毛 威，楊金忠，朱 焱，伍靖偉

（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072）

0 引 言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)位于溫帶大陸性干旱-半干旱氣候帶，水資源供需矛盾突出，合理開發(fā)利用灌區(qū)各類水資源、減少農(nóng)業(yè)用水量、提高用水效率是灌區(qū)的當(dāng)務(wù)之急[1-2]。井渠結(jié)合膜下滴灌是干旱灌區(qū)開發(fā)地下水資源、提高灌溉水利用率的重要措施[3-6]。井渠結(jié)合膜下滴灌是指在適宜發(fā)展井渠結(jié)合的地區(qū)，開發(fā)一定面積的井灌區(qū)，利用地下水進(jìn)行膜下滴灌，渠灌區(qū)維持原有灌溉方式。井渠結(jié)合膜下滴灌一方面可充分開發(fā)地下水資源，通過降低地下水位減少潛水蒸發(fā)消耗，提高地下水的利用效率，達(dá)到開源的目的；另一方面可通過膜下滴灌提高灌溉水利用率，達(dá)到節(jié)流的目的[7-8]。同時，井渠結(jié)合膜下滴灌可通過降低地下水水位減少根系層鹽分的積累[5-6,9]。王璐瑤等[9]基于地下水的采補平衡，確定了合理的井渠結(jié)合模式。郝培凈[6]根據(jù)確定的井渠結(jié)合模式，預(yù)測了井渠結(jié)合推廣實施后地下水埋深的變化趨勢。但是，采用井渠結(jié)合膜下滴灌的灌溉模式后，灌區(qū)鹽分的演化規(guī)律尤其是根系層的鹽分累積、土壤-地下水含水層補排關(guān)系等將發(fā)生顯著變化，這些都將影響灌區(qū)作物產(chǎn)量和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。因此，探討河套灌區(qū)井渠結(jié)合膜下滴灌實施后的土壤鹽分長期演變規(guī)律具有極其重要的理論和現(xiàn)實意義。

目前對河套灌區(qū)土壤水鹽運動規(guī)律已有大量研究，如郝遠(yuǎn)遠(yuǎn)等[10]采用分布式的 HYDRUS-EPIC模型評估了河套灌區(qū)解放閘灌域4 m深度內(nèi)的土壤水鹽動態(tài)和作物生長空間分布特征；彭振陽等[11]根據(jù)田間試驗研究了河套灌區(qū)秋澆條件下季節(jié)性凍融土壤的鹽分運動規(guī)律；李亮[12]采用HYDRUS-2D模型對河套灌區(qū)典型區(qū)1 m深度內(nèi)的土壤水鹽運動規(guī)律進(jìn)行了研究；Xu等[13]構(gòu)建了解放閘灌域的大尺度水均衡模型，研究各種節(jié)水措施對地下水位的影響；Yu等[14]采用遙感手段研究了解放閘灌域的土壤鹽分在時間和空間上的變化。但是，由于飽和-非飽和帶廣泛而復(fù)雜的水力聯(lián)系、鹽分測量數(shù)據(jù)強烈的空間變異性等因素的存在，小尺度短時間序列的研究難以反映鹽分長期的演化規(guī)律。Schoups等[15]提出，對鹽堿化過程的研究應(yīng)以較大的區(qū)域為空間尺度，并考慮長時間變化過程。

SaltMod是用于灌區(qū)長期水資源和鹽分管理的均衡模型，它以水鹽均衡原理為基礎(chǔ)，可預(yù)測不同水文地質(zhì)條件和不同用水管理措施下的地下水動態(tài)變化、排水系統(tǒng)排水、土壤及含水層鹽分變化過程等。該模型由Oosterbaan開發(fā)，已被廣泛應(yīng)用于印度、土耳其、埃及、中國（江蘇、內(nèi)蒙古等地）的水鹽預(yù)測分析[16-21]。該模型還可以處理作物輪作、農(nóng)民對積水和鹽堿化的反應(yīng)等實際情況。但是，它不適用于井渠結(jié)合的情況，不能處理多種灌溉水源的情況，不能區(qū)分井水和渠水等不同的灌溉水源；SaltMod模型只有1個平均的地下水位，不能區(qū)分井灌區(qū)與渠灌區(qū)的地下水位差；同時，SaltMod模型的地表分區(qū)只有 3個，限制了其在井渠結(jié)合區(qū)的使用。為了處理實際情況，筆者提出了改進(jìn)的SaltMod模型[22]。本文針對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)即將推廣井渠結(jié)合膜下滴灌的實際情況，分別建立井灌區(qū)和渠灌區(qū)的改進(jìn)SaltMod均衡模型，并通過地下水含水層的側(cè)向流量將二者進(jìn)行耦合，采用隆勝井渠結(jié)合區(qū)15 a的水鹽均衡觀測資料，對耦合模型進(jìn)行率定和驗證，采用驗證后的模型分析河套灌區(qū)隆勝井渠結(jié)合典型區(qū)在現(xiàn)狀條件下的土壤鹽分演化規(guī)律，以及在井渠結(jié)合膜下滴灌推廣實施后，不同條件的井渠結(jié)合區(qū)的土壤鹽分演化規(guī)律，以期為河套灌區(qū)制定合理的水分管理措施實現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是中國最大的“一首制”自流引水灌區(qū)[23]，控制面積 1.073×104km2，其中灌溉面積5.74×103km2。河套灌區(qū)屬溫帶大陸性干旱-半干旱氣候區(qū)，冬長夏短、干燥多風(fēng)、晝夜溫差較大。年平均氣溫6.9 ℃，平均相對濕度40%～50%，年均降水量171 mm，年均水面蒸發(fā)量1 152 mm。河套灌區(qū)的灌溉主要引過境的黃河水，在2000年后年引黃水量穩(wěn)定在4.7×109m3左右，黃河水礦化度約為0.65 g/L。根據(jù)何彬等[24-25]研究結(jié)果，將灌區(qū)劃分為適宜發(fā)展井渠結(jié)合的區(qū)域（地下水礦化度＜2.5 g/L）、可發(fā)展井渠結(jié)合的區(qū)域（地下水礦化度在2.5～3 g/L之間）、不適宜發(fā)展井渠結(jié)合的區(qū)域（地下水礦化度＞3 g/L），如圖1所示。該分類參考了河套灌區(qū)大量的水文地質(zhì)和水化學(xué)資料、河套灌區(qū)地下水礦化度分區(qū)圖，并考慮了河套灌區(qū)的水文地質(zhì)資料及農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。在地下水礦化度＜2.5 g/L的適宜發(fā)展井渠結(jié)合的區(qū)域中，約90%的面積地下水礦化度＜2 g/L。隆勝井渠結(jié)合試驗區(qū)位于河套灌區(qū)中部，在永濟(jì)灌域下永剛分干渠所屬的西濟(jì)支渠灌域，地理坐標(biāo)為107°28′～107°32′E，40°51′～40°55′N，海拔 1 037 m。試驗區(qū)渠灌區(qū)南北長10.5 km，東西寬約3.8 km，土地面積36.67 km2，灌溉面積28 km2。井灌區(qū)位于隆勝試驗區(qū)的西南角，控制面積約為9 km2，地下水礦化度為1.2 g/L，如圖 1所示。隆勝試驗區(qū)土壤質(zhì)地主要為壤土、砂土插花分布，表層土壤容重 1.45～1.55 g/cm3，孔隙度為46.43%～49.73%，田間持水量0.25～0.3。1 m以下以砂土為主，地下水礦化度為1.2 g/L，適于發(fā)展井渠結(jié)合。該地區(qū)積累了大量的氣象、地質(zhì)、引水、排水、地下水埋深、土壤鹽分等觀測資料，圖 1中顯示了現(xiàn)階段井渠結(jié)合區(qū)地下水觀測井的分布情況?，F(xiàn)狀條件下隆勝試驗區(qū)已經(jīng)發(fā)展了井渠結(jié)合的灌溉方式，但是井灌區(qū)尚沒有發(fā)展膜下滴灌。

圖1 河套灌區(qū)地下水礦化度分布及隆勝試驗區(qū)地下水位觀測井布置Fig.1 Groundwater salinity distribution of Hetao Irrigation District and groundwater observation well layout of Longsheng experimental area

1.2 數(shù)據(jù)來源

隆勝試驗區(qū)2002年—2016年的氣象資料來源于其附近的臨河氣象站的實測值，主要有降雨量與采用 FAO56 Penman-Monteith公式計算得到的參考作物騰發(fā)量ET0[26]。隆勝試驗區(qū)相應(yīng)的引水灌溉資料、作物種植結(jié)構(gòu)等均來源于河套灌區(qū)義長灌域管理局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。地下水埋深的數(shù)據(jù)主要取自該區(qū)域的2口常觀井，并通過2002年—2005年搜集到的地下水埋深數(shù)據(jù)與2014年后自己布設(shè)的觀測井的觀測數(shù)據(jù)，對常觀井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果顯示不同來源的數(shù)據(jù)相關(guān)性較好。為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，地下水埋深的數(shù)據(jù)采用常觀井的觀測結(jié)果。2013年前的土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)從當(dāng)?shù)卦囼炚?、義長灌域管理局等地方獲取，其中2002年—2005年為1個連續(xù)序列，2009年—2010年為1個連續(xù)序列，2013年為單獨的1次測量。2014年之后的土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)為實測獲得。不同年份取樣頻率為 2～4次不等。每次取樣點數(shù)都>10，但是不同年份間取樣點位不重合，剖面取樣層次劃分不一致，但均取到1 m深處。所有土壤含鹽量實測值均為全鹽值。將測量點位分為井灌區(qū)與渠灌區(qū) 2組，分別得到井灌區(qū)與渠灌區(qū)根系層土壤鹽分實測結(jié)果的平均值。

1.3 改進(jìn)SaltMod模型的應(yīng)用

SaltMod模型以季度為均衡時段，在時間上可以將模型分為1～4個季度，在空間上垂向劃分為4個均衡體，分別為地表均衡體、根系層、過渡層和含水層。模型假設(shè)在根系層和過渡層所有的土壤水分運動都是垂向的，排水系統(tǒng)處于過渡層。模型綜合考慮了降雨、蒸發(fā)、灌溉、排水、井水利用、徑流損失等地表水文過程和深層滲漏、地下水抽水等含水層水文過程。鹽分的均衡依賴于水分均衡的計算，以電導(dǎo)率表示濃度值。改進(jìn)的SaltMod模型[22]分別采用SaltMod模型模擬井灌區(qū)和渠灌區(qū)，再通過含水層交換水量將二者耦合，如圖 2所示。井灌區(qū)與渠灌區(qū)含水層耦合公式為

式中Sw為井灌區(qū)的面積，m2；Sc為渠灌區(qū)的面積，m2；Gw為單位面積井灌區(qū)含水層流入水量，m；Gc為單位面積渠灌區(qū)含水層流出水量，m。改進(jìn)SaltMod模型既具有SaltMod模型的優(yōu)點，又可處理井渠結(jié)合的特殊情況。

圖2 改進(jìn)的SaltMod模型示意圖Fig.2 Sketch of improved SaltMod model

對于改進(jìn)SaltMod模型而言，按照灌區(qū)的灌溉和作物生長特征，將全年分為3個季度：第1季度從每年的5月—9月共5個月，為作物生育期；第 2季度為每年的10月—11月共2個月，為秋澆期；第3季度為每年的12月初到次年的4月底共5個月，為凍融期。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查的鉆孔資料，將SaltMod模型垂向上分為 3層：第 1層厚度1 m，為根系層；第2層厚度為4 m，為過渡層；第3層厚度為95 m，為含水層。根系層和過渡層總孔隙度為0.48，含水層總孔隙度為0.4。根系層和過渡層給水度為0.07，含水層給水度為0.1。降雨資料采用實測數(shù)據(jù)多年均值，第1季度降雨為142 mm，第2季度降雨為10 mm，第3季度降雨為13 mm。渠灌區(qū)和井灌區(qū)的灌溉水量均采用現(xiàn)狀條件下的監(jiān)測值，井灌區(qū)作物生育期采用井水灌溉，灌溉量為537 mm；渠灌區(qū)作物生育期采用黃河水進(jìn)行灌溉，灌溉量為300 mm。井灌區(qū)渠灌區(qū)均采用黃河水秋澆，渠灌區(qū)秋澆水量為200 mm，井灌區(qū)只有少部分區(qū)域秋澆，平均秋澆水量設(shè)為20 mm。井灌區(qū)和渠灌區(qū)初始埋深分別設(shè)置為2.3和1.8 m。前述的SaltMod模型分層與地下水埋深的設(shè)置并沒有直接的關(guān)系。隆勝井灌區(qū)地下水礦化度為1.2 g/L，黃河水礦化度為0.65 g/L。將礦化度數(shù)據(jù)及實測土壤全鹽值轉(zhuǎn)化為 SaltMod模型計算所需的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。

全鹽值與 SaltMod模型所需電導(dǎo)率之間的轉(zhuǎn)換步驟為：1）對既有實測全鹽值（S，%）又有土水比為 1∶5的電導(dǎo)率（EC1:5，dS/m）的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程EC1:5=3.2S-0.002 (R2=0.69，P<0.05)；2）參考童文杰等[27]在河套灌區(qū)的研究，采用公式 ECe= 8.6EC1:5將EC1:5轉(zhuǎn)換為土壤飽和浸提液的電導(dǎo)率（ECe）。根據(jù)SaltMod操作手冊，模型所需的電導(dǎo)率EC = 2ECe。礦化度與模型所需電導(dǎo)率EC間的轉(zhuǎn)換公式為1 g/L = 1.7 dS/m。

圖3 土壤全鹽值與電導(dǎo)率（EC1:5）的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil salinity and electric conductivity (EC1:5).

隆勝試驗區(qū)處于季節(jié)性凍融區(qū)。在凍結(jié)過程中，隨著氣溫降低，土壤自上而下逐漸凍結(jié)，凍結(jié)區(qū)水勢降低，地下水在水勢作用下補給凍結(jié)層，地下水位下降。融化期融化水下滲，地下水位逐漸回升。在凍融期間對區(qū)域水分造成影響的作用即為上邊界條件和溫度變化引起的凍融過程。上邊界的降雨蒸發(fā)會對區(qū)域的整體水量造成影響。溫度變化僅影響地下水與土壤水之間的轉(zhuǎn)換，且在凍融期結(jié)束后將恢復(fù)至初始狀態(tài)。因此，本模型認(rèn)為在長時間的土壤水鹽均衡的計算中，溫度變化造成的影響非常小。因此，本模型不考慮由于溫度變化而引起的凍融過程。

采用2002年—2005年的地下水埋深與土壤鹽分的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，2006年—2016年的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗證。

1.4 模型驗證指標(biāo)

采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）和相對誤差（relative error，RE）2個指標(biāo)評判模型擬合結(jié)果，其計算公式如下：

式中Ysim,i為模型計算值，Yobs,i為實測值，N為樣本數(shù)量。實際計算RE時，采用各季度年份均值進(jìn)行計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定與驗證

2002年—2005年作為率定期，2006年—2016年作為模型驗證期。模擬的地下水埋深、土壤電導(dǎo)率與實測值對比結(jié)果如圖4和圖5，RMSE和RE計算結(jié)果見表1。根據(jù)實測埋深率定井灌區(qū)與渠灌區(qū)含水層交換水量及其在各季度之間的分配。井灌區(qū)和渠灌區(qū)在模型率定期埋深的全年RMSE分別為0.87和0.25 m，全年RE分別為23%和4%。在不同季度中，RMSE在0.17～1.22 m之間，RE在4%～47%之間，主要差異體現(xiàn)在2002年（圖4）。在模型驗證期，井灌區(qū)和渠灌區(qū)地下水埋深全年 RMSE分別為0.56和0.43 m，RE均為4%，各季度地下水埋深的實測值與模擬值RMSE在0.21～0.81 m之間，RE在3%～32%之間，最大差異仍然發(fā)生在井灌區(qū)第1季度。SaltMod模型采用多年平均的降雨量和灌溉量等作為輸入條件，所以模型反映的是長時間情況下的地下水位變化趨勢，并不能反映由降雨或灌溉等在短期內(nèi)引起的水位的劇烈波動。對照2002年的氣象及引水資料，發(fā)現(xiàn)2002年研究區(qū)附近渠系引水有明顯增加，推測為由于附近進(jìn)行了較大量的灌溉而使地下水有明顯抬升，導(dǎo)致了實測結(jié)果與模型計算結(jié)果的差異。從長時間序列來看，模型計算的地下水埋深變化可反映隆勝井渠結(jié)合區(qū)的水分運動規(guī)律。

表1 率定期和驗證期隆勝區(qū)埋深及根系層土壤鹽分含量模擬值與實測值對比Table 1 Comparison of simulated and observed groundwater depth and soil salinity in root zone of Longsheng area for calibration and validation periods

圖4 隆勝區(qū)地下水埋深實測值與模擬值對比Fig.4 Comparison of simulated and observed groundwater depth of Longsheng area

圖5 隆勝區(qū)根層土壤電導(dǎo)率實測與模擬值對比Fig.5 Comparison of simulated and observed soil electric conductivity in root zone of Longsheng area

根據(jù)土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)率定根系層淋濾系數(shù)Flr，當(dāng)Flr為0.6時，井灌區(qū)和渠灌區(qū)的模型模擬結(jié)果與實測值均擬合較好，此時井灌區(qū)和渠灌區(qū)全年RMSE分別為2.76和2.01 dS/m，全年的RE分別為8%和10%（表1）。不同季度RMSE在1.42～3.85 dS/m之間，RE在3%～28%之間，模型計算結(jié)果較好反映了該地區(qū)的鹽分運移規(guī)律。因此，率定得到根系層淋濾系數(shù)為Flr= 0.6。對于驗證期土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)，部分觀測資料缺失。井灌區(qū)和渠灌區(qū)在驗證期土壤鹽分全年RMSE分別是1.68和1.83 dS/m，RE分別為15%和21%。各個季度RMSE在1.25～2.22 dS/m之間，RE在4%～46%范圍內(nèi)?？傮w來說，模型可以較好地模擬井渠結(jié)合區(qū)的鹽分變化。

2.2 土壤鹽分演化規(guī)律及分析

2.2.1 現(xiàn)狀條件下隆勝井渠結(jié)合區(qū)土壤鹽分演化規(guī)律

以2016年為初始時間，分析現(xiàn)狀條件下土壤鹽分在100 a中的變化情況。對于根系層而言，當(dāng)全鹽值<2 g/kg時，基本滿足大部分作物生長發(fā)育的需求；當(dāng)全鹽值>3 g/kg時，則認(rèn)為對大部分作物生長發(fā)育有嚴(yán)重的影響，故計算過程中選全鹽值2和3 g/kg為土壤鹽堿化程度控制指標(biāo)[28-30]?，F(xiàn)狀條件下100 a內(nèi)隆勝井渠結(jié)合區(qū)土壤鹽分演變計算結(jié)果見圖6。

圖6 現(xiàn)狀條件下井渠結(jié)合區(qū)土壤電導(dǎo)率演化情況預(yù)測Fig.6 Soil electric conductivity prediction of different zones in canal and well irrigation areas under current condition

在渠灌區(qū)，由于蒸發(fā)作用，非灌溉用地根系層鹽分隨著時間持續(xù)累積。但是灌溉用地根系層和排水位以上過渡層的鹽分呈逐漸下降趨勢，其主要原因是秋澆的壓鹽作用，通過秋澆淋濾下去的鹽分，主要積累在含水層。在井灌區(qū)，由于采用鹽分濃度相對較高的地下水進(jìn)行灌溉，灌溉用地根系層的鹽分逐年升高；非灌溉用地根系層由于蒸發(fā)作用，土壤鹽分緩慢增加；過渡層和含水層的鹽分濃度逐年升高，但由于含水層厚度較大，鹽分濃度變化較小。渠灌區(qū)灌溉用地根系層土壤全鹽含量遠(yuǎn)低于2 g/kg，滿足作物生長的需求；井灌區(qū)灌溉用地根系層鹽分在第100年時全鹽量接近2 g/kg，土壤鹽分積累非常緩慢，可以認(rèn)為在現(xiàn)狀條件下井灌區(qū)灌溉用地根系層可以在長時期內(nèi)基本保證作物正常生長的需求。

2.2.2 井渠結(jié)合膜下滴灌后土壤鹽分的變化規(guī)律

隆勝試驗區(qū)作為井渠結(jié)合膜下滴灌的示范建設(shè)區(qū)，井灌區(qū)將作為示范區(qū)推廣膜下滴灌，渠灌區(qū)維持現(xiàn)狀黃河水灌溉。根據(jù)2.2.1節(jié)可知，渠灌區(qū)根系層鹽分基本穩(wěn)定且始終處于較低水平，以下將主要探討不同情況下井灌區(qū)的鹽分變化情況，且主要關(guān)注根系層鹽分含量。

改變現(xiàn)有條件，探討井灌區(qū)改造為膜下滴灌的灌溉方式后的鹽分演化情況。隆勝井灌區(qū)改為膜下滴灌后，根據(jù)相關(guān)研究[6]，調(diào)整灌溉定額、埋深、灌溉水礦化度等輸入數(shù)據(jù)（見表 2），地質(zhì)資料、季度劃分、氣象資料等與現(xiàn)狀條件一致。實際蒸發(fā)量由SaltMod模型基于水分虧缺原理計算得到，不需要輸入。

表2 井灌區(qū)膜下滴灌后輸入數(shù)據(jù)Table 2 Input data under mulched drip irrigation in well irrigation area

以2016年作為初始條件，計算得到實施膜下滴灌之后井灌區(qū)各層的土壤鹽分變化趨勢，如圖 7所示。結(jié)果顯示，在井灌區(qū)全部實施膜下滴灌且秋澆定額為180 mm的情況下，灌溉用地根系層的土壤鹽分呈現(xiàn)先降后升的趨勢，土壤鹽分增加緩慢，可滿足作物生長要求（土壤全鹽量<2 g/kg）。非灌溉用地的根系層則從現(xiàn)狀條件下的升高趨勢轉(zhuǎn)為下降，過渡層和含水層的鹽分含量均處于緩慢上升狀態(tài)。灌溉用地根系層鹽分開始時下降是由于秋澆水量的加大，使得根系層鹽分得到更充分的淋濾，從而降低了根系層鹽分含量，后來逐漸上升是由于膜下滴灌區(qū)一直存在鹽分進(jìn)入?yún)s沒有排泄渠道，導(dǎo)致地下水含水層和過渡層的鹽分逐漸積累，從而使通過毛細(xì)作用從過渡層進(jìn)入根系層的鹽分逐漸增多，根系層的鹽分逐漸積累。非灌溉用地根系層的土壤鹽分濃度逐漸下降，主要原因是由于地下水埋深變大，導(dǎo)致蒸發(fā)量減小，從而使得通過毛細(xì)作用進(jìn)入非灌溉用地根系層的鹽分大幅下降，在降雨的淋洗下，非灌溉用地根系層的土壤鹽分下降。鹽分主要累積在含水層，但是由于含水層體積龐大，所以鹽分濃度上升緩慢。因此，當(dāng)隆勝井灌區(qū)全部實施膜下滴灌，采用黃河水秋澆，秋澆定額采用180 mm時，可以保證該地區(qū)的灌溉用地根系層的鹽分在長時間內(nèi)滿足作物生長的需求。

圖7 井渠結(jié)合膜下滴灌后100 a土壤EC變化Fig.7 Soil EC change in well irrigation area after application of mulched drip irrigation combined with well irrigation in 100 years

2.2.3 井渠結(jié)合膜下滴灌后不同秋澆方案、灌溉定額和地下水埋深對土壤鹽分演化的影響

擬定不同的秋澆方案（秋澆頻率分別為1年1次、2年1次、3年1次），均采用黃河水進(jìn)行秋澆，秋澆定額保持180 mm，其他參數(shù)見表2，基于改進(jìn)模型進(jìn)行計算，井灌區(qū)灌溉用地根系層鹽分累積計算結(jié)果如圖8a所示。結(jié)果顯示，秋澆頻率的變化對根系層土壤鹽分含量的影響明顯。減小秋澆頻率后，由于淋濾水量的減少，根系層土壤鹽分具有明顯的升高趨勢。當(dāng)采用2年1次秋澆時，在100 a后灌溉用地根系層的土壤EC<12 dS/m（全鹽量為2.2 g/kg）；采用3年1次秋澆時，在100 a后灌溉用地根系層的土壤EC<15 dS/m（全鹽量為2.7 g/kg），基本滿足多數(shù)作物的生長需求，但鹽漬化風(fēng)險較高。因此，當(dāng)隆勝井灌區(qū)全部實施膜下滴灌后，作物生育期利用地下水灌溉，灌溉定額為294 mm，地下水礦化度1.2 g/L，采用2年1次利用黃河水進(jìn)行秋澆壓鹽，可以保證灌溉用地根系層鹽分含量處于較低的水平。

生育期灌溉定額取 294 mm充分考慮了作物需水量等因素?，F(xiàn)擬定生育期凈灌溉定額為264和324 mm，在基本滿足作物需水量的基礎(chǔ)上，研究灌溉定額對土壤鹽分演化的影響。由圖8b可以看出，生育期灌溉定額對根系層土壤鹽分含量的變化趨勢影響不明顯。但是，當(dāng)生育期灌溉定額較大時，灌溉用地根系層鹽分含量更高，而當(dāng)生育期灌溉定額較小時，灌溉用地根系層鹽分含量也相對變小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是因為作物蒸騰的影響。采用不同灌溉定額，進(jìn)入根系層的水分基本都被作物吸收用于騰發(fā)作用，深層滲漏至過渡層的水分較少。因此當(dāng)灌溉定額更大時，通過灌溉作用進(jìn)入根系層的鹽分也更多，雖然相應(yīng)的深層淋濾量也更大一些，但深層滲漏水量較小，絕大部分鹽分還是留在根系層。因此，生育期灌溉水量越大，反而灌溉用地根系層鹽分含量會越高。總的來說，不同灌溉定額對灌溉用地根系層鹽分含量的變化影響較小。

圖8 井渠結(jié)合膜下滴灌后不同條件下灌溉用地根系層土壤EC累積情況Fig.8 Root zone soil EC in irrigation area under mulched drip irrigation combined with well irrigation at different conditions

埋深影響蒸發(fā)作用，因此也會影響地表鹽分的積累。假定井灌區(qū)埋深分別為2.5、2.7、3.0和3.5 m，模擬不同埋深對根系層土壤鹽分演化的影響。由圖8c可以看出，埋深對根系層土壤鹽分含量的變化趨勢影響不明顯。當(dāng)?shù)叵滤裆钶^淺時，相同氣候條件下會有較大的實際蒸發(fā)量，而較大的實際蒸發(fā)導(dǎo)致地表鹽分更多的積累。根據(jù)圖中結(jié)果可以驗證，較小的埋深，灌溉用地根系層的地表鹽分累積量更多；而相應(yīng)較大的埋深，灌溉用地根系層的地表鹽分積累相對較少。但是，總體來說，埋深對灌溉用地根系層鹽分含量的變化影響較小。

2.2.4 井渠結(jié)合膜下滴灌后不同地下水礦化度對土壤鹽分演化的影響

擬定生育期不同的地下水礦化度，采用黃河水秋澆，秋澆定額180 mm，秋澆頻率為1年1次。由圖9a可以看出，隨著地下水礦化度的增加，灌溉用地根系層土壤鹽分呈現(xiàn)明顯的累積狀態(tài)。當(dāng)?shù)叵滤V化度為2.5 g/L時，100 a后灌溉用地根系層的土壤 EC<11 dS/m（全鹽量為2.0 g/kg）；當(dāng)?shù)叵滤V化度為3 g/L時，100 a后灌溉用地根系層的土壤EC約為12 dS/m（全鹽為2.27 g/kg），可以滿足多數(shù)作物的生長需求。此外，可以發(fā)現(xiàn)隨著生育期灌溉用水礦化度的增加，灌溉用地根系層鹽分含量年內(nèi)變化加劇。原因為更高的灌溉用水礦化度使得相同灌溉水量條件下引入的土壤鹽分更多，而相同的秋澆定額帶走的鹽分也更多，導(dǎo)致灌溉用地根系層土壤鹽分含量的變化更加劇烈。

當(dāng)?shù)叵滤V化度為 2.0、2.5和 3 g/L，秋澆定額180 mm，2年1次秋澆時，灌溉用地根系層土壤鹽分累積情況如圖9b所示。結(jié)果顯示，當(dāng)采用2年1次秋澆，秋澆定額180 mm時，當(dāng)?shù)叵滤V化度為2.0 g/L時，100 a后灌溉用地根系層的土壤EC<16 dS/m（全鹽量<3.0 g/kg），基本可以滿足作物的生長需求。當(dāng)?shù)叵滤V化度為2.5 g/L時，在60 a左右，灌溉用地根系層的土壤全鹽量達(dá)到3.0 g/kg，此時達(dá)到作物耐鹽上限。

圖9 井渠結(jié)合膜下滴灌后不同地下水礦化度下灌溉用地根系層ECFig.9 Root zone soil EC in well irrigation area under mulched drip irrigation combined with well irrigation at different groundwater mineralization

從圖 1全灌域地下水礦化度分布圖可知，地下水礦化度<2.5 g/L的適宜發(fā)展井渠結(jié)合的區(qū)域中，約90%的面積地下水礦化度<2.0 g/L。因此，當(dāng)河套灌區(qū)適宜發(fā)展井渠結(jié)合的區(qū)域全部實施井渠結(jié)合膜下滴灌，作物生育期利用地下水灌溉，采用2年1次利用黃河水進(jìn)行秋澆壓鹽，可以保證灌溉用地根系層鹽分含量滿足作物生長需求。

3 結(jié) 論

本文基于改進(jìn)的SaltMod模型，采用隆勝井渠結(jié)合試驗區(qū)15 a長系列的實測資料對模型進(jìn)行了率定和驗證。結(jié)果表明，模型模擬模擬地下水埋深和土壤鹽分可行。根據(jù)率定和驗證后的SaltMod模型，在100 a的時間尺度下，預(yù)測了現(xiàn)狀條件下及實施井渠結(jié)合膜下滴灌后渠灌區(qū)和井灌區(qū)在不同條件下的鹽分演化情況。主要結(jié)論如下：

1）現(xiàn)狀條件下隆勝井渠結(jié)合區(qū)灌溉用地根系層可以在長時期內(nèi)滿足作物生長的需求。

2）在實施井渠結(jié)合膜下滴灌后，膜下滴灌生育期灌溉定額和井灌區(qū)地下水水位對灌溉用地根系層鹽分的積累影響較小，地下水礦化度與秋澆頻率對灌溉用地根系層土壤鹽分累積的影響較大。

在河套全灌域?qū)嵤┚Y(jié)合膜下滴灌時，地下水礦化度<2.5 g/L的適宜發(fā)展井渠結(jié)合的區(qū)域中，約90%的面積地下水礦化度<2 g/L。在這些地方開采地下水進(jìn)行灌溉，為保證土壤根系層鹽分低于作物耐鹽閾值，建議采用黃河水進(jìn)行2年1次的秋澆壓鹽，秋澆定額為180 mm。

致謝：在資料收集和野外實驗過程中得到內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)屈忠義教授、義長灌域管理局張武軍工程師等的協(xié)助。感謝實驗室的同學(xué)們資料收集整理期間的幫助。

[1] 葉志勇，郭克貞，趙淑銀，等. 河套灌區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及其近期重點[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2010 (6)：81－84.Ye Zhiyong, Guo Kezhen, Zhao Shuyin, et al. The current development and focal points in short-term water-saving agriculture in Hetao Irrigation District[J]. China Rural Water and Hydropower, 2010(6): 81－84. (in Chinese with English abstract)

[2] 屈忠義，楊曉，黃永江. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)節(jié)水工程改造效果分析評估[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(4)：70－76.Qu Zhongyi, Yang Xiao, Huang Yongjiang. Analysis and assessment of water-saving project of Hetao Irrigation District in Inner Mongolia[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(4): 70－76. (in Chinese with English abstract)

[3] 于健，楊金忠，徐冰，等.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)三種水源形式滴灌發(fā)展?jié)摿J]. 中國水利，2015 (19)：50－53.Yu Jian, Yang Jinzhong, Xu Bing, et al. Potentiality of drip irrigation development for three types of water source in Hetao Irrigation Districts of Inner Mongolia[J]. China Water Resources, 2015 (19): 50－53. (in Chinese with English abstract)

[4] 楊路華，沈榮開，曹秀玲. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地下水合理利用的方案分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(5)：56－59.Yang Luhua, Shen Rongkai, Cao Xiuling. Scheme of groundwater use in Hetao irrigation district in Inner Mongolia[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(5): 56－59. (in Chinese with English abstract)

[5] 楊文元. 河套灌區(qū)永濟(jì)灌域井渠結(jié)合地下水相應(yīng)數(shù)值模擬[D]. 武漢：武漢大學(xué)，2016.Yang Wenyuan. Numerical Simulation of Conjunctive Use of Groundwater and Surface Water in Yongji Irrigation Field of Hetao Irrigation District[D]. Wuhan: Wuhan University,2016. (in Chinese with English abstract)

[6] 郝培凈. 河套井渠結(jié)合膜下滴灌實施后區(qū)域水鹽調(diào)控[D].武漢：武漢大學(xué)，2016.Hao Peijing. Regonal Soil Water-Salt Balance in Hetao Irrigation District with Drip Irrigation and Combined Use of Surface Water and Grpimdwater[D]. Wuhan: Wuhan University,2016. (in Chinese with English abstract)

[7] 孫貫芳，屈忠義，杜斌，等. 不同灌溉制度下河套灌區(qū)玉米膜下滴灌水熱鹽運移規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(12)：144－152.Sun Guanfang, Qu Zhongyi, Du Bin, et al. Water-heat-salt effects of mulched drip irrigation maize with different irrigation scheduling in Hetao Irrigation District[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 144－152. (in Chinese with English abstract)

[8] 孫貫芳，屈忠義，杜斌，等. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)不同灌溉模式對土壤溫度及鹽分的影響[J]. 節(jié)水灌溉，2016(2)：28－31.Sun Guanfang, Qu Zhongyi, Du Bin, et al. Effect of different irrigation models on soil temperature and salinity in Inner Mongolia Hetao Irrigation District[J]. Water Saving Irrigation,2016(2): 28－31. (in Chinese with English abstract)

[9] 王璐瑤，彭培藝，郝培靜，等. 基于采補平衡的河套灌區(qū)井渠結(jié)合模式及節(jié)水潛力[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2016(8)：18－24.Wang Luyao, Peng Peiyi, Hao Peijing, et al. Well-canal conjunctive irrigation mode and potential of water-saving amount based on the balance of exploitation and supplement for Hetao Irrigation District[J]. China Rural Water and Hydropower, 2016(8): 18－24. (in Chinese with English abstract)

[10] 郝遠(yuǎn)遠(yuǎn)，徐旭，任東陽，等. 河套灌區(qū)土壤水鹽和作物生長的HYDRUS-EPIC模型分布式模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(11)：110－116.Hao Yuanyuan, Xu Xu, Ren Dongyang, et al. Distributed modeling of soil water-salt dynamics and crop yield based on HYDRUS-EPIC model in Hetao Irrigation District[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2015, 31(11): 110－116. (in Chinese with English abstract)

[11] 彭振陽，黃介生，伍靖偉，等. 秋澆條件下季節(jié)性凍融土壤鹽分運動規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(6)：77－81.Peng Zhenyang, Huang Jiesheng, Wu Jingwei, et al. Salt movement of seasonal freezing-thawing soil under autumn irrigation condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012,28(6): 77－81. (in Chinese with English abstract)

[12] 李亮. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)耕荒地間土壤水鹽運移規(guī)律研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.Li Liang. Study on the Transport of Soil Water and Salt between Irrigated Land and SalineLand in Hetao Irrigation District[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University,2008. (in Chinese with English abstract)

[13] Xu Xu, Huang Guanhua, Qu Zhongyi, et al. Assessing the groundwater dynamics and impacts of water saving in the Hetao Irrigation District, Yellow River basin[J]. Agricultural Water Management, 2010, 98(2): 301－313.

[14] Yu Ruihong, Liu Tingxi, Xu Youpeng, et al. Analysis of salinization dynamics by remote sensing in Hetao Irrigation District of North China[J]. Agricultural Water Management,2010, 97: 1952－1960.

[15] Schoups G, Hopmans J W, Young C A, et al. Sustainability of irrigated agriculture in the San Joaquin Valley, California[J].Proceedings of the National Academy of Sciences, 2005,102(43): 15352－15356.

[16] Oosterbaan R J. SaltMod; Description of Principles, User Manual, and Application, ILRI[M]. Netherlands: Wageningen University, 2000.

[17] Bahceci I, Cakir R, Nacar A S, et al. Estimating the effect of controlled drainage on soil salinity and irrigation efficiency in the Harran Plain using SaltMod[J]. Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 2008, 32(2): 101－109.

[18] 陳艷梅，王少麗，高占義，等. 基于SALTMOD模型的灌溉水礦化度對土壤鹽分的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報，2012(3)：11－16.Chen Yanmei, Wang Shaoli, Gao Zhanyi, et al. Effect of irrigation water mineralization on soil salinity based on SALTMOD model[J]. Journal of Irrigation and Drainage,2012(3): 11－16. (in Chinese with English abstract)

[19] Singh A. Validation of SaltMod for a semi-arid part of northwest India and some options for control of waterlogging[J]. Agricultural Water Management, 2012, 115: 194－202.

[20] Singh A. Evaluating the effect of different management policies on thelong-term sustainability of irrigated agriculture[J].Land Use Policy, 2016, 54: 499－507.

[21] Yao Rongjiang, Yang Jingsong, Zhang Tongjuan, et al.Studies on soil water and salt balances and scenarios simulation using SaltMod in a coastal reclaimed farming area of eastern China[J]. Agricultural Water Management, 2014, 131: 115－123.

[22] Mao Wei, Yang Jinzhong, Zhu Yan, et al. Loosely coupled SaltMod for simulating groundwater and salt dynamics under well-canal conjunctive irrigation in semi-arid areas[J]. Agricultural Water Management, 2017, 192: 209－220.

[23] 程滿金. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)節(jié)水改造工程綜合節(jié)水技術(shù)試驗與示范研究成果報告[M]. 北京：中國水利水電出版社，2002.

[24] 何彬，賴斌，毛威，等. 基于GIS的河套灌區(qū)井渠結(jié)合分布區(qū)的確定方法[J]. 灌溉排水學(xué)報，2016，35(2)：7－12.He Bin, Lai Bin, Mao Wei, et al. A distribution-determination method of conjunction use district with groundwater and surface water for Hetao Irrigation District based on GIS[J].Journal of Irrigation and Drainage, 2016, 35(2): 7－12. (in Chinese with English abstract)

[25] 彭培藝. 河套灌區(qū)井渠結(jié)合條件下土壤水化學(xué)演化與評價研究[D]. 武漢：武漢大學(xué)，2017.Peng Peiyi. Study on the Evaluation and Evolution of Soil Water Hydrogeochemical Processes under the Irrigation Mode of Groundwater and Surface Water Conjunction Use in Hetao Irrigation District[D]. Wuhan: Wuhan University, 2017.(in Chinese with English abstract)

[26] 郝培凈，楊金忠. 基于NDVI和FAO56 Penman-Monteith的河套灌區(qū)作物騰發(fā)量空間分布研究[J]. 灌溉排水學(xué)報，2016，4(35)：20－25.Hao Peijing, Yang Jinzhong. Spatial distribution of crop evapotranspiration in hetao irrigation district base on NDVI and Fao56 Penman-Monteith[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2016, 4(35): 20－25. (in Chinese with English abstract)

[27] 童文杰，劉倩，陳阜，等. 河套灌區(qū)小麥耐鹽性及其生態(tài)適宜區(qū)[J]. 作物學(xué)報，2012，38(5)：909－913.Tong Wenjie, Liu Qian, Chen Fu, et al. Salt tolerance of wheat in Hetao Irrigation District and its ecological adaptable region[J]. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(5): 909－913.(in Chinese with English abstract)

[28] 史海濱，李瑞平，楊樹青. 鹽滯化土壤水熱鹽遷移與節(jié)水灌溉理論研究[M]. 北京：中國水利水電出版社，2011.

[29] 張明柱. 土壤學(xué)與農(nóng)作學(xué)[M]. 北京：中國水利水電出版社，1984.

[30] 王遵親. 中國鹽漬土[M]. 北京：科學(xué)出版社，1993.