中文摘要：

地表径流引起的非点源污染问题已成为世界关注的热点。以土壤作为供给源、以地表径流作为输移载体的污染物预报模型应运而生。这类模型的准确预报依赖于人们对土壤溶质向地表径流传递过程机理的认识与参数的准确获取。然而，现有"黑箱"研究范式无法实现参数的准确计算，更不能提出具有明确物理意义的模型框架。本研究拟采用降雨与集中水流的对照试验方法，对坡面土壤溶质向地表径流传递的复杂过程进行物理分解；建立相应各过程的数学模型，通过数值模拟解析模型参数与单一过程的对应关系，对溶质传递过程进行参数分割；通过对现有参数计算公式的校核及参数对多因素响应的分析，提出基于过程的参数计算公式；在明确物理过程与参数计算方法的基础上，构建坡面土壤溶质向地表径流传递的数学模型，并在不同自然条件下对模型适用性进行评价。本研究将从机理认知、参数计算和理论框架三个层面完善和创新现有理论，使非点源污染模型向精准预报迈出更为坚实的一步。

结论摘要：

本研究主要围绕坡面土壤溶质向地表径流传递的物理过程（1）设计了稳态和非稳态、降雨和集中水流冲刷的多种工况精细实验，通过多组重复实验获得了高分辨率的径流量、径流浓度、土壤剖面水分和溶质浓度的动态过程；（2）解析土壤径流界面上溶质迁移的机制，离解降雨溅蚀和分子扩散两个驱动力，探讨降雨和冲刷条件下水、沙、溶质的耦合关系；（3）分别在稳态和非稳态条件下构建描述界面溶质迁移的物理模型，采用不同求解方法获得便于重复和应用的解析解；（4）通过模型和实验数据的拟合求解描述界面溶质传递速率的关键参数并分析影响参数的主要因素。 得出的主要结论有（1）饱和土壤在降雨作用下，土壤表面与地表径流之间的浓度梯度引起的质量传递占界面溶质传递总量的80%左右，而降雨的溅蚀作用引起的溶质弥散占传递总量的15%左右；（2）构建的稳态模型能够准确捕捉产流初期溶质大量流失的关键过程，随着降雨历时增加，模型拟合的土壤浓度相对滞后；（3）对于非饱和土壤，仅在降雨初期土表溶液浓度和径流浓度出现短暂的负相关关系，降雨后期不论是饱和还是非饱和土壤，土表溶液浓度和径流浓度呈相似的正相关关系，并在降雨10~15分钟后趋于线性关系；（4）对于非饱和土壤，降雨初期径流浓度的快速增加主要是由快速升高的界面传递速率系数造成，而在降雨6分钟后，径流中的溶质总量主要受土壤表面逐渐减少的供应源影响；（5）构建的非稳态界面溶质传递模型以及简化的求解形式，只需要径流浓度的实测数据，既可以推求土壤表面溶液浓度变化以及界面传递速率系数；（6）集中水流冲刷作用下不同流量仅影响水、泥沙、溶质的绝对值，没有改变径流量和径流浓度、径流浓度和含沙量之间的关系模式；当降雨和集中水流冲刷共同作用且二者数量相当时，溶质~径流、溶质~泥沙关系会出现两条主线模式，表现出早期降雨作用显著和后期径流冲刷作用主导的差异。