兼顧排澇標準與水質凈化要求的農業圩區最優水面率確定

程吉林，徐 兢，汪 靚，蔣曉紅，高 山

（1. 揚州大學水利科學與工程學院，揚州 225009；2. 江蘇省水利工程建設局，南京 210029）

0 引 言

水域作為人居環境的重要組成部分，不僅具有一定的防洪排澇功能，還能美化環境、改善區域生態環境等。隨著城鎮化進程的加速，農村地區大量的水域被侵占，隨之而來的是河溝斷面縮窄以及區域行洪排澇能力下降，水環境、水質惡化，自然景觀和生態環境被破壞等一系列問題。然而，適宜的水面具有一定的調節能力，如：坑塘湖泊防洪滯蓄的功能不僅可以增加可攔蓄水量，減少地區所產生的徑流量，使得進入河道的水量減少，提高地區防洪排澇體系的安全性；又能夠直接降解污染物、保護生物多樣性、調節氣候等，因此，維護適宜的水域面積，發揮水域的多種功能十分重要。

國內外許多學者對區域水面率的優化配置問題進行了研究。郭元裕等從工程經濟出發，運用線性規劃模型確定湖區最優水面率。丁繼輝等從防洪、抗旱、除澇等多角度出發，提出了土地開發整理項目區適宜水面率模型。Bu等采用個人電腦風暴水管理模型模擬城市降雨過程，構建未來極端淹沒情景，確定了城市地區合理的水域率。Pal等研究濕地流失、轉換的趨勢發現：河道的減少導致濕地供水不規律、農用地占用濕地導致水面率減小是環境資本縮減的主要原因。Clara等擬定危害、暴露、影響、脆弱性和風險地圖對Júcar流域區的海平面上升（Sea level rise）相關風險進行評估，研究結果表明：氣候變化導致的水面增加反而會降低沿海濕地系統中生物多樣性以及水體更新時間。盛子涵等針對圩垸地區的城市排澇問題，基于海綿城市建設理念，考慮城市內部下沉式綠地率和透水鋪裝率對降雨的集蓄和滲吸作用，構建數學模型確定水面率。以上研究均指出水面率與區域的防洪除澇、生態環境相關，但都沒有考慮到水面率與水質間的定量關系。

近年來，許多研究指出：分布于農田之間的坑塘湖泊、排水溝道等組成的分布式溝塘系統具有濕地功能，在滿足區域排水要求的同時，還具有凈化水質、改善區域生態環境的作用。Vymazal等通過調查研究表明：防止農藥輸入水體最常用的緩解技術包括田間邊緣和河岸緩沖帶、植被溝渠和濕地系統，具有自由水面的濕地對農藥的去除效果是最好的。Gregoire等研究結果表明：濕地系統能夠有效地降低農藥造成的污染及其在環境中擴散，從而減輕農業面源農藥污染。許青等指出：排水溝塘在承擔農田排水任務同時還具有削減農業面源污染和提供野生動物棲息地的功能，農田間的排水溝道是改善農業排水水質的重要場所，排水溝道具備優越的去除農業污染物的水利條件。羅紈等分別計算考慮與不考慮水力聯系2種情況下溝塘的污染物去除能力，結果表明：水質凈化作用主要集中在一些面積較大的支溝和池塘。Yang等和Gro等證明：濕地中總氮的去除服從一級推流反應動力學，濕地可作為一個不斷攪拌的反應器。Arheimer等將自然濕地在水流流速緩慢且僅在汛期排水的條件下看作一個完全混合的批量反應器，因此，氮的去除和濕地面積相關。上述研究均指出排水溝道、坑塘水面、濕地對河湖水質降解凈化有顯著作用。

針對江蘇省里下河地區的排澇和水環境問題，本文在圩區排澇工程規劃時，考慮圩內坑塘-排水溝道濕地系統的水質凈化作用，在傳統南方圩區最優水面率模型構建的基礎上，考慮圩內水體與農田面源的總氮、總磷以及化學需氧量COD去除效率等約束條件，構建了里下河圩區滿足排澇標準以及水質凈化要求的最優水面率數學模型，以期為水系發達的平原河網地區在國土整治與水利規劃中，優化排澇設計參數、減輕農業面源污染，凈化河湖水質等方面提供依據。

1 模型構建

1.1 系統概化

本文以江蘇省里下河農業圩區為研究對象。該研究系統由圩堤、圩口閘等水利工程，圩內坑塘（包括湖泊）、排水溝道（或河道）系統、農田與居民區等組成，里下河圩區現狀排澇工程及分布式溝塘系統概化見圖1。

圖1 里下河圩區分布式溝塘系統概化圖Fig.1 System generalization map of distributed ditches and ponds in Lixiahe polder area

里下河圩區水網密布，一般呈“豐”字型或“井”字型布置，外河、中心河（大溝）、生產河（中溝），農溝（小溝）等溝道系統與圩內坑塘水面（包括湖泊）組成一個排澇與分布式溝塘濕地系統，承擔圩區的排澇與水質凈化作用。垂直中心河布置生產河，相距500 m左右，生產河將圩區劃分為若干小框，每666.67 hm約10框，每框66.67 hm左右，與外河相交處建閘站，用以排水、活水，農溝間距為200 m左右，長度為500 m左右。

1.2 模型構建思路

模型構建的主要思想是當遭遇設計暴雨時，通過圩區坑塘與排水溝道水面滯蓄與泵站搶排，及時排出設計暴雨產生的徑流、不成災；當非排澇時期，農田排水系統維持日常水位可控制地下水深、防止農田漬害，同時，流動的水體（排水溝道日常流量）還能夠推動圩內坑塘和排水溝道中水體流動，利于水體水質凈化、污染物降解。

1.3 目標函數

在滿足圩區規定的排澇標準情況下，兼顧圩區坑塘水面、排水溝道系統組成的分步式溝塘濕地系統水質凈化要求，對圩區排澇工程系統進行整治優化。圩區排澇工程整治包括：坑塘整治、排水溝道改造與排澇泵站建設。由于坑塘、排水溝道工程與泵站的運行經濟壽命不一致，為此，計算分析期取泵站經濟壽命。基于上述分析，以排澇工程計算分析期內的總費用折算現值最小為目標函數。

式中為規劃區總面積，km；為每平方米坑塘的管理維護費現值（包括清淤、除草費等），元/m。為每平方米排水溝道的管理維護費現值（包括清淤、除草費等），元/m；為排澇泵站單位裝機流量的運行管理費現值（包括年大修理費提存、年維護費、職工工資及福利費、燃料動力費及其他費用），萬元·s/m；、分別為坑塘溝道整治工程與泵站的經濟壽命；為社會折現率。C、C分別為每立方米開挖、填埋河網費用，元/m；C為泵站單位裝機流量的投資折算現值，元·s/m；H、G分別為現有圩內坑塘、排水溝道系統水面率（以占圩區總面積的百分比計），%；、分別為圩內坑塘湖泊、排水溝道系統的日常平均水深，m。

1.4 約束條件

1.4.1 排澇流量與水面率的關系

水面率是指一定區域范圍內承載水域功能的區域面積占區域總面積的比率。對于遠景用地規劃為農業用地和生態旅游區的片區，按圩區設計排澇標準（分別以10年、20年一遇暴雨，雨后1天排出），采用平均排除法計算設計排澇流量，見式（5）。

式中為設計徑流深，mm；為設計排澇歷時，d；為泵站在1 d內的運行時間，h；、、和分別為坑塘湖泊、排水溝道水面、水田，旱田和非耕地的設計徑流深，mm；、、和分別為坑塘湖泊、排水溝道水面、水田，旱田和非耕地的面積，km；其余符號同前。

設圩區總面積，水田面積在圩區規劃前后保持不變。則：規劃后的坑塘水面=·，溝道系統水面=·、水 田 面 積=，旱 田 和 非 耕 地 的 面 積=-()-。

1）坑塘湖泊水面設計徑流深(，mm)

式中為設計暴雨量，mm；為坑塘滯蓄水深，mm；為排水期間坑塘的水面蒸發量，mm；其余符號同前。

2）排水溝道水面設計徑流深(，mm)

式中為排水溝道滯蓄水深，mm；為排水期間溝道水面蒸發量，mm；其余符號同前。

3）水田設計徑流深(，mm)

式中為水田滯蓄水深，mm；為水田耗水量，mm；其余符號同前。

4）旱田、非耕地設計徑流深(，mm)

根據前期影響雨量，查()～關系圖，得。

式中為徑流系數，為前期影響雨量，mm；其余符號同前。

將式（6）～式（9）和規劃后的坑塘、溝道系統水面、水田，旱田與非耕地面積代入式（5）得排澇流量與水面率、的關系。

1.4.2 水面率上下限約束

一個地區的水面與當地的自然、鄉土文化等因素有關，應根據當地國土規劃確定區域水面率的上下限：

式中、分別為坑塘和排水溝道系統總水面率的上下限；、分別為排水溝道系統水面率的上下限，其中，里下河圩區排水溝道系統的水面率一般為2%～4%（根據里下河地區國土整治高標準農田建設的排水溝道大、中、小溝統計）。

1.4.3 水質約束

水環境容量是指水體使用功能不受破壞條件下，受納污染物的最大數量。為保證區域水體使用功能不受破壞，圩區需要有足夠的容納污染物質的能力，根據國家對污染物總量控制的要求，選擇總氮（Total Nitrogen，TN），總磷（Total Phosphorus，TP），鉻的化學需氧量（Chemical Oxygen Demand of Chrome，COD）作為水環境容量的控制因子。根據一級推流反應動力學可知：污染物質經過水體凈化后的濃度見式（12）。

式中C和C分別為出水、入水污染物濃度，mg/L；為水質衰減數，d；為水力停留時間，d。

江淮地區地下水位較高，經常出現長時間的陰雨天氣，這一時期降雨形成的地下徑流量（日常流量）需要外排，否則會影響作物生長，形成漬害；同時，水體流動時，利于濕地系統對水體中雜質的降解凈化。本文的水力停留時間通過坑塘與排水溝道系統中水體的有效容積（即坑塘與溝道系統平均水深與對應水面的乘積）與日常排水流量（即農田降漬模數與對應耕地面積的乘積）之比確定，見式（13）。

式中為水體有效容積，m；為排水流量，m/s。

1）TN的去除和水面率的關系

圩區地面坡度平坦，排水不暢，日常降雨使地下水位抬升，此時，可按規定的排水線路（如圖1）排除日常流量，經過坑塘湖泊、排水溝道組成的分布式濕地系統對水質的凈化，最終流出圩區水體中TN濃度應小于水質類別對應TN的水質標準值。

式中和分別為流出、流入圩內水體TN濃度，mg/L；為TN的水質標準值，mg/L；為TN的水質降解系數，d；為農田降漬模數，m/(skm)；為耕地面積，km；其余符號同前。

2）TP的去除和水面率的關系

圩區日常排水時，按規定排水線路排除日常流量，根據相似系統氮的去除可得：最終流出圩內水體中TP濃度應小于水質類別對應TP的水質標準值。

式中和分別為流出、流入圩內水體TP濃度，mg/L；為TP的水質標準值，mg/L；為TP的水質衰減系數，d；其余符號同前。

COD的去除和水面率的關系

式中和分別為流出、流入圩內水體COD濃度，mg/L；為COD的水質標準值，mg/L；為COD的水質衰減系數，d；其余符號同前。

2 模型求解方法

模型求解是通過逐次迭代尋求目標的最值，遺傳算法就是一種解決最值類問題的智能型優化方法，本文所建立的非線性數學模型是為了求解目標函數的最小值，因此，采用遺傳算法對模型求解。遺傳算法求解本模型具體的流程見圖2。

圖2 遺傳算法流程圖Fig.2 Flowchart of genetic algorithm

本文所建立的模型中有3個決策變量，其中，決策變量的變化區間為[，]；的變化區間為[，]；決策變量通過式（5）確定。采用罰函數法對約束條件進行處理，若規劃水面率不滿足總氮（TN）、總磷（TP）以及COD的去除率約束，則構造障礙函數P（=1,2,3），如式（17）～式（19）所示。記：流出圩內水體中TN、TP以及COD的濃度表達式分別為g(，)（=1,2,3）。

如果(，)＞，則構造障礙函數：

如果(，)＞，則構造障礙函數：

如果(，)＞，則構造障礙函數：

在此基礎上，構造懲罰函數：

式中R為懲罰函數，P為障礙函數，為罰因子；其余符號同前。

依次進行選擇、交叉、變異操作和迭代，直至滿足終止條件，算法終止。

3 實例分析

江蘇省里下河洼地阜寧縣渠南灌區以平原和低洼圩區為主，經度介于119°27′49″E～119°58′22″E之間，緯度介于33°26′52″N～33°59′22″N之間，土質多為粉砂土和砂壤土，設計排漬模數（）為0.04 m/(skm)，約有195.1 km屬低洼圩區，需通過建設排澇泵站抽排，以滿足排澇、降漬要求；規劃區是處于小中河和大沙河之間的南部低洼圩區，面積約48 km，圩區現狀水面率為9.4%，其中，圩內坑塘水面率為6.2%，排水溝道水面率為3.2%；灌溉設計保證率為80%，主要河道基本達5年一遇、10年一遇的排澇標準，理論排澇模數雖然達到0.7 m/(s·km)，但圩內部分排澇泵站老化、失修現象嚴重，難以正常發揮其效益，實際排澇模數約0.65 m/(s·km)，排澇流量約30 m/s。同時，隨著社會經濟快速發展，人類活動對水系干擾加重，河道淤積、渠溝斷面縮窄等問題突出，入河污染物的來源也日益增多，圩外、圩內水體長期處于V類水質標準。因此，對阜寧渠南灌區南部圩區的排澇工程進行優化，確定圩區最優水面率與泵站設計排澇流量，提高圩區排澇標準與提升圩內水體水質、水環境。

3.1 渠南灌區最優水面率數學模型的確定

3.1.1 目標函數中參數的確定

采用工程概算指標法結合當地建筑材料行情對工程費用現值進行估算，模型中相關參數確定見表1。

3.1.2 約束條件中參數的確定

1）排除設計暴雨時，排澇相關參數的確定

20年一遇設計排澇標準時，設計代表年為2007年。設計暴雨為225.5 mm，根據當地農田水利試驗站資料得知：為30 mm、為14 mm、為460 mm、為400 mm，==6 mm。代入式（6）～式（9）計算得：為?240.5 mm；為?180.5 mm；為181.5 mm；為160 mm。

據統計，渠南灌區水稻種植區水田比例為65%，即=29.12 km。規劃后的坑塘水面=48、規劃后的溝道水面=48、規劃后的水田面積=29.12 km，規劃后的旱田與非耕地面積=18.88-48()。將計算的徑流深和規劃后的面積F′（=1…4）代入式（5）得：108102-53.050。

表1 模型中相關參數Table 1 Related parameters in model

2）日常運行時，水質降解參數的確定

低洼地區的灌區溝塘-排水溝道系統在非排澇時間，一般保持日常水位，以保證農田降漬、滯澇蓄水、養殖等一種或多種功能。本文選取里下河地區渠南灌區枯水季節11月的水質為代表，進行典型分析，確定日常排水時的相關水質參數。其中，污染物初始濃度以及IV類水的水質標準值根據文獻[23]確定；水質降解系數根據文獻[24]和中國環境規劃院制定的《全國地表水水環境容量核定技術復核要點》確定，具體取值見表2。

表2 渠南灌區11月水質相關參數Table 2 Relevant parameters of water quality in Qunan irrigation district in November

3.2 結果與分析

3.2.1 灌區優化模型

根據3.1節相關參數計算可得渠南灌區優化模型

采用遺傳算法對模型進行求解得：坑塘水面率=8.15%，排水溝道水面率=3.17%，排澇流量=41.01 m/s，對應的排澇模數為0.86 m/(s·km)，工程總費用現值為56.411百萬元。將圩內現狀情形下的排澇參數和水質類別同規劃情形下的參數進行對比，結果見表3。

綜上，當規劃規劃總水面率為11.32%，其中：坑塘水面率為8.15%、溝道水面率為3.17%，設計排澇模數為0.86 m/(s·km)時，圩區可達20年一遇設計排澇標準；圩內水體可達到IV類水標準。

表3 圩內現狀水面與規劃水面下排澇相關參數及水質類別Table 3 Waterlogging related parameters and water quality categories of present and planned water surface in polder area

3.2.2 現狀灌排系統情況與基于暗管排水高標準農田模式下工程系統的優化

1）高標準農田建設，如果依然采用明渠灌溉、明溝排水方式，即溝道系統水面率保持3.20%不變。當坑塘水面率為8.15%，總水面率為11.35%時，工程建設總費用最小；圩區可達20年一遇設計排澇標準，圩內水體可達到IV類水標準。

2）塑料暗管排水技術能夠有效防止農田漬害、提高作物品質、保證農業機械及時下田耕作等優點，是世界公認的低洼地區高標準農田建設發展的方向。如果渠南灌區高標準農田建設推廣塑料暗管排水工程，采用文獻26的田塊、暗管布置模式（一級暗管，布置暗管后，田間排水明溝僅僅承擔排澇任務、不再承擔降漬與農田地下水位控制功能），即田塊規格為180 m×360 m。以此推算，規劃區內的溝道系統水面率僅為1.4%。當總水面率為13.75%，坑塘水面率為12.35%時，規劃區達到20年一遇排澇設計標準，圩內水體可達到IV類水標準。

3）總水面率相同，溝道水面率分別為3.2%（情形1）、1.4%（情形2）時對應污染物的去除率與不同排澇設計標準對應的排澇模數，見表4。

由表4可知：隨著總水面率增加，圩內水體滯蓄澇水能力增強，排澇模數逐漸減小；但當總水面率相同時，坑塘水面率越大，對應的排澇模數越小，圩內坑塘水體承擔著主要排澇作用。隨著總水面率增加，水體對污染物的吸附、降解能力增強，TN、TP、COD的去除率增加；但當總水面率相同，坑塘以及溝道水面率占比不同時，對應的TN、TP、COD去除率不同，水面的分布一定程度上影響了水體對污染物的截留、凈化。

4）繪制情形1、情形2下污染物去除率，見圖3。

由圖3可知：在總水面率相同時，情形1對應污染物的去除率比情形2高；但隨著總水面率增加，情形1、情形2對應TN以及TP的去除率差值逐漸減小，說明隨著水面率增加，坑塘（湖泊）對污染物的凈化作用增強。因此，在總水面率一定時，可適當增加圩內的坑塘面積，減小溝道系統面積，推廣基于暗管排水的高標準農田模式，具有現實意義。

表4 不同排澇標準與水面率下排澇模數和污染物去除率Table 4 Drainage modulus and pollutant removal rate under different drainage standards and water surface ratio

圖3 不同水面率下污染物的去除率Fig.3 Removal rate of pollutants under different water surface ratio

本文采用情形1下的溝道水面率，即保持溝道水面率為3.2%不變，增加坑塘水面率的工程模式，可提升圩區的防洪除澇與水質凈化能力。

4 結 論

本文構建了兼顧圩區排澇與水質要求的非線性數學模型，采用遺傳算法進行求解，并對江蘇省里下河地區渠南灌區進行實例分析。當圩內總水面率為11.35%，其中坑塘水面率為8.15%、溝道系統水面率為3.20%，設計排澇模數為0.86 m/(s·km)時，圩區的排澇能力以及水質類別均有提升，排澇標準由5年一遇、10年一遇提高到20年一遇，水質類別由V類水提升為IV類水。該研究方法為水系發達的南方平原河網地區在國土整治與水利規劃中，改善土地利用結構、優化排澇設計參數、減輕農業面源污染、凈化河湖水質等方面提供一條新的途徑。

本文在模型構建中采用了一級推流方程來描述農田排水中污染物的降解過程，這雖然是一種簡化處理，但是對于污染物濃度相對穩定的農業污染，可以很好地描述污染物的動態變化。另外，本文將坑塘與溝道系統組成的河網水系看作是濕地系統，并沒有考慮兩者降解能力的差別，將水體對污染物的物理、化學和生物凈化作用概化為水質綜合衰減系數，用以反映污染物在水體中的降解速率。其實，坑塘系統的分布及形態、水生植物的配置等都會影響圩區的排澇與水質凈化能力，后續研究可就坑塘與溝道降解能力開展試驗測定，分析坑塘與溝道系統的生態功能。