成都平原农田土壤硝酸盐运移及地下水污染研究

摘要

农业面源污染引发的水环境问题自上世纪70年代开始不断凸显出来，其中由于化肥的过量使用引起硝酸盐淋失而引发的地下水硝酸盐污染问题也日益严重。德阳市是成都平原上典型的农业集中区域，该区域农业发展历史久但管理措施不够先进，且地势平坦、降雨入渗量大、地下水位埋深浅，这些特征导致硝酸盐易于在地下水中的积累。本文以德阳市某镇为研究区域，在 HYDRUS-1D 和Visual Modflow软件的基础上建立包气带和地下水硝酸盐运移模型，并预测地下水中硝酸盐浓度变化对不同施肥情景的响应。 根据包气带水-硝酸盐运移模拟结果，在一次灌水后，包气带浅层土壤含水率先快速上升后逐渐降低，随着土壤深度的增加，含水率峰值出现的时间逐渐后移，且波动情况变缓，一次灌水后400 cm深度以下土壤含水率没有明显的波动。一次施肥后，在100 cm深度以上的土壤中硝酸盐浓度出现较大幅度的变化，并在30 cm深度以内出现浓度峰值，峰值随时间逐渐减小并下移；在深度280~400 cm处出现第二个峰值，说明施肥后硝酸盐随水下移并在较深的地方累积。在一次水稻-油菜轮作后，土层底部硝酸盐总淋失量为36.3569 kg/ha（以N计），淋失量大小受到季节和农业活动的影响，在降雨和灌溉较为集中的6~9月，土层底部累积淋失量占全年的48.56%。 根据地下水硝酸盐运移模拟结果，研究区域内地下水中硝酸盐浓度在农业集中区明显高于城镇区域，且浓度大小受到季节影响，虽然在夏秋季节土壤硝酸盐淋失量较大，但是同时地下水水分补给量也较大，对进入地下水中的硝酸盐有稀释作用，因此未能明显地观察到硝酸盐在地下水中积累，而在11月以后，可以明显观察到地下水中硝酸盐浓度随时间升高。 通过对不同施肥情景下地下水硝酸盐浓度变化的分析可知，施肥量增加可以导致地下水中硝酸盐浓度明显升高，甚至超过20 mg/L造成污染；而减少施肥量可以控制地下水中硝酸盐的积累，施肥量以较低的减少率减少时，虽然对地下水中硝酸盐的积累有所缓解，但以较高的减少率减少时，才能明显地使地下水中硝酸盐浓度减少，因此还需大力发展科学的施肥方法。

目录

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第1章 前 言

1.1. 研究背景及意义

1.1.1. 选题依据及意义

1.1.2. 农业发展面临的问题

1.1.3. 氮肥过量使用对环境的影响

1.2. 国内外研究现状

1.2.1. 农业面源地下水硝酸盐污染研究现状

1.2.2. 包气带水盐运移研究进展

1.2.3. 地下水污染数值模拟的现状与发展

1.3. 研究内容及技术路线

1.3.1. 研究内容

1.3.2. 技术路线

第2章 研究区域概况

2.1. 自然地理概况

2.1.1. 地理位置及交通

2.1.2. 地形地貌

2.1.3. 气候及水文

2.2. 地质及水文地质概况

2.2.1. 地层及岩性

2.2.2. 水文地质特征

2.2.3. 地下水富水性及分布变化特征

2.2.4. 第四系孔隙水补、径、排及动态变化特征

2.3. 研究区域社会经济概况

第3章 非饱和带水氮运移数值模拟

3.1. 数学模型

3.1.1. 水分运移模型

3.1.2. 溶质运移模型

3.2. 水氮运移数值模拟

3.2.1. 空间离散及时间离散

3.2.2. 边界条件及初始条件

3.2.3. 模型参数

3.2.4. 作物参数的设置

3.3. 模型的校正及敏感性分析

3.3.1. 模型校正

3.3.2. 敏感性分析

3.3.3. 土壤水分及硝酸盐的运移动态

3.4. 土壤硝酸盐的淋失

3.4.1. 土壤硝酸盐的淋失

3.4.2. 输出系数

第4章 地下水硝酸盐数值模拟

4.1 MODFLOW软件简介

4.2 模型建立的理论基础

4.2.1 渗流模型

4.2.2 溶质运移模型

4.3 地下水流及溶质运移数值模拟

4.3.1 模型的概化及网格划分

4.3.2 参数设置

4.3.3. 模型校正

4.3.4. 敏感性分析

4.4. 地下水硝酸盐污染时空特征

4.4.2. 地下水中硝酸盐浓度时间变化特征

4.4.3. 地下水中硝酸盐空间变化特征

第5章 地下水非点源硝酸盐污染预测

5.1 不同施肥情景的构建

5.2 不同施肥情景下的污染源强

5.3 预测结果及分析

结论及建议

结论

建议

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文