基于HYDRUS模型的鹽堿地土壤水鹽運移模擬

潘延鑫，羅紈，賈忠華，井思媛，李山，武迪

（1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州225009；2.南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院，江西南昌330099；3.西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西西安710048）

基于HYDRUS模型的鹽堿地土壤水鹽運移模擬

潘延鑫1，2，羅紈1，賈忠華1，井思媛2，李山3，武迪3

（1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州225009；2.南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院，江西南昌330099；3.西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西西安710048）

為了解陜西鹵泊灘鹽堿地的水鹽運移情況，基于當?shù)?009—2013年田間水鹽監(jiān)測資料，應用飽和－非飽和土壤水分及溶質運移理論，利用HYDRUS－1D數(shù)值模型對當?shù)赝寥浪帧Ⅺ}分運移規(guī)律進行數(shù)值模擬，分析了鹽堿地的水鹽變化狀況，確定合理的田間灌水定額。結果表明：在玉米整個生育期內，不同灌溉處理的土壤含水量變化趨勢基本一致，從節(jié)水控鹽的綜合標準衡量，農田灌水定額為500 m3·hm－2時有利于控制土壤鹽分的累積。采用HYDRUS－1D模型對鹽堿地農田土壤水鹽運移的模擬結果與田間試驗實測結果基本吻合，該研究結果可為類似鹽堿化地區(qū)農田水鹽管理提供科學依據(jù)。

鹽堿地；水鹽運移；數(shù)值模擬；HYDRUS－1D模型

在世界人口增長［1］、全球耕地資源日益減少［2］的大背景下，土壤鹽漬化問題［3－6］已成為制約農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一大瓶頸。如何對鹽堿地水鹽進行有效管理［7－15］，從而維持田間水鹽平衡［16－19］，實現(xiàn)農業(yè)生產的可持續(xù)發(fā)展是當前我國經濟發(fā)展和環(huán)境保護中亟待解決的科學問題。

在一些半干旱、半濕潤灌區(qū)內，鹽堿地治理過程中排水溝由于排水出路受阻，并受到灌溉水或降水、以及來自上游或周邊水源補給的影響，使得排水溝周期性地保持較高水位運行，在這種條件下，農田水鹽平衡受到影響，農田土壤是否會發(fā)生積鹽而影響作物正常生長成為關注的焦點。出現(xiàn)了大量關于作物在較高地下水位情況下生長的水鹽平衡研究［20－23］。部分研究結果已表明，灌區(qū)排水系統(tǒng)運行模式改變后，適當?shù)霓r田水位管理措施可以滿足農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展的要求。

位于陜西省富平縣境內的鹵泊灘灌區(qū)在歷史上曾為古湖泊洼地，鹽分累積較多，近代被開墾為農田，但鹽漬化問題一直很嚴重［24］。1999年，當?shù)赜嘘P部門通過土地平整和健全灌排系統(tǒng)措施，實施了鹵泊灘鹽堿地深度治理。在治理過程中，受到經濟因素和環(huán)境保護要求限制，通往灘外的排水干溝未能完成，灌溉季節(jié)的排水只能滯留在排水溝和下游一片洼地內。由于地勢較低，鹵泊灘排水溝系統(tǒng)除了負擔本區(qū)內的灌溉排水以外，還受到兩個上游引黃灌區(qū)在灌溉季節(jié)退水的影響，溝內水位周期性的升高。近10多年來，區(qū)內未發(fā)生大面積的鹽漬化，種植的玉米、棉花和小麥等農作物生長基本正常。本文為了查明現(xiàn)有排水條件下鹵泊灘鹽堿地農田土壤水鹽運動的基本情況，基于田間原位水鹽監(jiān)測數(shù)據(jù)，定量研究灌區(qū)農田土壤的水鹽動態(tài)規(guī)律，探討農田水文過程變化對鹽分運移的影響，從節(jié)水控鹽綜合標準確定合理的田間灌水定額。以期為類似區(qū)域鹽堿地水鹽調控與管理提供理論依據(jù)與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于陜西省蒲城縣和富平縣交界處的鹵泊灘，地理位置為東109°18′～109°42′，北緯34°43′～34°50′，東西長約30 km，南北寬1.5～7 km，總面積8 160 hm2。其中蒲城縣內7 067 hm2，占全灘總面積的86.6%，富平縣內1 093 hm2，占全灘總面積的13.4%，標準田塊為每塊不超過4 hm2，南北方向長400m，東西寬100 m。研究區(qū)是一個封閉式構造洼地，地形由西北向東南方向傾斜，土壤組成為第四紀松散堆積物，主要由硫酸鹽與氯化鹽組成，地下水埋深1.8～2.5m，礦化度2.8～3.2 g·L－1，pH值8.3～8.6［25］。區(qū)內屬于半干旱大陸性氣候，多年平均降水量472.9 mm，降雨年內分布極不均勻，多集中在7—9月份，全年蒸發(fā)量1 000～1 300 mm，是年降水量的2～2.3倍，年平均氣溫13.4℃，夏季最高氣溫41.8℃，年日照時數(shù)2 349.5～2 472.0 h，土壤屬典型的硫酸鹽鹽堿土。研究區(qū)多年平均蒸發(fā)量、降水量分配過程見圖1。

圖1 多年平均蒸發(fā)量、降水量分配過程Fig.1 The temporal distribution of average evaporation and precipitation

1.2 試驗區(qū)布置

鹵泊灘灌區(qū)以種植小麥、玉米和棉花等大田作物為主，田間灌水方式以傳統(tǒng)的地面灌溉為主，本試驗中選擇玉米作為研究對象。如圖2所示，在鹵泊灘鹽堿地上游地段選取了兩塊400 m×100 m農田進行觀測，在每個田塊中間位置布置了觀測斷面，每個斷面上各布置6只1 m套管（見圖2），間隔20 cm設置一個觀測點，使用TRIME－PICO IPH TDR逐層進行農田剖面含水量測定，觀測期為2013年8月到9月，監(jiān)測頻度為10天一次，觀測農田種植作物為玉米。

圖2 農田監(jiān)測點設置Fig.2 The layoutofmonitoring points in the testing fields

1.3 HYDRUS－1D模型簡介

HYDRUS－1D模型是由美國國家鹽漬土改良中心（USSalinity Laboratory）開發(fā)的一套用于模擬變飽和多孔介質中水分、能量、溶質運移的新型數(shù)值模型［26］。經改進與完善，得到了廣泛的認可與應用［27－28］。該模型能夠較好地模擬水分、溶質與能量在土壤中的分布以及時空變化和運移規(guī)律，分析人們普遍關注的農田灌溉、田間施肥、環(huán)境污染等實際問題。也可與其它地下水、地表水模型相結合，從宏觀上分析水資源的轉化規(guī)律。經過眾多學者的開發(fā)研究，模型的功能更趨完善，已經非常成功地應用于世界各地地下飽和－非飽和帶污染物運移的研究［29－31］。2000年以后才引入我國，并在國內進行了一些初步應用［32－34］。在模擬多孔介質中一維飽和－非飽和水流和鹽分運移時水分模擬中考慮了作物根系吸水，鹽分運移方程中也包含了離子和分子的擴散、水動力擴散、線性或非線性吸附平衡以及一級衰減，適于模擬恒定或非恒定的邊界條件下飽和－非飽和滲流區(qū)水、熱及多種溶質的遷移狀況。具有靈活的輸入輸出功能，有不同的水含量方程、植物根系作用方程、土壤介質水力參數(shù)數(shù)據(jù)庫和不同植物根系作用的數(shù)據(jù)庫可供選擇。水分運動的模擬計算采用Richards方程，考慮了作物根系吸水項和土壤持水能力的滯后作用，方程解法采用Galerkin線性有限元法，Inverse Solution模塊中的Marquardt－Levnenberg參數(shù)優(yōu)化算法可以反演土壤水和溶質運移、反應動力學參數(shù)等。

圖3 HYDRUS－1D模型簡介Fig.3 Introduction of HYDRUS－1Dmodel

1.3.1 基本方程

（1）土壤水分運動基本方程

以地表為基準面，根據(jù)連續(xù)性方程和非飽和達西定律并考慮作物根系吸水項，垂直一維土壤水分運動的定解問題可表示為（坐標軸向下為正）：

式中，h為土壤基質勢（cm）；θ為體積含水率（cm3·cm－3）；K（θ）為水力傳導度（cm·d－1）；z為土壤深度，向下為正（cm）；t為時間（d）；S（z，t）為單位時間單位體積土壤中根系吸水率（d－1）。

土壤水力函數(shù)采用Van Genuchten-Mualem公式，其表達形式如下：

式中，θs為土壤飽和含水率（cm3·cm－3）；θr為土壤殘余含水率（cm3·cm－3）；Ks為土壤飽和導水率（cm ·d－1）；θe為有效含水率（飽和度）；n和α是決定土壤水分特征曲線的形狀參數(shù)經驗參數(shù)；l為孔隙關聯(lián)度參數(shù)，一般取平均值0.5。

根系吸水率表示由于根系吸水而在單位時間內從單位體積土壤中流失的水分體積，本文采用Feddes提出的根系吸水模型：

式中，Sp為最大根系吸水速率（d－1），h1、h2、h3和h4分別為根系吸水厭氧點土壤基質勢、根系吸水最適點開始和結束土壤基質勢、根系吸水萎蔫點土壤基質勢。

（2）土壤溶質運動基本方程

以土壤可溶鹽為研究對象，水流方程為基礎，以土壤水電導率為主要指標，根據(jù)多孔介質溶質運移理論，若不考慮土壤鹽分的溶解和被吸附的濃度S，建立飽和－非飽和土壤溶質運移對流和水動力彌散（分子擴散與機械彌散）數(shù)學模型。

式中，c為土壤溶液濃度（ms·cm－1）；θ為體積含水量（cm3·cm－3）；D為水動力彌散系數(shù)（cm2·d－1）；q為滲透流速（cm·d－1）。

1.3.2 初始條件和邊界條件

（1）土壤水分運動的初始條件與邊界條件

土壤水分上邊界采用通量已知的第二類邊界條件，逐日輸入通過上邊界的變量值，包括降水量、灌溉量、作物潛在蒸騰量和棵間潛在蒸發(fā)量，葉面攔截雨量忽略不計。由于表層導水率較大，即使有強度降雨或灌溉發(fā)生也會很快入滲，因此地面徑流忽略不計。直接賦于實測降水量和蒸發(fā)量，而作物蒸騰采用根系吸水模塊。下邊界選在農田土壤剖面100 cm處，使用變壓力水頭邊界，根據(jù)實測的地下水埋深（換算成壓力水頭）賦值。

（2）土壤溶質運動的初始條件與邊界條件

土壤鹽分模型上邊界概化為通量邊界，試驗期降水時，由于雨水電導率非常小，降雨含鹽濃度賦值為0，模型預測灌溉時賦實測的灌溉水電導率；下邊界為濃度邊界，賦實測的地下水電導率值。本文根據(jù)大田試驗的監(jiān)測數(shù)據(jù)，土壤溶液濃度采用土壤溶液電導率值來反映，其單位為ms·cm－1，上、下邊界所涉及的降水、灌溉以及地下水的濃度全部采用試驗期實測的電導率來反映。

式中，θ0為土壤初始含水率（cm3·cm－3）；θs為土壤飽和含水率（cm3·cm－3）；Ks為土壤飽和導水率（cm·d－1）；qs為地表水分通量（cm·d－1），蒸散取正值，灌溉與降水入滲取負值；c0為剖面初始土壤水電導率（ms·cm－1）；cs為上邊界流量的電導率值，當邊界流量為土壤水蒸散量或降水量時，cs＝0，當邊界流量為灌溉水量時指灌水電導率值（ms·cm－1）；cb為下邊界潛水電導率值（ms·cm－1）。

2 模型參數(shù)率定與驗證

2.1 模型參數(shù)率定

土壤水力參數(shù)根據(jù)實測土壤粒徑組成，由Rosetta模型［35］初值給定參數(shù)初值，然后通過試驗區(qū)2009年生育期試驗實測數(shù)據(jù)進行參數(shù)擬合，確定主要特征參數(shù)數(shù)值，表1給出了調整后的Van－Genuchten－Mualem公式中各個土壤水力參數(shù)值。

表1 土壤水分特性的VG模型參數(shù)Table 1 The hydraulics properties of test soilbased on the parameters of Van Genuchtenmodel

水動力彌散系數(shù)等于多孔介質中分子擴散系數(shù)（Ds）及機械彌散系數(shù)（Dh）之和。

一般將溶質在土壤中的分子擴散系數(shù)（Ds）僅表示為土壤含水量的函數(shù)，與溶質濃度無關，常采用經驗公式式中，D0為溶質在自由水體中的擴散系數(shù)（cm· d－1）；b為經驗常數(shù)。

機械彌散系數(shù)（Dh）與平均孔隙流速的一次方成正比，表示為

式中，Dh為機械彌散系數(shù)（cm2·d－1）；v為平均孔隙流速（cm·d－1）；λ為彌散度經驗常數(shù)（cm）。

Bresler用數(shù)值模擬計算驗證了Warrick等所做的田間咸水灌溉和淡水沖洗條件下的土壤水鹽動態(tài)試驗，本文參照Bresler所用的模擬參數(shù)，即D0＝0.04 cm2·d－1。土壤空隙滲流速度（q／θ）是根據(jù)水鹽耦合模型中水分運移模塊計算求得；τ為彎曲度因子，常表示為土壤體積含水率的函數(shù)，這里彎曲系數(shù)τ取2。

由于該模型大多參數(shù)難以實測獲得，故參考HYDRUS－1D模型中數(shù)據(jù)庫提供數(shù)值。從土壤含水率的角度來說，當土壤含水率大于毛管破裂含水率而小于田間持水率時植物易吸收水分，而當土壤含水率大于凋萎含水率而小于毛管破裂含水率時，或土壤含水率趨于飽和時，植物吸水都比較困難。試驗區(qū)種植玉米，其吸水參數(shù)取值見表2。

表2 玉米吸水參數(shù)取值Table 2 Assignmentof the rootwater uptake parameters

2.2 模型可靠性驗證

采用試驗區(qū)2013年玉米生育期實測土壤含水率和土壤電導率（EC）值數(shù)據(jù)對模型進行驗證，如圖4、5所示，通過數(shù)值模擬與實測結果的對比，驗證所建立數(shù)值模型的合理性。

2.3 模型應用評價

表3顯示了土壤含水量、電導率（EC）模擬值與實測值進行兩配對樣本T檢驗（表3）驗證模型的精度，其中檢驗的樣本數(shù)量為64。結果表明：土壤含水量和電導率配對T檢驗的顯著性水平P值均不在置信區(qū)間（α＝0.05），說明土壤含水率和電導率的模擬值與實測值均無顯著差異，模擬效果可以接受，參數(shù)較為可靠，可用于實際模擬應用。

圖4 土壤剖面含水率模擬值與實測值對比Fig.4 Comparison between the experiment results and the simulated results of soilwater content

圖5 土壤剖面電導率（EC）模擬值與實測值對比Fig.5 Comparison between observed and simulated value of electrical conductivity（EC）at different soil layers

表3 HYDRUS－1D模型模擬統(tǒng)計量Table 3 The statistics of HYDRUS－1Dmodel simulation

3 情景模擬

模型模擬地下0～100 cm深度范圍土壤，模擬時段從2009年6月25日至10月18日，共計116 d，采用變時間步長剖分方式，據(jù)收斂迭代次數(shù)調整時間步長。設定初始時間步長為0.1 d，最小步長為0.01 d，最大步長為5 d；土壤含水量允許偏差為0.0005，壓力水頭允許偏差為1 cm。結合當?shù)剞r業(yè)生產實際的田間灌水定額，利用驗證的田間水鹽運移模型，分別對4種情景（灌水定額0、400、500、600 m3·hm－2）下的土壤水鹽運移進行模擬，確定合理田間灌水定額。

3.1 不同情景下土壤剖面含水率分布

圖6顯示了不同灌溉處理的土壤含水量分布。由圖6可以看出，在玉米整個生育期內，不同灌溉處理的土壤含水量變化趨勢基本一致。但是從不同土壤深度來看，表層土壤0～20 cm平均含水量約為0.25 cm3·cm－3，隨著土壤深度的增大，土壤含水量有增大趨勢，90 cm的土壤含水量約為0.29 cm3·cm－3，比0～20 cm的土壤含水量大，與上層土壤相比，90 cm土壤含水量基本維持穩(wěn)定，受灌溉影響較小。

3.2 不同情景下土壤剖面含鹽量分布

圖7顯示了不同灌溉處理不同時期各土層土壤EC值分布狀況。由圖7可知，在玉米整個生育期內，不同灌溉處理的表層土壤0～20 cm土壤鹽分增加明顯，隨著土壤深度的增大，土壤鹽分含量有增大趨勢，90 cm的土壤鹽分在玉米生長期末有一定的累積趨勢，隨著灌水定額的增大鹽分累積的趨勢有所減少。

聯(lián)合國糧農組織對作物耐鹽極限與產量潛力響應關系研究證明，不同產量潛力所要求的作物耐鹽極限值各不相同。對于本研究的作物玉米來講，當要求的產量潛力為100%時所對應的玉米耐鹽閾值為根區(qū)土壤浸提液電導率值1.7 ms·cm－1。不同情景灌水定額顯示出灌水可以使土層90 cm處的鹽分維持在0.7 ms·cm－1這樣一個穩(wěn)定土壤環(huán)境，從節(jié)水控鹽的綜合標準衡量，農田灌水定額為500 m3· hm－2時有利于控制土壤鹽分的累積。

4 結論

1）利用HYDRUS－1D模型對鹵泊灘鹽堿地農田土壤剖面水鹽分布特征及土壤水鹽運移時空變異規(guī)律進行模擬，經田間試驗實測數(shù)據(jù)驗證，結果表明，模型能夠較好地模擬水鹽在土壤中的分布和隨時間變化的趨勢，可以用于模擬灌區(qū)農田水鹽運移規(guī)律。

2）在玉米整個生育期內，不同灌溉處理的土壤含水量變化趨勢基本一致，表層土壤0～20 cm平均含水量約為0.25 cm3·cm－3，90 cm土壤含水量約為0.29 cm3·cm－3，土壤含水量隨著灌水定額的增大而增大。

圖6 不同情景模擬土壤各土層含水量變化Fig.6 The dynamic simulations of soilwater contentat different soil layers under different irrigation quota

圖7 不同情景模擬各土層電導率（EC）變化Fig.7 The dynamic simulations of soil electrical conductivity（EC）at different soil layers under different irrigation norms

3）土壤鹽分在土層90 cm處有累積的趨勢，隨著灌水定額的增大鹽分累積的趨勢有所減小。從節(jié)水控鹽的綜合標準衡量，采用合理的田間灌水定額500m3·hm－2時有利于控制土壤鹽分的累積。

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The simulation of water and salt transportation by HYDRUSmodel in Lubotan of Shaanxi，China

PAN Yan-xin1，2，LUOWan1，JIA Zhong-hua1，JING Si-yuan2，LIShan3，WU Di3
（1.School of Hydrɑulic，Energyɑnd Power Engineering，Yɑngzhou University，Yɑngzhou，Jiɑngsu 225009，Chinɑ；2.College ofWɑter Conservɑncyɑnd Ecologicɑl Engineering，Nɑnchɑng Institute of Technology，Nɑnchɑng，Jiɑngxi 330099，Chinɑ；3.Stɑte Key Lɑborɑtory of Eco-Hydrɑulic Engineering in Shɑɑnxi，Xi’ɑn University of Technology，Xi’ɑn，Shɑɑnxi 710048，Chinɑ）

To determine themovement of salt and water in the saline-alkali flatland of Lubotan，Shaanxi province，based on the saturated-unsaturated soilwater and solute transport theory，fieldmonitoring data of localwater and salt for many yearswas applied to simulate the rules of local soil water and saltmovement，using the HYDRUS 1D numerical model.The soilwater and salt changeswere analyzed，and the reasonable field irrigation quotawas proposed.The results showed thatduring thewhole reproductive period，soilwater contenthad a similar variation trend under different irrigation quotas.Consideringwater saving and salt control，farmland irrigation quota of500m3·hm－2is reasonable to control salt accumulation in soil.The simulated results of soilwater and saltmigration using HYDRUSmodel are basically consistent with the observed values in field experiment，and the results can be referred for farmlandmanagementofwater and salt in semblable salinity regions.

saline-alkali land；water and salt transportation；numerical simulation；HYDRUS 1Dmodel

S156.4；S274

：A

1000-7601（2017）01-0135-08

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.21

2016-01-30

國家自然科學基金（51279159）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目（PAPD）；江西省科技廳科技支撐計劃項目（20151BBF60012）

潘延鑫（1985—），男，甘肅靖遠人，講師，主要從事農田排水與水環(huán)境保護研究。E-mail：yanxinpanxaut＠126.com。

羅紈（1967—），女，新疆霍城人，教授，主要從事農業(yè)水資源保護研究。E-mail：luowan＠yzu.edu.cn。