復雜土壤分布特征及暗管排水響應模擬

董志玲 賈壯壯 陶 園 梁豪杰

（1中國水利水電科學研究院，北京 100048；2江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇淮安 223200）

鹽堿地是重要的耕地資源之一，在保障糧食安全、拓展耕地資源等方面發揮著重要作用。土壤鹽堿化通常會造成土壤肥力下降，破壞土壤—水—植物系統養分吸收功能，造成植物無法正常生長，導致作物生產力下降[1-2]。在鹽堿地治理中，現有措施和研究成果主要圍繞灌排措施、物理調控、化學調理和生物改良等[3-5]，“鹽隨水來，鹽隨水走”充分體現了鹽堿化地區水鹽運動的宏觀規律[6]，排除土壤鹽分是改善鹽堿地的有效方案，因此灌排措施是鹽堿地治理的關鍵。暗管排水被廣泛用于鹽堿地治理，Valipour[7]研究顯示，采用暗管排水后，其鹽漬化面積占耕地面積的比例由1972 年的42%減少至2007 年的7%。Ghumman 等[8]報道的暗管排水實踐也顯示地表及土壤剖面的鹽分含量顯著減少，作物的種植密度顯著增加。周華等[9]指出應摸清農業結構調整與發展高效節水灌溉的規律，充分挖掘排水系統的最大功能，可結合高標準農田建設提高灌區排水系統建設。王少麗等[10]采用太陽能暗管排水解決了排水排鹽問題。杜歷等[11]研究表明，暗排工程對地下水位的調控作用明顯。萬聲淦等[12]的暗管排水試驗表明，暗管排水可將土壤含水量控制在土壤調萎含水量和田間持水量的最佳含水量范圍內，同時可使作物增產。景清華等[13]研究表明，暗管排水工程能夠有效控制地下水位且脫鹽效果顯著。目前，鹽堿地的治理仍面臨著諸如障礙土層下如何排水等挑戰。障礙土層（弱透水層）的存在可能會導致排水工程無法充分發揮其應有作用。弱透水土層是允許地下水以極小速度流動的弱導水巖層，在多層含水層疊置的含水系統中，弱透水土層與隔水層的作用不同，后者起隔水作用，前者則構成其上、下含水層間的水交換通道，而且上、下含水層的透水壓差越大，通過弱透水土層的水量也越大。大型盆地中弱透水土層的分布面積較大，故不可忽視通過弱透水層的越流水量。研究典型區域復雜土壤分布特征及其影響下的暗管排水排鹽情況，提出復雜土壤條件下農田排水建議，對于鹽堿地治理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 土壤質地分析與調查取樣

以寧夏回族自治區紅寺堡區鹽堿地6個典型區域進行土壤質地勘測，區域耕地土壤類型主要為灰鈣土、新積土和風砂土，土壤中夾雜著黏粒層。通過開挖土壤剖面和土鉆取土，按每5 cm或10 cm一層取土樣，對6個典型土壤剖面進行取樣，測定土壤粒徑。采用粒度分析儀，分析得到土壤不同粒徑占比，根據聯合國糧食與農業組織土壤分類中對土壤粒徑的定義：粒徑小于0.002 mm的為黏粒，0.002～0.050 mm為粉粒，0.050～1.00 mm為砂粒[14]，進行土壤質地分析。

1.2 理論基礎模擬

HYDRUS模型是可用來模擬一維到三維條件下飽和-非飽和多孔介質中水分、能量和溶質運移的有限元計算模型。考慮到復雜土壤質地屬于非均質土壤，可采用HYDRUS 模型進行模擬分析，其對不規則水流邊界、各向異性的非均質土壤及材料組成等具有很好的模擬效果[15]。HYDRUS模型采用修正的Richards 方程描述二維飽和及非飽和土壤水流運動，控制方程如下。

式（1）中，θ為土壤體積含水量；t為時間；h為壓力水頭；S為代表作物根系吸水的源匯項；K為土壤非飽和導水率，Kx和Kz為K在x和z方向上的分量，按照下述公式計算。

式（2）中，Kr為相對滲透系數；Ks為土壤飽和導水率。

HYDRUS模型中給出了幾種公式用以描述土壤水力運動特性，其中Van Genuchten（VG）模型描述土壤水力運動特性較為常用，VG模型土壤含水量及導水率表達式如下。

式中，θr、θs分別為土壤殘余含水量和土壤飽和含水量；Se為有效飽和度；α、n和l是決定土壤非飽和特征曲線的經驗系數，一般情況下l取值為0.5。

1.3 模擬設置

土壤參數基于實地調研的土壤粒徑進行反演得到，詳見表1。圖1 為考慮黏土層條件下的HYDRUS模型建模草圖，模擬設置黏土層厚度為10 cm，暗管埋深150 cm，暗管間距40 m，暗管直徑為90 mm。模型上邊界設置為大氣邊界，其他外側邊界設置為無流量邊界，暗管邊界設置為滲流邊界，不透水層深度為10 m。模擬方案分別設置黏土層上邊界位于距離地表30、60、100、140、200、250 和290 cm 的土層。

圖1 考慮黏土層條件下HYDRUS模型示意

表1 土壤VG模型水力參數

2 結果與分析

2.1 復雜土壤分布特征

通過田間實地取樣調研，對紅寺堡區6 個典型土壤剖面進行分析。6 個樣點的土壤黏粒（0～0.000 5 mm）、粉粒（0.000 5～0.050 0 mm）和砂粒（＞0.050 0 mm）含量見圖2。

圖2 不同土層土壤顆粒含量

點位1 為重度鹽堿地，通過粒徑測量分析得到土壤質地主要為壤土，0～110 cm 土壤質地以輕壤土和重砂壤土為主，土層黏粒含量范圍為6.2%～14.7%，平均含量為9.9%；110～130 cm 土層為輕砂壤土，130～150 cm 土層為重粉質壤土，黏粒含量達到26.0%，形成弱透水層。點位2土壤質地主要包括輕壤土、中粉質壤土和重粉質壤土。0～30 cm表層土為輕壤土，土壤黏粒含量范圍為10.0%～10.3%；30～50 cm 土壤質地主要為中粉質壤土，土壤黏粒含量平均為13.6%；60～70 cm 為中壤土，50～60 cm 和110～120 cm 土壤為重粉質壤土，透水性較差，黏粒含量分別為21.2%和24.5%。點位3 土壤質地主要為重砂壤土（僅60～70 cm 土層為輕壤土），整體上土層黏粒含量范圍為6.4%～10.6%，平均含量為8.1%。

點位4和點位5也位于重度鹽堿地，土壤鹽分重，2022 年4—9 月份地下水埋深范圍為1.05～1.69 m。點位4 土壤質地以砂壤土和粉壤土為主，土層黏粒含量范圍為2.5%～14.0%，平均黏粒含量14.4%。點位5土壤總體上較點位4黏粒含量高，土層黏粒含量范圍為7.0%～21.0%，平均黏粒含量14.4%，土壤質地以壤土和粉質壤土為主，40～70 cm 土層黏粒層呈增加趨勢，75～80 cm 為重粉質壤土，黏粒含量為21.0%，形成了多層弱透水層，85～95 cm 則為重粉質砂壤土。

點位6 是荒地為重度鹽堿地，土壤質地主要為重粉質壤土和砂壤土，30～80 cm 均為重粉質壤土，土層黏粒含量范圍為22.2%～28.7%，重粉質壤土厚度大，土層整體滲透性較差。

通過上述分析得出，當土壤存在弱透水層且無其他治理措施時，土壤鹽分普遍偏高，易出現荒地的情況，該區域弱透水層不具有固定位置和特征，總體上，弱透水層厚度以10～20 cm偏多。

2.2 復雜土壤對農田排水能力的影響

基于HYDRUS 軟件二維模型，通過設置不同黏土層位置，模擬分析黏土層位置對暗管排水排鹽能力的影響。10 cm黏土層對暗管排水24 h累積流量的影響見圖3。黏土層上邊界位于距離地表30、60、100、140、200、250和290 cm時的累積排水流量較無黏土層條件下減少18%、14%、16%、22%、13%、6%和4%。當黏土層位于暗管層時，10 cm 黏土層就會導致排水量減少20%，暗管上部10 cm 位置處的黏土層對暗管排水效果影響最大，較常規地下排水量減少22%；當黏土層位置超過2倍暗管埋深時，對排水量的影響較小。可以預見黏土層若更厚時，暗管排水排鹽作用將受到更大的影響。

圖3 黏土層對于暗管排水影響

3 結論與討論

基于紅寺堡典型區域復雜土壤分布特征及暗管排水響應模擬分析得出，當土壤存在弱透水層且無其他治理措施時，土壤鹽分普遍偏高，易出現荒地的情況，弱透水層不具有固定位置和特征，總體上，弱透水層厚度以10～20 cm 偏多。當黏土層位于暗管層時，10 cm 黏土層就會導致排水量減少20%，暗管上部10 cm 位置處的黏土層對暗管排水效果影響最大，較常規地下排水量減少22%；當黏土層位置超過2 倍暗管埋深時，對排水量的影響較小。當黏土層位于地表0～40 cm 時，可通過換土方式改良土壤或放棄改良；當黏土層位于地表以下40～80 cm 時，可采用鼠道排水配合暗管排水或豎井排水；當黏土層位置低于暗管埋深時，可采用暗管排水或暗管配合明溝的組合的排水方式。對于非水平的黏土層則應當考慮弱透水土層形狀對水流流態的影響，并進行相應調整，避免暗管間距過小導致浪費，同時避免暗管間距過大導致排水排鹽效果不好的問題。

黏土層或弱透水層對暗管排水具有較大影響，對鹽堿地的排水排鹽具有一定負面影響，根據不同弱透水層的位置，合理設置排水排鹽方式，對于改良鹽堿地具有重要作用。本研究以紅寺堡為研究區域，基于實地取樣調查了不同點位的復雜土壤分布特征，基于HYDRUS 二維模型分析了不同黏土層位置對暗管排水流量的影響作用，并提出復雜土壤條件下的排水建議，為鹽堿地治理提供參考。