一维均质与非均质土柱中溶质迁移的分数微分对流-弥散模拟

分数微分对流-弥散方程(FADE)是模拟溶质迁移问题的新理论,但应用FADE来模拟溶质迁移时能否克服弥散的尺度效应尚待验证。利用长土柱实验资料结合FADE的解析解拟合推求FADE的弥散系数,并分析其与尺度之间的相关关系。研究结果表明,FADE的弥散系数具有随尺度增大而增大的现象,且均质土柱中FADE的弥散系数尺度效应小于非均质土柱中弥散系数尺度效应。在均质土柱中,弥散系数与尺度之间成指数相关关系,在非均质土柱中,弥散系数与尺度之间成幂相关关系。考虑了弥散系数分别与迁移时间和迁移距离呈线性递增两种相关关系,进而分别构建了3种考虑弥散尺度效应的FADE模型,并提出了求解的差分方法。利用上述3种考虑弥散尺度效应的FADE来模拟和预测不同空间位置处的溶质迁移过程。结果表明,对均质土柱中的溶质迁移可得到较好的模拟结果;对于非均质土柱,其模拟结果与实测结果仍然存在一定的差异。

非均质土柱中溶质迁移的连续时间随机游走模拟

非均质介质中溶质迁移往往出现非费克现象,传统的对流弥散方程(ADE)则难以较好地描述这种现象。采用连续时间的随机游走理论(CTRW)研究1 250 cm长一维非均质土柱中溶质运移问题,探讨CTRW模型中参数及非费克迁移的变化特征。研究结果表明,β值的大小与介质的非均质特征有关,非均质性越强,β值越小,但β值具有相对的稳定性,然而ADE的弥散系数则具有随尺度增大而增大的现象。对于介质非均质性较强和非费克现象较明显的溶质穿透曲线,尤其是在拖尾部分,与ADE相比,CTRW具有较高的模拟精度。

密度驱动条件下饱和介质盐分迁移规律

为探究一维饱和介质中考虑密度驱动条件下的盐分迁移规律,在室内开展了从土柱顶端释放NaCl盐溶液的密度驱动下盐分迁移试验,结果表明:浓度为100 g/L的盐溶液从顶部释放后仅720 min土柱底部浓度即达到最大值;土柱顶部释放的盐分浓度越高密度驱动效果越明显,迁移到土柱底部(深度70~100 cm)的盐分含量占比越高;释放盐分浓度为6、12、40、60、100、150 g/L时底部盐分含量占比分别为33.3%、36.7%、38.0%、40.0%、40.2%、47.1%。为对比密度驱动和浓度弥散作用下的盐分迁移规律差异,开展了从土柱底部释放高浓度盐溶液的反向弥散试验,结果表明:试验期内密度驱动对盐分迁移的影响效果远大于浓度弥散作用,试验进行30 d后弥散作用仅对土柱底部20 cm范围内的浓度分布产生影响;底部释放盐分浓度越高,向上的弥散通量越大,但对浓度的重分布影响不明显,浓度为6、40、60、100 g/L的NaCl溶液试验进行15 d后土柱底部20 cm范围内含盐量占比依次增大,分别为37.5%、62.4%、72.7%、82.7%。该研究量化分析了在密度驱动和弥散作用下盐分的迁移规律,可为干旱灌区盐分平衡规律的研究提供一定的理论依据。

基于阈值特征-机器学习的青铜峡灌区多年种植结构识别

【目的】基于阈值特征-随机森林算法对青铜峡灌区多年种植结构进行识别。【方法】以青铜峡灌区为研究对象,在实地调研和目视解译的基础上,基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine)平台,采用阈值特征-随机森林方法识别2013—2020年青铜峡灌区主要粮食作物(春小麦、春玉米、水稻)的种植结构。【结果】阈值特征-随机森林算法能够用于干旱灌区多年种植结构识别,总体分类精度为0.88,Kappa系数为0.76。春小麦、春玉米、水稻的遥感提取面积与统计种植面积之间的线性拟合决定系数(R2)分别为0.80、0.93和0.86;2013—2020年作物种植面积由大到小分别为春玉米>水稻>春小麦,春玉米种植面积呈持续上升趋势,春小麦种植面积呈先升高后下降的变化趋势,水稻种植面积呈下降趋势;春玉米主要集中在灌区的北部和南部,种植区域呈南移趋势;春小麦主要集中在灌区的中部和南部,水稻主要集中在灌区中部地区,种植区域呈向北迁移的趋势。【结论】阈值特征-随机森林算法能够较好地适用于干旱灌区多年种植结构的识别,为长时间序列种植结构识别提供了新方法和思路。

基于遥感反演河套灌区土壤盐分分布及对作物生长的影响

土壤盐渍化信息是评价灌区节水的生态环境效应的重要指标。该文主要研究内蒙古河套灌区土壤盐分空间分布及对作物生长的影响。于2015年4—8月在全灌区布设了281个监测点,开展了灌区尺度的逐月土壤盐分、作物生长等野外系统的采样工作,并结合开展了基于Landsat OLI数据的土壤盐分反演,分析了土壤盐分的时空分布特征及其与灌溉、地下水埋深间的关系,探讨了土壤盐分含量对作物生长的影响。结果表明,基于遥感反演的土壤盐分空间分布与样点分析的土层含盐趋势基本一致,二者相关系数高达0.87;结合样点分析与遥感反演可得出重度盐化土和盐土占灌区面积的14%左右,呈零散的斑状分布,主要受灌溉、排水条件及地下水埋影响;当地下水埋深在2.0 m以下时,土壤表层及其主根区含盐量基本在0.20%以内;土壤含盐量对种植结构、作物叶面积指数、株高和产量均有明显影响,对叶面积指数和产量的影响更为明显;向日葵则因耐盐性强而广泛种植于高含盐区,而玉米高产田的根区盐分基本均在0.05%~0.20%之间。研究结果可为河套灌区的盐渍化防治、水土资源的科学管理及农业生产提供参考。

宁夏引黄灌区春玉米微咸水灌溉管理模式研究

根据宁夏引黄灌区春玉米微咸水灌溉试验的数据结果,应用SWAP模型在田间尺度上对微咸水灌溉条件下春玉米田间土壤水盐运移规律和灌溉制度进行模拟,对拟定的各种灌溉方案进行评价。结果表明,率定与验证的SWAP模型可用于当地微咸水灌溉管理;25%降雨年型下,春玉米适宜灌水方案为生育期内灌2水(拔节水、抽雄水),灌溉定额为1200 m3/hm2;50%降雨年型下,春玉米适宜灌水方案为生育期内灌2水(拔节水、抽雄水),灌溉定额为1500 m3/hm2;75%降雨年型下,春玉米适宜灌水方案为生育期内灌3水(拔节水、抽雄水和灌浆水),灌溉定额为2400 m3/hm2。

干旱区膜下滴灌条件下洋葱水分生产函数与优化灌溉制度

为探索西北内陆旱区膜下滴灌条件下洋葱节水、高产和高效的灌溉制度,开展了2a田间试验,分析了洋葱的耗水规律及其影响因素,建立了洋葱的水分生产函数,并对洋葱的灌溉制度进行了优化。结果表明:膜下滴灌条件下洋葱的耗水量为170.1～395.7mm,产量随灌水量和耗水量的增加而增加,水分利用效率则随灌水量的增加而降低。苗期和成熟期亏水对洋葱产量和水分利用效率无显著影响。洋葱水分敏感指数在鳞茎膨大期最大,发叶期次之,苗期和成熟期较小。膜下滴灌条件下,西北旱区干旱年洋葱全生育期灌水量为375mm时,可获得较高的产量;其优化灌溉制度为苗期灌水30～40mm,发叶期灌水130～140mm,鳞茎膨大期灌水170～190mm,成熟期灌水25mm,灌水间隔可采用5d。该优化灌溉制度对西北内陆旱区洋葱的节水灌溉实践具有一定参考价值。

宁夏引黄灌区春小麦微咸水灌溉管理的模拟

为探讨宁夏引黄灌区春小麦适宜的微咸水灌溉管理模式,该文根据2007年田间试验的实测资料,应用SWAP模型在田间尺度上对微咸水灌溉条件下春小麦田间土壤水盐运移规律和灌溉制度进行模拟,对拟定的各种灌溉方案进行评价分析。结果表明,率定与验证的SWAP模型可用于当地微咸水灌溉管理,在当地微咸水与引黄水为1︰1的混灌条件下,试验年份春小麦优化灌溉方案为全生育期灌4水(分蘖水、拔节水、抽穗水和灌浆水),灌溉定额为2400m3/hm2;在75%和50%降雨年型下,春小麦优化灌溉方案为全生育期灌4水(分蘖水、拔节水、抽穗水和灌浆水),灌溉定额分别为3000m3/hm2和2300m3/hm2;在25%降雨年型下,春小麦优化灌溉方案为全生育期灌2水(拔节水和抽穗水),灌溉定额为2000m3/hm2。该研究所提出的优化灌溉模式对于引黄灌区微咸水高效灌溉利用具有一定的指导意义。

区域尺度农田水盐动态模拟模型—GSWAP

由于土壤和水文气象等因子的空间变异性,区域尺度的农田水盐动态难以应用小尺度一维模型进行模拟。该文将一维农田水文模型(soil-water-atmosphere-plantmodel,SWAP)与ArcInfo进行紧密结合,构建了区域尺度的农田水盐动态模拟模型-GSWAP。该模型利用GIS强大的空间数据分析与处理功能,可高效地进行模型数据的前后处理与分析。模型将研究区划分为多个均质单元进行模拟,并以RS反演的表土含水率和ETa为观测资料,运用遗传算法确定各单元等效土壤水力参数。该文以内蒙河套灌区永联试验区为背景,对GSWAP模型进行了应用分析。结果表明,应用GSWAP模型可高效地进行区域农田水盐动态模拟,实现数据输入输出、可视化显示与空间分析,且永联试验区的模拟结果具有合理性。

土壤水氮迁移转化与作物生长耦合模拟

定量描述农田土壤-作物系统中水氮迁移转化规律,对水氮资源高效利用和水土环境保护具有重要的意义。以土壤水、热和溶质迁移转化动力过程为基础,综合考虑气象因素变化和土壤水氮动态变化及其对作物生长的影响,构建了土壤水、热、氮迁移转化与作物生长耦合模拟模型。并应用该模型对2007-2008年冬小麦生育期内的土壤水分、氮素转化运移以及冬小麦产量、生物量、腾发量(ET)进行模拟,模拟结果与实测数据均吻合良好。可应用该模型模拟不同作物种类、不同灌水施肥条件下土壤水分与氮素动态变化过程和作物生长状况,进而获得农田水肥优化管理模式。

污水灌溉条件下草坪草耗水规律与灌溉制度初步研究

污水灌溉是污水资源化的重要途径。本研究以三种典型的冷季型草坪草草地早熟禾、多年生黑麦草、高羊茅为供试草种,以自来水和经过砂过滤和沉淀处理的城市居民小区的生活污水为灌溉水源,采用地下滴灌和渗灌两种灌水方法,通过田间对比试验,探讨了污水灌溉条件下草坪草的耗水规律。结果表明,污水灌溉条件下草坪草耗水量与清水灌溉条件下草坪草耗水量差异不显著;污水灌溉条件下草坪草耗水规律和清水灌溉条件下草坪草耗水规律呈相似的变化趋势。在此基础上,结合北京地区的有关气象资料,初步分析制定了不同降雨年型草坪污水灌溉制度,为北京市城市草坪污水灌溉管理提供参考依据。

污水灌溉对草坪土壤与植株氮含量影响的试验研究

污水灌溉是污水资源化利用的一个重要途径。该研究以草坪草的污水灌溉为例 ,选用了高羊茅、黑麦、早熟禾等 3种典型的冷季型草坪草为主要试验草种 ,以地下滴灌和渗灌为 2种灌水方式 ,以城市居民小区的生活污水经过沙过滤和沉淀处理的出水和自来水为 2种灌溉水源 ,共设 12个试验处理 ,进行了污水灌溉和清水 (自来水 )灌溉的田间对比试验研究 ,探讨了污水灌溉对土壤与植株氮含量的影响。实验结果表明 ,污水灌溉使草坪草根系层 (0～ 30 cm土层 )土壤中的全氮、速效氮和铵态氮的含量低于清水灌溉 ;与此相反 ,污水灌溉可使草坪草根系层及其以下土层硝态氮明显高于清水灌溉。污水灌溉也导致草坪草的植株中全氮的含量比清水灌溉平均高 4 8%。两种污水灌溉方式下 ,土壤全氮、速效氮和铵态氮的含量差异不明显。但与滴灌相比 ,污水渗灌的土壤硝态氮的含量高于污水滴灌的情况 ,尤其是 15～ 30 cm和 30～ 4 5 cm土层 。

农田水盐运移与作物生长模型耦合及验证

合理定量描述土壤水盐动态及作物生长过程对于干旱灌区制定适宜的农业用水措施具有重要意义。该文以SWAP(soil water atmosphere plant)模型为基础,采用变活动节点法实现了对土壤融化期的水盐运移模拟,并在根系吸水计算中引入了基于S形函数的水盐胁迫计算方法,以修正原SWAP模型对根系吸水的模拟。进一步嵌入了参数与输入数据较少且可以模拟作物生长过程及实际产量的EPIC(environmental policy integrated calculator)作物生长模型,构建了改进的农田尺度土壤水盐动态与作物生长耦合模拟模型-SWAP-EPIC。分别采用宁夏惠农灌区春小麦和春玉米田间试验数据,对SWAP-EPIC模型田间适用性进行了检验。对比分析各层土壤水分与盐分浓度、作物生长指标(叶面积指数、地上部生物量)的模拟值与实测值,结果表明:春小麦和春玉米试验中土壤水分的平均相对误差MRE和均方根误差RMSE均接近于0且模型Nash效率系数NSE值趋近于1,水分模块模拟精度较高,盐分浓度模拟存在略微差异但总体上一致性较好,并且作物生长指标匹配良好;同时,模拟的产量和蒸散发均较为接近实际值,春小麦和春玉米产量模拟相对误差分别为4.9%和3.3%。综上,该文改进的SWAP-EPIC模型可良好地应用于寒旱区农田尺度土壤水盐运移与作物生长耦合模拟。

人工快速渗滤系统的发展与展望

在总结众多试验结果的基础上,阐述了人工快速渗滤系统(CRI)对主要污染元素氮、磷、有机物的主要去除机理和去除过程,以及净化过程中的限制因素。此外,还分别介绍了CRI系统的主要运行参数,总结了不同滤料、温度、配水方式对系统净化效率的影响和目前国内对CRI系统的强化和改良进展。针对目前面临的主要问题,提出了今后CRI系统应进行的主要研究内容和技术攻关重点为硝态氮的强化去除,并对其应用方向进行了展望。

河套灌区土壤水盐和作物生长的HYDRUS-EPIC模型分布式模拟

土壤水盐是影响干旱灌区作物产量的主要因素。分布式模型可综合考虑土壤、水文和气象因子在灌区的时空变异特征，为评估区域尺度土壤水盐与作物生长状况提供有效工具。该文以河套灌区解放闸灌域为研究区，根据气象-土壤-作物-灌溉等因子的空间分布特征进行均质单元划分，建立基于一维农业水文模型 HYDRUS-EPIC 的灌区尺度分布式模型。利用2012年和2013年定点观测数据（土壤水分、盐分、叶面积指数和作物产量）进行模型率定与验证；进一步应用模型以求探明现状灌溉条件下研究区土壤水盐与作物生长状况及存在的问题。结果表明：生育期内灌区根区土壤（0～100 cm）有效饱和度为0.44～0.90，基本满足作物耗水需求；根区土壤溶液平均盐分浓度为3.1～13.5 g/L，相应地作物的相对产量为0.35～1.33，土壤盐分过高成为限制研究区作物产量的主因。为调控根区土壤水盐状况，对地下水深埋区（东北部）需进行灌水量的适宜补充，宜将浅埋区（西北、西南等）地下水平均埋深控制在1.3 m以下。

土壤水盐与玉米产量对地下水埋深及灌溉响应模拟

引黄水量的削减将进一步加剧宁夏银北灌区农业用水短缺问题，合理应用地下水进行灌溉对保障作物产量具有重要意义。为探究地下水灌溉条件下土壤水盐与作物生长的互馈机制，该研究修正了HYDRUS-1D的土壤蒸发模块，并嵌入可模拟作物生长与产量的 EPIC 模块，以此提高该模型在农田水文过程模拟中的适用性。采用2008年银北灌区不同水质灌水处理的玉米田间试验数据对模型进行了率定与验证。进一步应用该模型探寻地下水灌溉条件下，土壤水盐动态及玉米产量对地下水埋深变动及灌溉的响应规律。结果表明，玉米产量随地下水埋深增大呈现先增后减趋势，为保障玉米产量应将地下水适宜埋深控制在140～155 cm，且灌水量不宜低于现状灌水量，即玉米生育期内灌3水，每次900 m3/hm2。该研究对干旱银北灌区农业生产具有重要意义。

北京市东南郊灌区土壤和农产品酞酸酯污染风险评估

为明确北京市东南郊典型灌区土壤和作物酞酸酯PAEs含量和污染水平,2015年利用气象色谱-质谱仪检测了该灌区31个表层土壤样品和38个作物样品的6种优控PAEs含量。研究结果表明灌区表层土壤PAEs质量分数为1.8~12.2 mg/kg,均值5.1 mg/kg。与国内外相比,该研究中土壤PAEs含量处于较高水平。土壤中邻苯二甲酸正二丁酯(Dn BP)和邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)含量均值分别占PAEs总量的60.4%和35.9%。土壤样品邻苯二甲酸二甲酯(DMP)和Dn BP含量均超美国土壤PAEs控制标准,但总体上未超过美国土壤PAEs治理标准。冬小麦籽粒、夏玉米籽粒和果蔬可食用部位PAEs质量分数分别为2.34~3.66、1.76~3.15和2.26~3.76 mg/kg;与其他研究成果相比,该研究区农产品PAEs含量处于中等水平。不同污灌历史年限区域土壤和粮食作物籽粒PAEs含量均没有显著差异。冬小麦籽粒、夏玉米籽粒和果蔬中DEHP和Dn BP含量分别占总量的50.3%和30.5%、45.1%和50.2%、47.16%~63.3%和31.96%~46.36%。农产品PAEs总量及各组分含量均低于欧洲的建议标准值。粮食作物籽粒中PAEs和Dn BP含量与土壤中相应含量呈显著正相关,Pearson相关系数(r)分别为0.74~0.87和0.91~0.92。该研究中农作物对PAEs的迁移系数为0.24~1.65。儿童和成人PAEs致癌风险分别为1.34×10^(-5)和3.87×10^(-5),非致癌指数分别为9.44×10^(-1)和3.83×10^(-1),均在可接受范围内;通过口-作物暴露对PAEs 2种风险贡献均最大,DEHP对人体2种风险贡献最大。

北京典型灌区土壤和农产品多氯联苯污染风险评估

为明确北京东南郊灌区表层土壤和农作物多氯联苯(PCBs)含量和污染水平以及人体健康风险,2015年在该灌区采集了20个土壤样品和28个作物样品,利用气相色谱-质谱联用仪分析了样品中7大类PCBs含量。研究结果表明,灌区表层土壤PCBs质量比为ND(低于检出限)到0.711 776μg/kg,均值为0.43μg/kg,总体上土壤PCBs含量随污灌历史年限增加而增加。本研究区表层土壤PCBs含量处于较低水平,土壤未受到PCBs污染且其生态风险概率均小于10%。灌区采集的冬小麦籽粒、大葱、茄子、梨、白薯、芥蓝PCBs含量均低于实验检出限,未检出;夏玉米籽粒、菜心和油菜PCBs总量分别为0.17~0.47μg/kg、1.63μg/kg和5.91μg/kg。不同污灌历史年限并未显著影响夏玉米籽粒PCBs含量。本研究区农产品PCBs含量处于较低水平,均低于美国卫生及公共服务部建议限量。采集的土壤和农产品样品仅四氯联苯含量高于实验检出限,能检测出;一氯联苯到三氯联苯和五氯联苯到七氯联苯均低于实验检出限,未检出。本研究中成人和儿童PCBs致癌风险分别为8.49×10-7和4.66×10-7,非致癌风险分别为1.41×10-1和3.88×10-1,均低于US EPA规定限值,说明PCBs未对人群产生明显的健康危害。致癌危害和非致癌危害均以口-作物(玉米和蔬菜)为主,其对人体健康所造成的风险占总个人年风险的比例分别为99.79%~99.95%和99.81%~99.94%。

不同补水方式下砂壤土渗滤系统对硝态氮去除效果

在水资源短缺的北京地区利用再生水回补城市河湖,一方面对于水资源的可持续利用有着十分重要的作用,另一方面也可能带来地下水环境的潜在污染风险。该文采用100 cm砂壤土柱模拟(河湖岸底)土地渗滤系统,设置定水头淹水、交替淹水落干、定流速补水和侧向补水4种不同再生水回补方式,研究再生水中硝态氮(NO_3-N)在土地渗滤系统中的去除效果和迁移转化规律。结果表明,当水力负荷在0.25~2.65 cm/d范围内时,渗滤系统对NO_3-N的去除率随着水力负荷的增大而减小;侧向补水方式下渗滤系统对NO_3-N的去除效果最优,平均去除率高达96.1%。在定水头淹水和侧向补水方式下,系统对NO_3-N的去除主要发生在土柱的上部,而交替淹水落干和定流速补水条件下,土柱中下部对NO_3-N也有一定的去除作用。渗滤系统对NO_3-N的去除主要取决于系统内部微生物的分布情况,土层中的反硝化细菌数量越大,该土层对NO_3-N的去除率就越高。当水温在15~32℃范围内变化时,定水头淹水和交替淹水落干补水方式下,系统对NO_3-N的去除率与温度分别呈指数和幂函数关系。该研究表明土地渗滤系统可实现再生水的进一步净化处理,可为再生水安全回补河湖提供参考。

北京东南郊灌区多环芳烃污染风险与人体健康风险评估

为明确北京东南郊灌区表层土壤和农作物多环芳烃(PAHs)含量及污染水平,2015年在该灌区采集了31个土壤样品和38个作物样品,采用气象色谱-质谱仪分析了样品中16种优先控制PAHs含量。研究结果表明灌区表层土壤16种PAHs总量为113.5~449.8μg/kg(均值为258.5μg/kg),与荷兰土壤环境质量标准相比,本研究表层土壤中相应10种PAHs的总量为83~307μg/kg,土壤10种PAHs的苯并(a)芘毒性当量浓度均值为19.0μg/kg,灌区土壤总体上受到PAHs轻度污染,但土壤PAHs含量远低于荷兰土壤环境质量标准中的干预值,土壤PAHs潜在生态风险不显著。小麦籽粒、玉米籽粒和蔬菜PAHs含量分别为368.7~389.9、87.7~113.5、51.8~291.8μg/kg。粮食作物籽粒PAHs主要以苯并(g,h,i)苝为主,蔬菜PAHs以菲含量最高。粮食作物籽粒苯并(a)芘含量均低于食品安全国家标准限值。燃烧源是土壤和粮食作物PAHs主要污染源,而蔬菜PAHs主要污染源为燃烧源和石油源混合来源。成人和儿童PAHs致癌风险分别为4.02×10^(-5)和1.76×10^(-5),非致癌指数分别为2.72×10^(-2)和4.78×10^(-2),均低于US EPA相应标准参考值。人体健康风险主要暴露途径和介质是口-作物,对致癌风险贡献最大的组分为苯并(a)芘和二苯并(a,h)蒽,对非致癌风险贡献最大的组分是苯并(g,h,i)苝和菲。