干旱缺水城市中再生水灌溉的磷风险评估与优化策略——以中国北方张家口市为例

《Journal of Environmental Management》：Reclaimed water irrigation risk assessment and optimization strategy of phosphorus in the thirsty arid city, a case study in Zhangjiakou, Northern China

再生水灌溉优化与磷迁移研究在张北地区通过HYDRUS-2D模型校准，分析三种灌溉模式（单一再生水、混合灌溉）对磷流失及土壤累积的影响，确定最优灌溉方案为再生水与清水的混合灌溉（1.00 mg/L，年配额227.94 mm），显著减少排水量16.96%且仅降低植物根系吸水率5.37%，平衡节水与地下水保护。

　　在当今全球城市化进程不断加快的背景下，水资源短缺问题日益突出，特别是在干旱和半干旱地区，这一问题尤为严重。城市绿地的扩展虽然有助于改善生态环境和提升居民生活质量，但也加剧了城市水资源供需矛盾，给可持续发展带来了挑战。因此，如何在保障城市绿化用水的同时，有效应对由此引发的环境风险，成为当前研究的重要课题。本研究以中国张家口市为典型研究对象，基于该地区实际的绿地灌溉数据，利用HYDRUS-2D模型进行高精度参数校准与验证，深入探讨了再生水灌溉对土壤中磷迁移的影响机制，以及如何通过优化灌溉方案实现水资源的高效利用与地下水保护的双重目标。

再生水作为城市污水资源化利用的重要途径，具有显著的节水意义和环境效益。然而，再生水中通常含有较高浓度的氮、磷等营养元素，长期使用可能对土壤和地下水造成污染。特别是在干旱和半干旱地区，由于降水稀少，土壤持水能力有限，再生水灌溉更容易导致磷的累积和迁移，进而威胁地下水安全。因此，科学评估再生水灌溉对磷迁移的影响，是制定合理灌溉策略、实现城市可持续发展的关键。

本研究通过现场种植实验获取了张家口市绿地土壤中的磷迁移数据，并结合HYDRUS-2D模型，对不同灌溉方式下的磷迁移过程进行了模拟与分析。实验共设置了15种不同的灌溉强度与磷施加率的组合，通过对比分析，揭示了再生水单一灌溉（RI）与再生水与清水混合灌溉（MI）对磷迁移的不同影响。研究结果表明，长期采用再生水单一灌溉方式，会导致土壤中磷的过度积累，增加地下水污染的风险。相比之下，混合灌溉模式则能有效促进磷在土壤剖面中的滞留和形态转化，从而降低磷的流失率。此外，研究还发现，通过合理控制灌溉水中的磷浓度和灌溉量，可以显著减少排水中的磷负荷，同时仅小幅降低植物根系对水分的吸收能力，从而在保障植物生长需求的同时，提高水资源的利用效率。

在具体实施过程中，本研究采用了多种方法，包括现场实验、数据采集、模型校准与验证等。首先，研究人员在张家口市的绿地中进行了长期的现场种植实验，收集了不同灌溉模式下土壤中磷的迁移数据。这些数据涵盖了磷在土壤中的形态变化、迁移路径以及在不同深度土壤层中的分布情况。通过对这些数据的分析，研究人员能够更准确地理解再生水灌溉对土壤磷动态的影响。随后，利用HYDRUS-2D模型对实验数据进行了校准和验证，确保模型在模拟土壤水文过程和磷迁移时的准确性与可靠性。模型的参数校准过程充分考虑了不同土壤类型、气候条件以及灌溉方式的差异，从而提高了模拟结果的适用性。

研究结果表明，优化后的灌溉方案在实现水资源高效利用的同时，有效降低了磷的流失风险。具体而言，当灌溉水中的磷浓度控制在1.00毫克/升，且年灌溉量为227.94毫米时，可以达到最佳的平衡效果。这一方案不仅有助于保护地下水免受污染，还能确保城市绿地的正常生长需求。通过比较不同灌溉模式下的磷迁移情况，研究发现混合灌溉模式在减少磷流失方面表现更为优异，同时对植物生长的影响较小。这为干旱和半干旱地区的城市绿地管理提供了科学依据和技术支持。

本研究的成果具有重要的实践意义。一方面，它为城市绿地的可持续发展提供了可行的灌溉策略，有助于缓解水资源短缺问题，提高水资源利用效率。另一方面，研究结果也为再生水的安全利用提供了理论指导，特别是在如何控制磷的排放和减少地下水污染方面。此外，该研究还为相关政策制定者提供了参考，帮助他们更好地平衡水资源管理与环境保护之间的关系。通过科学评估和模型模拟，本研究为城市水资源的合理配置和绿地灌溉的优化提供了有力支持。

从更广泛的角度来看，本研究的成果不仅适用于张家口市，也为其他类似气候条件的城市提供了借鉴。在水资源日益紧张的背景下，如何科学合理地利用再生水进行城市绿化，是许多城市面临的共同挑战。通过本研究的方法和结论，可以为不同地区的城市绿地管理提供定制化的解决方案，从而实现水资源的高效利用与生态环境的协调发展。同时，研究还强调了模型在环境评估中的重要作用，展示了HYDRUS-2D模型在模拟土壤水文过程和磷迁移方面的强大功能，为今后类似研究提供了技术参考。

本研究还揭示了再生水灌溉对土壤结构和水文特性的影响。实验数据表明，再生水含有较高的悬浮颗粒物，长期使用可能破坏土壤孔隙结构，进而影响土壤的水力性能。然而，混合灌溉模式能够缓解这一问题，通过引入清水，降低土壤中悬浮颗粒物的浓度，从而维护土壤的稳定性。此外，研究还发现，再生水中的磷元素在土壤中具有一定的滞留能力，尤其是在混合灌溉模式下，磷更容易被土壤吸附并转化为植物可利用的形式，这不仅有助于提高土壤肥力，还能减少磷的流失风险。

在模型校准和验证过程中，研究人员采用了多种统计方法，确保模型参数的准确性。通过对比实验数据与模拟结果，研究人员发现，HYDRUS-2D模型在模拟土壤水文过程和磷迁移方面表现出较高的可靠性。这一结论为今后利用该模型进行类似研究奠定了基础，同时也表明，模型在预测和评估再生水灌溉对环境的影响方面具有广泛的应用前景。通过不断优化模型参数，研究人员能够更精准地模拟不同灌溉方式下的磷迁移过程，从而为制定科学合理的灌溉策略提供支持。

本研究的创新点在于，它首次将混合灌溉模式与再生水灌溉对磷迁移的影响进行了系统分析，并通过现场实验与模型模拟相结合的方法，揭示了不同灌溉方式对磷迁移的动态变化。这一研究方法不仅提高了对磷迁移机制的理解，也为今后类似研究提供了新的思路和方法。此外，研究还强调了在实际应用中，需要综合考虑土壤类型、气候条件、植物生长需求以及地下水保护目标，从而制定更加科学和合理的灌溉方案。

在实际应用中，再生水灌溉的优化方案需要结合当地的水资源状况和生态环境特点。例如，在干旱地区，由于降水稀少，土壤持水能力较低，再生水灌溉更容易导致磷的累积和迁移。因此，在制定灌溉方案时，应充分考虑土壤的持水能力、磷的吸附能力以及植物的生长需求，避免过量灌溉或磷施加，从而降低磷的流失风险。同时，研究还建议，在实际应用中应加强对再生水质量的监测，确保其符合灌溉标准，从而减少对土壤和地下水的潜在污染。

从政策层面来看，本研究的成果可以为政府相关部门提供科学依据，支持他们在城市水资源管理和生态环境保护方面的决策。例如，可以通过制定更为严格的再生水灌溉标准，规范其使用范围和方式，从而减少磷的排放和地下水污染。此外，还可以鼓励城市绿地管理者采用混合灌溉模式，提高水资源利用效率，同时降低磷的环境风险。这些措施不仅有助于缓解水资源短缺问题，还能促进城市生态环境的可持续发展。

在技术层面，本研究展示了HYDRUS-2D模型在环境评估中的强大功能。通过高精度的参数校准和验证，研究人员能够更准确地模拟土壤水文过程和磷迁移，从而为不同地区的绿地管理提供科学支持。这一模型的应用不仅提高了研究的精度，也为今后类似研究提供了技术工具。同时，研究还强调了在模型应用过程中，需要充分考虑当地的实际条件，确保模型的适用性和可靠性。

从生态角度来看，再生水灌溉对城市绿地的可持续发展具有重要意义。一方面，它可以有效缓解城市水资源短缺问题，提高水资源的利用效率；另一方面，它还可以减少化学肥料的使用，降低对环境的污染。然而，再生水灌溉的潜在风险也不容忽视，特别是在磷的排放和地下水污染方面。因此，在推广再生水灌溉的同时，必须加强对环境影响的评估和监测，确保其在实际应用中的安全性和可持续性。

综上所述，本研究通过现场实验和模型模拟相结合的方法，深入探讨了再生水灌溉对城市绿地土壤中磷迁移的影响机制，并提出了优化的灌溉方案。研究结果表明，混合灌溉模式在减少磷流失和提高水资源利用效率方面具有显著优势。这一成果不仅为干旱和半干旱地区的城市绿地管理提供了科学依据，也为再生水的合理利用和生态环境保护提供了技术支持。未来，随着城市化进程的加快和水资源短缺问题的加剧，再生水灌溉的应用将更加广泛，因此，如何科学评估其环境影响并制定合理的管理策略，将成为城市可持续发展的重要课题。