杜彥良，張雙虎，王利軍，毛戰(zhàn)坡，馬曉宇

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100038；3.中國電建集團(tuán)有限公司，北京 100038）

1 研究背景

人工濕地被廣泛用于生態(tài)修復(fù)及環(huán)境改善中，濕地對水體的凈化作用是濕地的重要功能之一。關(guān)于濕地植物對水體氮磷的去除效果及機(jī)理，有大量的實驗研究成果［1］。不同類型植物凈化效果存在差異［2-3］，合理的濕地植物配置可提高凈化效果［4］，植物密度及分布也會影響污染物去除率［5］?？偨Y(jié)植物對水體的凈化機(jī)理主要表現(xiàn)在4 個方面。首先是物理上的阻流作用，導(dǎo)致顆粒沉降、溶質(zhì)輸移快慢及路徑發(fā)生變化等。其次，植物可改變水體溶解氧（DO）含量，沉水植物的光合作用能直接提高水中DO［6］，挺水植物通過根莖通氣組織將葉片產(chǎn)生的氧氣輸運(yùn)至根部［7］，通過高精儀器可監(jiān)測到根部附近的泌氧量［8］。不同植物類型泌氧強(qiáng)度不同，從大至小為：蘆葦＞香蒲＞荇菜＞水芹菜＞荷花［9］，受植物光合作用和呼吸作用影響，水體中DO 濃度呈晝夜周期性變化，在根系一定深度的底泥中，形成好氧及厭氧交替變化的環(huán)境，有利于硝化及反硝化作用的進(jìn)行，去除濕地中的氮［10］。第三，植物生長提供了基質(zhì)微生物的代謝的能量“碳源”［11］，根系環(huán)境成為大量微生物及底棲生物的棲息場所，被認(rèn)為地球上最富有活性界面之一［10］。植物根部附近的好氧環(huán)境，促使微生物及底棲生物的生長和繁殖，加快營養(yǎng)物質(zhì)的有機(jī)降解及消耗［12］。 最后，植物的生長吸收水體中的營養(yǎng)鹽，有研究指出濕地植物對氮磷的吸收量小于微生物作用對氮磷的去除量［13］。綜上，植物的作用可在水動力過程DO 過程以及考慮微生物攝取及植物吸收的氮磷反應(yīng)過程中體現(xiàn)。

受植物生長的需求，人工表流濕地中適合種植區(qū)域的水深通常在0～2 m 左右，有研究認(rèn)為濕地植物對水質(zhì)凈化效率有限［1］。為提高水體凈化能力，優(yōu)化工程設(shè)計，在營造適合植物生長的地形基礎(chǔ)上，需對植物類型的配置、種植區(qū)域分布及面積大小等進(jìn)行合理規(guī)劃，在此過程中數(shù)學(xué)模型是必不可少的工具之一。目前有不少經(jīng)典成熟的模型，如MIKE、EFDC、Delft3D 等可實現(xiàn)多種生化反應(yīng)過程的水質(zhì)模擬。植物類型及分布對濕地水動力影響的模擬研究相對較多［4，14］。Wang 等［15］開發(fā)了一個基于隔間的水動力學(xué)和水質(zhì)數(shù)值模型，以研究水力梯度驅(qū)動下佛羅里達(dá)州北部沼澤濕地硫酸鹽和TP的去除。JI 等［16］采用LOEM-CW 模型中考慮微生物和植物生長對磷的吸收，模擬濕地中磷的變化。Galanopoulos 等［17］采用描述了基本的物理化學(xué)和生物化學(xué)過程的AQUASIM 模型，預(yù)測濕地對氮磷去除率。李紅艷等［18］等用實驗率定濕地的氨氮的硝化速率、反硝化速率、有機(jī)氮磷的礦化速率等參數(shù)，在一維水動力模型耦合WASP 模型，實現(xiàn)對濕地水質(zhì)的模擬。

本文應(yīng)用MIKE 模型，參考EcoLab 中WQ 模版中水質(zhì)指標(biāo)的反應(yīng)關(guān)系，建立反應(yīng)濕地植物特性及作用的“WQ+Veg”模塊，計算變量為DO、BOD、NH3-N、硝酸鹽氮（NO3-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）和TP?？紤]到植物生長區(qū)域較為穩(wěn)定，對計算空間上的植物區(qū)和非植物區(qū)分別進(jìn)行數(shù)值化，基于濕地植物對水質(zhì)的凈化作用機(jī)理，在以下反應(yīng)過程中添加濕地植物的影響：濕地植物阻礙水體流動的物理過程；濕地種植區(qū)植物根部泌氧對DO 補(bǔ)充；濕地植物作用下微生物對氮磷的攝?。恢参锷L對氮磷的吸收作用。模型對河北省永年洼大量濕地植物種植前后的水質(zhì)進(jìn)行模擬，結(jié)果可反應(yīng)植物類型、生長區(qū)域、面積等對濕地水體的氮磷響應(yīng)，為濕地生態(tài)修復(fù)提供模型方法。

2 研究區(qū)域概況

永年洼位于子牙河一級支流滏陽河流域，是繼白洋淀、衡水湖之后的華北區(qū)域第三大洼淀，是河北省南部唯一的內(nèi)陸淡水濕地生態(tài)系統(tǒng)。受上游滏陽河流域用水及污染影響，永年洼濕地面積萎縮，濕地退化，水體水質(zhì)惡化［19］。

為恢復(fù)濕地功能，改善洼淀內(nèi)水質(zhì)，2014年開始對濕地進(jìn)行了大面積的生態(tài)修復(fù)工程，首先征地退田，對地形進(jìn)行改造，營造水生植物的適宜水深，然后蓄水種植蘆葦、菖蒲、荷花等水生植物，通過植物的自我繁殖逐漸形成區(qū)域分布。洼地積水區(qū)4.5 km2，水深1.5～3 m。2017年8月由遙感解譯得到的植物分布見圖1，蘆葦和菖蒲面積15.73 hm2，荷花面積5.03 hm2，約占水域面積的22%。項目組于2016年和2017年分別3 次進(jìn)行加密水質(zhì)監(jiān)測，監(jiān)測斷面在入口處為1#斷面，2#—8#斷面分別設(shè)定3～6 個監(jiān)測點位不等，合計41 個點位，監(jiān)測斷面及永年洼的進(jìn)水出水的具體位置見圖1。

3 濕地水質(zhì)監(jiān)測

圖1 永年洼濕地植物分布及監(jiān)測斷面

永年洼入水主要通過兩個渠道的閘門控制進(jìn)入，水源主要來之滏陽河和廣府古城的生活污水，滏陽河承納了邯鄲市區(qū)的工業(yè)及生活廢水，永年洼入流水質(zhì)基本為V 類或劣V 類水體。在入流附近區(qū)域，主要種植有荷花和蘆葦，為評估濕地的作用，在入流附近設(shè)定了6 個監(jiān)測斷面，合計31 個點位，分別監(jiān)測水質(zhì)、微生物等指標(biāo)。2017年9月對2#—6#斷面中的DO 進(jìn)行監(jiān)測，分別為開闊水面區(qū)、荷花種植區(qū)和蘆葦種植區(qū)，監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 永年洼2#—6#斷面的監(jiān)測DO 濃度比較

水體的DO 來自于大氣復(fù)氧、藻類光合作用及濕地植物的根部泌氧，水體中的耗氧有化學(xué)耗氧、生物耗氧及底泥耗氧。永年洼2#—6#監(jiān)測斷面平均溶氧開闊水域為5.53 mg/L，荷花水域為5.76 mg/L，蘆葦水域為6.15 mg/L，蘆葦水域的溶解氧高于荷花水域，高于無植物的開闊水域。由圖2 可知，濕地植物種植后，除了2#斷面蘆葦水域的DO 低于開闊水域的DO，4#斷面的荷花水域DO 低于開闊水域的DO，其他斷面上均呈現(xiàn)出有植物水域的DO 高于無植物水域的DO，其中6#蘆葦水域DO 遠(yuǎn)高于無植物水域及荷花水域。2#斷面靠近河流的入口，周邊有植物種植，被區(qū)域水流速加快，大氣的復(fù)氧水平高。而蘆葦種植區(qū)域水流緩慢，底部的耗氧水平可能較高，產(chǎn)生DO 差異。

2016年永年洼開始種植水生植物，2017年從面積與生長水平上都較為穩(wěn)定。將2016年設(shè)定為濕地植物種植前情景，2017年設(shè)定為濕地植物種植后的情景，用兩年的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。2016年水質(zhì)監(jiān)測的月份為5月、8月和10月，2017年水質(zhì)監(jiān)測的月份為6月、8月、11月。將斷面上各點的水質(zhì)進(jìn)行平均，統(tǒng)一為8 個斷面。2016年對8 個點面及出口水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測，2017年為強(qiáng)化示范區(qū)監(jiān)測，僅對6 個斷面進(jìn)行了監(jiān)測。為比較2016年和2017年的水質(zhì)變化，統(tǒng)一對前6 個斷面的NH3-N、TN 和TP 的平均值進(jìn)行比較，分別見圖3、圖4 和圖5。

圖3 永年洼8 個斷面2016、2017年均NH3-N 監(jiān)測結(jié)果比較

2016年和2017年各斷面平均水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，從入流至出流的不同斷面NH3-N、TN 和TP 濃度呈現(xiàn)出整體降低態(tài)勢，符合對數(shù)衰減模式。2016年斷面NH3-N 濃度范圍為0.75～1.28 mg/L，平均濃度為0.93 mg/L；2017年斷面NH3-N 濃度為0.62～1.25 mg/L，平均濃度為0.77mg/L。2016年斷面TN濃度范圍為2.78～4.09 mg/L，平均濃度為4.26 mg/L；2017年斷面TN 濃度為2.75～4.00 mg/L，平均濃度為3.02 mg/L。2016年斷面TP 濃度范圍為0.14～0.34 mg/L，平均濃度為0.19mg/ L；2017年斷面TP濃度為0.11～0.33 mg/L，平均濃度為0.16 mg/L。水質(zhì)濃度的數(shù)值2017年總體上比2016年下降，在入口處變化不大，主要是2#—6#斷面的濃度下降較為明顯，2016年NH3-N、TN 和TP 濃度在2#—6#斷面上平均濃度下降了20.7%、8.8%和17.2%。濕地植物的種植對水質(zhì)有一定的改善作用。

圖4 永年洼8個斷面2016、2017年均TN監(jiān)測結(jié)果比較

圖5 永年洼6個斷面2016、2017年均TP監(jiān)測結(jié)果比較

4 濕地模型及模擬

4.1 基本方程采用MIKE21 建立水動力模型，耦合EcoLab 模塊來對永年洼的水質(zhì)情況進(jìn)行模擬。水動力模塊采用二維水深平均的淺水方程：

式中： t 為時間，s；x、y 為笛卡爾坐標(biāo)系；η 為水位，m；h 為水深，m； g 為重力加速度，m/s2；τsx、 τsy、 τbx、 τby為x 和y 方向的表面風(fēng)應(yīng)力和底部切應(yīng)力，植物的作用反應(yīng)在底部切應(yīng)力中； S?為源項，kg/（m3·s）；us、 vs為源項水流流速，m/s；Txx、Txy、Tyy為側(cè)向應(yīng)力。

水質(zhì)模塊通過EcoLab 的自定義及邊界功能，參考其他模塊中的水質(zhì)反應(yīng)方程，建立濕地水質(zhì)的“WQ+Veg”模塊，主要計算及求解變量為DO、BOD、NH3-N、NO3-N、NO2-N 和TP，二次計算變量總氮（TN）為NH3-N、NO3-N 和NO2-N 之和。各水質(zhì)求解變量通用的方程為：

式中：c 為“WQ+Veg”中計算的狀態(tài)變量的濃度，mg/L；Dx、Dy為x， y 方向上的擴(kuò)散系數(shù)；Sc為源匯項；Pc為生化反應(yīng)項。

式中：i 為特定狀態(tài)變量的進(jìn)程數(shù)；Processi為水體中物質(zhì)濃度變化的各種生化反應(yīng)過程。

DO、BOD、NH3-N、NO3-N、NO2-N 和TP 的過程方程如下：

式中：P 為植物的產(chǎn)氧量，mg/（m2·d）；R 為呼吸作用耗氧，mg/（m2·d）。

P 晝夜波動，由午時最大產(chǎn)氧量計算：

式中：Pmax為午時最大產(chǎn)氧量，由植物分布圖給出，mg/（m2·d），同樣植物呼吸作用耗氧也由空間分布給出；τ為光合作用最大產(chǎn)氧時刻與正午（12：00）的偏差小時數(shù)；α為相對晝長；θ1為植物光合作用和呼吸作用與溫度相關(guān)的阿倫尼斯溫度系數(shù)；T 為水溫，℃。

濕地中生物降解過程通常在好氧環(huán)境中進(jìn)行，微生物數(shù)量及活性增強(qiáng)，促進(jìn)了水體中NH3-N 和磷酸鹽（PO4）消減，微生物攝取NH3-N 及TP 的量分別由UM_N 和UM_P 表示，計算采用公式如下：

式中：UNm為微生物吸收氨氮的系數(shù)，mgN/mgBOD；UPm為微生物吸收磷的系數(shù)，mgP/mgBOD；K3為BOD 降解率，1/d；θ3為阿倫尼斯溫度系數(shù)； HS-NH3為微生物攝取氨氮的半飽和濃度，mgN/L；HS-TP 為微生物攝取磷的半飽和濃度，mgP/L； HS-Pmax為有機(jī)物降解的半飽和由植物泌氧產(chǎn)生的DO 濃度，mgO2/L。

植物對氮磷的攝取量分別為UP_N 和UP_P，計算公式如下：

式中：UNp為植物吸收氨氮的系數(shù)，mgN/mgO2；UPP為植物吸收磷的系數(shù)，mgP/mgO2； F (N,P)為植物光合作用的營養(yǎng)鹽限制函數(shù)。

構(gòu)建一個EcoLab 的“WQ+Veg”模板分以下步驟：（1）先定義計算變量（state variables），即文中計算的6 個變量；（2）設(shè)定計算中參數(shù)（constants），包括不變的數(shù)值和空間上的變化量，例如，區(qū)域維度、BOD 降解系數(shù)K3、午時最大產(chǎn)氧量Pmax等；（3）設(shè)定外部驅(qū)動參量（forcing），可以是隨時間變化的量，如溫度、風(fēng)等；（4）設(shè)定輔助量（auxiliaries），如一定氣溫下的飽和溶氧濃度、日變化的太陽輻照度因子等；（5）最后根據(jù)反應(yīng)方程，寫入計算公式，如式（12）—式（15）等。

4.2 模型參數(shù)永年洼模型計算的情景有兩個，2016年濕地植物種植前和2017年濕地植物種植后的水質(zhì)進(jìn)行比較。2016年不考慮濕地植物的生長，洼內(nèi)各參數(shù)分布均勻。 2017年考慮濕地中種植植物的種類，同時考慮種植的密度，分區(qū)設(shè)定植物作用下的曼寧數(shù)m，（m=1/n，n 為曼寧系數(shù)）、午時最大氧氣生成量（mg/（m2·d））和植物呼吸率（mg/（m2·d）），見圖6。

圖6 模擬2017年設(shè)定的曼寧數(shù)m 及植物午時最大氧氣產(chǎn)生量分布

模型計算中微生物攝取氨氮的系數(shù)UNm為0.012gN/gBOD，微生物細(xì)菌攝取磷的系數(shù)UPm為0.008gP/gBOD。植物攝取氨氮的系數(shù)UNp 為0.011gN/gDO，植物攝取磷的系數(shù)UPp 為0.008gP/gDO。

4.3 濕地水質(zhì)模擬考慮植物生長周期，模擬時段為3月1日至7月30日，共5 個月，水動力耦合水質(zhì)進(jìn)行模擬。永年洼水域體積大，換水周期較長，計算前45 d 為消除水動力及水質(zhì)的初始條件。根據(jù)時間的永年洼出入流及水位數(shù)據(jù)，2016年及2017年變化不大，入口處流量為1 m3/s，出口處水位按照永年洼2016年3—7月實測水位變化設(shè)置。除了出入流，風(fēng)場是永年洼流場的主要驅(qū)動力之一，根據(jù)資料用多年平均風(fēng)速風(fēng)向設(shè)定風(fēng)場。水質(zhì)中的生化反應(yīng)與溫度相關(guān)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)定水溫過程。

濕地植物對水流產(chǎn)生作用，模型入流水質(zhì)邊界根據(jù)入口處監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)給出，出水為出流邊界。分別在計算區(qū)域中取3 個點，比較有無植物對水流的影響，見表1，其中3 個點位置見圖1。

在斷面2#的設(shè)置開闊水面及植物區(qū)的流速比較中可見，種植植物有束窄水流的作用，開闊水面a 點位流速增加，b 點位的流速減小，大氣的復(fù)氧水平與飽和DO 和流速、水深、風(fēng)速相關(guān)，流速的增加有助于大氣的復(fù)氧，實測中2#斷面的開闊水面DO 較高的部分原因。

模型計算5 個月，計算在4月后，淀區(qū)水質(zhì)濃度變化不大，趨于穩(wěn)定，取4、5月的計算數(shù)據(jù)與實測值做比較。取模型計算的從入口至出口的斷面，見圖1 中點畫線，為與實測數(shù)據(jù)對比，在實測2#—8#斷面上，取多個點位計算值平均，模型沿程計算水質(zhì)數(shù)據(jù)同實測的入口至出口的1#—8#斷面的NH3-N、TN 及TP 濃度比較見圖7—圖9。

永年洼計算結(jié)果顯示從入口至出口，NH3-N、TN 和TP 濃度在沿程呈指數(shù)形式下降。實測2#—6#斷面的點位大多在植物分布區(qū)域，計算的沿程結(jié)果略高于該區(qū)域的數(shù)值。2016年及2017年數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，2017年永年洼斷面1#處入流水質(zhì)濃度略有下降， 2017年在2#—6#斷面上模型計算NH3-N、TN和TP 濃度平均下降了14.9%、7.33%和14.8%，實測數(shù)據(jù)下降比例為20.7%、8.8%和17.2%。有濕地植物2017年情景與無植物的2016年出水口處的NH3-N、TN 和TP 相比，濃度下降了26.4%、11.5%和27.6%。作為華北第三大洼淀，永年洼濕地對水體有較強(qiáng)的凈化作用。比較入口與出口的濃度，可看出2016年NH3-N、TN 和TP 去除率為70.6%，46.5%和67.1%，2017年大量種植植物后，去除率為77.9%、51.8%和76.2%，分別提高了7.3%、5.3%和9.1%。植物種植區(qū)域大多靠近岸邊，水流交換不頻繁，濕地植物種植后整體的氮磷去除率有提高，但未超過10%，TN 去除率小于NH3-N。

表1 無植物（2016年）及有植物（2017年）3個點位流速比較

圖7 模型2016年和2017年輸出入口至出口斷面沿程N(yùn)H3-N 與實測值比較

圖8 模型2016年和2017年輸出入口至出口斷面沿程TN 濃度與實測值比較

圖9 模型2016年和2017年輸出入口至出口斷面沿程TP 濃度與實測值比較

與實測數(shù)據(jù)相比，模型計算平均誤差，NH3-N 在2016年和2017年分別為8.5%和15.9%；TN 在2016年和2017年分別為6.4%和9.3%；TP 在2016年和2017年分別為21.7%和35.2%。TN 模擬較好，TP 模擬值有些差異，可能是因為未對底泥做監(jiān)測，底泥中釋放量未能分區(qū)精確給定。計算各指標(biāo)在永年洼空間分布見圖10。

圖10 2016年和2017年有無植物NH3-N、TN 及TP 空間分布

模型計算結(jié)果表明，構(gòu)建的EcoLab 濕地植物作用下的“WQ+Veg”模塊，其中物理及生化反應(yīng)的概念清晰，數(shù)值計算結(jié)果與實測的數(shù)據(jù)相比較，能反映濕地植物對氮磷的作用，模型的結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

研究區(qū)域永年洼濕地生態(tài)系統(tǒng)退化、水污染嚴(yán)重，在地形改造，退耕還濕、水文調(diào)控的基礎(chǔ)上，進(jìn)行生態(tài)修復(fù)及水質(zhì)改善。本文通過原位監(jiān)測，構(gòu)建濕地植物模型，模擬研究濕地植物對水體水質(zhì)的影響。

（1）對永年洼濕地恢復(fù)工程建設(shè)前后2016年和2017年的水質(zhì)監(jiān)測表明，平均條件下永年洼中種植蘆葦?shù)乃蛉芙庋趼愿哂诜N植荷花的水域溶解氧，高于未種植植物區(qū)域。但在個別區(qū)域，開闊水體的DO 略高，可能是因為植物種植，束窄了水流，水體流動的增加有利于水面的復(fù)氧效果。對永年洼進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測表明，在進(jìn)水水質(zhì)差別不大的條件下，隨著濕地植物的恢復(fù)，NH3-N、TN、TP 等水質(zhì)指標(biāo)都有不同程度的下降，在入口水質(zhì)濃度變化不大的條件下，2#—6#加密監(jiān)測斷面上，NH3-N、TN 和TP 濃度分別下降了20.7%、8.8%和17.2%，且符合對數(shù)衰減模式。

（2）根據(jù)濕地植物對水質(zhì)的作用機(jī)理，基于濕地植物的泌氧、細(xì)菌活性增加和植物吸收作用下水化學(xué)反應(yīng)過程，構(gòu)建“WQ+Veg”水質(zhì)模塊，耦合MIKE21 的水動力模塊進(jìn)行計算。水質(zhì)計算中對相關(guān)濕地植物參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，模型模擬了永年洼2016年及2017年人工濕地種植前后湖區(qū)流速及NH3-N、TN、TP 等水質(zhì)指標(biāo)濃度的變化。與實測結(jié)果相比，NH3-N、TN 和TP 的平均誤差為12.2%、7.8%和28.4%，模型結(jié)果可信度高，永年洼濕地對水體有較強(qiáng)的凈化作用。比較入口與出口的濃度， 2016年濕地對NH3-N、TN 和TP 去除率為70.6%、46.5%和67.1%， 2017年有大量濕地植物后，濕地對各指標(biāo)的去除率為77.9%、51.8%和76.2%，分別提高了7.3%、5.3%和9.1%。植物的種植區(qū)域，大多靠近岸邊，湖岸與湖心水體交換不頻繁，濕地植物提高了濕地對氮磷的去除率，植物作用對NH3-N 的去除效果高于對TN 的去除。構(gòu)建的“WQ+Veg”模塊，物理及生化反應(yīng)概念清晰，能體現(xiàn)植物的類型、空間分布條件下的濕地水質(zhì)變化，可為大尺度濕地設(shè)計及濕地水質(zhì)模型提供技術(shù)支撐。