明溝排水洗鹽條件下土壤水鹽動態模擬研究*

陳麗娟,馮起,張新民,劉蔚,蘇永紅,郭瑞,席海洋

(1.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所,蘭州730000;2.甘肅省水利科學研究院,蘭州730000;3.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京100084)

我國有鹽漬土面積約9 913萬hm2,涉及范圍多達23個省、市、自治區,具有分布范圍廣、含鹽成分復雜、含鹽量高、危害嚴重等特點[1]。研究土壤水鹽運移對鹽漬土的改良有很大的經濟價值。要想使農作物生長的土層中含鹽量保持在一定的限度內,就需要研究土壤水鹽在入滲、蒸發條件下的運移過程及分布規律。目前對于鹽分在非飽和土層中運動規律的研究,還少有涉及鹽分在明溝排水沖洗改良過程中的運移規律及水鹽動態的預測、預報方法,無法用來指導鹽漬土改良過程中遇到的問題[2-5],因此,必須在已有研究成果和試驗經驗的基礎上,緊密結合土壤鹽漬化的防治,對洗鹽過程中鹽分運移理論作進一步的探討和研究,為合理地確定土壤鹽堿化防治措施和田間水分管理提供科學依據。本文運用數值模擬的方法,對明溝排水洗鹽條件下溝距一半處的土壤水鹽運移動態進行了研究,并建立了區域洗鹽制度,其結論可以為鹽漬土的改良治理提供理論依據和技術支持。

1 土壤水鹽運移數學模型

明溝排水洗鹽多選擇農田休閑期進行,如忽略土壤溫度及溶質對水輸運過程的影響,不考慮作物根系吸水因素,以θ、h為變量的混合型土壤水分運動數學模型為

式中：θ——體積含水率;h——壓力水頭;h0(z)——初始壓力水頭分布;K(h)——水力傳導度;Qp——供水強度或表土蒸發強度;ql(t)——凈排水通量,l——計算土層厚度。

作為土壤水分輸運物質的鹽分,忽略其在土壤中的化合與分解、溶解與沉淀及離子交換等影響,明溝排水洗鹽鹽分運移的數學模型為

式中：c——土壤溶質濃度;D——水動力彌散系數;q——土壤水通量;J p——通過土壤表面的鹽分通量,入滲時為εcr,蒸發時為零;cl——下邊界土壤鹽分濃度。

2 模型驗證

2.1 模擬方案的確定

2003年7月有關部門在疏勒河昌馬灌區進行了明溝排水洗鹽試驗,試驗設計見參考文獻[6],為監測沖洗脫鹽效果,試驗以4#排水溝中心為起點每間隔20 m設置了一個土壤鹽分監測剖面,從監測所得沖洗后土壤脫鹽率及含鹽量等值線圖(圖1)可以看出,在同一條田中,距排水溝近的區域脫鹽率高,脫鹽層厚,反之,則脫鹽率低,脫鹽層淺。對于水平方向含鹽量均勻的土壤,沖洗后脫鹽率與脫鹽深度均在溝距一半處最小,形成一谷值點,并沿這一位置形成對稱分布。由此可見,溝距一半處的土壤水鹽運移動態及分布規律對明溝排水洗鹽具有較大的影響,很大程度上影響著沖洗脫鹽的整體效果。

明溝排水洗鹽的過程中,水流攜帶鹽分向排水溝的運移為二維飽和-非飽和運動,但在一般情況下,兩排水溝溝距一半處的非飽和帶土壤水鹽運移可以近似地視為一維運動[7]。鑒于此,本文確定運用數值模擬方法,僅對溝距一半處非飽和帶的土壤水鹽運移規律進行研究,并制定相應的洗鹽制度。

圖1 沖洗后脫鹽率及含鹽量等值線圖

2.2 數值模擬結果與分析

采用美國國家鹽改中心開發的HYDRUS軟件,同時進行水分和鹽分的非遲滯模擬,土壤水分運動特性參數見表1。取昌馬灌區明溝排水洗鹽試驗中3#和4#排水溝(間距141.8 m)之間各監測剖面實測洗鹽前后土壤含鹽量值進行模型的率定,沖洗水量采用3#和4#排水溝所在六號條田實際灌水量。根據洗鹽期間實測地下水位變化過程,地下水位最高時位于地面以下0.8 m處,因此取模擬最大土層深度距地面以下1.2 m。模擬階段劃分壓力入滲和蒸發兩個過程,以累積入滲量達到各次灌溉水深所對應的時間作為劃分依據,模擬結果如圖2所示。

表1 土壤水分運動特性參數

從圖中可以看出,距排水溝60～80 m處模擬得到的土壤鹽分動態過程與實際觀測得到的土壤鹽分動態過程基本吻合,表明此模擬方案能反映明溝排水洗鹽溝距一半處的土壤水鹽動態分布。

圖2 距排水溝60 m(A)和80 m(B)處含鹽量模擬值與實測值對比

3 模型的應用

3.1 沖洗后土壤水鹽動態變化

土壤含水率分布是研究土壤含鹽量分布的基礎和前提,第一次沖洗后,表層0-30 cm土壤平均含水率增大至0.25 cm3/cm3(圖3),較飽和含水率小,且無論是濕潤鋒向下移動的深度還是鹽分含量的遞減均比較緩慢,至第五次沖洗后,表層土壤平均含水率0.30 cm3/cm3,含鹽量6.77%,脫鹽率24.24%,脫鹽率低,脫鹽效果不明顯。第六次沖洗后因昌馬西干渠停水修渠,試驗灌水間隔了8 d,在入滲和蒸發雙重作用影響下含水率變化較大,飽和含水層延伸至40 cm土層,濕潤鋒至100 cm土層。入滲水溶解表土所含固態鹽分和原有土壤溶液一并形成濃度較高的土壤溶液向下移動,鹽峰形成于35-45 cm處,含鹽量5.25%。由此可見,較長的沖洗間隔時間,潛水蒸發導致的水分損失增大了土壤孔隙度,加快了水分向下入滲的速度,因此更有利于鹽分向深層土壤運移。第十次沖洗后,耕作層0-50 cm土壤平均含水率達到0.34 cm3/cm3,含鹽量0.86%,形成一個鹽分淡化區域,土壤含鹽量隨著土壤水分下滲而減少,耕作層土壤液相儲鹽量下降,土壤鹽漬化程度明顯降低。整個沖洗過程中,從整個剖面來看,含鹽量的變化總是稍滯后于含水率的變化,并且從上到下鹽峰的形成越來越晚,移動的速度越來越慢,由此可見,土壤脫鹽實際上是一個從上到下鹽分逐層傳遞的動態過程,具有明顯的層次分異特征,土層越深,脫鹽越慢,難度越大。

圖3 各次灌水土壤含水率與含鹽量分布模擬

3.2 土壤返鹽情況分析

圖4 為沖洗后30 d和150 d土壤含鹽量分布情況,可以看出,沖洗后30 d土壤含鹽量仍然保持下降趨勢,但隨著入滲水分的減少,鹽分運移量逐漸減小。至沖洗后150 d,出現了不同程度的返鹽,0-30 cm土層含鹽量由沖洗后的0.74%增大到1.35%,返鹽率為45.1%。究其原因,連續灌水洗鹽導致地下水位不斷上升,強烈的潛水蒸發造成土壤嚴重返鹽,另外,在地下水位恢復灌水前的高度后,土壤含水量仍然較高,土面蒸發也會使淋濾到下層土壤中的鹽分重新上移,造成返鹽。

分析不同含鹽量剖面的返鹽率發現,含鹽量與返鹽率之間存在顯著的相關性(圖5),0-30 cm脫鹽層、0-100 cm脫鹽層的返鹽率與含鹽量均符合冪函數關系,含鹽量較低時,返鹽率較高,隨著含鹽量增高,返鹽率急劇下降。

圖4 沖洗后土壤含鹽量分布

3.3 洗鹽制度的確定

采用明溝排水沖洗改良的鹽漬土多為中、重鹽土,0-30 cm土層積鹽嚴重,土壤平均含鹽量為0-100 cm土層土壤平均含鹽量的2倍以上,在沖洗過程中,溝距一半處往往是脫鹽效果較差的區域,故沖洗定額的確定應首先滿足該區域的計劃脫鹽標準。根據該試驗區鹽漬土沖洗改良后大麥苗期受鹽害程度試驗分析[4],播種前0-30 cm土層土壤平均含鹽量應控制在1.3%以下,故按0-30 cm設計脫鹽層,脫鹽標準確定為1.15%,針對不同初始含鹽量設計沖洗方案進行溝距一半處水鹽動態模擬,制定出適合該區域不同含鹽量情況下明溝排水洗鹽制度見表2。

表2 洗鹽制度設計表

4 結論

圖5 0-30 cm脫鹽層返鹽率與含鹽量關系曲線

通過明溝排水洗鹽過程中溝距與脫鹽率關系的分析,以溝距一半處土壤水鹽動態作為模擬研究的重點,對洗鹽條件下土壤水鹽運移模型進行了驗證,并就沖洗后土壤水鹽動態及返鹽情況進行了研究。結果表明,在明溝排水洗鹽的過程中,溝距一半處的沖洗脫鹽率與脫鹽深度最小,并沿這一位置形成對稱分布,因此可將該處土壤水鹽運移視為一維運動;整個沖洗過程中,含鹽量的變化總是稍滯后于含水率的變化,說明土壤脫鹽實際上是一個從上到下鹽分逐層傳遞的動態過程,具有明顯的層次分異特征;分析沖洗后不同含鹽量剖面的返鹽率發現,返鹽率與含鹽量符合冪函數關系,含鹽量較低時,返鹽率較高,反之亦然。在此基礎上,本文運用數值模擬的方法制定了區域明溝排水洗鹽制度,對以試驗為主的鹽漬土改良研究進行了有益的探索和補充。

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