平原圩區磷素流失過程模擬*

黃佳聰，高俊峰

(中國科學院南京地理與湖泊研究所，中國科學院流域地理學重點實驗室，南京 210008)

平原圩區磷素流失過程模擬*

黃佳聰，高俊峰**

(中國科學院南京地理與湖泊研究所，中國科學院流域地理學重點實驗室，南京 210008)

圩區是太湖流域平原區的主要地理單元，其磷素流失是造成平原區水污染的重要原因之一，定量模擬圩區磷素流失過程是非點源磷污染控制的重要環節.以太湖流域的典型圩區——尖圩為研究對象，根據物質守恒原理構建圩區磷素流失過程模型，模型考慮了圩區自然降雨、人工灌溉、洪澇排水、地面滲漏、作物需水、水面蒸發、溝渠磷素攔截等過程，充分體現了圩區系統磷素流失特征；通過已有研究案例、實地監測與野外調研相結合的方法確定模型參數；模擬結果表明：(1) 與太湖流域平原非圩區相比，圩區的年度磷素流失量較低(-0.17～0.54kg/(hm2·a))，并且年度差異顯著；(2) 人工灌溉與自然降雨是圩區磷素輸入的主要渠道，其磷素輸入量分別為0.27～0.69、1.05～1.19kg/(hm2·a)；水體下滲和洪澇排水是圩區磷素的輸出途徑，其磷素輸出量分別為1.04～1.06、0.65～0.93kg/(hm2·a).

磷素流失；圩區；模擬；太湖流域

圩區是長江中下游廣泛存在的一種地理單元，占太湖流域平原區面積的50%以上，其建設初衷主要是抵御洪澇災害[1]，隨著社會經濟的發展，環境問題的日益突出，圩區作為太湖流域廣大農村主要的單元，其非點源污染問題成為流域污染控制的重要方面[2-3]，其中磷素作為太湖富營養化的重要限制性因子[4]，受到眾多研究者的關注.國內外學者在平原區開展了系列磷素流失監測[5-7]、磷素流失模擬[8-12]等方面的研究，分析了平原區農田磷素流失與環境因子之間的相互作用機制，構建了平原區磷素流失模擬的非點源污染模型，估算了磷素流失通量，為平原圩區的磷素流失模擬積累了寶貴的數據、參數與方法.

平原圩區通過節制閘或泵站實現圩區與外圍河網的水量交換，與非圩區單元相比，平原圩區的磷素流失過程受到顯著的人工干擾，影響因素眾多，機理過程復雜，目前結合圩區水循環規律開展圩區磷素流失模擬的研究案例不多.本研究根據實際調研圩區的農田灌溉與洪澇排水規律，結合大量太湖流域平原區的研究案例，構建了日尺度的平原圩區磷素流失過程模型，估算了圩區磷素月流失量，分析了圩區磷素流失對環境因子的響應機制，對識別圩區磷素污染控制的關鍵環節、制定磷素削減優化方案、控制磷素污染具有重要實踐意義.

1.1 污水處理廠處理尾水

1 研究區概況

研究區——尖圩(圖1)位于溧陽市西北部(31°29′2″～31°29′13″N，119°25′17″～119°25′37″E)，面積約為106000m2，年降雨量為1168mm(基于2003-2012年溧陽氣象資料統計)；圩區海拔較低，地勢平坦，田地成塊，農田多為水田、旱地，分別占圩區總面積的50.1%、21.7%；圩內溝渠、坑塘眾多，占圩區總面積的9.0%，排水溝呈網狀分布，且水力梯度低；圩區四周均為河道，暴雨期間，圩外河道水位通常高于圩內水位，圩內水體通過圩區北部的排澇泵站排出；圩內有一自然村(尖圩村)，人口約為100人，住宅用地面積占圩區總面積的19.2%，無工業污染源，該圩區是太湖流域平原區的典型農村圩區.

圖1 尖圩地理位置、土地利用及采樣點分布Fig.1 Location， land use and sampling sites of Polder Jian

2 數據來源

圩區磷素流失模型以尖圩為研究區，收集的數據包括土地利用、氣象、水質數據(表1).

表1 圩區磷素流失模型構建的數據列表Tab.1 Data list of the phosphorus loss model for polder

1) 土地利用數據通過2010年12月31日的Spot衛星影像，采用監督分類解譯獲取.

2) 氣象數據來自國家氣象中心的溧陽站(站點編號：58345)，該氣象站與尖圩的水平距離僅為8.5km，其氣象數據能夠代表尖圩的氣象條件，收集的數據包括2009-2013年的逐日數據，包括7個氣象指標：日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日照時數、日平均風速、日降水量.

3) 水質數據為不同水體的總磷濃度，來源包括野外采樣分析與參考文獻.圩外河道的總磷濃度通過采集農田灌溉時段(2013年6-9月)的水樣獲??；雨水、圩區坑塘、不同土地利用類型(水稻田、旱地與居民區)降雨徑流的總磷濃度通過采集降雨事件(2013年8月24日)的水樣獲取，該降雨事件持續2.5h(16：30-19：00)，累計降雨量為38mm，采用鉬酸銨分光光度法測定樣品總磷濃度；考慮不同土地利用類型降雨徑流的總磷濃度影響因素眾多，為更好表征降雨徑流的總磷濃度，收集了太湖流域平原圩區多個研究區不同土地利用類型的磷素流失數據；具體水質數據見表2.

表2 圩區磷素流失模型構建的總磷濃度數據Tab.2 The data of total phosphorus for the phosphorus loss model for polder

3 圩區磷素流失模型

圩區磷素流失模型以水量平衡為基礎，考慮了圩區內部水分與磷素遷移的相關過程(圖2)，模型包含4個狀態變量，即水域蓄水量、水田蓄水量、旱地蓄水量、坑塘總磷濃度，模擬時間步長(ΔT)為1天，模擬時長為4年(2009年10月1日-2013年9月30日)，不同模塊的計算方法闡述如下.

圖2 圩區水量平衡與磷素遷移Fig.2 Conceptual diagram of water balance in polder system

3.1 水域水量平衡

尖圩的水域包括坑塘與溝渠；強降雨過程中，居民區與農田的徑流通過溝渠匯入坑塘；缺水季節，圩區通過泵站從外圍河道抽水到溝渠，并輸送到農田與坑塘.水域水量的影響要素包括：降雨、水田匯流、居民區匯流、旱地匯流、灌溉抽水、水面蒸發、水域滲漏、洪澇排水，計算公式如下：

(1)

(2)

3.2 居民區水量平衡

(3)

3.3 水田與旱地水量平衡

水田水量平衡的影響要素包括自然降雨、人工灌溉、作物需水、滲漏、降雨徑流，計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

旱地的水量平衡模式與水田相似，主要區別在于沒有發生灌溉過程，計算公式如下：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

3.4 灌溉抽水與洪澇排水

(15)

(16)

(17)

圖3 圩區灌溉與排澇的水域蓄水量Fig.3 The water storage controlling irrigation and drainage for polder

3.5 磷素平衡

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

3.6 模型參數

本研究構建的圩區磷素流失模型包括27個參數，各參數取值與來源詳見表3，其中5個參數(水域蒸發速率、水田與旱地作物需水系數、圩外河道總磷濃度、水田適宜蓄水量下限與上限)考慮了年內的差異(圖4).

參數取值通過3種方法獲?。簩嵉卣{研、野外監測、太湖流域平原區的已有研究成果.水域蒸發速率采用毛銳在太湖流域平原區的研究結果[19]；溝渠對居民區與農田徑流中磷素的攔截系數采用王巖等在宜興平原區農田溝渠的實驗結果[20]，該研究的農田溝渠系統與尖圩溝渠系統的溝渠長度與氣象條件極其接近；啟動與關閉灌溉泵站的水域蓄水量、啟動與關閉排澇泵站的水域蓄水量通過尖圩的實地調研獲取，能夠反映尖圩的實際灌溉與排水情況；水體(包括農田與居民區徑流、圩外河道、降雨)總磷濃度的影響因素很多，為了更好反映不同時間的農田徑流磷素流失差異，本研究采用尖圩的實地監測，結合太湖流域平原區的大量監測數據[13-15]，采用上述研究案例不同水體總磷濃度的均值，共有46次降雨事件； 圩外河道總磷濃度采用了2013年度的7次總磷監測結果，用于代表歷年5-10月份的總磷變化過程，其它月份由于沒有洪澇排水，無需輸入這一參數.其余參數主要參考程文輝等[11]在太湖流域平原區的研究結果.

4 模擬結果與分析

尖圩水域水體是洪澇排水的出水口，其總磷濃度對圩區系統磷素輸出有重要影響，而圩區磷素流失量是導致區域水體污染的直接原因；基于構建的圩區磷素流失模型可模擬尖圩水域水體總磷濃度變化(式19)與磷素流失量(式18)，模擬結果詳述如下.

4.1 尖圩水域水體總磷濃度變化過程

模擬結果表明，尖圩水域水體總磷濃度存在劇烈的變化(圖5)，在夏季期間，水域的總磷濃度受人工灌溉與強降雨影響較大.人工灌溉對水域水體總磷濃度的影響主要通過大量抽水與水域水體混合，造成水域水體在短時間內大幅度波動.在降雨過程中，由于雨水的總磷濃度較低，圩區水域水體總磷含量得到稀釋，與之相反，居民區的總磷含量較高，徑流匯入水域中，造成水體總磷濃度升高.此外，在嚴重干旱期間(如：2011年4月8日-6月9日)，水域蓄水量由于大量蒸發，持續減少，也會造成水體總磷濃度的大幅增加(圖5).

水體總磷濃度也存在顯著的年度差異，由于圩區水域的水深通常較淺，蓄水總量有限，總磷濃度容易受到外界干擾，年度氣象、灌溉與排澇方案的差異極易造成水域水體總磷濃度的大幅波動.

表3 圩區磷素流失模型參數Tab.3 Parameters in the phosphorus loss model for polder

圖4 模型參數的年內變化[11，19，21]Fig.4 Parameter dynamics in a year

4.2 圩區磷素流失量

根據模型模擬結果，尖圩的年均磷素流失量為-0.17～0.54kg/(hm2·a)，這一磷素負荷顯著低于太湖流域平原區的磷素負荷(4.5～10.5kg/(hm2·a))[22-23]，甚至存在磷素輸入量大于輸出量的年份，磷素流失量為負值，充分反映了圩區對磷素的攔截效應；其中人工灌溉與自然降雨是磷素輸入的主要途徑，人工灌溉的磷素輸入量為0.27～0.69kg/(hm2·a)，自然降雨的磷素輸入量為1.05～1.19kg/(hm2·a)；水體下滲與洪澇排水是磷素輸出的主要途徑，水體下滲的磷素輸出量為1.04～1.06kg/(hm2·a)，洪澇排水的磷素輸出量為0.65～0.93kg/(hm2·a).尖圩磷素流失量的年度差異較大(圖6)，以2010-2012年為例，尖圩年磷素流失量分別為0.73、5.79、-1.83kg，即0.07、0.54、-0.17kg/(hm2·a).本研究構建的模型考慮了灌溉、降雨過程而導致的磷素輸入，體現了圩區對其周圍河道水體營養鹽的吸附能力，因此磷素流失量的估算結果遠低于孫金華等對常州雪堰鎮圩區磷素流失的估算結果(16.5kg/(hm2·a))[24].

尖圩吸收外界磷素主要集中在歷年夏季，其中灌溉是引起夏季磷素輸入的重要渠道(圖7)，春、秋、冬3季主要為磷素輸出(圖6).同時，圩區磷素流失與降雨量、降雨分布均有密切關系，以2010年6-8月為例，2010年6月與8月，降雨量較少，而這一時間稻田需水量大，圩區通過人工灌溉吸收大量磷素；與此相反，2010年7月降雨充足(降雨量為277.3mm)，圩區通過農田灌溉輸入磷素較少(圖7)，同時有兩場暴雨級別降雨(降雨量分別為92.5和85.3mm)，造成農田的大量磷素流失，而2011年7月、2012年7月、2013年7月，暴雨級別的降雨事件較少，因此圩區磷素月流失量均為負值，即圩區的磷素輸入量大于輸出量.

綜上所述，與非圩區集水單元相比[25]，圩區系統對磷素具有顯著的攔截效應，主要有3種途徑：(1) 夏季期間，水田需水量大，需要從圩外河道大量取水，而目前太湖流域平原區磷素污染嚴重，圩外河道磷素濃度較高，因此圩區通過灌溉吸收了外界大量磷素，這一途徑是圩區吸收外界磷素的最重要渠道(圖6、7)；(2) 與非圩區區域相比，圩區水面率普遍較高，在降雨期間，水面區域能夠接納雨水中的大量磷素；(3) 圩區內部溝渠廣泛分布，對農田與居民區徑流的磷素有一定的去除作用.

4.3 模型可靠性與不確定性

本研究構建了圩區磷素流失過程模型，模型的結構與參數選擇是合理的，具體闡述如下：

模型結構方面，基于圩區實地調研，模型描述了人工控制的灌溉抽水與洪澇排水過程，充分體現了圩區水文過程的獨特性；同時參考了已有研究的相關模塊：作物需水估算、農田與居民區徑流估算、溝渠磷素攔截效應，而上述模塊在平原區已有大量的應用[11，17]，計算方法是可靠的.因此，模型結構能夠較好地表征圩區水量平衡與磷素流失過程.

圖5 2009年10月-2013年9月圩區水域水體總磷濃度變化Fig.5 Total phosphorus concentration in the water area of polder (Oct.2009-Sep.2013)

圖6 2009年10月-2013年9月圩區磷素月流失量與降雨量 (其中正值與負值分別表示圩區排放與吸收磷素)Fig.6 Monthly phosphorus loss and precipitation of polder(Oct.2009-Sep.2013)

圖7 2009年10月-2013年9月圩區磷素月流失量與灌溉磷素輸入量 (其中正值與負值分別表示圩區排放與吸收磷素)Fig.7 Monthly phosphorus loss and phosphorus input due to irrigation of polder(Oct.2009-Sep.2013)

模型參數方面，圩區磷素流失過程模型涉及大量參數，這些參數通過3種途徑獲?。?1) 圩區實地調研資料：圩區灌溉與排澇過程受人工干預顯著，與非圩區地區的差異較大，目前可借鑒的圩區磷素流失過程參數不多，采用實地調研的方法能夠有效反映圩區的實際情況；(2) 時間系列監測數據：圩區河道水體總磷濃度受到上游來水影響，時間上可能存在顯著變化，采用時間系列的監測數據能夠體現參數的時間變化過程；(3) 太湖流域平原區的已有研究成果：目前已有大量研究集中于太湖流域平原區磷素流失，估算了磷素流失過程的相關參數[2，5，11，18]，上述案例的研究區與尖圩在地理位置、氣象條件、農田耕作制度等方面都極其相似，這些參數已應用于相關的模擬研究，并得到不同程度的驗證，具有較高的可靠性，對本研究的平原圩區磷素流失過程模型有重要參考價值.

目前模型尚存在多方面不足，有待于做以下幾方面改進：(1) 基于長時間系列的監測數據校正模型參數，并驗證模型；本研究構建的圩區磷素流失過程模型涉及過程與參數較多，參數校正與模型驗證需要長期監測數據的支持，而目前針對平原圩區非點源污染的監測有限，監測數據仍難以有效支持參數校正與模型驗證，后期需要基于監測數據進一步優化模型參數，并分析模型的可靠性與不確定性；(2) 考慮模型參數的時間與空間異質性；本研究僅考慮了6個參數的時間異質性(表3)，而事實上模型參數可能存在不同程度的時間與空間上的差異，因此需要通過深入研究圩區系統的機理過程，進一步校正模型參數；(3) 考慮施肥對磷素流失過程的影響；本研究尚未考慮農田徑流總磷濃度的動態變化過程，而農田徑流總磷濃度在施肥后存在顯著的波動現象，可能造成磷素流失總量的估算誤差；(4) 考慮工業點源對磷素流失的影響；尖圩是典型的農村圩區，沒有工業污染源，因此模型應用于包含工業污染源的圩區時，需要進一步描述工業點源的磷素排放過程.

5 結論

本研究開發了針對圩區系統的磷素流失模型，模型考慮了圩區人工灌溉與洪澇排水等過程，充分體現了圩區磷素流失過程的規律，可應用于預測不同降雨、灌溉與排澇情景下的磷素流失過程，進而估算圩區系統的磷素流失通量.模擬結果表明，與太湖流域平原非圩區相比，圩區的年度磷素流失通量較低(-0.17～0.54kg/(hm2·a))，甚至存在磷素輸入量大于輸出量的年份，即磷素流失量為負值，表明圩區對磷素有一定的攔截效應；圩區磷素流失通量年度與年內均存在大幅度的波動，受降雨因子影響十分顯著；農田灌溉、自然降雨是圩區磷素輸入的主要渠道，其磷素輸入量分別為0.27～0.69、1.05～1.19kg/(hm2·a)，而水體下滲和洪澇排水是圩區磷素輸出的主要途徑，其磷素輸出量分別為1.04～1.06、0.65～0.93kg/(hm2·a).

致謝：感謝尹洪斌副研究員提供樣品分析支持，感謝黃蔚博士、黃琪博士、閆人華博士在野外監測、實驗室樣品分析給予的幫助，感謝國家氣象中心提供建模氣象數據，感謝審稿人為本文提出的寶貴修改意見.

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Phosphorus loss simulation of lowland polder system

HUANG Jiacong & GAO Junfeng

(KeyLaboratoryofWatershedGeographicSciences，NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008，P.R.China)

Polders are widely distributed in the lowland areas of Lake Taihu bsin. Phosphorus loss from these polders is one of the main causes of water pollution in the lowland areas. Modeling the process of phosphorus loss from these polders is a critical step to control non-point phosphorus pollution. A Phosphorus Loss Model for Polder(PLMP) model was developed for Polder Jian， a typical polder system located in Lake Taihu basin. The model is mainly based on mass conservation of the phosphorus in Polder Jian. In order to describe phosphorus loss adequately for the polder system， a series of hydrological and phosphorus-transport processes were included in PLMP， such as precipitation， irrigation， flood drainage， infiltration， crop water requirement， evaporation in the water area， phosphorus removal by ditches. Model parameters were determined based on previous case studies and field measurements. The simulation results showed that the phosphorus loss from the polder system was 0.15kg/(ha·a). This value is relatively lower than the phosphorus loss from other lowland areas in Lake Taihu basin. Irrigation and precipitation are the main causes of phosphorus input into the polder， with an input intensity of 0.27-0.69 and 1.05-1.19kg/(ha·a)， respectively. Flood drainage and infiltration cause phosphorus output to the surrounding rivers， with an output intensity of 1.04-1.06 and 0.65-0.93kg/(ha·a)， respectively.

Phosphorus loss； polder； simulation； Lake Taihu basin

*國家自然科學基金項目(41301574)和中國科學院南京地理與湖泊研究所“一三五”戰略發展規劃項目(NIGLAS2012135005)聯合資助.2014-03-25收稿；2014-06-12收修改稿.黃佳聰(1984～)，男，博士，助理研究員；E-mail：jchuang@niglas.ac.cn.

**通信作者；E-mail：gaojunf@niglas.ac.cn.