田—塘系統(tǒng)對控制水田徑流和氮磷轉(zhuǎn)移的模擬研究——以太湖流域為例.pdf

1、隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增加，太湖流域水稻生產(chǎn)的壓力日益增加，化肥的大量使用成了保證該地區(qū)糧食產(chǎn)量最重要的手段之一，但是過量的化肥使用卻成了本地區(qū)水體富營養(yǎng)化的隱患。太湖流域水田地表徑流攜帶的養(yǎng)分可以顯著增加水體富營養(yǎng)化，是太湖流域水體富營養(yǎng)化的重要養(yǎng)分來源之一?？刂扑飶搅黟B(yǎng)分流失成為減輕太湖水體富營養(yǎng)化的重要課題。
　　 太湖流域水網(wǎng)密布，在農(nóng)田周圍交錯分布了大量的水塘水面。利用農(nóng)田周圍水塘對徑流的緩沖作用，同時循環(huán)利用水分可

2、以有效減少農(nóng)田地表徑流養(yǎng)分流失對太湖的養(yǎng)分輸入。為合理構(gòu)建水田水塘循環(huán)系統(tǒng)，本研究通過構(gòu)建水田—塘系統(tǒng)模型（Paddy—Pond，P—P）進行模擬研究并使用實體模型驗證，為構(gòu)建P—P系統(tǒng)提供技術指導。P—P系統(tǒng)的基本組成單位為水田、水塘以及連接水塘的排灌設施和P—P系統(tǒng)的補水和排水設施。本研究以水分平衡理論為基本思路，以控制農(nóng)田徑流向P—P系統(tǒng)外排放為目標，以降雨、徑流、灌溉、排水、系統(tǒng)排水、系統(tǒng)補水等事件為結(jié)構(gòu)，以平水缺高度、施肥量、

3、施肥時間、移栽時間、田塘面積比、水塘深度等為控制變量，建立了P—P模型，通過matlab軟件編程實現(xiàn)對稻田徑流排放和水塘攔截模擬。
　　 為了實現(xiàn)模型的精確運行，本論文在對模型構(gòu)建過程進行詳細探討的基礎上，通過文獻查閱、實地調(diào)查、模擬試驗、大田試驗等方法，對模型中需要求解的參數(shù)進行了研究，隨后通過實體模型的運行數(shù)據(jù)，對模型進行了驗證，最后利用情景分析，分析了太湖流域不同情境下P—P系統(tǒng)對水分和養(yǎng)分控制的效果。主要研究結(jié)果如下:<

4、br>　　 (1)水面的蒸發(fā)、水稻蒸騰和水田滲漏:通過文獻查閱與整理，使用水稻生育期所處的5至10月份這三個參數(shù)的經(jīng)驗值。5至10六個月的日蒸發(fā)量分別記為:2.19mm、3.01 mm、4.38 mm、4.38 mm、3.01 mm、2.19 mm;5至10六個月的日蒸騰量分別記為:2.55 mm、3.75 mm、4.65 mm、5.25 mm、4.95 mm、3.35 mm;稻田的滲漏量跟土壤的性質(zhì)有關，本研究設定太湖流域潛育水稻土

5、、潴育水稻土、普通水稻土和滲育水稻土的日均滲漏量為1mm、2 mm、3 mm、4mm。
　　 (2)降雨全氮全磷濃度調(diào)查:本論文通過2007年至2011年在南京、鎮(zhèn)江、無錫、常州、上海和杭州等地的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)太湖流域降雨的氮、磷含量較高，其全氮含量多年平均值可以達到3.009 mg·L-1，全磷含量可以達到0.068 mg·L-1，均超過以庫、湖計的國家地表三類水標準的限值。
　　 (3)葉面積指數(shù)(LAI)變化過程函數(shù)經(jīng)

6、驗模型:通過本研究于2007年至2011年在南京、鎮(zhèn)江、無錫、常州、上海和杭州等地的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)可以用二次項方程比較理想地擬合其變化規(guī)律，從而避免使用復雜的葉面積指數(shù)變化的機理模型，本研究中使用方程LAI=-0.001×x2+0.142×x+1.498（x表示移栽后天數(shù)，R2=0.952）來計算模型中水稻的葉面積指數(shù)。
　　 (4)田面水全氮濃度(FTNC)衰減特征研究:本研究在查閱整理文獻數(shù)據(jù)的基礎上，通過多元線性回歸分析，研究

7、了影響田面水全氮衰減的因素，并給出了全氮田面水最大濃度潛力和衰減系數(shù)的回歸方程。影響田面水全氮濃度最大潛力的因素有施肥量（FA）、田面水深度（B4）、土壤全氮含量（TN）、土壤有機質(zhì)含量(O)，方程的F檢驗及各系數(shù)均達到顯著水平(R2=0.940)，其回歸方程為:FTNC=1.032×FA-14.733×B4+9.486×TN+0.394×O+87.786;影響田面水衰減系數(shù)(FTNCK)的因素有田面水深度、土壤有機質(zhì)、葉面積指數(shù)、土壤

8、全氮、平均溫度（TMP）、土壤全磷（TP）、土壤pH值（PH）和耕作方式（TM）等8個變量，方程的F檢驗及各系數(shù)均達到顯著水平，回歸方程為(R2=0.986):FTNCK=0.0052×B4-0.002×O+0.011×LAI-0.035× TN-0.005×TMP+0.067×TP-0.012×PH-0.006×TM-0.456
　　 (5)田面水全磷濃度(FTPC)衰減特征研究:本論文通過大田條件和盆栽條件下進行了試驗研究，

9、研究結(jié)果可以較好地用一級動力學方程擬合，擬合方程和系數(shù)達到顯著水平，且在大田和盆栽試驗條件下以及不同的施肥量水平下，擬合方程的系數(shù)并沒有表現(xiàn)出明顯差異，基于該擬合結(jié)果，可以推導出田面水全磷濃度衰減的遞推關系式:FTPC(t+1)=FTPC(t)×(1+k){1≤t≤T;FTP(1)=FA÷22.785×(1+k)}。
　　 (6)水稻降雨截留量(RI)研究:本研究通過模擬降雨試驗研究了水稻降雨截留量以及降雨徑流氮、磷濃度的擾動系

10、數(shù)。對降雨過程中截留量基于葉面積指數(shù)和24小時降雨量的分別解析分析后再進行耦合，可以得到降雨截留量的解析方程:RI=0.2052×e0.7811×LAI×R(-0.0943×LAI-0.2327)，究通過matlab對該方程進行運算，得到預測值，經(jīng)計算RMSE為0.308 mm(n=16)，該方程可以較好的擬合降雨截留量與葉面積指數(shù)和24小時降雨量之間的關系。
　　 (7)田面水降雨擾動系數(shù)研究:由于全氮和全磷在田面水中表現(xiàn)表現(xiàn)

11、出不同的性質(zhì)，因此其降雨徑流的擾動系數(shù)也不同，本研究分別對全氮和全磷的降雨徑流總體擾動系數(shù)和徑流擾動系數(shù)進行解析。得到全氮徑流擾動系數(shù)(TNDR)解析方程為:TNDR=0.070×(l)n(R)-0.035×LAI+0.618(R2=0.905);全磷徑流擾動系數(shù)(TPDR)方程為:TPDR=0.002×R-0.048×LAI+0.867(R2=0.913)，方程F檢驗和系數(shù)都達到顯著水平。
　　 (8)田—塘模型驗證:在確定模

12、型基本參數(shù)和函數(shù)后，通過matlab編寫程序并實現(xiàn)模型的運行。模型的檢驗通過茅山實體模型進行，經(jīng)計算RMSE為0.015 mg·L-1(n=108)，模擬計算與實測數(shù)據(jù)的差異較小，P—P模型可以較好的表達水田—水塘系統(tǒng)的水分和養(yǎng)分變化關系。
　　 (9)基于太湖流域的田—塘模型情景分析:以太湖流域為研究對象，對控制變量做不同的情景假設，經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn):①在對控制變量取基本值時，P—P系統(tǒng)可以在平水年和枯水年幾乎可以完全控制系統(tǒng)養(yǎng)

13、分的排出;②豐水年對平水缺的調(diào)控的重點應該在移栽后的前兩個階段，同時應注意靈活控制平水缺高度，打破降雨容量和降雨的共振節(jié)奏，而不是一味增加平水缺高度;③適當提前或者推遲移栽可以減少系統(tǒng)排水風險;④施肥量的變化對P—P系統(tǒng)排水養(yǎng)分含量影響較小，在平水年和枯水年影響幾乎為0。
　　 綜合上述分析，通過田面水氮、磷衰減的研究，以及對降雨徑流關鍵過程的解析分析，在對P—P系統(tǒng)模型的模擬運算中，可以實現(xiàn)較好的表達效果。在太湖流域構(gòu)建P—P