張金龍，劉　明，錢　紅，張　清，王振宇

（1. 天津市鹽堿地生態(tài)綠化工程中心，天津300457；2. 天津泰達綠化集團有限公司，天津 300457）

0　引　言

灌溉淋洗配套排水措施是鹽堿地改良重要方法，廣泛用于鹽堿地的改良[1-3]。排水措施主要有明溝排水、暗管排水和井排等[4-6]。暗管排水措施具有占用土地資源少、便于機械化快速作業(yè)、維護方便等優(yōu)點，在鹽堿地治理中應用越來越普遍[7-9]。為了合理規(guī)劃設計灌排改良方案，提高改良效果，許多學者對鹽堿地灌排改良進行了研究。Abdel-Dayem 等[10]研究發(fā)現(xiàn)暗管排水系統(tǒng)能明顯提高濱海鹽土淋洗脫鹽效果。戴同霞等[11]研究發(fā)現(xiàn)暗管排水系統(tǒng)能加速粉砂壤質濱海鹽土脫鹽和潛水淡化。Chieng[12]比較了不同暗管排水系統(tǒng)對鹽漬土淋洗改良的影響，發(fā)現(xiàn)暗管間距較窄（＜40 m）的排水系統(tǒng)改良效果較好。

排水條件下灌溉淋洗土壤水鹽運動會發(fā)生空間變化，這可能影響土壤改良效果。Talsma等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)暗管上方土壤脫鹽效果明顯高于兩暗管中間地帶土壤。筆者也曾探討不同暗管排水下土壤淋洗脫鹽空間差異，發(fā)現(xiàn)暗管間距越大，暗管上方土壤與兩暗管中間地帶土壤淋洗脫鹽空間差異也越大[15-16]。這些研究僅揭示了灌排改良下排水控制區(qū)域空間幾個位置土壤鹽分變化和改良差異。Youngs等[17]把土壤鹽分運動簡化為活塞流，對暗管排水下土壤淋洗脫鹽空間變化規(guī)律進行了理論分析與計算。Siyal等[18]應用HYDRUS-2D模型對灌排改良土壤鹽分的時空變化進行了模擬研究。這些研究初步揭示了暗管排水下漫灌淋洗水鹽時空變化規(guī)律，但對不同暗管間距參數(shù)下土壤水鹽時空變化特征以及暗管排水控制區(qū)域不同區(qū)段內水鹽時空變化特征研究較少。

本文以濱海鹽土灌排淋洗改良田間試驗為例，應用Vedernikov入滲方程和Van der Molen淋洗脫鹽方程對田間試驗條件下灌溉改良土壤水鹽時空變化特征進行模擬分析計算，分析不同暗管間距參數(shù)對漫灌淋洗水鹽時空變化的影響，揭示暗管排水控制區(qū)域不同區(qū)段內土壤水鹽時空變化規(guī)律與差異，以期為生產實踐中合理規(guī)劃設計鹽漬土灌排改良方案提供依據(jù)和指導。

1　灌排改良試驗

以暗管排水和漫灌淋洗協(xié)同改良濱海鹽土試驗為例（見參考文獻[15]和[16]），對改良過程中的水鹽時空變化進行模擬分析。試驗地位于天津濱海新區(qū)臨港經濟區(qū)，共3個小區(qū)，分別埋設間距3、6、9 m，埋深1.2 m的暗管排水系統(tǒng)。土壤淋洗改良分為 3個階段，暗管間距分別為3、6、9 m 的3個小區(qū)總淋洗時間分別為27、45、65 d，其中暗管間距9 m的小區(qū)3個階段的淋洗時間分別為18、25和22 d。每個小區(qū)總淋洗水量均為105.5 cm。試驗地土壤質地粉壤土，土壤滲透系數(shù)8.98×10-5cm/s，體積質量 1.43 g/cm3，0～20、＞20～40、＞40～60、＞60～80、＞80～100 cm 土層土壤含鹽量分別為 13.7、14.0、14.3、13.0、13.8 g/kg。灌溉水為中水，礦化度在1700 mg/L左右。土壤和水理化指標都采用常規(guī)分析方法。

2　模擬方程與方法

2.1　水分入滲方程

假定土壤為均勻、各向同性多孔介質，土壤含水層厚度較大，漫灌淋洗與暗管排水條件下的土壤水分運動為二維穩(wěn)定流（圖1），田面距暗管不同水平距離各點的入滲強度可由Vedernikov入滲方程計算[19-20]。

式中，x為田面入滲點距暗管中心水平距離，m；L為暗管間距，m；D為暗管埋深，m；d為暗管內徑，m；ε為田面平均入滲強度，m/d；εx為田面距暗管中心水平距離x處的入滲強度，m/d。

圖1　灌排改良土壤水運動示意圖Fig.1　Schematic map of soil water movement in drained field under flooding

根據(jù)二維穩(wěn)定流水量平衡原理[19-20]，ε可表示為

式中，q為單位管長的排水流量，m2/d；K為壤滲透系數(shù)，m/d；H為有效水頭，m；A為排水修正數(shù)，可由下式計算。

暗管排水穩(wěn)定流下土壤流場各流線起始端垂直于田面、末端向暗管聚集，田面淋洗水沿著流線向暗管運動[21-22]（圖1）。漫灌淋洗土壤改良目標深度一般遠小于流場土壤含水層深度，可以近似地將土壤改良目標深度范圍內的各流線段近似為垂直向下，因此可將該區(qū)域范圍內的土壤水鹽二維運移近似為一維運移。穩(wěn)定流下沿各流線運動的淋洗水量等于累計入滲水量，則沿著各流線垂直段運動的淋洗水量也就是距暗管中心不同距離處土壤剖面的淋洗水量，可以表示為

式中，Qx為距暗管中心水平距離x處土壤淋洗水量，以淋洗水層厚度表示，m；t為淋洗時間，d。

暗管排水控制區(qū)域土壤平均淋洗水量Q（m）等于累計平均入滲量，可表示為

2.2　淋洗脫鹽方程

將漫灌淋洗改良目標深度范圍內的土壤鹽分運動近似為一維運移，距暗管中心不同距離處土壤剖面鹽分變化可以根據(jù)Van der Molen淋洗方程計算[1,23]。

式中，Cxj為距暗管中心水平距離x處改良土層土壤初始平均鹽分質量濃度，mg/L；Cxt為淋洗t時間后，距暗管中心水平距離 x處改良土層土壤平均鹽分質量濃度，mg/L；Ci為淋洗水鹽分質量濃度，mg/L；qx為距暗管中心水平距離x處土壤剖面淋洗水流速，m/d，等于入滲強度 εx；w為改良土層飽和水量，以水層厚度表示，m；f為淋洗效率系數(shù)，一般中、細質地土壤為 0.85，砂質土壤為 0.95～1.0[1,23]。

3　結果與分析

3.1　田面入滲強度空間變化

應用Vedernikov入滲方程，對田間試驗條件下距排水暗管（間距3、6、9 m）不同水平距離處田面入滲強度進行模擬分析計算，結果如圖2所示。

圖2　灌排改良田面入滲強度空間變化Fig.2　Spatial change of infiltration intensity in drained field under flooding

暗管排水下漫灌淋洗田面入滲強度空間變化非常明顯（圖 2），距排水暗管越近的區(qū)域田面入滲強度越大，距排水暗管越遠的區(qū)域田面入滲強度越小。如間距 9 m的排水暗管上方0 cm處田面入滲強度為3.55 cm/d，約是距暗管4.5 m處田面入滲強度的6.11倍；間距6 m的排水暗管上方0 cm處田面入滲強度為3.68 cm/d，約是距暗管3 m處田面入滲強度的3.11倍。排水條件下漫灌淋洗土壤流場水力梯度的變化是造成入滲強度空間變化的原因[24-25]。排水暗管間距參數(shù)對漫灌淋洗田面入滲強度有明顯影響（圖2）。暗管間距分別為3、6、9 m時，田面入滲強度空間變化分別在 3.14～4.26、1.19～3.68和0.58～3.55 cm/d之間，平均入滲強度分別為3.65、2.09、1.44 cm/d，排水暗管間距越大的田面平均入滲強度越小、入滲強度空間變化越明顯，但隨暗管間距的逐漸增大田面平均入滲強度之間的差異逐漸減小。

暗管排水下漫灌淋洗田面不同區(qū)段入滲強度空間變化規(guī)律明顯不同。排水暗管間距9 m時，距暗管0～1.5、＞1.5～3、＞3～4.5 m 的 3個區(qū)段田面入滲強度分別在1.56～3.55、0.73～1.56 和 0.58～0.73 cm/d 之間，單位距離（每米）變化率分別為1.33、0.55和0.10 cm/d。排水暗管間距6 m時，距暗管0～1.5、＞1.5～3 m的2個區(qū)段田面入滲強度分別在1.79～3.68和1.19～1.79 cm/d之間，單位距離（每米）變化率分別為1.26和0.41 cm/d?？拷倒艿膮^(qū)段田面入滲強度空間變化相對較大，遠離暗管的區(qū)段田面入滲強度空間變化相對較小。間距分別為3、6、9 m的排水暗管附近0～1.5 m區(qū)段入滲強度空間變化比較，入滲強度單位距離（每米）變化率分別為 0.75、1.26、1.33 cm/d，這表明排水暗管間距越大，靠近暗管的區(qū)段田面入滲強度空間差異也越大，但差異程度隨著暗管間距的增大而逐漸趨于相同。

3.2　淋洗水分配空間差異

對田間試驗漫灌淋洗結束后距排水暗管（間距3、6、9 m）不同水平距離處淋洗水分配量進行了分析計算，結果見表1。

表1　灌排改良田面不同位置淋洗水分配量Table 1　Leaching water distribution at different location in drained field under flooding　　　　　　cm

由表1可知，排水暗管間距分別為3、6、9 m時，距暗管水平距離分別為0～1.5、0～3、0～4.5 m的區(qū)域田面漫灌淋洗水分配量空間變化分別在 84.7～114.9、53.3～165.6、37.8～230.6 cm之間，越靠近排水暗管的地段分配的淋洗水量越多，暗管間距越大的田面淋洗水量空間分配差異越大。暗管排水下田面淋洗水量空間分配出現(xiàn)差異是由于入滲強度的空間變化而造成。不同暗管排水條件下淋洗水量分配比較，間距9 m的排水暗管上方0 cm處淋洗水分配量分別是間距6 m和3 m的排水暗管上方0 cm處淋洗水分配量的1.39倍和2.00倍。這表明相同漫灌淋洗水量下，暗管間距越大，暗管附近區(qū)域分配的淋洗水量越多。

對田間試驗條件下 3個小區(qū)總淋洗水量進行了分析計算，并與實際淋洗水量進行了比較。排水暗管間距分別為3、6、9 m的3個小區(qū)模擬計算的平均總淋洗水量分別為98.7、94.0、93.3 cm，約為實際淋洗水量的93.51%、89.07%和88.47%。模擬計算淋洗水量略低于實際淋洗水量，這可能與田間試驗土壤中存在大孔隙，加快了實際灌溉淋洗水分運動有關[26-27]。

3.3　土壤鹽分時空變化

暗管間距越大，漫灌淋洗水量分配空間差異也越大，將導致改良區(qū)域土壤脫鹽不均一，降低淋洗改良效果。以排水暗管間距為9 m的小區(qū)為例，對漫灌淋洗下暗管排水控制區(qū)域（0～4.5 m）內的土壤鹽分時空變化進行了模擬分析計算，結果如圖3所示。

圖3　不同土層土壤鹽分時空變化Fig.3　Spatial-temporal variation of soil salinity content in different soil layer

漫灌淋洗18 d，暗管排水控制區(qū)域（0～4.5 m）不同位置 0～30、＞30～60 cm 土層土壤含鹽量分別下降到0.90～7.56和4.07～12.81 g/kg之間，與土壤初始含鹽量相比脫鹽率分別在45.2%～93.5%和7.2%～70.5%之間，土壤鹽分空間變化非常明顯，且越靠近暗管的區(qū)域土壤鹽分下降越明顯、淋洗脫鹽效果也越好。淋洗 43 d，暗管排水控制區(qū)域（0～4.5 m）不同位置0～30 cm土層土壤含鹽量在0.64～3.47 g/kg之間，與土壤初始含鹽量相比脫鹽率在 74.8～95.4%之間，土壤鹽分繼續(xù)下降，但空間差異程度減?。唬?0～60 cm 土層土壤含鹽量在 0.88～10.02 g/kg之間，與土壤初始含鹽量相比脫鹽率在 27.4%～93.6%之間，土壤鹽分空間差異仍然較明顯。淋洗 65 d，暗管排水控制區(qū)域（0～4.5 m）不同位置0～30 cm土層土壤含鹽量在0.64～1.93 g/kg之間，土壤鹽分空間差異明顯減小；＞30～60 cm土層土壤含鹽量在0.66～7.59 g/kg之間，空間差異仍然較明顯。以上分析表明，漫灌淋洗下暗管排水控制區(qū)域土壤淋洗脫鹽非常不均勻，為了使土壤淋洗脫鹽趨于均勻，需延長淋洗時間。這與Youngs等[17-18]學者的研究結論一致。

天津濱海地區(qū)鹽漬土改良目標一般為將土壤鹽分控制在3.00 g/kg以下[28-29]。以該值為土壤淋洗改良脫鹽目標，對持續(xù)漫灌淋洗下暗管排水控制區(qū)域（0～4.5 m）不同地段達到脫鹽目標的土層深度變化進行模擬計算，分析暗管排水控制區(qū)域土層平均含鹽量為3.00 g/kg的等值線移動與淋洗時長關系，結果如圖4所示。由圖4可知，該等值線隨著淋洗時間的增加而向土層深處移動，但等值線上各點向下移動速率差異很大。暗管上方0 cm點位向下移動平均速率為3.78 cm/d，距暗管1.5 m點位向下移動平均速率為1.66 cm/d，距暗管3.0 m點位向下移動平均速率為0.78 cm/d，距暗管最遠（4.5 m）的點位向下移動平均速率僅為0.62 cm/d。這表明距暗管越近的區(qū)域土壤達到淋洗脫鹽目標越快，距暗管越遠的區(qū)域土壤達到脫鹽目標越慢。假定土壤淋洗改良目標是0～60 cm土層土壤平均含鹽量下降到3.00 g/kg及以下。淋洗20 d，排水暗管附近0～0.6 m寬區(qū)段土壤達到改良目標，約占暗管排水控制區(qū)（0～4.5 m）面積的13.3%；淋洗40 d，靠近排水暗管0～1.6 m寬區(qū)段土壤達到改良目標，約占暗管排水控制區(qū)（0～4.5 m）面積的35.5%；淋洗60 d，靠近排水暗管0～2.3 m寬區(qū)段土壤達到改良目標，約占暗管排水控制區(qū)（0～4.5 m）面積的51.1%。為了使整個區(qū)域土壤都達到改良目標，必須漫灌約100 d，這將導致大部分淋洗水從已改良區(qū)域流失，浪費大量的水資源。一些學者針對暗管排水下土壤淋洗脫鹽不均的問題提出了分區(qū)淋洗模式，即將暗管控制區(qū)域劃分為等寬的3或4個區(qū)段，分區(qū)段逐步漫灌淋洗[30-31]。根據(jù)暗管排水控制區(qū)域水分入滲強度空間變化規(guī)律來確定分區(qū)淋洗各區(qū)段的寬度可能更有利于土壤淋洗脫鹽，尚需進一步研究。

圖4　3.00 g?kg-1鹽分等值線移動與漫灌時長關系Fig.4　Relationship between movement of soil salinity3.00 g·kg-1 isoline and flooding duration

淋洗改良18、43、65 d后，對距排水暗管不同水平距離的4個土壤剖面0～60 cm土層土壤含鹽量進行模擬計算，并與實際含鹽量進行比較。3個淋洗時長下4個土壤剖面0～60 cm土層土壤含鹽量計算值與實際值差異及變化極為相似，現(xiàn)以淋洗改良65 d為例進行說明（圖5）。

圖5　0～60 cm土層土壤鹽分實測值與計算值比較（淋洗65 d）Fig.5　Comparison between actual and calculated value of soil salinity content in 0～60 cm soil layer (flooding for 65 d)

由圖5可知，4個土壤剖面0～60 cm土層土壤含鹽量模擬計算值與實際值差異較大，靠近暗管區(qū)域的土壤鹽分模擬計算值比實測值低，而遠離暗管區(qū)域的土壤鹽分模擬計算值比實測值高，但4個土壤剖面0～60 cm土層土壤實際含鹽量平均值與模擬計算含鹽量平均值非常接近，都約為 2.60 g/kg。土壤鹽分模擬結果與實際結果出現(xiàn)較大差異的原因可能是田間試驗淋洗初期土壤水分的非飽和、非穩(wěn)定流，以及土壤大孔隙等降低了土壤鹽分淋洗空間差異[26]。

4　結　論

應用Vedernikov入滲方程、Van der Molen淋洗脫鹽方程等對暗管排水條件下濱海鹽土漫灌淋洗水鹽時空變化特征進行了模擬研究，主要結論如下：

1）間距分別為3、6、9 m的暗管排水控制區(qū)域田面漫灌穩(wěn)定入滲強度分別在 3.14～4.26、1.19～3.68和0.58～3.55 cm/d之間，平均入滲強度分別為3.65、2.09和1.44 cm/d，排水暗管間距越大的田面平均入滲強度越小、入滲強度空間變化越明顯，但隨暗管間距的逐漸增大田面平均入滲強度之間的差異逐漸減小。

2）暗管排水條件下漫灌淋洗田面不同區(qū)段入滲強度空間變化規(guī)律明顯不同，統(tǒng)一漫灌下靠近排水暗管的區(qū)段田面入滲強度空間變化相對較大，遠離暗管的區(qū)段田面入滲強度空間變化相對較小；相同暗管埋深下隨著排水暗管間距的增大，靠近暗管的區(qū)段入滲強度空間差異也越大，但差異程度隨暗管間距的增大而逐漸趨于相同。

3）相同漫灌淋洗水量下，間距9 m的排水暗管上方0 cm處淋洗水分配量分別是間距6和3 m的排水暗管上方0 cm處淋洗水分配量的1.39倍和2.00倍，暗管間距越大，其附近區(qū)域分配的淋洗水量越多。

4）暗管排水下漫灌淋洗田面不同區(qū)域脫鹽效果差異明顯，漫灌淋洗20 d就能使間距9 m的排水暗管附近0～60 cm寬區(qū)段土層土壤含鹽量下降到3.00 g/kg以下，而需要漫灌淋洗100 d才能使距排水暗管最遠處（4.5 m）0～60 cm土層土壤含鹽量下降到3.00 g/kg以下。為了使暗管排水控制區(qū)域土壤都達到脫鹽目標，需延長淋洗時間，這將導致大部分淋洗水從暗管附近已改良區(qū)域流失，浪費大量的水資源。

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