基于HYDRUS-2D模擬暗管排水條件下淋洗制度對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響

潘云龍 許偉健 高 琛

（1.江西潤(rùn)澤檢測(cè)有限公司，江西 南昌 330029；2.昆山市水務(wù)局，江蘇 昆山 215300；3.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330029）

土壤鹽漬化已經(jīng)成為嚴(yán)重的世界環(huán)境問題之一，全世界鹽堿地面積約達(dá)10 億hm2，我國(guó)鹽堿地面積約占世界的1/10。在我國(guó)北方沿海地區(qū)因其特殊的地理位置與特定的自然環(huán)境，土壤母質(zhì)含鹽量高、物理性質(zhì)差，沿海地區(qū)地下水位較淺、礦化度較高，蒸發(fā)量大、降雨少且年內(nèi)分配不均，導(dǎo)致大面積沿海地區(qū)形成鹽堿地［1］，不僅破壞著當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，并且制約著經(jīng)濟(jì)發(fā)展［2］。

隨著對(duì)鹽堿地水鹽運(yùn)移機(jī)理研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)暗管排水技術(shù)是治理鹽堿地的優(yōu)良措施［3］。石培君等［4］研究分析了暗管排水條件下膜下滴灌農(nóng)田的水鹽運(yùn)移規(guī)律，證明了距離暗管不同間距處的土壤剖面鹽分含量呈波動(dòng)變化，距離暗管越遠(yuǎn)，土壤剖面含鹽量越大。楊玉輝等［5］通過建立多年膜下滴灌高水位鹽漬化棉田暗管改良試驗(yàn)，分析了膜下滴灌-暗管排水模式對(duì)新疆南部特質(zhì)鹽漬土的管控和淋洗效果，證明鋪設(shè)暗管后灌水會(huì)具有不同程度的淋洗效果，并且暗管間距對(duì)土壤脫鹽率的影響比埋深更為顯著。張金龍等［6］以濱海鹽土為研究對(duì)象揭示了暗管排水下漫灌淋洗土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，并說明了完全一致的漫灌淋洗會(huì)導(dǎo)致暗管附近區(qū)域土壤過度淋洗，暗管較遠(yuǎn)區(qū)域淋洗不充分。竇旭等［7］通過田間試驗(yàn)探討了暗管排水條件下不同春灌定額對(duì)鹽漬化灌區(qū)土壤水鹽分布及作物產(chǎn)量的影響，確定了在常規(guī)灌水量基礎(chǔ)上減少10%并結(jié)合暗管排水技術(shù)是最適宜當(dāng)?shù)氐墓喔饶Ｊ健１姸鄬W(xué)者都對(duì)暗管排水條件下土壤水鹽運(yùn)移進(jìn)行了深入研究，證明了暗管技術(shù)在鹽堿地治理方面的優(yōu)越性。但針對(duì)暗管排水條件下不同淋洗制度對(duì)土壤水鹽運(yùn)移影響的研究還不多見，因此本文利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合HYDRUS 模擬軟件，探討不同淋洗制度對(duì)土壤水鹽運(yùn)移影響，為暗管排水條件下淋洗制度的確定提供參考。

1 材料與方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于濱海重度鹽堿地區(qū)，試驗(yàn)區(qū)土壤為濱海潮灘鹽土，土壤質(zhì)地差且含鹽量高，土壤中有較多的貝殼侵入體，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土［8］。

1.1.2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)區(qū)總面積為3400cm×5400cm，區(qū)域內(nèi)共設(shè)2個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)布設(shè)5 根排水暗管，暗管埋深120cm，間距600cm，坡降2‰。排水暗管采用外徑6cm的帶孔PVC波紋管，集水管采用外徑20cm的無孔PVC波紋管。滲透水流通過排水暗管收集后流入集水管，由集水管排至市政雨水管網(wǎng)。暗管外圍鋪設(shè)一周碎石，防止暗管進(jìn)水孔被土壤小顆粒堵塞。試驗(yàn)區(qū)四周壘土墻高約10cm，防止淋洗水發(fā)生地表徑流。試驗(yàn)區(qū)平面布置見圖1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)平面布置

淋洗水采用當(dāng)?shù)刈詠硭艹鏊谠O(shè)置閥門和流量計(jì)進(jìn)行灌水量控制和統(tǒng)計(jì)。試驗(yàn)期為2020 年10月12—30 日，小區(qū)1 與小區(qū)2 的灌水強(qiáng)度分別為3cm/d與2cm/d。

1.1.3 土壤取樣與物理參數(shù)確定

2020 年10 月12 日進(jìn)行第一次取樣，確定試驗(yàn)初始條件，每個(gè)小區(qū)內(nèi)進(jìn)行3 次隨機(jī)取樣。2020 年10 月30 日進(jìn)行第二次取樣，確定試驗(yàn)結(jié)果，取樣點(diǎn)見圖1。取樣利用土鉆分層進(jìn)行，取樣深度分別為0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm。

土壤粒徑采用激光粒度分析儀測(cè)定，土壤容重利用環(huán)刀法測(cè)定，土壤含鹽量由電導(dǎo)率法測(cè)得數(shù)據(jù)按照式（1）計(jì)算獲得，土壤含水量采用烘干法測(cè)定。試驗(yàn)區(qū)含水率和含鹽量初始值見表1，土壤物理參數(shù)見表2。

表1 試驗(yàn)區(qū)初始含水率與含鹽量數(shù)據(jù)表

表2 試驗(yàn)區(qū)土壤物理參數(shù)

式中：Q為土壤含鹽量，g/kg；EC為土壤電導(dǎo)率，mS/cm。

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程

以質(zhì)量守恒定律及達(dá)西定律為基礎(chǔ)，認(rèn)為土壤為二維各向同性介質(zhì)，且不考慮土壤中水分的滯后效應(yīng)、溫度及空氣對(duì)水分運(yùn)動(dòng)造成的影響，故土壤水分運(yùn)動(dòng)采用二維飽和-非飽和水流模型進(jìn)行模擬。水流控制方程為二維Richards方程［9-10］：

式中：x為橫向坐標(biāo)；z為垂向坐標(biāo)，規(guī)定z向下為正；θ為土壤含水率，cm3/cm3；φ為基質(zhì)勢(shì)，cm；t為入滲時(shí)間，d；K（θ）為非飽和導(dǎo)水率，cm/d。

對(duì)于式（2）中的θ、φ與K（θ）的求解使用van Genuchten-Mualem方程［9-10］：

式中：θr為殘余含水率，cm3/cm3；θs為飽和含水率，cm3/cm3；α、n 和m為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，m=1 -，n ＞1；Ks為飽和導(dǎo)水率，cm/d；Se為有效飽和度。

1.2.2 土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型

溶質(zhì)運(yùn)移采用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)流彌散方程［9-10］：

式中：i，j為x，z軸坐標(biāo)；C為溶液濃度，g/cm3；Dij為水動(dòng)力彌散系數(shù)，cm2/d；qi為水流流速，cm/d。

1.2.3 定解條件

土壤水分運(yùn)動(dòng)方程的初始條件：

式中：θ0（x，z）為土壤初始含水量分布，根據(jù)初始實(shí)測(cè)值設(shè)置。

土壤溶質(zhì)運(yùn)移方程的初始條件：

式中：C0為土壤初始含鹽量，g/kg；z為土壤空間坐標(biāo)，取向上為正，根據(jù)初始實(shí)測(cè)值設(shè)置。

邊界條件：水分上邊界條件為定通量邊界；左右邊界正負(fù)通量近似相等，設(shè)為零通量邊界；暗管為滲出面邊界；在暗管排水作用下，距暗管150cm以下地下水流線近似水平，垂直通量可忽略，故下邊界設(shè)置為零通量邊界［11-12］。溶質(zhì)邊界條件與水分邊界條件相對(duì)應(yīng)，定通量邊界、滲出面邊界與零通量邊界同為第三類溶質(zhì)邊界條件。

1.2.4 模型率定與驗(yàn)證方法

土壤水力特性參數(shù)由HYDRUS-2D中內(nèi)嵌的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算工具根據(jù)測(cè)量的土壤容重和粒徑分布來計(jì)算。選取小區(qū)1 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于模型的參數(shù)率定，選取小區(qū)2 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證，通過計(jì)算含水率實(shí)測(cè)值與模擬值的均方根誤差（RMSE）和決定系數(shù)（R2）進(jìn)行模型水分運(yùn)移精度評(píng)價(jià)并確定模型最終水分運(yùn)移參數(shù)，通過計(jì)算實(shí)測(cè)值與模擬值的均方根誤差（RMSE）、決定系數(shù)（R2）和納什效率系數(shù)（NSE）進(jìn)行模型溶質(zhì)運(yùn)移精度評(píng)價(jià)并確定模型最終溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)［11］。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定及驗(yàn)證結(jié)果

采用二維模擬，模擬時(shí)間等于試驗(yàn)時(shí)間，利用小區(qū)1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定后的模型參數(shù)（見表3），將率定后的參數(shù)用于小區(qū)2 進(jìn)行數(shù)值模擬，模型率定及驗(yàn)證精度見圖2 與圖3。

表3 模型參數(shù)

續(xù)表

由圖2 和圖3 可知，土壤含水率R2為0.3785～0.8859，RMSE為0.0031～1.3625cm3/cm3；土壤含鹽量R2為0.9825～0.9994，NSE為0.7705～0.9083，RMSE為0.3169～2.3585g/kg。可見，模型精度較高，模擬值與實(shí)測(cè)值較為吻合，因此運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行暗管布設(shè)下水鹽運(yùn)移的模擬是可靠的。

圖2 3cm/d灌水強(qiáng)度各剖面土壤含水率/含鹽量

圖3 2cm/d灌水強(qiáng)度各剖面土壤含水率/含鹽量

2.2 模型應(yīng)用

2.2.1 淋洗制度制定

參考相關(guān)文獻(xiàn)研究與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合飽和導(dǎo)水率確定了3 種模擬情景，具體模擬情景與淋洗制度對(duì)應(yīng)情況見表4。

表4 模擬情景與淋洗制度情況對(duì)照

2.2.2 不同淋洗制度對(duì)土壤水鹽分布的影響

運(yùn)用驗(yàn)證后的模型對(duì)表4 中的模擬情景進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬時(shí)段末土壤剖面的水鹽分布情況可以直觀地反映出不同淋洗制度下水鹽運(yùn)移的結(jié)果，距離暗管L/2 的剖面為暗管控制區(qū)域排水和排鹽效果最差的剖面，該剖面可以反映出整個(gè)區(qū)域的脫鹽下限，因此選擇距離暗管L/2 的剖面分析不同暗管布設(shè)下水鹽運(yùn)移的結(jié)果，見圖4。

由圖4（a）可知，剖面土壤含水率模擬情景J0≥J1≥J2，J0模擬情景下土壤含水率0～100cm土層為飽和含水率，其原因是J0模擬情景為持續(xù)淋洗所致，J1與J2模擬情景下土壤含水率隨土層深度的增加逐漸增大，J1與J2模擬情景下土壤含水率分別在80cm與95cm深度達(dá)到飽和含水率，剖面含水率平均值模擬情景J1＞J2，其原因是J2模擬情景下灌水淋洗間隔時(shí)間較長(zhǎng)所致。由圖4（b）可知，土壤含鹽量由表層到底層逐漸增加，剖面土壤含鹽量模擬情景J2＞J1＞J0，表明持續(xù)淋洗比間隔淋洗排鹽效率更高，并且間隔淋洗的淋洗效率隨間隔時(shí)間加大而降低。

圖4 距離暗管L/2 的剖面土壤水鹽分布

2.2.3 不同淋洗制度的水鹽變化進(jìn)程

在距離暗管L/2 的剖面上選擇距地表0cm、20cm、40cm、60cm、80cm、100cm深度的點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)，輸出觀測(cè)點(diǎn)水鹽隨時(shí)間的變化過程，結(jié)果見圖5。

圖5 不同模擬情景下土壤水鹽變化過程

由圖5（a）、（b）、（c）可知，土壤層越淺土壤含水率波動(dòng)范圍越大，隨著灌水總量的累積，深層土壤含水率先達(dá)到飽和，J0模擬情景下土壤含水率持續(xù)增加至飽和后不再變化，J1與J2模擬情景下土壤含水率呈現(xiàn)周期性變化，其為間隔灌溉所致，因?yàn)閱未喂嗨枯^大導(dǎo)致土壤含水率先達(dá)到飽和狀態(tài)，對(duì)比J1與J2模擬情景，間隔時(shí)間越長(zhǎng)含水率周期性變化幅度越大。由圖5（d）、（e）、（f）可知，在淋洗作用下表層土壤含鹽量先降低，底層土壤含鹽量先升高后降低，間隔淋洗時(shí)表層土壤含鹽量在間隔時(shí)間段升高，其為蒸發(fā)導(dǎo)致鹽分在表層積累所致，各土層土壤含鹽量在間隔淋洗的初期下降快于持續(xù)淋洗，隨著淋洗時(shí)間增加持續(xù)淋洗含鹽量下降程度逐漸超過間隔淋洗，淋洗結(jié)束時(shí)J0、J1、J2模擬情景下0cm深度土壤含鹽量分別為0.44g/kg、1.03g/kg、1.43g/kg；20cm 深度土壤含鹽量分別為1.83g/kg、3.47g/kg、4.40g/kg；40cm深度土壤含鹽量分別為4.86g/kg、8.16g/kg、9.81g/kg；60cm深度土壤含鹽量分別為9.99g/kg、14.71g/kg、16.70g/kg；80cm深度土壤含鹽量分別為16.34g/kg、21.00g/kg、22.53g/kg；100cm深度土壤含鹽量分別為21.65g/kg、24.46g/kg、25.04g/kg，說明持續(xù)淋洗淋鹽效率大于間隔淋洗，并且間隔淋洗間隔時(shí)間越長(zhǎng)淋洗效率越低，淋洗制度對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響隨土壤層深度增加而減弱。

3 結(jié)語

本文利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了HYDRUS-2D模型在模擬暗管布設(shè)下土壤水鹽運(yùn)移情況時(shí)具有較高精度。表明在暗管排水條件下，隨淋洗時(shí)間的增長(zhǎng)，土壤底層含水率率先達(dá)到飽和。持續(xù)淋洗表層土壤含鹽量呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，表層以下土壤含鹽量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。間隔淋洗在穩(wěn)定后土壤含水率呈現(xiàn)周期性變化，間隔周期越長(zhǎng)含水率變化幅度越大，由表層到底層變化幅度逐漸減小，間隔淋洗表層土壤含鹽量在淋洗期間快速下降，在間隔期間反彈升高。相同用水量情況下持續(xù)淋洗排鹽效率更高，間隔淋洗的間隔時(shí)間越長(zhǎng)最終淋洗排鹽效率越差。研究成果可為暗管排水條件下鹽堿地淋洗制度的確定提供參考。

在暗管排水條件下進(jìn)行鹽堿地的鹽分淋洗，無植物種植情況下建議采用持續(xù)淋洗的方式，相較間隔淋洗淋鹽效率更高，但其土壤層含水率始終接近飽和，不利于植物生長(zhǎng)。在作物種植情況下建議進(jìn)行間隔淋洗淋，防止植物澇死。