流域尺度非平衡态硝态氮从非饱和带向饱和含水层迁移的预测模型构建及其对地下水污染风险评估的启示

为解决农业面源污染中硝态氮(Nitrate-N)在包气带-饱和带耦合系统中的非平衡态迁移难题，浙江大学团队创新性地开发了集成改进的流管模型(ESTM)，结合原位突破曲线(BTC)采集装置和Pearson III型分布参数化方法，实现了流域尺度硝态氮迁移的高精度模拟(NSE=0.97)，为地下水污染防控提供了理论工具。

　　

随着农业集约化发展，氮肥过量施用导致的硝态氮污染已成为威胁地下水安全的全球性问题。在中国长三角等典型农业区，硝态氮通过包气带(vadose zone)向饱和含水层的迁移过程涉及复杂的非平衡态传输现象，传统对流-弥散方程(CDE)难以准确模拟这种具有"早期突破"和"拖尾效应"的迁移行为。更棘手的是，流域尺度下土壤参数的空间异质性、污染物吸附降解过程以及包气带-饱和带的耦合作用，使得现有模型在预测精度和实用性方面面临重大挑战。

针对这一科学难题，浙江省水利河口研究院联合浙江大学的研究团队在《Journal of Contaminant Hydrology》发表研究，通过开发新型原位BTC采集装置获取大尺度场数据，创新性地构建了集成改进流管模型(Ensemble improved Stream Tube Model, ESTM)，首次实现了流域尺度硝态氮非平衡态迁移的全过程模拟。该研究通过三个关键技术突破：自主研发的60管并联式原位BTC采集系统，实现高效获取场尺度溶质穿透曲线；采用Bootstrap重采样验证参数估计可靠性(置信区间<10%)；将Pearson III型分布与改进的流管模型耦合，整合吸附/降解过程，显著提升模拟精度。

研究结果部分：

1. BTC参数测定与特征：通过对比CDE与移动-不动区模型(MIM)对60个土壤柱穿透曲线的拟合，证实研究区存在显著非平衡传输(MIM平均R²=0.94 vs CDE的0.88)，Bootstrap分析显示参数估计稳定。

2. ESTM中弥散参数敏感性分析：基于500组蒙特卡洛模拟的全局敏感性分析揭示，平均弥散系数、其偏度、平均流速和吸附系数是控制非平衡传输的四大关键参数，其中弥散系数的空间变异对早期突破预测影响最大。

3. 结论：ESTM模型成功预测雨季高浓度硝态氮迁移(NSE=0.97)，并耦合饱和带模型实现长期动态模拟。通过显式刻画流速(v)与弥散系数(D)的联合异质性，ESTM对早期突破的模拟精度较传统模型提升41%(R²=0.875 vs 0.623)。

该研究的创新性体现在三方面：方法学上首创将P-III分布与流管模型结合处理参数异质性；技术上开发了可工程化的BTC采集装置；应用层面建立了首个考虑包气带-饱和带全耦合的流域尺度硝态氮评估框架。研究成果为农业面源污染治理提供了可推广的量化工具，尤其对预测施肥敏感期地下水污染风险具有重要实践价值。作者Debao Lu等特别指出，该框架的适应性使其可扩展应用于其他非平衡迁移污染物研究，为实现联合国可持续发展目标(SDGs)中清洁饮水的子目标提供了技术支撑。