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基于土壤微环境分层的平原水稻灌区磷污染模型(11)
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摘要：注：SMS表示土壤微环境分层。Note: SMS represents soil microenvironment sub-stratification.图6 试验田淹水层及土壤水磷浓度垂向分布验证Fig.6 Verification of vertical distri
注：SMS表示土壤微环境分层。Note: SMS represents soil microenvironment sub-stratification.图6 试验田淹水层及土壤水磷浓度垂向分布验证Fig.6 Verification of vertical distribution of phosphorus concentration in surface water and soil water in experimental field
图7 典型支沟排水流量验证Fig.7 Verification of drainage discharge of typical ditches
图8 典型支沟排水总磷浓度验证Fig.8 Verification of drainage TP concentration of typical ditches
3.2.4 模型参数率定和模拟效果评价
经过参数敏感性分析，磷污染模型主要对表3中所列参数较为敏感。为取得最好的模型验证结果，率定的参数取值如表3所示。采用Nash-Suttcliffe效率系数（NSE）、RMSE和R2作为模型模拟效果的评价指标，可得模型对灌区的水文水质模拟效果见表4。可见，水文模块的NSE、R2均大于0.82，水质模块的NSE、R2均大于0.81。模型性能总体上在预期之内，考虑到流域面积和土地使用的复杂性，模型效率大于0.8被认为是可以接受的。灌区磷污染物模型模拟结果可以反映水稻生育期间灌区水分运动和污染物迁移过程，模拟结果可靠。
表3 模型参数率定结果Table 3 Calibration results of model parameters类别Category参数名称Name of parameter参数描述Description of parameter取值Value 径流 RunoffKc作物系数0.83～1.2 CN非水田径流曲线数84 n斗沟/支沟曼宁糙率0.028 / 0.018 Is土壤各层饱和渗透率，mm·d-12 / 0.1 / 2 总磷 TPKL01有氧层传质系数，m·d-10.185 KL02无氧层传质系数，m·d-10.161 IL01渗漏传质系数，m·d-10.002 ω12混掺速率，m·d-10.126 Kf稻田磷衰减系数，d-10.4 Kd排沟磷综合衰减系数，d-10.95
表4 模型水文水质模拟效果评价Table 4 Evaluation on performance of model hydrology and water quality模块Modular模拟变量Simulated variableNash-Sutcliffe效率系数Nash-Sutcliffe efficiency coefficient (NSE)决定系数Coefficient of determination (R2)均方根误差Root mean square error (RMSE) 水文Hydrology试验田水深Depth of experimental mm 试验田排水流量Discharge of experimental m3·h-1 一排流量Discharge of 1st m3·s-1 七排流量Discharge of 7th m3·s-1 水质Water quality试验田总磷浓度TP concentration of experimental mg·L-1 一排总磷浓度TP concentration of 1st mg·L-1 七排总磷浓度TP concentration of 7th mg·L-1
3.3 灌区磷污染负荷模拟统计
灌区2018年5—9月水稻田的磷产出负荷根据区域内水稻田的排水量和磷浓度过程计算，磷渗漏输出负荷根据各子流域渗漏量和渗漏磷浓度计算得到，并据此分析各个生育期的磷输入输出量，如表5所示。分蘖期和拔节孕穗期径流输出负荷分别为0.85 kg/hm2和0.60 kg/hm2。分蘖期由于降雨导致磷输出负荷较大，拔节抽穗期虽排水较多，但是经过分蘖期排水的冲刷，排水磷浓度较小，输出负荷较分蘖期小。其他生育期无排水。但泡田期和分蘖期渗漏输出负荷最大，分别为0.11 kg/hm2和0.16 kg/hm2。主要是由于基肥和早施穗肥导致土壤水浓度较高所致。水稻生育期内通过排水和渗漏流失的磷为1.88 kg/hm2，约占施肥和灌溉磷输入的5.7%。各主要排水支沟控制农田地表排水负荷、渗漏输出负荷及排沟末端输出负荷如图9所示。由图可以看出灌区一排和四排输出的磷负荷总量最大，分别为1.40 t和1.39 t。这是因为一排和四排控制面积较大，水田和居民点较多，污染物输出大于其余排水支沟。
表5 水稻生育期内磷的输入输出平衡Table 5 Balance of phosphorus input and output during growth stages of rice kg·hm-2磷平衡Phosphorus balance输入输出方式Mode of input and output泡田期Ponding stage返青期Reviving stage分蘖期Tillering stage穗期Heading stage乳熟期Milky ripening stage黄熟期Yellow ripening stage总计Total 磷输入Phosphorus input施肥Fertilization..5 灌溉.50 合计 .0 磷输出Phosphorus output径流排水.45 渗漏 合计
图9 和平灌区2018年5—9月各排水支沟及控制区域磷负荷Fig.9 Phosphorus load of each ditch and controlling subarea in Heping Irrigation District from May to September, 2018
4 结 论
1）本文构建了适合平原灌区的非点源磷污染机理模型，该模型考虑水稻田实际水文循环过程和基于土壤微环境分层的磷运移过程，建立的水分运动方程和磷迁移转化方程比较符合平原灌区实际情况，能准确模拟平原水稻灌区的水量和水质变化。
2）利用黑龙江省和平灌区2018年试验田土壤水、积水层排水和典型支沟的排水流量、总磷浓度过程对模型进行率定与验证，试验田积水水深、排水、一排和七排径流量模拟效果指标Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.967、0.980、0.820和0.861，决定系数分别为0.976、0.981、0.815和0.877；试验田、一排和七排排水磷浓度模拟效果指标Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.811、0.890、0.826，决定系数分别为0.821、0.930、0.910，所有指标均大于0.81，模拟效果较好，表明该模型适用于以水稻为主要作物的平原灌区。
文章来源：《灌溉排水学报》 网址: http://www.ggpsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0127/492.html