CN111680423B - 一种定量稻田水土界面降水溅蚀力的方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种定量稻田水土界面降水溅蚀力的方法与应用，涉及面源污染源头综合控制领域，该方法通过考察降水开始时和径流产生时的各项参数，进而建模计算得到稻田水土界面降水溅蚀力，使得人们能够根据当地稻田不同时期的田间管理获取初始田面水位及田埂高度信息，估算出降水溅蚀力的大小，给出稻田径流流失模型中降水垂向机械作用力的阈值，为后续降低降水溅蚀作用，减缓水土界面养分释放输移情况，进而保证作物生产的同时避免水体污染风险提供了帮助。

Description

一种定量稻田水土界面降水溅蚀力的方法与应用
技术领域
本发明属于面源污染源头综合控制领域，具体涉及一种定量稻田水土界面降水溅蚀力的方法与应用。
背景技术
溅蚀，是指雨滴直接打击地面，使土体分散，并分离出细小颗粒，被飞溅雨滴带起而产生位移的过程。通常，除降雨、田面水混合后形成水平推流，经过输移过程形成地表径流外，降水垂向溅蚀作用导致的土壤颗粒分离和孔隙水养分释放也参与到径流流失过程。雨滴降落至土壤表层时，雨滴动能转化为作用于稻田田面水层的压力势能，发生溅蚀作用，促使土壤颗粒或团聚体分离，土壤溶质释放、溶液溅出。与旱地直接产生土壤溅蚀和颗粒分离不同，稻田田面水层对于降雨的冲击力还具有缓冲作用，降低了溅蚀能力。现有径流流失过程模型忽略了降水溅蚀作用下土壤养分释放及向径流输移过程。而降水溅蚀作用促使日本大分河流域稻田水土界面硝态氮释放占径流流失的20％(详见文献Higashino M,StefanH G.Modeling the effect of rainfall intensity on soil-water nutrient exchangein flooded rice paddies and implications for nitrate fertilizer runoff to theOita River in Japan[J].Water Resources Research,2014,50(11).)，可见，降水溅蚀作用下水土界面养分释放输移在径流流失过程中发挥着非常关键的作用。
目前，研究者们对于降水溅蚀开展了一系列研究，例如，高学田和包忠谟的论文(高学田,包忠谟.降雨特性和土壤结构对溅蚀的影响[J].水土保持学报,2001,015(003):24-26,47.)中发现了土壤溅蚀量与降雨强度相关关系的最佳函数为指数函数，降雨溅蚀力与溅蚀量呈线性相关关系。江忠善和刘志江在论文(忠善,刘志.降雨因素和坡度对溅蚀影响的研究[J].水土保持学报,1989(02):31-37.)中研究了各类降雨的特征因素和坡度对溅蚀的作用，为溅蚀情况的研究提供了理论基础。另外，中国专利CN104155426B公开了一种土壤溅蚀动力定量监测系统和方法，该系统通过视频雨滴谱仪采集雨滴个数、雨滴质量和雨滴速度，计算得到采样雨滴动能Ek，再计算采样土壤溅蚀量A和采样雨滴动能Ek之间的关系表达式A＝f(Ek)＝a+b·Ek，进而得到实际土壤溅蚀量，其中，a、b为常数，e为指数。但前述发明的系统和方法主要针对表面无植被覆盖的土壤进行溅蚀量的测量，而当土壤表面覆盖不同的植物/作物时，将极大地影响到土壤的溅蚀情况，例如冠层可计算为地表覆盖，对土壤有保护作用，冠层的存在降低了雨滴动能，土壤溅蚀可以忽略不计，而对于高冠层林木，如橡胶林、桉树林等，此时冠层截留并汇集雨滴，形成更大的雨滴形态后滴落到土壤，这个过程增大了雨滴的动能，造成了更强烈溅蚀，中国专利CN110472374A公开的一种用于高冠层林木下土壤侵蚀模拟方法中就针对高冠层林木的溅蚀量展开了研究，但目前为止，针对稻田水土界面降水溅蚀情况，还未有一种较为有效便捷的定量计算方法，而在农业生产日益发展的今天，水稻作为全球最重要的粮食，降水溅蚀情况将引起水稻田氮磷径流流失，影响作物生长的同时也会对邻近水体造成污染风险，为防止水土界面养分释放输移，避免水体污染风险，寻找一种能够定量稻田水土界面降水溅蚀力的方法至关重要。
因此，针对现有技术存在的空白，亟需寻找一种定量稻田水土界面降水溅蚀力的方法，进而能够有效而精准地计算溅蚀力，为后续降低降水溅蚀作用，减缓水土界面养分释放输移情况，进而保证作物生产的同时避免水体污染风险提供帮助。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种定量稻田水土界面降水溅蚀力的方法与应用，通过该方法人们能根据当地稻田不同时期的田间管理获取初始田面水位及田埂高度信息，进而估算出降水溅蚀力的大小，给出稻田径流流失模型中降水垂向机械作用力的阈值，为后续降低降水溅蚀作用，减缓水土界面养分释放输移情况，进而保证作物生产的同时避免水体污染风险提供了帮助。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种定量稻田水土界面降水溅蚀力的方法，包括以下步骤：
(1)降水开始时，测量稻田系统的初始理化参数和降水的理化参数；
(2)径流产生时，测量稻田系统的理化参数；
(3)利用步骤(1)得到的稻田系统的初始理化参数和降水的理化参数、步骤(2)得到的稻田系统的理化参数、水密度ρ和重力加速度g，建模，计算得到稻田水土界面降水溅蚀力。
进一步地，步骤(1)中所述降水的理化参数包括雨滴降落时携带的雨滴动能E，其计算公式为；
Figure BDA0002531203860000031
上式中，m为每时间段内雨滴的总质量，V为雨滴速度；
其中，m的计算公式为：
Figure BDA0002531203860000032
上式中，D为监测时间段内雨滴直径，ρ为水密度。
进一步地，步骤(1)中所述稻田系统的初始理化参数包括水体面积S和初始田面水层厚度D0。
进一步地，步骤(2)中所述稻田系统的理化参数包括田埂高度H0。
进一步地，所述稻田水土界面降水溅蚀力在降水过程中不断变化，包括降水开始时稻田水土界面降水溅蚀力P0和径流产生时稻田水土界面降水溅蚀力P1。
进一步地，所述降水开始时稻田水土界面降水溅蚀力P0的计算公式为：
P0＝E/(SD0ρg)；
所述径流产生时稻田水土界面降水溅蚀力P1的计算公式为：
P1＝E/(SH0ρg)。
上式中，SH0为径流产生时水柱的体积(田面水层升高至田埂高度时水柱的体积)，SD0为初始水柱的体积。
由此可见，当初始田面水层较低时，相对于田面水层的压力势能来说，雨滴溅蚀作用产生的附加压力势能是不可忽略的。此后，随着降水量的增加，田面水层不断增加，雨滴产生的附加压力势能不断降低，直至田面水层等于田埂高度，雨滴产生的附加压力势能不再随着田面水层变化而变化。假设雨滴降落到水面后雨滴的速度降至为零(近似)，那么雨滴的动能全部转化为压力势能。根据雨滴降落时携带的雨滴动能的计算公式和每时间段内雨滴的总质量的计算公式，人们可根据当地稻田不同时期的田间管理获取初始田面水位及田埂高度信息，进而估算出降水溅蚀力的大小，给出稻田径流流失模型中降水垂向机械作用力的阈值。
进一步地，上述方法能够应用在考察稻田水土界面养分总释放通量中，在上述降水溅蚀力作用下，发生了稻田水土界面养分释放过程，本发明定量了不同田面水层下该降水溅蚀作用的大小，进而得到溅蚀作用对水土界面养分释放速率的影响：
Figure BDA0002531203860000041
其中P为单位时间内的降水溅蚀力；W是水-土界面养分释放速率，k是实际测量的土壤渗透系数，T是水土界面压力持续的时间；a是连续方程系数。
其中T与降雨强度呈正比：
Figure BDA0002531203860000042
R为降雨强度；
连续方程系数a是与土壤物理特性有关的系数。
Figure BDA0002531203860000043
其中k为实际测量的土壤渗透系数，mv为土壤的压缩系数，值为0.00018，ρ为雨水密度(＝1000kg/m3)，g为重力加速度(＝9.8m/s2)。
然后，得到t时刻的降水溅蚀作用力下稻田水土界面养分总释放通量为：
Et＝CeW
式中，Et是考虑溅蚀作用的水-土界面养分释放通量，Ce为土壤孔隙水养分释放浓度，W是水-土界面养分释放速率。
其中，t时刻的土壤孔隙水养分释放浓度Ce可根据实际测量的田面水浓度Cp进行计算：
Ce＝μCt+C0×e(-Rt×t/Dt)
μ＝(Rt-Wt×Dt/hs)/Wt
Wt为t时刻的水-土界面养分释放速率，Dt为t时刻的田面水高度，Ct为t时刻的田面水浓度，Rt为t时刻的降水强度，C0为实际监测的田面水初始浓度，hs为实际测量的水稻根系深度。
本发明所取得的技术效果是：本发明的方法能够根据当地稻田不同时期的田间管理获取初始田面水位及田埂高度信息，进而估算出降水溅蚀力的大小，给出稻田径流流失模型中降水垂向机械作用力的阈值，为后续降低降水溅蚀作用，减缓水土界面养分释放输移情况，避免水体污染风险提供了帮助。
附图说明
图1为稻田水土界面降水溅蚀力的发生过程；
图2为不同降水溅蚀力下场次内总氮径流流失量的观测值、模拟值及不考虑降水溅蚀力时的模拟值；
图3为不同降水溅蚀力下平均总氮径流流失通量的观测值、模拟值及不考虑降水溅蚀释放过程的模拟值。
具体实施方式
实施例
稻田水土界面降水溅蚀力的发生过程如图1所示，本发明提供了一种定量稻田水土界面降水溅蚀力的方法，包括以下步骤：
(1)降水开始时，测量稻田系统的初始理化参数和降水的理化参数；
(2)径流产生时，测量稻田系统的理化参数；
(3)利用步骤(1)得到的稻田系统的初始理化参数和降水的理化参数、步骤(2)得到的稻田系统的理化参数、水密度ρ和重力加速度g，建模，计算得到稻田水土界面降水溅蚀力。
其中，步骤(1)中所述降水的理化参数包括雨滴降落时携带的雨滴动能E，其计算公式为：
Figure BDA0002531203860000051
上式中，m为每时间段内雨滴的总质量，V为雨滴速度；
其中，m的计算公式为：
Figure BDA0002531203860000061
上式中，D为监测时间段内雨滴直径，ρ为水密度。
步骤(1)中稻田系统的初始理化参数包括水体面积S和初始田面水层厚度D0；步骤(2)中所述稻田系统的理化参数包括田埂高度H0。
稻田水土界面降水溅蚀力在降水过程中不断变化，包括降水开始时稻田水土界面降水溅蚀力P0和径流产生时稻田水土界面降水溅蚀力P1，P0和P1的计算公式为：
P0＝E/(SD0ρg)；
P1＝E/(SH0ρg)。
在上述降水溅蚀力作用下，发生稻田水土界面养分释放过程，进而得到溅蚀作用对水土界面养分释放速率的影响：
Figure BDA0002531203860000062
其中P为单位时间内的降水溅蚀力；W是水-土界面养分释放速率，k是实际测量的土壤渗透系数，T是水土界面压力持续的时间；a是连续方程系数。
其中T与降雨强度呈正比：
Figure BDA0002531203860000063
R为降雨强度；
连续方程系数a是与土壤物理特性有关的系数，。
Figure BDA0002531203860000064
其中k为实际测量的土壤渗透系数，mv为土壤的压缩系数，值为0.00018，ρ为雨水密度(＝1000kg/m3)，g为重力加速度(＝9.8m/s2)。
然后，得到t时刻的降水溅蚀作用力下稻田水土界面养分总释放通量为：
Et＝CeW
式中，Et是考虑溅蚀作用的水-土界面养分释放通量，Ce为土壤孔隙水养分释放浓度，W是水-土界面养分释放速率。
其中，t时刻的土壤孔隙水养分释放浓度Ce可根据实际测量的田面水浓度Cp进行计算：
Ce＝μCt+C0×e(-Rt×t/Dt)
μ＝(Rt-Wt×Dt/hs)/Wt
Wt为t时刻的水-土界面养分释放速率，Dt为t时刻的田面水高度，Ct为t时刻的田面水浓度，Rt为t时刻的降水强度，C0为实际监测的田面水初始浓度，hs为实际测量的水稻根系深度。
考察并统计22场次(每场次120分钟)不同降水强度下，每20分钟范围内径流流失的模拟值、径流流失的观测值以及不考虑降水溅蚀力时的流失模拟值，得到图2，其中，径流流失模拟值中的降水溅蚀力通过本发明中所记载的方法进行计算。根据图2的结果计算得到不同状态下总氮径流流失通量的平均值如图3所示，结果显示，考虑降水溅蚀力时的模拟值与观测值较为接近，而不考虑降水溅蚀力时，总氮径流流失通量的平均值低估19.84％。场次内，当释放量较大时，总氮径流流失通量将低估达30％。由此可知，降水溅蚀力对于总氮径流流失通量的关键作用，通过溅蚀力的定量能够水充分考察土界面养分释放输移情况。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (2)

1.一种定量稻田水土界面降水溅蚀力的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）降水开始时，测量稻田系统的初始理化参数和降水的理化参数；
（2）径流产生时，测量稻田系统的理化参数；
（3）利用步骤（1）得到的稻田系统的初始理化参数和降水的理化参数、步骤（2）得到的稻田系统的理化参数、水密度ρ和重力加速度g，建模，计算得到稻田水土界面降水溅蚀力；步骤（1）中所述降水的理化参数包括雨滴降落时携带的雨滴动能E，其计算公式为：
Figure 985603DEST_PATH_IMAGE001
上式中，m为每时间段内雨滴的总质量，V为雨滴速度；
其中，m的计算公式为：
Figure 483449DEST_PATH_IMAGE002
上式中，D为监测时间段内雨滴直径，ρ为水密度；
步骤（1）中所述稻田系统的初始理化参数包括水体面积S和初始田面水层厚度D0；
步骤（2）中所述稻田系统的理化参数包括田埂高度H0；
所述稻田水土界面降水溅蚀力在降水过程中不断变化，包括降水开始时稻田水土界面降水溅蚀力P0和径流产生时稻田水土界面降水溅蚀力P1；
所述降水开始时稻田水土界面降水溅蚀力P0的计算公式为：
P0=E/(SD0ρg)；
所述径流产生时稻田水土界面降水溅蚀力P1的计算公式为：
P1=E/(SH0ρg)。
2.一种考察稻田水土界面养分总释放通量的方法，其特征在于：利用权利要求1所述的方法进行考察。
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