生态沟渠复杂边界与饱和-非饱和区水分和污染物交换规律及耦合模型研究

The water and contaminant interactions between the ecological ditch and the saturated-unsaturated zone are controlled by the complex boundary conditions due to the plant growing and engineering measurements, while influence the pollution reduction effect of the ecological ditch. Studying the water flow and contaminant interactions between the ditch and the saturated-unsaturated zone as well as its influence on the soil redox potential are significantly important to understand the ditch water flow and contaminant transformation and transport processes. This study mainly focuses on the following research topics: (1) Analyzing the complex boundary conditions of the ecological ditch; (2) Estimating the influence of the complex boundary conditions on the soil redox potential, saturated-unsaturated water flow and contaminant transformation and transport processes; (3) Developing the fully coupled water flow and contaminant transformation and transport model in the ecological ditch and the saturated-unsaturated zone ; (4) Revealing the water flow and contaminant transport characteristics under the complex boundary conditions and the environmental effect on the pollution reduction of the ecological ditch. This study contributes to solve the water flow and contaminant transport between different systems with complex interface and helps to further understand the water cycling processes and pollution reduction of the ecological ditch.

生态沟渠植物根系生长和工程措施改变了沟渠边界特性，造成了沟渠与饱和-非饱和区土壤水分和污染物交换规律的变化，并影响生态沟渠污染物消减作用。需要明确复杂边界条件下生态沟渠与饱和-非饱和区水分与污染物的交换过程，土壤氧化还原特征的变化及其对污染物化学反应过程的影响。本项目的主要研究内容为：分析生态沟渠边界特征的变化，研究生态沟渠复杂边界条件对土壤氧化还原性质、饱和-非饱和区水分运动及污染物迁移转化过程的影响机制，构建适应生态沟渠边界特征和复杂条件的生态沟渠-饱和-非饱和区水分运动与污染物迁移转化耦合数学模型，最终揭示生态沟渠边界条件影响下饱和-非饱和区水分运动与污染物迁移转化规律及其伴生的环境效应。本项目研究成果在理论上解决水分和污染物在不同介质系统变化边界条件下的耦合流动问题，在实际中对深入认识生态沟渠水分循环和污染物消减的机理具有重要意义。

本研究针对复杂边界条件下氮素在地表与土壤、地下水系统之间的迁移转化规律及其影响因素这一关键问题，通过野外试验、同位素示踪试验，探明了不同边界条件下氮素在地表和土壤、地下水系统之间的交换过程及变化规律；通过构建二层地表氮素模型及将其与土壤氮素模型进行耦合，定量分析了氮素在各系统交界面的交换通量、各迁移转化氮素反应总量；通过数值试验进一步明确了复杂边界条件对氮素在地表、土壤、地下水系统迁移转化过程的影响。该研究为减轻农业面源污染、提高氮素利用率提供了理论基础及技术支持。具体内容包括：（1）在江西省水保院进行了野外坡地降雨条件下氮素在地表-地下交换规律试验，探究了不同土壤干湿条件及地表覆盖背景条件下氮素在地表水与地下水之间的交换规律；（2）在武汉大学灌排试验场内开展了N15同位素示踪试验，探究不同边界条件下氮素流失的主要来源及影响因素；（3）建立了二层地表氮素流失模型，采用运动波方程描述地表径流的运动规律，同时采用基于溶质质量守恒和水量平衡原理的溶质二层模型描述径流中氮素的迁移转化规律；（4）建立地表-地下水氮素迁移转化耦合模型，将建立的地表径流氮素迁移转化模型与饱和-非饱和氮素迁移转化模型Nitrogen2D耦合，并通过复杂条件算例确认了耦合模型的可信度；（5）改进Nitrogen2D模型中土壤有机碳含量对氮素反应过程的影响，利用中国水科院的土柱模拟再生水灌溉试验进行改进模型模拟，说明了改进模型能很好地模拟考虑外源有机质的土壤氮素运移转化过程；（6）采用地表-地下水氮素迁移转化耦合模型对野外试验数据进行数值模拟和数值试验，定量分析了不同边界和土壤初始条件对氮素在地表与土壤系统之间交换过程的影响。