基于土壤微环境分层的平原水稻灌区磷污染模型(5)

试验田积水层及排水的磷浓度模拟结果与实测结果对比如图5所示。磷浓度变化主要受施肥影响，图5a中5月和7月2个峰值是由于基肥和穗肥释放到上覆水中所致。灌溉水的水质对积水层的磷浓度也有一定影响，在曲线中形成一些小凸起。因田间排水是间断性的，排水浓度的模拟值和实测值散点图（图5b）也显示出了很好的相关性。

模型还模拟了田块不同土壤层颗粒物和孔隙水中磷的浓度分布，图6所示为分蘖期和拔节孕穗期土壤水可溶磷浓度分布结果。同时，将不考虑土壤微环境变化的模型模拟结果与本模型模拟、实测结果进行了对比。两模型的主要区别是不考虑微环境变化的模型中不考虑各层土壤溶解氧和pH值的差异，所以模型中磷在不同层土壤—水中的分配系数是相同的，且不随时间发生变化。由图6可知，不考虑土壤微环境变化模型对耕作层下部（无氧层）水中磷浓度是低估的，而对有氧层土壤水和上覆水中磷浓度是略微高估的。图6中均方根误差（RMSE）和决定系数（R2）表明本模型给出了与原位实测结果更接近的结果，可见考虑土壤微环境变化及分层对磷污染模拟是必要的。

图4 田面积水深度和排水流量验证Fig.4 Verification of ponded water depth and surface runoff discharge in paddy field

图5 试验田积水层及排水的总磷浓度验证Fig.5 Verification of total phosphorus (TP) concentration of ponded water and drainage in experimental field

3.2.3 灌区区域尺度模型验证

灌区典型排沟一排和七排的排水过程与实测排水量对比如图7所示。由图可以看出，一排、七排排水流量峰值较一致，分别是6月29日、7月13日、7月20日、以及7月25日，以上几次峰值都是由于降雨较多产生的集中排水流量较大。一排和七排的排水总磷（TP）浓度与实测浓度对比如图8所示。区域排水中TP浓度波动较大，整体呈波动减小趋势，第1次峰值是由于基肥施用后首次由于降雨造成田块排水形成的径流携带了较多的磷，第2次峰值是6月下旬早施穗肥后降雨产生的排水携带了一定量的磷，经过几次排水的冲刷，磷流失较多，后期没有施用磷肥，因此排水中的磷含量平稳的减小。

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。

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