水稻灌区土壤及地表排水连续流动机理及统一物理描述方法

In the paddy irrigation district, soil and drainage flow systems are inherently unified systems that are often broken into sections for logical and technical reasons. A diverse group of problems exists that requires quantication of the entire hydrologic cycle by integrated simulation of water flow and contaminant migration in the saturated soil and surface drainage canals. The objects of this project are to investigate physical bases of flow and contaminant transport processes in the saturated soil -surface drainage system, and to develop a general function based on the law of mass conservation and Newton's second law to simulate coupled surface and subsurface flow and transport. In the project, we will conduct in-situ experiments, analyze hydrology and processes of contaminant transport in the paddy irrigation district, and develop theory, methodology, and models. This research will help to determine the hydrology driving mechanism for contaminant transport in the paddy irrigation district, reveal physical basics of continuous flow and transport in different media and regimes. This fundamentally important project will provide the essential information for solving theoretical and practical problems of sustainable agriculture and the environment in the paddy irrigation district and to provide a new model to describe transport, transformation, and compilation proceese of contaminant.

水稻灌区中，溶质态污染物在土壤和地表排水两个系统中连续流动，揭示溶质态污染物在不同介质及流态条件下的连续流动机理，构建统一物理方程，实现土壤和地表排水两个系统中流动过程的完全耦合，具有重要的科学意义。本项目以水稻灌区为对象，通过对灌区尺度的水流运动及溶质迁移进行监测，开展局部流场变化条件下的灌区全局性的水流运动及溶质迁移响应试验，开展土壤及地表排水连续流动过程示踪试验，揭示水稻灌区不同介质及流态条件下连续流动过程中的水流运动本构关系和溶质迁移机理，基于质量守恒定律和牛顿第二定律，建立描述水稻灌区土壤和地表排水连续流动的统一物理方程。为揭示水稻灌区的水文特性以及溶质态面源污染物的迁移和汇集规律，特别是灌区水利工程运行条件下流动局部流场变化所产生的灌区全局性的流动响应提供全新的理论和模型支持。

本项目揭示水稻灌区不同介质及流态连续流动条件下的水流运动本构关系，以及溶质迁移响应机理，基于质量守恒定律和牛顿第二定律描述土壤饱和状态以及地表排水自由条件下的水流运动，建立水稻灌区土壤和地表排水连续流动统一物理方程，以及溶质迁移方程。在前郭灌区，黑顶子灌区和丹娘灌区开展了4年的现场实验。测定了水稻灌区污染物从田间道排水出口的迁移转化过程；融合土壤水动力学、材料学、电子与通讯技术、测量技术、自动化技术和数值分析技术，基于全新的测试理论研发了土壤势能及通量原位在线监测传感器，实现了饱和非饱和土壤水势场、水流通量场、主要面源污染物浓度分布场的动态过程连续监测以及数据解析，通过理论研究以及现场实现，建立了水稻灌区不同介质及流态连续流动条件下的水流运动本构关系，揭示了灌区非连续介质流动下的溶质迁移响应机理，建立了具有完全物理机制的农业灌区尺度的水文及污染物迁移转化模拟理论；实现流域和灌区尺度的宏观等效流动和田间复杂流动过程详细描述之间的融合。研究成果被宜昌市政府、四川省环保厅及环境监测总站、前郭灌区管理局等单位所直接采用。发表文章20余篇，其中14篇SCI和EI索引。