基于不同灌水模式下HYDRUS模型土壤水鹽運移模擬研究

王志坤

(遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

在我國東北部地區以遼寧省遼河流域為例，灌溉對于改善該區域生態環境和促進農業生產發展具有重要作用[1]。但是，灌溉可造成一系列的負面作用，如土壤出現次生鹽漬化、地下水位顯著升高等危害。遼河流域為解決以上問題分別采取了加大灌溉定額、建設排水系統以及利用秋澆淋洗鹽分等措施并取得了良好的效果[2]。近年來，隨著社會經濟的發展和人口的急劇增加水資源短缺日益加劇，為此，遼河流域開始大規模地改造和實施節水灌溉工程。在干旱半干旱條件下遼河流域原有的地表水、地下水與土壤水之間的變化規律隨著節水灌溉的推廣而發生顯著改變，并使生態環境各要素之間發生連鎖反應直至達到新的平衡，而且新的平衡狀態下也可能引發自然生態一系列問題的出現[3]。據此，研究節水灌溉可能造成的生態環境影響以及節水灌溉條件下區域水鹽運動變化規律對于保障區域節水灌溉的持續健康發展具有重要意義，本文利用所構建的HYDRUS模型分別對不同灌水定額下溝灌和畦灌2種模式的土壤水鹽變化規律進行模擬研究[4]。

1 區域概況及試驗方法

1.1 自然概況

選取遼寧省遼河流域某試驗站為試驗地進行研究，試驗區屬于半干旱半濕潤大陸性季風季候區，區域內雨熱同季、冬季寒冷干燥、夏季高溫多雨，年際降水量較少而蒸發量較大，全年無霜期較短，土壤處于較長的封凍期屬于典型的季節性凍土區。多年平均降水量和蒸發量分別為350～450mm、700～900mm，其土壤主要以沙土壤和粉黏土為主，其中鹽漬化土和遼河淤灌土為該區域主要土質類型，沙壤土主要位于淺水位以上屬于非飽和帶的土壤質地，而粉黏土主要位于不同厚度的夾層中[5]。試驗區不同夾層土壤的主要理化性質指標見表1。

1.2 試驗區布置

試驗區域農作物主要以玉米、水稻和葵花為主，傳統的地面灌溉模式是該區域田間灌水主要方式并以大規格的畦田灌溉為常用的地面灌溉方式[6]。在當前經濟條件和作物種植下溝灌和小畦灌為遼河流域試驗區主要田間節水灌溉方式。本文選擇畦灌和溝灌2種灌水模式并以玉米作物為例分別采用3種灌水定額進行試驗研究，其中畦灌和溝灌灌水定額分別為3.6、4.3、5.2m3/hm2和2.4、3.2、3.8m3/hm2，試驗編號及處理結果見表2。灌水溝長約35m，玉米株距為20cm，大行和小行的行距分別為60、40cm，玉米作物的行列排序為大行和小行交叉排列，對大行開溝而不對小行開溝，兩行玉米同時由一條溝控制，溝的尺寸如開口、深、收底分別50、30、20cm。依據遼河來水時間和實際狀況對玉米試驗田進行灌溉。分別對灌溉前、后進行土樣信息采集，將溝尾30m、溝中15m和溝首5m處3個斷面作為溝灌的取樣斷面，溝頂和溝底作為土壤取樣具體位置。以40m×1.5m的尺寸設定畦灌的畦田規格，畦灌的取樣斷面位置分別與溝灌斷面相對應并以此提高試驗結果的可對比性[7]。為了對畦灌MB- 2位置的首部、中部和尾部進行土壤含水測定，分別在此3個部位設立TDR觀測管進行測定，其他各取樣點的深度分別與表1中土層深度一一對應，并進行土壤鹽分和含水量的測定。

表1 遼河流域某試驗站土壤理化性質主要指標

表2 玉米試驗田灌溉試驗處理

1.3 觀測指標

8大離子、土壤pH值、土壤EC值以及土壤含水率等參數為土壤主要的觀測指標，其中畦灌模式中各條溝的面積為40m×1.5m=60m2。

2 構建數學模型

2.1 基本方程

土壤水分運動在采用畦灌模式時其有水層的水分入滲符合一維垂直運動；而土壤水分在采用溝灌模式時沿垂直和水平2個方向的入滲屬于二維土壤水分運動[8]。對溝灌和畦灌的土壤水分運動模型方程可利用修正的Richards方程進行描述，其中畦灌土壤水分運動模型可采用下式表征：

(1)

可采用下述公式代表溝灌模式下的土壤水分運動模型：

(2)

式中，θ—土壤體積含水量，%；t—時間，d；x、z—空間坐標，其中z以向下為正，cm；K(θ)—非飽和土壤導水率，cm/d。

對模型的初始條件、邊界條件以及土壤水力函數等基本問題可通過對上述方程的求解確定。選擇V G-Mualem公式作為土壤水力函數方程，函數方程表達式如下：

(3)

(4)

式中，Ks—土壤飽和導水率，cm/d；θe、θr、θs—土壤相對飽和度、剩余體積含水率和飽和體積含水率；α、n—經驗擬合參數，并滿足m=1-1/n，且α值與土壤物理性質相關；l—經驗擬合參數，一般條件l值為0.5。

本研究選取可隨水流移動的土壤可溶鹽為研究對象，其主要參數指標為土壤水礦化度，然后利用多孔介質溶質運移理論分別建立畦灌和溝灌模式下的非飽和-飽和土壤溶質運移數學模型，其中畦灌溶質模型可采用下式進行表征：

(5)

溝灌溶質模型的表達式如下所示：

(6)

式中，Dij—彌散系數，cm2/d；qi—水流通量，cm/d；c—溶液質量濃度，g/cm3；xi—空間坐標,i=1,2,其中x1=x;x2=z;D11=Dxx,D12=Dxz。

2.2 初始與邊界條件

畦灌模式的土壤水分運動初始條件可采用θ(z,0)=θ0(z);Z≤z≤0進行表征，其上、下邊界條件分別為θ(0,t)=θs;z=0和θ(Z,t)=θ0(t)。

上述初始條件和邊界條件表達式中，θ0、θs—土壤初始含水率和飽和含水率，%；qs—地表水分通量，cm/d，降水與灌溉入滲值為負而蒸散發為正；c0—初始剖面土壤水礦化度，g/cm3；cs、cb—上邊界流量的礦化度和下邊界淺水礦化度，g/cm3。若降水量或土壤水蒸散量作為邊界流量則cs值為0；若灌溉水量作為邊界流量則cs為灌水礦化度，g/cm3。

3 數值模擬與參數識別

3.1 HYDRUS模型簡介

HYDRUS軟件可對非飽和多孔隙媒介中水流和溶質的運移過程進行數值模擬，它是一種對非飽和土壤中水、熱及溶質的一維或二維運動利用土壤物理參數進行模擬的有限元計算機模型。模型選擇飽和-非飽和達西水流為其水流狀態，并且不考慮土壤水流運動受空氣的作用影響，采用修改后的Richards方程作為水流控制方恒。軟件程序可對各類水流邊界進行靈活處理，主要包括排水溝、自由排水邊界、大氣邊界、變水頭和定水頭邊界等。不規則的水流邊界可作為水流區域本身的邊界條件，特殊情況下還可以由非均質各向異性的土壤組成其邊界[9]。

3.2 模型模擬

將地下0～100cm范圍的土壤按照一定標準劃分為5個層次并利用模型進行模擬分析，其模擬時長共98h并按照剖分方式劃分變時間步長，對時間步長依據收斂迭代次數進行調整。設定的最小、最大步長以及初始時間步長分別為5、0.01和0.1d，其中壓力水頭和土壤含水量容許偏差分別為1cm和0.0005。

采用單孔隙模型中的V G-Mualen模型作為土壤水流模型，利用逆向求解法且不考慮水分滯后效應對水鹽運動參數進行確定。選取開發大氣邊界作為鹽分和水流模擬的熵邊界條件，對土壤蒸發、降水、灌溉補給以及HYDRUS水流模擬分別賦值實測的蒸發量、灌溉量和降水量；對實測灌溉水礦化度賦值鹽分模擬參數。選擇已知變水頭邊界作為水流模擬的下邊界條件，其壓力水頭賦于HYDRUS內并依據實測地下水埋深對其確定；選擇已知濃度邊界作為鹽分模擬的下邊界條件并賦值實測潛水礦化度[10]。

3.3 模型參數

依據實測土壤粒徑構成土壤水力參數，參數初始值為Rosetta模型的初始值，然后利用2015年生育期試驗區的實測數據利用模型進行擬合，對主要特征參數數值進行求解和確定，V G-Mualem公式各參數值經調整后的統計結果見表3。

表3 土壤水力特征各參數值計算結果

3.4 模型驗證與效果評價

選取2015年試驗區生育期土壤導電率(EC)和含水率實測值對模型的模擬結果進行驗證分析，對所構建數值模型的合理性利用實測數據模擬數據進行對比分析[11]。為驗證模型的精度分別選取實測值、電導率模擬值和土壤含水率進行兩配對樣本T檢驗見表4，其中畦灌和溝灌模式下參與檢驗的樣本數分別為57和43。研究表明，在置信區間為0.05時顯著性水平P值范圍內未出現導電率和土壤含水率配對T檢驗結果，由此表明上述2參數實測值與模擬值無顯著性差異，模型參數較為可靠，其模擬精度滿足有關要求，相關參數的設定可應用于實際模型。

表4 模型模擬效果評價

4 模型應用與分析

分別對畦灌和溝灌模式下的3種灌水定額下的土壤水鹽運移規律利用識別的田間水鹽運移模型進行研究分析，對田間灌溉最佳模式進行確定，其中灌水等額分別為3.6、4.3、5.2m3/hm2和2.4、3.2、3.8m3/hm2。

4.1 土壤含水率影響分析

在溝灌和畦灌模式下的土壤含水率變化狀況如圖1所示，由圖可知不同灌溉處理條件下的土壤含水率在玉米的整個生育期內均保持大致相同的變化趨勢。根據不同土層深度的含水率變化可知，土壤含水率隨土壤深度的增加而逐漸表現出增大的趨勢，土壤含水率在0～20cm和60cm以下土層深度時約為30%和35%，土壤含水量在80～100cm處相對于0～20cm處有明顯的提高約為30%，在80～100cm深度的土壤含水量相對于其上層土壤基本處于穩定狀態，深處土壤含水量受灌溉作用的影響相對較低。

4.2 土壤鹽分影響分析

不同時期不同灌溉模式下的各層土壤的鹽分EC值分布狀況如圖2所示，由圖可知土壤平均含鹽量與灌水定額和灌水模式影響顯著，而且土壤鹽分含量降低的趨勢可隨灌水定額的增大而逐漸增加[12]。在相同灌水定額條件下溝灌模式相對于畦灌模式土壤平均含鹽有所降低，在玉米作物生育期1m土體內的土壤鹽分均值在溝灌模式下低于畦灌模式下，其原因主要為溝灌模式的入滲作用優于畦灌模式的入滲作用，特別是表層土壤水分入滲作用的增大可使得土壤鹽分隨水分運動的效果明顯降低，并且鹽分的減少幅度在0～40cm的表層土壤處更為明顯，由此表明溝灌模式可有效降低土壤鹽分[13]。

5 結論

(1)對不同灌水模式下土壤水鹽運移時空變化規律以及土壤剖面水鹽分布特征利用HYDRUS模型進行模擬分析，并將其模擬結果與田間試驗實測數據進行對比驗證分析。研究表明，土壤中水鹽的分布隨時間的變化規律可利用模型進行很好的模擬分析，所構建的模型表現出較好的適用性與可靠性，能較好地反映試驗區水鹽運移變化的實際狀況。

(2)土壤含水率隨土壤深度的增加而逐漸表現出增大的趨勢，土壤含水率在0～20cm和60cm以下土層深度時約為30%和35%，土壤含水量在80～100cm處相對于0～20cm處有明顯的提高約為30%，在80～100cm深度的土壤含水量相對于其上層土壤基本處于穩定狀態，深處土壤含水量受灌溉作用的影響相對較低。

圖1 不同灌溉模式下各層土壤含水量變化

圖2 不同灌溉模式下各層土壤的EC值變化

(3)土壤平均含鹽量與灌水定額和灌水模式影響顯著，而且土壤鹽分含量降低的趨勢可隨灌水定額的增大而逐漸增加，在相同灌水定額條件下溝灌模式相對于畦灌模式其土壤平均含鹽有所降低。1m土體內畦灌和溝灌模式下的鹽分變化量分別為70.66%、80.27%、58.42%、42.18%、45.45%、62.47%和52.88%、57.16%、47.62%、6.48%、21.65%、38.42%。

(4)對于表層土壤其水分入滲作用的增大可使得土壤鹽分隨水分運動的效果明顯降低，并且鹽分的減少幅度在0～40cm的表層土壤處更為明顯，研究表明溝灌模式可有效降低土壤鹽分；土壤鹽分可通過采取合理的灌水定額以及灌溉模式進行控制，依據節水控鹽綜合標準可將其對應的灌溉制度和溝灌模式進行推廣和應用。