降雨及侵蚀条件下农业非点源污染物输移的机理和数值模拟

采用课题组前期发展的基于物理机理的分布式数值模型，结合物理模型实验、野外监测和理论分析，研究不同降雨、坡度和侵蚀条件下非点源污染物的输移过程，重点分析侵蚀的空间分布对污染物流失的影响及泥沙荷载对污染物输移的影响机理，建立预测非点源污染负荷的数值模型。通过实验，获取降雨径流的流量、含沙量、溶质和吸附态污染物含量，侵蚀的空间分布，土层中污染物含量等，为理论分析和数值模拟提供基础数据。考虑侵蚀和泥沙输移、污染物和泥沙的吸附－解吸，及污染物随雨水的下渗，通过数值模拟结合理论分析，研究不同环境条件下降雨产流、侵蚀和泥沙输移与污染物输移的具体过程，分析径流中溶质污染物含量、含沙量和吸附态污染物含量之关系，并结合野外监测分析数值模型对实际流域模拟的适用性和影响因素，加深对非点源污染物输移机理的理解。本研究对推动非点源污染物输移机理研究，提高污染控制和水环境治理技术等具有重要科学意义和工程应用价值。

本项目采用实测数据、理论分析和数值模拟相结合的方法，首先通过进行一系列多工况实验，获取了不同降雨（雨强、持续时间、间歇时间、移动方向）、不同泥沙（红壤、黄土）和不同坡度（15o、20o）条件下降雨径流流量、泥沙侵蚀率、溶质污染物流失率、吸附污染物流失率等变量之间的关系，对影响坡面降雨产流、侵蚀和污染物输移的主要物理参数进行了分析，深入研究了降雨过程中污染物随径流和泥沙输移的机理。研究表明，降雨过程中污染物主要以径流中的溶解态和泥沙上的吸附态而输移，在降雨初期，溶质污染物在径流中占主要地位，随着降雨径流的增大和泥沙侵蚀的发展，随泥沙而流失污染物的贡献比例上升。降雨的雨强、持续时间、浸泡时间、雨带移动方向等特性对污染物流失有很大的影响，其中雨强、浸泡时间和移动方向的影响尤为重要。然后针对强降雨过程中的产流特性，采用有限体积法和结构网格，结合中心迎风格式和线性重构技术计算界面通量，改进了坡面降雨和下渗过程中的二维动力波洪水方程的求解方法，建立了具有较好的计算精度和数值稳定性的降雨坡面洪水波方程，以计算复杂地形和降雨条件下坡面洪水的演进过程。进而在理解降雨过程中的坡面径流、泥沙侵蚀及污染物输移机理的基础上，考虑侵蚀和泥沙输移、污染物和泥沙的吸附－解吸，建立了降雨径流和非点源污染物输移的耦合数值模型，能够较好的模拟和预测降雨过程中坡面洪水过程及污染物随地表径流、泥沙侵蚀而输移的过程和坡面上的浓度分布，并重点分析植被、土壤特性、以及地形等在空间上的分布变化对污染物输移过程的影响，为非点源污染研究理论的完善和非点源污染控制提供了科学参考依据，为非点源污染物流失量评估、水环境保护等提供了计算工具。