基于土壤微环境分层的平原水稻灌区磷污染模型(9)

本文所列偏微分方程均采用隐式有限差分方法进行离散，并给出初始条件和边界条件求解计算域内所有变量。

2 研究区概况

和平灌区位于呼兰河流域的呼兰河冲积平原上，灌区大部分面积属于庆安县，少部分属于铁力市，灌区总面积约为6 700 hm2。灌区位置和主要水系如图2所示，和平灌区和劳模灌区分别位于呼兰河两岸。和平灌区地理坐标为127°17'～127°49'E，46°34'～47°07'N。庆安县属于中温带半干旱半湿润的大陆性季风气候，灌区多年平均降水量545.3 mm，变化范围在450～700 mm之间，降水年际年内分配不均，空间分布趋势是由东北向西南递减。该区蒸发量及其时空分布变化较大，多年平均水面蒸发量为664.5 mm。

和平灌区的种植作物95%以上为水稻，灌区水稻生育期为5—9月，期间施基肥、分蘖肥和穗肥，具体情况见表1。该区为自流引水灌区，灌区从呼兰河及安邦河、拉林清河等支流引水，灌区内有1条干渠，18条支渠，10条排水支沟，但9排和10排位于井灌区，生育期基本无排水，本文模拟未考虑。

注：为保持汇水流域完整性，除和平灌区外，图中流域还包括了呼兰河西北侧的劳模灌区。Note: In order to maintain the integrity of the catchment basin, in addition to Heping Irrigation District, the map of basin also includes Laomo Irrigation District on the northwest side of Hulan River.图2 和平灌区位置和监测站点Fig.2 Location of Heping Irrigation District and monitoring stations

表1 和平灌区水稻生育期及施肥制度Table 1 Growth stage and fertilization of rice in Heping Irrigation District生育期Growth stage时段Period施肥Fertilization 泡田期Ponding stage05-01—05-25泡田前施氮磷钾复合肥200～225 kg·hm-2，尿素112.5 kg·hm-2 移植返青期Transplanting and reviving stage05-26—06-06返青后灌第一次水时施硫铵52.5 kg·hm-2 分蘖初期Early tillering stage06-07—06-18肥药结合处理，施尿素9～12 kg·hm-2 分蘖中期Peak tillering stage06-19—07-08施氮磷钾复合肥105～150 kg·hm-2 分蘖末期Later tillering stage07-09—07-15 拔节孕穗Booting stage07-16—08-01 抽穗开花 Heading to flowering stage08-02—08-14 乳熟期Milky ripening stage08-15—08-27 黄熟期Yellow ripening stage08-28—09-20

为了解灌区土壤背景属性及其空间异质性分布，在整个灌区中选取了44个典型采样点，分别取表层0～20 cm土壤样品回实验室进行测定。土壤质地和背景资料见表2。实测数据显示，研究区土壤机械组成差异较小，根据美国制分级标准，灌区土壤基本为粉壤土。土壤总磷平均质量分数约为0.80～1.08 g/kg，东北部总磷背景含量较高，整体趋势向西南递减。土壤有效铁的空间差异性较大。

表2 和平灌区农田土壤的基本性质Table 2 Properties of farmland soil in Heping Irrigation District控制区域Control area颗粒组成Particle composition/%土壤质地Soil texture总氮Total nitrogen(TN)/(g·kg-1)总磷Total phosphorus(TP)/(g·kg-1)有机质Organic/%有效铁Effective iron/(g·kg-1) <0.002 mm0.002～0.02 mm0.02～0.05 mm>0.05 mm 一排1st ditch11.粉壤土1. 二排2nd ditch11.粉壤土1. 三排3rd ditch11.粉壤土1. 四排4th ditch11.粉壤土1. 五排5th ditch10.粉壤土1. 六排6th ditch12.粉壤土1. 七排7th ditch11.粉壤土1. 八排8th ditch12.粉壤土1.

3 模型应用

3.1 模型构建与数据来源

灌区磷污染物模型采用的基础数字高程模型（DEM）是SRTM 90 m精度的数据（图3a）。借助GIS平台根据DEM高程图和人工burn-in[33]功能生成符合灌区实际渠系情况的河网，将灌区调研的实际河网叠加在已有的DEM上，保持河道所在栅格的高程值不变，而将其他非河道所在位置的栅格整体增加一个微小值，加大河道所在栅格和周边栅格之间的坡度，使得河道所在栅格的汇水能力增强，提高河道提取的准确程度。土地利用采用2010年黑龙江省遥感土地利用数据（图3b）。土壤类型分布采用南京土壤所1∶100万土壤空间数据，并利用灌区采样数据进行修正（图3c）。将模型基础数据导入ARCSWAT软件划分水文响应单元和子流域，本流域共划分出64个子流域（图3d）。为保持汇水流域完整性，除和平灌区外，DEM及流域划分还包括了呼兰河西北侧的劳模灌区（见图2和图3），但本研究数据分析仅含和平灌区模拟数据。气象数据来自黑龙江省水科院提供的庆安县气象站资料，数据系列时间长度2000—2018 年，数据主要包括逐日的观测数据，包括最高气温、最低气温、降水、相对湿度、风速和日照时数等。此外，和平灌区试验田气象数据采用试验站小型气象站的2015—2018年数据。灌区各子流域灌溉数据利用和平灌区灌溉定额和轮灌制度拟定。

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