城市径流治理中自由水面人工湿地的水动力与水质模拟研究——以Tancat de la Pipa湿地为例

《Ecological Modelling》：Hydrodynamic and water quality modelling of a free water surface constructed wetland for urban runoff mitigation

本研究针对合流制溢流（CSO）导致的湖泊富营养化问题，以西班牙阿尔布费拉自然公园的Tancat de la Pipa自由水面人工湿地（FWSCW）为研究对象，开发了基于COMSOL Multiphysics?的水动力与水质模型。研究发现，三并联串联釜（3P-nTIS）模型最能准确模拟湿地水文动态，揭示了湿地通过冲刷、硝化（NH4+-N去除）和沉降（TSS去除）等机制有效缓冲CSO污染峰值，为优化湿地设计以应对多变 inflow 条件提供了科学依据。

　　

在地中海沿岸的阿尔布费拉自然公园，一片曾经用于水稻种植的土地经过生态修复，摇身一变成为占地40公顷的Tancat de la Pipa人工湿地（TPCW）。这片湿地肩负着改善阿尔布费拉湖（Albufera Lake）水质的重任。阿尔布费拉湖曾是一个生物多样性丰富的纯净水体，但自20世纪70年代以来，由于城市扩张、工业发展和集约农业，湖泊水质严重恶化，如今已成为一个以蓝藻为主、缺乏沉水植被的超富营养化系统。更严峻的挑战来自于城市区域。在强降雨期间，城市合流制排水系统（Combined Sewer Systems）常常不堪重负，导致未经充分处理的雨水和生活污水混合物——即合流制溢流（CSO）——直接排入水体。CSO是水生生态系统的重要污染源，会带来大量的营养物质（如氮、磷）和悬浮固体（TSS），加剧水体富营养化，导致生物多样性丧失。尽管TPCW并非最初为控制径流而设计，但长期的月度监测发现，降雨事件后其进水中的总磷（TP）和氮浓度会偶尔升高，这暗示了它可能具备处理CSO污染的潜力。然而，由于湿地水力停留时间（HRT）长达数天，而进出水采样在同一天进行，使得准确追踪污染物的运移和滞留动态变得困难。为了解开这些谜团，来自西班牙瓦伦西亚理工大学水与环境工程研究所（IIAMA, UPV）的研究团队开展了一项深入研究，其成果发表在《Ecological Modelling》上。

研究人员利用先进的有限元仿真软件COMSOL Multiphysics?，为TPCW的一个子区域（F4区）构建了水动力和水质模型。由于TPCW位于受保护的自然公园内，无法使用传统的化学示踪剂（如锂、溴、荧光染料），研究巧妙地利用电导率（EC）作为天然示踪剂来估算HRT和评估水流行为。EC与污染物浓度（如PO₄^3--P和NH₄⁺-N）呈负相关，是追踪污染峰值的有效指标。在2023年2月至2024年11月期间，研究团队监测了23场降雨事件，在主要进水点（PC和BP）安装了自动采样器，并在湿地出水点（LE-1）进行了密集的人工采样，分析了包括化学需氧量（COD）、总氮（TN）、铵态氮（NH₄⁺-N）、总磷（TP）、总悬浮固体（TSS）等关键水质参数。

模型构建与验证

研究团队测试了三种简化的水动力模型来模拟F4子区的流动 dynamics：连续搅拌釜反应器（CSTR）模型、串联釜（nTIS）模型以及三并联串联釜（3P-nTIS）模型。CSTR模型假设完全混合，但模拟效果不佳（NSE=0.38），无法捕捉EC的实际波动。nTIS模型随着串联釜数量（n）的增加，性能得到改善，在n=3时达到最佳（NSE=0.90）。然而，最能代表F4区物理结构（三个平行处理单元）的3P-nTIS模型表现最为出色，当n=4时，其纳什效率系数（NSE）达到0.92，均方根误差（RMSE）为33.80 μS/cm，决定系数（R2）为0.94。该模型成功再现了不同降雨事件（如用于校准的Event 1和用于验证的Event 7）中的EC变化，证实了其可靠性。模型还考虑了湿地高盐度沉积物对水柱EC的影响，通过引入基于菲克第一定律的盐分扩散过程进行修正。

水动力模拟结果

水动力模拟揭示了F4子区的复杂流动特性。3P-nTIS模型显示，进水在三个平行单元（SC, SM, SL）中的分配并非均等，而是呈现动态变化。在降雨期间，流量更倾向于通过SM单元（平均约占60%），这种流动分配的不均匀性有助于解释湿地的实际水力行为。通过分析入口和出口EC最低值出现的时间差（峰峰值时间，P2P），研究评估了水的实际传输时间。在Event 1（流量2505 m3/d）中，模拟的P2P时间为2.32天，占理论水力停留时间（nHRT=3.1天）的75%。当流量增大时（Event 7，流量4925–7430 m3/d），P2P时间缩短至1.68天，符合高流速下停留时间减少的预期。

水质模拟结果

在验证了水动力模型的基础上，研究人员将其应用于水质模拟，重点关注TSS和NH₄⁺-N的去除。

TSS的去除主要通过沉降过程模拟，采用一阶动力学方程。模型校准得到的沉降速率常数（k_s）为0.73 d^-1。模型成功捕捉了降雨后TSS浓度的上升峰值及其随后的下降过程（NSE=0.78, R2=0.94），表明沉降是TSS去除的主导机制。

NH₄⁺-N的去除则通过一个温度依赖的一阶硝化动力学模型来模拟，该模型考虑了溶解氧（DO）的影响。校准得到的硝化速率常数（k_nit，20°C下）为0.35 d^-1，落在文献报道的典型范围内。模型对NH₄⁺-N浓度的模拟也取得了良好效果（NSE=0.84, R2=0.90）。

质量平衡与污染削减机制

通过对Event 1应用3P-nTIS (n=4)模型进行质量平衡分析，研究清晰地揭示了TPCW缓冲CSO污染峰值的主要机制。对于NH₄⁺-N，进入系统的总负荷中，约57%通过出水被冲刷出系统，31%通过硝化作用被转化，13%在系统内积累。这表明，在强降雨带来的高水力负荷下，冲刷（washout）是铵态氮去除的主导过程，而硝化作用仍然扮演了重要角色。对于TSS，情况则截然不同，沉降是绝对主导的去除机制，去除了约78%的进水负荷，仅有17%随出水排出，5%在系统内积累。这些发现表明，尽管TPCW并非为径流控制而设计，但其结构和内在过程使其能够有效缓冲CSO排放带来的污染冲击，特别是在削减TSS方面效果显著。

研究结论与意义

本研究得出结论：简化的水动力和水质模型，特别是能够反映湿地实际空间结构的3P-nTIS模型，可以有效地模拟自由水面人工湿地在处理合流制溢流时的水文和污染去除动态。TPCW通过其水力配置和内部生物地球化学过程，展现了强大的污染峰值缓冲能力，其中TSS的去除主要依靠沉降，而NH₄⁺-N的去除则是由冲刷和硝化共同作用。

这项研究的意义在于，它强调了自然湿地和人工湿地在城市雨水管理，特别是CSO控制方面的巨大潜力。在土地资源允许的城郊或农业区域，利用或构建此类湿地系统，可以作为传统灰色基础设施（如大型调蓄池）的一种有效、可持续的补充或替代方案。研究所开发的模型为优化湿地设计和管理提供了有价值的工具，有助于预测湿地在不同降雨和污染负荷下的表现，从而最大化其生态系统服务功能，为改善受纳水体水质、缓解富营养化提供了科学依据和实践路径。