[发明专利]一种结合空间显式水文模型模拟土壤氮淋失的方法

说明书

本发明公开了一种结合空间显式水文模型模拟土壤中氮淋失的方法，该方法结合水文数值模型，计算土壤无机氮淋失到地下水中的速率；结合溶质运移模型，计算无机氮从地下水排放到地表水的浓度。具体包括以下步骤：基于空间显式水文模型计算浅层土壤中各单元格的无机氮载量；从水文模型中获取各单元格的土壤参数及水文变量，并计算特定时间步长内的氮淋失速率；将特定时间内的氮淋失量作为氮源，结合溶质运移模型求解地下水出口处的排放浓度；计算全区域的年均氮淋失速率。发明实例表明该发明能够有效地模拟氮淋失过程，并准确地计算氮载量、通量及排放的无机氮浓度。与其它技术相比，该方法对空间显式模型具有高适应性且计算的精度更高。

技术领域

本发明属于水文水化学领域，具体涉及一种结合空间显式水文模型模拟土壤氮淋失的方法。

背景技术

地表淡水是人类淡水资源的重要组成部分，是人类生活、农业与工业用水的重要来源。氮素(主要亚硝酸盐氮，硝酸盐氮和氨氮)是地表水的主要污染物之一。农业生产过程中大量使用化肥是水体中氮素的重要来源之一，残存在土壤中的氮素肥力从农业集水区的土壤释放(也称淋失，下文不作区分)到地下水中，并进一步排放到地表水体，使得地表水质富营养化，直接威胁人类饮用水安全。有效地模拟该释放过程，对于理解地下地表水氮污染过程以及农业管理具有十分重要的意义。

在研究地下水流场和氮排放方式的过程中，研究人员常常针对地下水进行数学建模。基于物理过程的、空间显式的数值模型(如HydroGeoSphere，MT3DMS，PARFLOW等)能模拟三维空间内连续水流和溶质运移过程，提供流场和溶质分布。但利用此类模型对氮素的运移、排放进行模拟的有效性需借助准确描述氮源从土壤运移到地下水的过程来实现。

氮随着降雨进入浅层土壤中并经过离子化、反硝化作用、植被吸收的过程后释放到地下水中。许多科学工作者已经提出了一些算法来模拟这一释放过程，根据特点分为两类：一阶衰减法和扩散法。一阶衰减法将淋失过程描述为一阶衰减过程，需要构造衰减常数和限制变量，常见的限制变量包含土壤的水饱和度或降雨量。扩散法将淋失过程描述为扩散过程，需要构造扩散系数和计算土壤和地下水之间浓度差。这些方法能在一定程度上描述淋失过程，并在实际案例中得到运用，但与上述数值模型相结合时会面临一些困难，如深层单元格无法确定降雨量、土壤和地下水之间的浓度差计算困难等。这导致模拟的结果具有较高的系统性误差。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中存在的不足，公开一种结合空间显式水文模型模拟土壤氮淋失的方法，该方法能模拟土壤无机氮的淋失过程，可以更好地与空间显式数值模型结合，从而模拟氮的输入、运移和排放过程。

技术方案：本发明所公开的结合空间显式水文模型模拟土壤氮淋失的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于物理过程建立空间显式水文数值模型，结合水文数值模型在研究区域里计算浅层多孔介质中每一个剖分单元格(共n个)的无机氮载量SIN；

S2、对于第j个单元格(j为单元格编号，1≤j≤n)，获取多孔介质参数及模拟的水文变量；

S3、对于第j个单元格和特定时间步长Δt，求土壤无机氮SIN的淋失速率LEA，淋失的无机氮进入地下水形成溶解无机氮DIN；

S4、对于第j个单元格和特定时间步长Δt，淋失速率LEA作为源汇项，参与水文数值模型的求解，得到研究区域DIN浓度的空间分布，及边界处的DIN排放浓度；

S5、将淋失速率LEA在整个研究区域和模拟时间积分，求得全区域、全时间跨度的土壤氮淋失速率。

其中，S1中，所述水文数值模型包含溶质运移模块，所述的无机氮载量SIN在空间和时间上是可变的。

进一步的，S2中，所述水文变量为孔隙水的达西流速q。

进一步的，S3具体为：