基于土壤微环境分层的平原水稻灌区磷污染模型

0 引 言

水体污染已经成为当今社会人类面临的主要环境问题之一，其中磷污染是造成水体富营养化的主要限制因子，为解决这一难题，各国都在控制营养物质的来源上投入了大量的人力财力。大量的研究结果表明[1-2]，农业非点源已经成为当今水环境的主要污染源。但农业非点源污染具有形成过程随机性大、影响因子复杂、分布范围广、危害大且产生机理模糊等特点，由此导致模拟和控制非点源污染难度较大。

定量化表征非点源污染负荷及过程是水环境污染治理的重要基础工作。目前，模拟具有一定坡度的流域非点源污染模型比较完善，出现了SWAT（Soil and Water Assessment Tool）[3-4]、HSPF（Hydrological Simulation Program-Fortran）[5-6]、SWRRB（Simulator for Water Resources in Rural Basins）[7]、AGNPS（Agricultural Non-point Source Pollution）[8-9]、ANSWERS（A Real Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation）[10-11]等一系列模型，但针对平原灌区的非点源污染模型较少，大多数都是基于以上流域模型进行改进。仕玉治等[12]根据水量平衡方程和水稻田的灌溉方式修改了SWAT模型的自动灌溉技术，模拟努敏河流域长阁灌区径流量的效果较好；郑捷等[13]在考虑灌区实际渠道的基础上对子流域划分以及作物耗水量计算模块等方面进行了改进，成功地应用于汾河灌区的水量平衡模拟；胡文慧等[14]根据汾河灌区实地的灌溉施肥调查资料以及实测的总氮、总磷、水文站监测数据构建SWAT模型，模拟了汾河灌区径流和污染物负荷。SWAT模型虽然已有应用于平原灌区的案例，但大多都采用模拟自然流域的SCS（Soil Conservation Service）径流曲线法模拟产流，或者仅考虑农田灌溉的人为影响调整灌溉模块，并未考虑灌区作物实际排水模式，比如现行节水政策下水稻田的控制灌溉或干湿交替灌溉等。所以上述模型在平原水稻灌区人为管理下的水分运动过程模拟中仍显能力不足，更影响了水文驱动条件下的污染物迁移过程。

此外，对于磷污染物迁移模块，一般非点源模型只考虑其质量守恒和浓度平衡[15-16]，计算其平均输出负荷，并没有考虑磷的动力迁移过程。然而水稻生育期内干湿交替引起的土壤氧化还原条件变化较大，土壤磷素在有氧和无氧变化环境下的生化反应过程差异较大，在上述模型中均未得到体现。因此，需要建立适合平原水稻灌区水分运动及磷污染过程机理的模型，以准确定量地模拟磷在水稻生育期内的迁移转化过程，从而为评价平原水稻灌区磷污染对流域水环境的影响打下基础。本研究建立基于土壤微环境分层的非点源磷污染模型，定量表征磷污染物在水土、土壤有氧和无氧分层界面的迁移转化规律，并将模型应用于黑龙江和平灌区非点源磷污染过程的模拟。

1 灌区磷污染模型原理及构建

1.1 水文模块

水分运动为污染物提供迁移的介质和能量，水文路径同时也是污染物迁移的路径，合理并准确描述水文过程直接影响整个模型模拟结果[17]。与SWAT、HSPF模型相似，根据灌区地形、土壤和水文特征将区域划分为若干个水文响应单元，在每个单元内根据天然降雨和灌溉制度模拟地表水和土壤水的运动过程。

水稻田可能存在有和无淹没水层2种情况。当田面有淹没水层且有排水时，田块地表水流运动可用一维水动力学水流运动控制方程[18]描述

（1）

式中H是田面淹没水层深度，m；P和i分别是水稻田降雨强度和入渗率，m/s；ET是水稻田蒸发蒸腾强度，m/s，其中，ET0利用联合国粮农组织推荐的FAO-56 Penman-Monteith[19]公式计算，Kc是作物系数；t是时间，s；x是水流推进距离，m；u是田面垂向平均流速，m/s，其中，q是田面水层运动的单宽流量，m2/s，由稻田的入流（灌溉）和出流（排水）的边界条件确定。

1）田间灌溉

当稻田处于灌溉入流状态时，上游边界条件给定单宽流量；灌水停止后，给定单宽流量。

2）田间地表排水

当稻田淹没水层深度小于各生育阶段对应的田间最大蓄水深度时没有排水，单宽排水流量。仅当田间淹没水层超过最大蓄水深度时，才会通过排水堰进行排水。单宽排水流量为

（2）

式中是田面单宽排水流量，m2/s；是水稻不同生育期的堰高，m；B是与水流推进方向垂直的田块宽度，m；C是随H变化的系数，三角堰自由排水时一般取1.4。由于是H的函数，又影响田间水层深度，需要与式（1）联立求解。

文章来源：《灌溉排水学报》 网址: http://www.ggpsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0127/492.html