濃度、橫向上沿程濃度逐漸降低的規(guī)律；穩(wěn)定塘級(jí)數(shù)的增加延長了水流停留時(shí)間，更有利于攔截氮、磷污染物．

多級(jí)穩(wěn)定塘；氮磷輸移；三維數(shù)值模擬；降雨徑流；參數(shù)率定

近年來，農(nóng)業(yè)面源污染因其過程復(fù)雜、涉及范圍廣、控制難度大等原因，已成為國內(nèi)外諸多河流和湖泊水體污染的主要來源[1-2]．農(nóng)業(yè)面源污染控制技術(shù)主要有人工濕地、生態(tài)溝渠、植物緩沖帶以及穩(wěn)定塘等，其中，穩(wěn)定塘又稱氧化塘或生態(tài)塘，其具有易于經(jīng)營、能耗低、設(shè)備維護(hù)少等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛推廣于發(fā)展中國家[1,3]．污水主要通過塘內(nèi)微生物-水生植物-底泥系統(tǒng)的物理攔截、微生物降解、植物吸收轉(zhuǎn)化等過程得以凈化[4-5]．

目前，有關(guān)穩(wěn)定塘系統(tǒng)的研究主要集中在通過野外與室內(nèi)試驗(yàn)監(jiān)測的方法探究穩(wěn)定塘對各類污水的凈化效果[6-7]、穩(wěn)定塘的設(shè)計(jì)開發(fā)[8]以及穩(wěn)定塘內(nèi)生物群落分布、組成等研究上[9-10]，而對穩(wěn)定塘內(nèi)氮磷輸移規(guī)律尤其是自然降雨徑流過程中穩(wěn)定塘內(nèi)氮磷輸移規(guī)律的研究較少．Ma等[11-12]在東湖區(qū)建造人工穩(wěn)定塘系統(tǒng)，探究了不同水流速度及循環(huán)間隔下氮磷污染物在塘內(nèi)的輸移過程．王曉玲等[13]以太湖何家浜流域農(nóng)田穩(wěn)定塘作為研究對象，進(jìn)行了水稻生長期內(nèi)3場典型降雨的跟蹤監(jiān)測，探究了降雨徑流過程中穩(wěn)定塘空間內(nèi)不同形態(tài)氮磷污染物的遷移規(guī)律．但是，野外定點(diǎn)采樣監(jiān)測只能反映局部點(diǎn)位的瞬時(shí)過程，無法獲取整個(gè)穩(wěn)定塘內(nèi)氮磷污染物濃度的空間分布，無法充分獲取穩(wěn)定塘內(nèi)氮磷污染物的輸移過程．相比于野外定點(diǎn)采樣監(jiān)測，數(shù)值模擬不僅可以獲取整個(gè)穩(wěn)定塘內(nèi)氮磷空間分布狀態(tài)以及關(guān)鍵位置(穩(wěn)定塘出口)不同形態(tài)氮磷污染物的連續(xù)變化過程，還可以通過模擬對其他情景(穩(wěn)定塘不同分級(jí)數(shù))下穩(wěn)定塘的攔截效果進(jìn)行分析預(yù)測．所以，數(shù)值模擬是研究穩(wěn)定塘內(nèi)氮磷輸移規(guī)律的有效手段．目前通過數(shù)值模擬的方法對污染物輸移規(guī)律的研究主要集中在河流、湖泊、水庫[14-17]以及城鎮(zhèn)生活污水穩(wěn)定塘中，如Wen等[18]用CE-QUAL-W2模型對德黑蘭城鎮(zhèn)生活污水穩(wěn)定塘進(jìn)行了二維數(shù)值模擬和驗(yàn)證；Beran?等[19]應(yīng)用溶解氧分層的二維數(shù)學(xué)模型對伊茲密爾州塞爾庫克市的一個(gè)污水穩(wěn)定塘進(jìn)行了數(shù)值模擬探究，并用COD、NH4＋-N、溶解氧等實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了校準(zhǔn)和驗(yàn)證；Gu等[20]應(yīng)用MINLAKE模型對明尼蘇達(dá)小鎮(zhèn)的污水穩(wěn)定塘的溫度和溶解氧的分層狀態(tài)進(jìn)行了一維模擬．而對降雨徑流過程中農(nóng)田排水匯入穩(wěn)定塘后塘內(nèi)氮磷污染物輸移的數(shù)值模擬研究還鮮有報(bào)道．相比于河流、湖泊以及城鎮(zhèn)生活污水穩(wěn)定塘，農(nóng)田排水穩(wěn)定塘系統(tǒng)在營養(yǎng)負(fù)荷、需氧量、深度、尺寸、水力停留時(shí)間、處理水體水質(zhì)等方面存在著顯著差異[18,20]．因此，有必要通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步研究農(nóng)田排水穩(wěn)定塘中氮磷污染物的輸移規(guī)律．

有關(guān)研究表明降雨徑流是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要氮磷攜帶者[21-22]．本研究針對目前尚無農(nóng)田排水穩(wěn)定塘內(nèi)氮磷輸移數(shù)值模擬研究的現(xiàn)狀，建立了農(nóng)田排水三級(jí)穩(wěn)定塘的三維水動(dòng)力-水質(zhì)遷移耦合模型，并且為了提高模擬精確性，實(shí)施現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測且采用坐標(biāo)輪換法以實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了參數(shù)率定，對農(nóng)田降雨徑流過程中穩(wěn)定塘內(nèi)氮磷的輸移進(jìn)行了三維數(shù)值模擬與模型驗(yàn)證，并探究了穩(wěn)定塘分級(jí)數(shù)對污染物攔截效果的影響．旨在為利用穩(wěn)定塘系統(tǒng)控制農(nóng)業(yè)氮磷面源污染的工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)．

1?材料和方法

1.1?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究區(qū)域位于江蘇省宜興市何家浜上游西側(cè)的水稻耕作區(qū)(31°27.73′N，119°59.7′E)，距太湖約1km．研究區(qū)域地屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，常年平均氣溫15.6℃，年平均降雨量1210.4mm，降雨多集中于6～8月份．試驗(yàn)對象是當(dāng)?shù)刈匀惶裂吒脑於傻娜?jí)穩(wěn)定塘系統(tǒng)，池長22m，每級(jí)塘體長約7m，寬約9m．其中，塘1長為7.5m，寬為8.0m，種植挺水植物菖蒲，種植密度為30株/m2；塘2種植浮水植物睡蓮，鑒于睡蓮體積較大，塘內(nèi)種植10株；塘3種植沉水植物苦草，種植密度為20株／m2，穩(wěn)定塘護(hù)坡種植蘆葦、茭白等本土植物以防止水土流失．3個(gè)穩(wěn)定塘頂部高程相同，底部高程有一定落差，塘1深0.7m，塘底部距離出水口0.4cm；塘2深1.4m，塘底部距離出水口0.9m；塘3深2.0m，塘底部距離出水口1.6m．4個(gè)出水口呈對角布置，使水流呈“S”形從塘1流入塘3，以避免產(chǎn)生死角．其中，塘3的出水口與河道相連，塘1入流水體主要來自上游農(nóng)田溝渠排水以及一側(cè)菜地排水，研究區(qū)域及試驗(yàn)對象與采樣點(diǎn)布設(shè)如圖1所示．

試驗(yàn)期為2015年水稻生長期(2015年6月至11月)，在現(xiàn)場試驗(yàn)開始前分別對穩(wěn)定塘內(nèi)植物進(jìn)行培養(yǎng)，試驗(yàn)期間塘內(nèi)植物長勢良好，植物成活率達(dá)90%．試驗(yàn)采用野外跟蹤監(jiān)測的方法，試驗(yàn)期間分別完成了對2015年6月26日、2015年7月11日以及2015年8月11日的水稻生長期內(nèi)的3場典型降雨的跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容主要有：①降雨量的監(jiān)測，3場典型降雨的降雨量分別為36mm、19.5mm以及36.5mm，強(qiáng)度等級(jí)分別為暴雨、中雨和暴雨；②降雨徑流開始至結(jié)束期間，不同時(shí)刻的塘體入口、出口處的流量、水溫以及各取樣點(diǎn)處不同形態(tài)的氮、磷污染物濃度(本文均為質(zhì)量濃度)；③降雨徑流結(jié)束后，各取樣點(diǎn)處不同形態(tài)的氮、磷濃度．

圖1?研究區(qū)域及試驗(yàn)對象和采樣點(diǎn)布設(shè)圖

1.2?樣品采集與分析

多級(jí)穩(wěn)定塘的取樣點(diǎn)布設(shè)如圖1(c)所示，穩(wěn)定塘包含三級(jí)，按水流流動(dòng)的方向分別為塘1、塘2和塘3，每級(jí)塘體沿程布設(shè)3個(gè)降雨徑流垂向分層取樣點(diǎn)與降雨徑流結(jié)束后的靜止?fàn)顟B(tài)水體取樣點(diǎn)(穩(wěn)定塘內(nèi)水體在垂向上均分為4層，圖中標(biāo)號(hào)為2～10．匯入穩(wěn)定塘的降雨徑流自北向南依次流經(jīng)3個(gè)穩(wěn)定塘，在每個(gè)塘體的入口、出口處布設(shè)取樣點(diǎn)，圖中標(biāo)號(hào)為a、b、c．采樣點(diǎn)1和11為穩(wěn)定塘入口、出口監(jiān)測點(diǎn)，其中取樣點(diǎn)1位于整個(gè)穩(wěn)定塘入口，取樣點(diǎn)11位于整個(gè)穩(wěn)定塘出口．降雨徑流期間水樣采樣時(shí)間間隔開始為20min，隨后依據(jù)降雨大小視情況調(diào)整．

采用有機(jī)玻璃分層采水器WB-PM-1000，在不對水體進(jìn)行擾動(dòng)的情況下進(jìn)行穩(wěn)定塘內(nèi)不同深度水樣的采集，將各取樣點(diǎn)采集的水樣裝在聚乙烯瓶中，放在4℃恒溫箱中保存，并于24h內(nèi)完成測定．樣品的主要監(jiān)測指標(biāo)有總氮(TN)、硝態(tài)氮(NO3--N)、氨氮(NH4＋-N)和總磷(TP)，分析方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》第4版國際方法[23]．徑流量采用LS1206B河道明渠流速測量儀測定．水樣分析過程如下：一部分原水樣經(jīng)0.45μm濾膜抽濾后測定NO3--N、NH4＋-N濃度．未經(jīng)抽濾的原水樣用于測定TN、TP濃度．其中，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；NH4＋-N采用納氏試劑分光光度法測定含量；NO3--N采用紫外分光光度法測定；TP采用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法測定．

2?氮磷輸移的三維數(shù)學(xué)模型

2.1?模型σ坐標(biāo)變換

一般的淺水運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)輸運(yùn)三維數(shù)學(xué)模型在垂直方向上的離散通常在笛卡爾坐標(biāo)系下進(jìn)行，然而，當(dāng)遇到不規(guī)則的河湖底部地形時(shí)，這種離散方式會(huì)降低床面上的計(jì)算精度．本文采用EFDC模型，按照CFL的條件將模型水質(zhì)模擬的時(shí)間步長設(shè)為0.1s．模型在垂直方向上采用伸展轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化可以使整個(gè)計(jì)算水域具有相同的垂向分層數(shù)，這樣可以在提高淺水區(qū)域垂向分辨率的同時(shí)也保證了各垂向?qū)拥膫?cè)向岸邊界的一致性，給數(shù)值計(jì)算帶來很大方便．將控制方程從(，，，)轉(zhuǎn)換到(，，，)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換公式為

?(1)

相應(yīng)的垂向流速坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為

?(2)

2.2?模型水動(dòng)力-水質(zhì)遷移耦合模型

模型耦合了水動(dòng)力與水質(zhì)運(yùn)移方程，模型水動(dòng)力方程與水質(zhì)運(yùn)移方程描述如下．

2.2.1?模型水動(dòng)力方程

在Boussinesq假設(shè)和準(zhǔn)靜力假定下，水動(dòng)力模型的的控制方程如下．

連續(xù)方程為

?(3)

?(4)

動(dòng)量方程為

?(5)

(6)

?(7)

2.2.2?模型水質(zhì)方程

EFDC水質(zhì)變量的控制方程是基于質(zhì)量守恒，主要包括平流擴(kuò)散、物理輸運(yùn)以及水動(dòng)力學(xué)過程3個(gè)組成部分，其表達(dá)式為

?(8)

式中：為任意一種水質(zhì)狀態(tài)變量，mg/L；、、分別表示曲線坐標(biāo)系下的、、方向上的速度分量，m/s；A、A、A分別表示坐標(biāo)系統(tǒng)、、方向上的擴(kuò)散系數(shù)分量；S表示單元體的源匯項(xiàng)．

本文主要涉及氮、磷水質(zhì)變量組．磷有無機(jī)與有機(jī)兩種形態(tài)，可以分為難容顆粒有機(jī)磷(RPOP)、活性顆粒有機(jī)磷(LPOP)、溶解有機(jī)磷(DOP)、總磷酸鹽(PO4t)．氮在水系統(tǒng)中主要包含硝氮(NO3)、氨氮(NH4)、難分解有機(jī)氮(RPON)、易分解有機(jī)氮(LPON)、溶解態(tài)有機(jī)氮(DON)．氮和磷的轉(zhuǎn)化為一級(jí)聯(lián)模式，過程如圖2所示，詳細(xì)轉(zhuǎn)化方程參見文獻(xiàn)[24]．

圖2?氮和磷轉(zhuǎn)化過程

2.3?模型的求解方法

模型采用二階精度的空間有限差分格式求解控制方程[25]．

3?結(jié)果與討論

3.1?區(qū)域劃分

本文研究對象為三級(jí)穩(wěn)定塘系統(tǒng)，其形狀為梯形，接近矩形，因此，本文將梯形穩(wěn)定塘系統(tǒng)概化為矩形穩(wěn)定塘系統(tǒng)研究，此矩形穩(wěn)定塘長22m，寬9m，網(wǎng)格采用矩形網(wǎng)格，根據(jù)Aspect Ratio法檢驗(yàn)網(wǎng)格長寬比為1網(wǎng)格質(zhì)量最好，本模型所選定的網(wǎng)格大小為0.5m×0.5m，在水平方向剖分為792個(gè)矩形網(wǎng)格．垂向采用標(biāo)變換，將底部高程信息進(jìn)行插值賦予生成的網(wǎng)格之中，建立模型如圖3所示．

圖3?三級(jí)穩(wěn)定塘模型

3.2?模型參數(shù)率定

為了更加有效、準(zhǔn)確地描述降雨徑流動(dòng)態(tài)條件下氮磷污染物在穩(wěn)定塘中的遷移轉(zhuǎn)化過程，模型需要采用準(zhǔn)確的微生物硝化速率、反硝化速率以及描述不同形態(tài)氮、磷轉(zhuǎn)化的參數(shù)，因此需要進(jìn)行模型參數(shù)的率定，模型參數(shù)率定數(shù)據(jù)為2015年6月26日及8月11日降雨徑流事件中氨氮、硝氮、總磷在穩(wěn)定塘內(nèi)3、6、9號(hào)3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)不同分層(4層)、不同時(shí)刻(選取降雨徑流初期、中期和末期3個(gè)時(shí)間點(diǎn))的監(jiān)測數(shù)據(jù)．參數(shù)的初始取值范圍是依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[26-27]給出的，在參數(shù)初始取值范圍內(nèi)，通過微調(diào)參數(shù)分組試算以及坐標(biāo)輪換法確定參數(shù)的最終取值．

坐標(biāo)輪換法(coordinate-cyclic method)又稱變量輪換法，沿個(gè)坐標(biāo)軸方向輪流搜索最優(yōu)點(diǎn)，在一次搜索中只沿一個(gè)坐標(biāo)方向進(jìn)行搜索[28]．建立目標(biāo)函數(shù)為

?(9)

表1?模型主要參數(shù)率定結(jié)果

Tab.1?Results of determination of the main parameters

3.3?邊界、初始條件

由于多級(jí)穩(wěn)定塘只有入口與出口兩個(gè)邊界，故在模型中設(shè)置入口、出口為邊界條件[29]．模型的水動(dòng)力參數(shù)值如穩(wěn)定塘入口的徑流量、降雨量、水溫等根據(jù)野外實(shí)際監(jiān)測結(jié)果取值，作為模型初始條件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．模型初始水質(zhì)條件為2015年7月11日降雨的實(shí)測數(shù)據(jù)，溫度為26.8℃，入口邊界氨氮濃度為4.63mg/L，硝氮濃度為1.90mg/L，總磷濃度為0.15mg/L．模型的初始條件由實(shí)測流量和實(shí)測濃度控制，流出邊界、流入邊界的流量與實(shí)測流量一致．

3.4?模型驗(yàn)證與模擬結(jié)果分析

選取2015年7月11日、12日典型降雨-徑流事件作為研究對象，對徑流過程中的氮、磷遷移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行模擬研究．模型模擬時(shí)間段為2015年7月11日12：00到2015年7月12日12：00，共計(jì)24h，2015年7月11日12：00開始計(jì)時(shí)，7月12日12：00左右降雨徑流結(jié)束．

3.4.1?降雨徑流時(shí)各水質(zhì)指標(biāo)隨時(shí)間的變化

選取塘1出口斷面處對TN、NO3--N、NH4＋-N、TP濃度隨時(shí)間的變化進(jìn)行模擬驗(yàn)證，驗(yàn)證時(shí)間點(diǎn)為7月11日14：00、16：00、19：00、23：00以及7月12日的6：00、12：00．各水質(zhì)指標(biāo)模擬曲線與實(shí)測值如圖4所示，從圖4可以看出，TN、NO3--N、NH4＋-N、TP的模型模擬曲線與實(shí)測值擬合較好．將TN、NO3--N、NH4＋-N、TP的各驗(yàn)證時(shí)間點(diǎn)的實(shí)測值與模擬值進(jìn)行對比，相對誤差均在15%以內(nèi)，模擬中后期較前期誤差相對偏大．

3.4.2?降雨徑流結(jié)束后穩(wěn)定塘不同斷面的TN、TP模擬

分析穩(wěn)定塘內(nèi)水體降雨徑流結(jié)束時(shí)各取樣點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)降雨徑流結(jié)束后塘內(nèi)各層水體水質(zhì)指標(biāo)的濃度值無明顯變化，無明顯分層效應(yīng)，故以監(jiān)測點(diǎn)處4層水體濃度的平均值作為此監(jiān)測斷面的濃度值．圖5所示為降雨徑流結(jié)束后(7月12日12：00左右)，穩(wěn)定塘水體TN、TP濃度在穩(wěn)定塘6個(gè)不同斷面處的實(shí)測值與TN、TP濃度沿程變化的模擬曲線．本文選取的6個(gè)斷面分別為圖1中點(diǎn)2、4、5、7、8、10等6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)所處的橫斷面．由圖5可以看出，降雨徑流結(jié)束后，塘內(nèi)各斷面水體TN、TP的實(shí)測值與模型模擬曲線擬合較好．將各監(jiān)測斷面的TN、TP的模擬值與實(shí)測值進(jìn)行對比，相對誤差均在10%以內(nèi)．

3.4.3?TN、TP空間分布模擬與遷移規(guī)律分析

無論水深為多少，坐標(biāo)在垂向上都有等量的層數(shù)，所以每個(gè)網(wǎng)格都可以提供等量的垂向分層的值[24]．為分析三級(jí)穩(wěn)定塘內(nèi)氮、磷的空間分布特征且現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)分布于穩(wěn)定塘垂向4層，故對多級(jí)穩(wěn)定塘中每個(gè)穩(wěn)定塘的4個(gè)分層斷面分別進(jìn)行TN、TP兩個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的輸移過程的模擬分析[30]，選取14：00與16：00兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，此時(shí)模型分布已經(jīng)運(yùn)行了2h與4h，運(yùn)行較穩(wěn)定且處于水力條件明顯時(shí)期，更易發(fā)現(xiàn)氮、磷遷移規(guī)律．

圖4?塘1出口斷面模擬值與實(shí)測值對比

圖5?沿程監(jiān)測斷面總氮、總磷濃度模擬值與實(shí)測值對比

圖6和圖7所示為模型運(yùn)行2h和4h后每層TN、TP分布的模擬結(jié)果，從左至右依次為TN、TP在穩(wěn)定塘第1層、第2層、第3層、第4層的分布情況，第1層為表層，第4層為底層．將模擬值與實(shí)測值進(jìn)行對比并計(jì)算誤差，TN(TP)在3個(gè)穩(wěn)定塘4層的模擬值與實(shí)測值平均誤差最小值為8.16%(10.23%)，最大值為18.16%(18.65%)，平均值為12.71%(14.75%)，均在20%以內(nèi)．

從圖6和圖7可以看出，TN在整個(gè)塘體第1層平均濃度為4.70mg/L(2h)和5.20mg/L(4h)，在第2層平均濃度5.10mg/L(2h)和5.40mg/L(4h)，在第3層平均濃度為5.50mg/L(2h)和5.90mg/L(4h)，在第4層平均濃度為5.80mg/L(2h)和6.10mg/L (4h)，TN濃度總體上表現(xiàn)為第1層＜第2層＜第3層＜第4層，即在垂向上TN濃度分布的總體規(guī)律是底層濃度大于表層濃度，同時(shí)可以看出，TP在垂向上與TN表現(xiàn)出相同的規(guī)律．這是由于降雨徑流水體的沖刷使底泥產(chǎn)生擾動(dòng)導(dǎo)致底泥氮磷釋放作用加強(qiáng)，而降雨前期塘內(nèi)表層水體與底層水體尚未完全混合，所以呈現(xiàn)出底層氮、磷濃度大于表層的分層規(guī)律[31]．同時(shí)可以看出，對每層水體TN濃度均呈現(xiàn)出顯著的沿程逐漸降低的規(guī)律，其中第1級(jí)塘4層質(zhì)量濃度平均值為5.80mg/L(2h)和6.10mg/L(4h)，第2級(jí)塘4層濃度平均值為5.30mg/L(2h)和5.70mg/L(4h)，第3級(jí)塘4層濃度平均值4.70mg/L(2h)和5.20mg/L(4h)，同樣TP與TN規(guī)律一致．這可能是因?yàn)榻涤陱搅鞒跗?，氮的顆粒態(tài)污染物相對較多，而磷污染物主要以顆粒態(tài)存在，使得塘內(nèi)植物對顆粒態(tài)氮磷污染物的攔截效應(yīng)發(fā)揮重要作用[32]，顆粒態(tài)氮磷污染物去除效果顯著，從而TN、TP濃度在降雨徑流前期(2h和4h)在穩(wěn)定塘內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的沿程降低的規(guī)律．這與王全金等[33]和方玉文等[34]研究一致，王全金和方玉文等分別應(yīng)用一種人工濕地塘系統(tǒng)處理污水，發(fā)現(xiàn)增加穩(wěn)定塘的表面積，增加徑流水體在穩(wěn)定塘系統(tǒng)的停留時(shí)間，能有效提高污水中污染物的去除率．

圖6?TN和TP每層分布模擬結(jié)果(2h)

圖8為塘寬＝2m處縱剖面的總氮、總磷隨塘長和水深的分布圖，穩(wěn)定塘沿程()0～7m為一級(jí)塘，7～14m為二級(jí)塘，14～21m為三級(jí)塘．

圖8?2h時(shí)TN和TP濃度的縱向分布

從圖8可以看出，總氮、總磷在縱向的分布規(guī)律相似，即在整個(gè)塘體縱剖面TN、TP濃度隨水深的增加而增大，其中TN在第1級(jí)塘的變化約為由5.0mg/L升高至6.2mg/L，在第2級(jí)塘由4.5mg/L升高至5.9mg/L左右，在第3極塘由4.3mg/L升高至5.6mg/L左右；TP在第1級(jí)塘的變化范圍大約為由0.15mg/L升高至0.24mg/L，在第2級(jí)塘由0.14mg/L升高至0.22mg/L左右，在第3極塘由0.13mg/L升高至0.19mg/L左右；TN、TP在＝2m處縱剖面的分布規(guī)律與TN、TP分層模擬的結(jié)果一致，即在降雨徑流初期TN、TP在穩(wěn)定塘中呈現(xiàn)底層濃度大于表層濃度的縱向分布規(guī)律．同時(shí)可以看出TN、TP隨水深的濃度變化并不是呈線性或冪函數(shù)形式增加，而是主要集中在中底層水體，在最底層水體和表層水體TN、TP分別維持較高和較低的濃度，而在中層靠底層水深處TN、TP濃度升高較大．

4?穩(wěn)定塘級(jí)數(shù)對TN、TP遷移的影響

本文在模型參數(shù)率定與模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，探究了穩(wěn)定塘級(jí)數(shù)對TN、TP遷移過程的影響．在穩(wěn)定塘面積一定下，將穩(wěn)定塘模型分別沿程均分為1個(gè)塘體(一級(jí)塘)、2個(gè)塘體(二級(jí)塘)和3個(gè)塘體(三級(jí)塘)，模型參數(shù)與水質(zhì)初始條件不變(7月11日降雨實(shí)測數(shù)據(jù))，圖9為塘體總出口TN、TP濃度隨時(shí)間的變化曲線，圖10為穩(wěn)定塘出口水齡隨時(shí)間的變化結(jié)果；因?yàn)門N與TP在穩(wěn)定塘空間變化相似，故本文以模型運(yùn)行2h的三級(jí)塘與一級(jí)塘4層平均TN濃度分布為典型進(jìn)行對比分析，探究穩(wěn)定塘有閘墻分級(jí)與無閘墻情況對污染物的滯留作用，如圖11所示．

圖9 不同分級(jí)下塘體總出口TN、TP濃度隨時(shí)間的變化

從圖9可以看出，在降雨前期穩(wěn)定塘輸出TN、TP的濃度增速隨級(jí)數(shù)而不同，表現(xiàn)為一級(jí)塘和二級(jí)塘相比于三級(jí)塘濃度增速較快，這是由于三級(jí)塘的兩道攔截墻的存在使得降雨前期徑流水體攜帶的氮磷污染物相對于一級(jí)塘和二級(jí)塘更不易向塘體出口輸移，在整個(gè)降雨階段一級(jí)塘和二級(jí)塘相比于三級(jí)塘TN、TP濃度的波動(dòng)更加平緩．隨著降雨時(shí)間的進(jìn)行，在降雨后期三級(jí)塘相比于一級(jí)塘和二級(jí)塘TN、TP濃度降低較快，在12日12時(shí)塘體輸出TN濃度分別為一級(jí)塘(5.89mg/L)＞二級(jí)塘(5.77mg/L)＞三級(jí)塘(5.36mg/L)；塘體輸出TP濃度分別為一級(jí)塘(0.163mg/L)＞二級(jí)塘(0.159mg/L)＞三級(jí)塘(0.152mg/L).這是因?yàn)殡S著塘體級(jí)數(shù)的增加，延長了水流的停留時(shí)間，更加有利于氮、磷的去除，烏蘭托婭[35]在應(yīng)用水平潛流人工濕地處理廢水的研究中發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，隨著污水停留時(shí)間的增加，COD、氨氮和TP去除率越高；同時(shí)，閘墻的存在使得水體在穩(wěn)定塘中呈對角流動(dòng)，增加了穩(wěn)定塘內(nèi)水體的流動(dòng)性，使得穩(wěn)定塘充氧能力增強(qiáng)，有利于提高生物凈化氮、磷的能力[36]．

圖10?不同分級(jí)下塘體總出口水齡隨時(shí)間的變化

為了探究不同穩(wěn)定塘分級(jí)數(shù)量下污染物的停留時(shí)間，本文進(jìn)行了塘體出口處水齡隨模擬時(shí)間變化的計(jì)算，分為有控制流量及無控制流量兩種情景，如圖10(a)和(b)所示．水齡(water age)的最初定義是指可溶性物質(zhì)從入口傳輸?shù)街付ㄎ恢盟枰臅r(shí)間(入口時(shí)水齡為零)，能夠反映水體被上游來水交換所需要的時(shí)間，即水齡越大，說明水體運(yùn)動(dòng)越緩慢，污染物停留時(shí)間越[37]．從圖10可以看出，在未達(dá)到整個(gè)塘內(nèi)水體的換水周期時(shí)水齡一直處在不斷增加過程中，兩種情景下水齡隨時(shí)間的變化整體上三級(jí)塘的水齡高于二級(jí)塘和一級(jí)塘，二級(jí)塘和一級(jí)塘水齡相似，二級(jí)塘整體略高于一級(jí)塘．

圖11為有閘墻分級(jí)與無閘墻不分級(jí)穩(wěn)定塘內(nèi)TN分布結(jié)果．從圖11可以看出，在有閘墻分級(jí)的情況下污染物呈帶狀衰減，閘墻分級(jí)的不同塘體間有較明顯的過度性；在無閘墻分級(jí)的情況下，整個(gè)塘體內(nèi)污染物沿程變化無明顯的分層衰減現(xiàn)象．閘墻的存在使得每級(jí)塘體發(fā)揮了更大的凈化作用．

圖11 有閘墻分級(jí)與無閘墻不分級(jí)穩(wěn)定塘內(nèi)TN分布結(jié)果

5?討?論

針對現(xiàn)有研究的不足，本文通過對降雨徑流過程的連續(xù)監(jiān)測，以及對穩(wěn)定塘內(nèi)水體沿程分層取樣的技術(shù)手段，結(jié)合數(shù)值模擬的方法探究了降雨徑流過程中農(nóng)田流失氮磷在穩(wěn)定塘中的輸移．由圖4模擬結(jié)果可以看出，降雨徑流前期模擬值與實(shí)測值的相對誤差較中后期小，楊倩[38]在應(yīng)用EFDC模型對密云水庫水環(huán)境及應(yīng)急水污染事件進(jìn)行模型研究時(shí)，同樣出現(xiàn)模擬后期尤其是峰值時(shí)誤差相對較大的現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因需要做進(jìn)一步的研究；三維空間的模擬結(jié)果表明，降雨徑流對水體的沖刷作用會(huì)使底泥產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致底泥氮磷釋放作用加強(qiáng)，在降雨前期塘內(nèi)表層水體與底層水體尚未完全混合的情況下，氮磷污染物會(huì)呈現(xiàn)出明顯的分層狀況，表現(xiàn)出底層濃度大于表層濃度的現(xiàn)象．這可能與徑流沖刷下底泥的擾動(dòng)內(nèi)源釋放有關(guān)，因此，在穩(wěn)定塘工程應(yīng)用中采用適當(dāng)手段如底泥原位覆蓋是減少其內(nèi)源釋放、保證出水水質(zhì)的有效措施．同時(shí)，對于三級(jí)穩(wěn)定塘而言，每級(jí)塘體通過植物攔截、吸收、物理沉降、過濾等作用會(huì)使氮磷污染物進(jìn)入下一級(jí)塘體內(nèi)的濃度有所降低，呈現(xiàn)出污染物濃度沿程降低的規(guī)律，這也表明穩(wěn)定塘作為農(nóng)業(yè)面源污染控制工程對降雨徑流中農(nóng)田流失氮磷污染物具有較好的攔截作用，是控制農(nóng)業(yè)面源污染的有效技術(shù)；除此之外，第4節(jié)模擬結(jié)果表明，不同穩(wěn)定分級(jí)數(shù)量下塘體出口處的污染物濃度有所差異，穩(wěn)定塘的分級(jí)數(shù)量會(huì)對污染物攔截效果產(chǎn)生影響，相比較三級(jí)塘的效果要好于二級(jí)塘，一級(jí)塘的攔截效果最差，這與三級(jí)塘內(nèi)更長的污染物停留時(shí)間有關(guān)．因此，在穩(wěn)定塘控制農(nóng)業(yè)面源污染的應(yīng)用中適當(dāng)增加穩(wěn)定塘的分級(jí)數(shù)量是提高其污染攔截效果的有效措施.

6?結(jié)?論

穩(wěn)定塘系統(tǒng)能夠有效攔截農(nóng)田流失氮磷，控制農(nóng)業(yè)氮磷面源污染，數(shù)值模擬是掌握氮、磷在穩(wěn)定塘中輸移規(guī)律有效方法．本研究建立了三級(jí)農(nóng)田排水穩(wěn)定塘的三維水動(dòng)力-水質(zhì)遷移耦合模型，應(yīng)用實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了參數(shù)率定與模型驗(yàn)證；對匯入穩(wěn)定塘內(nèi)降雨徑流中氮磷的輸移進(jìn)行了三維數(shù)值模擬與分析；同時(shí)探究了穩(wěn)定塘級(jí)數(shù)對氮磷攔截效果的影響，主要得到以下結(jié)論．

(1) 塘1出口斷面處TN、NH4＋-N、NO3--N、TP濃度的模型模擬曲線與實(shí)測值擬合較好，各水質(zhì)指標(biāo)驗(yàn)證時(shí)間點(diǎn)的相對誤差均在15%以內(nèi)，在模擬的中后期誤差相對偏大．

(2) 降雨徑流結(jié)束時(shí)，塘內(nèi)各斷面水體中TN、TP濃度的模擬值與實(shí)測值的相對誤差均在10%以內(nèi)，在塘1和塘3中，TN、TP濃度在各沿程斷面分布較均勻，而在塘2中TN濃度沿程逐漸升高，TP濃度沿程逐漸降低．

(3) TN在每級(jí)穩(wěn)定塘4層的模擬值與實(shí)測值平均誤差最小值為8.16%，最大值為18.16%，平均值為12.71%；TP在每級(jí)穩(wěn)定塘中4層的模擬值與實(shí)測值平均誤差最小值為10.23%，最大誤差為18.65%，平均值為14.75%，均在20%以內(nèi)；這表明模型較好地實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)值模擬．在降雨徑流初期TN、TP濃度在垂向上表現(xiàn)為底層濃度大于表層濃度，在水平方向上表現(xiàn)為沿程濃度逐漸降低的規(guī)律．TN、TP在縱向的濃度變化主要發(fā)生在中、底層水深處．

(4) 水齡計(jì)算結(jié)果表明，三級(jí)塘相較于二級(jí)塘和一級(jí)塘延長了污染物的停留時(shí)間，更有利于氮、磷的去除．

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3D Numerical Simulation of Nitrogen and Phosphorus Transport in the Stabilization Pond of RainfallRunoff

Wang Xiaoling1，Zhang Fuchao2，Li Songmin3，Zhang Boyang2，Li Jiansheng2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300350，China； 2. School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China； 3. School of Water Conservancy Engineering，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China)

To control the nonpoint source pollution of nitrogen(N) and phosphorus(P) in agriculture，it is significant to grasp the transport regulation of N and P in the stabilization pond. Previous research mainly focused on the N and P removal effect and running characteristics of the stabilization pond through field and laboratory monitoring，but failed to simulating the N and P transportation of the multicell stabilization pond during rainfall runoff in three-dimensional space. This paper regards the multicell stabilization pond as the case study. First，three typical rainfall runoff events were monitored during the rice-growing season in 2015. Second，a three-dimensional model coupling the hydrodynamics and water qualities of the multicell stabilization pond was established. Moreover，the parameters of the model were calibrated by the cyclic coordinate method with measured data. Finally，the calibrated model and the effect of the cell number of the stabilization pond on N and P removal were analyzed. Results show that the simulated values agreed well with the measured values after calibration. During the early stage of rainfall runoff，the concentrations of TN and TP in the lower layer are larger than those in the upper layer. Furthermore，the concentrations of TN and TP decrease gradually along the flow path. Thus，increasing the cell number of the stabilization pond is conducive to improving the effect of N and P removal.

multicell stabilization pond；nitrogen and phosphorus transport；three-dimensional numerical simulation；rainfall runoff；parameter calibration

10.11784/tdxbz201809036

X522

A

0493-2137(2019)06-0649-12

2018-09-12；

2018-11-14.

王曉玲（1968—），女，博士，教授.

王曉玲，wangxl@tju.edu.cn.

水體污染控制與治理國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2017ZX07204003)；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51621092)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(16JCYBJC23100).

the Major Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment(No.2017ZX07204003)，the Innovation Research Groups Foundation of the National Natural Science Foundation of China(No.51621092)，the Tianjin Research Program of Application Foundation and Advanced Technology(No.16JCYBJC23100)

(責(zé)任編輯：田?軍)