基于土壤微环境分层的平原水稻灌区磷污染模型(7) - 灌溉排水学报杂志社投稿

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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(7)

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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。

当田面有水层但无排水或无水层时，稻田土壤水运动过程均可简化为二维垂向土壤水动力学问题，模型利用Richards方程[20]计算

（3）

式中h为土壤压力水头，cm；z为垂向距离，向下为正，cm；K(h)为土壤非饱和水力传导度，cm/min；C(h)为比水容量，cm。选用水流和溶质运移模拟软件（HYDRUS）提供的van Genuchten-Mualem公式[21]计算土壤水力特性参数。

由于水稻田犁底层具有较强的阻水作用，本文暂不考虑犁底层向底土层和地下水的垂直下渗作用，只考虑犁底层的侧渗作用。在耕作层仅考虑向犁底层的垂直入渗，侧面为零通量边界。田面存在淹没水层时，C(h)=0，K(h)=Ks，Ks为土壤饱和水力传导度，cm/min。无淹没水层时，采用蒸发强度作为上边界。

稻田地表排水根据排水沟道汇流顺序汇入各级排水沟道，排水在沟道水流演进采用略去惯性项和压力项的一维圣维南方程[22]模拟。

1.2 磷的迁移转化过程

水稻在不同生育期需水状况不同，导致水田呈现干湿交替的水土环境，从而影响稻田的磷转化运移过程。干湿交替会造成稻田土壤水土界面有氧-无氧环境频繁变化，而磷转化的生物化学过程又受到有氧-无氧环境的强烈影响，因此需要考虑土壤和水层、有氧层与无氧层之间的界面效应。根据土壤中含氧量差异将稻田土壤分为有氧层和无氧层。一般河道沉积物有氧层为地表以下3 mm厚[23]，但水稻土壤有氧层可以取1 cm[24]，无氧层取有氧层以下30 cm厚。在田面积水和无人为干扰的情况下，有氧层和无氧层的厚度保持不变，但田面无淹没水层时，有氧层会随着土壤含水层下降而下降。本研究提出的稻田土壤磷转化过程见图1。

注：R1为施肥磷通量；R2、R3分别为有氧层和上覆水、有氧层和无氧层的磷扩散通量；R4为颗粒混掺磷通量；R5为稻田磷衰减通量；R6、R7分别为水体层向有氧层、有氧层向无氧层的磷渗透通量；R8为灌溉水携带磷通量。Note:R1is Phosphorus (P) flux by fertilization;R2andR3are the P diffusion flux between aerobic layer and water layer, aerobic layer and anaerobic layer, respectively;R4is particle mixing P flux;R5is P attenuation flux in water layer;R6andR7are the P infiltration flux from water layer to aerobic layer and aerobic layer to anaerobic layer, respectively;R8is P flux by irrigation.图1 基于土壤微环境分层的磷转化迁移模型示意图Fig.1 Schematic diagram of phosphorus transformation and migration model based on soil microenvironment sub-stratification

1.2.1 磷在稻田的循环过程

由图1可以看出，磷在稻田的循环由外界输入、各层之间的交换、水层的生化衰减反应3部分构成。磷在各层之间的交换主要包括3个过程：水体之间的扩散作用、生物扰动造成的颗粒混掺、渗透作用。

1）磷的来源主要是施肥、降雨灌溉外界带入，施入土壤中的有机磷肥或动植物残体的有机磷在微生物的作用下会产生矿化分解变成无机磷，主要是正磷酸盐。施肥和灌溉带入的磷通量分别用R1、R8表示。

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