涂 超，戴 瑋

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130021；2.中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100044)

鹽堿土是一系列受土體中鹽堿成分影響的各類土壤統(tǒng)稱，包括鹽土、堿土以及其它各種不同程度的鹽化土和堿化土。土地鹽堿化現(xiàn)象常發(fā)生于干旱或半干旱區(qū)域，全球范圍內(nèi)，受鹽堿化影響的土地面積大約為9.5億hm2，分布在各大洲100多個國家[1]。中國是土壤鹽堿化較為嚴重的國家之一，鹽堿土主要分布在東北、華北及西北內(nèi)陸地區(qū)，以及一些沿海平原地區(qū)，總面積大約有1億hm2[2]。鹽堿化嚴重的情況下會導(dǎo)致土地減產(chǎn)和草皮退化等現(xiàn)象。

鹽分運移為水流運移伴隨過程，即“鹽隨水來，鹽隨水走”的原理，以水利工程為措施，通過在目標區(qū)域建立完善的灌溉系統(tǒng)、排水系統(tǒng)及調(diào)度管理系統(tǒng)，實現(xiàn)利用水利工程對地表-地下水聯(lián)合調(diào)度，進而實現(xiàn)對土壤鹽分含量的控制?？煞譃椋汗嗨贷}、排水脫鹽和蓄水壓鹽等技術(shù)。研究證明，通過水利工程來治理土地鹽堿化的方式是可行的，但由于水利工程措施投入成本較大，如果設(shè)計結(jié)果不能滿足預(yù)期效用，則會造成巨大的浪費，故在設(shè)計過程中需要通過模型模擬的手段對設(shè)計水利工程設(shè)施地表-地下水聯(lián)合調(diào)度效果進行模擬論證，以保證所設(shè)計水力工程設(shè)施能滿足需求，避免發(fā)生不必要的投資浪費。

1 水利工程措施

1.1 灌水洗鹽

灌水洗鹽為通過利用鹽分隨水流運移原理，通過灌溉一定水量，將土壤中的鹽分排到淺層地下水中，從而達到降低土壤鹽分含量的目的。如果設(shè)計得當(dāng)，在灌溉過程中，要注意合理的灌溉方式，如果采用大水漫灌則很有可能會造成地下水位上升，將地下水中的鹽分帶入土壤，如果沒有設(shè)置合理的排水設(shè)置，反而存在加重土地鹽堿化的可能。

1.2 排水脫鹽

排水脫鹽分為水平排水和垂直排水兩類，水平排水為通過排水溝或暗管排水，垂直排水為通過豎井排水。排水溝排水是通過在田間布設(shè)具有一定深度的溝渠，借助溝渠排水過程來實現(xiàn)脫鹽的方式，既可排地表水，也可排地下水，一般布設(shè)明渠排水溝深度為1.5m左右。本方法占用土地空間較大，且易發(fā)生淤堵及塌方的現(xiàn)象，需要定期清理及維護，工程管理成本較高。暗管排水較為常用，該方法通過將降雨及灌溉水匯入布設(shè)于地下帶空隙的管道直接排走，從而實現(xiàn)脫鹽的目的。排水暗管一般布設(shè)深度為1.5～2.5m之間，具體數(shù)值需依據(jù)項目區(qū)域地下水位臨界埋深確定。豎井排水為利用豎井匯集雨水、灌溉水及礦化地下水，再利用機械抽水，進而實現(xiàn)排水脫鹽的目的。該方法成本低、占地空間小，水量大，便于靈活控制地下水位。

1.3 蓄水壓鹽

蓄水壓鹽為在鹽堿地上攔蓄淡水，通過淋洗壓鹽。通常采用在地表修建蓄水池或水庫的方式，在地表保持一定深度的靜止水體，借助土壤入滲過程將土壤中的鹽分排入地下水，同時，地表保持一定深度靜止水頭還可以借助水體重力對土壤鹽分起到壓制作用，改變土壤中垂向鹽分分布。與排水脫鹽相比，該方法可減小工程量，避免了由于排出水體所含鹽分較高，會加重下游區(qū)域鹽堿化的問題。

2 水動力學(xué)模擬模型

模擬模型得到了長足發(fā)展。通過水利工程措施改良土壤鹽堿化時涉及以下過程，渠系輸配水過程、地面灌溉過程、排水溝/排水井蓄水排水過程、土壤入滲過程和水池/水庫蓄水過程等。采用淡水灌溉時，分別對應(yīng)水動力學(xué)模擬模型為一維渠系輸配水水動力學(xué)模擬模型、二維地表水流運動水動力學(xué)模擬模型和土壤水鹽運移水動力學(xué)模擬模型，采用微咸水進行灌溉時，分別對應(yīng)二維地表水鹽運移水動力學(xué)模擬模型和土壤水鹽運移水動力學(xué)模擬模型。

2.1 一維渠系輸配水水動力學(xué)模擬模型

常采用Saint-Venant equations來描述一維渠系水流運動，Saint-Venant equations由連續(xù)方程和運動方程組成：

連續(xù)方程

(1)

運動方程

(2)

式中，t—時間，s，s—沿水流運動方向距離，m；h—水深；m，v—斷面平均流速，m/s；A—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q—斷面流量，m3/s，i—水力坡度；g—重力加速度，m/s；Jf—摩擦力作用下的能量損失比降。

2.2 二維地表水流運動水動力學(xué)模擬模型

采用二維擴散波方程模擬二維地表水流運動：

(3)

式中，H—水流自由表面高程，m；H=h+z0，h—水深，m；z0—地面高程，m；t—時間，s；x—水流運動方向距離，m；y—水平面上，垂直于水流運動方向距離，m；i—源匯項；Dw—水流擴散系數(shù)，m2/s。

(4)

式中，n—曼寧糙率系數(shù)，s/m-1/3，其余各參數(shù)含義同上。

2.3 二維地表水鹽運動水動力學(xué)模擬模型

二維擴散波方程常用于描述二維水鹽運動：

(5)

式中，φ—溶質(zhì)量，g/m2；φ=hc；h—水深，m；c—溶質(zhì)濃度，g/m3；D—溶質(zhì)擴散系數(shù)，m2/s，；ic為源匯項。

(6)

式中，Dl—溶質(zhì)擴散度，m；u—x方向水流速度分量，m/s；v—y方向水流速度分量，m/s。

2.4 土壤溶質(zhì)運移水動力學(xué)模擬模型

將土體試為均值且各項同性，通過一維對流-彌散方程來描述：

(7)

式中，各參數(shù)意義同上。

不同的水動力學(xué)模擬模型對應(yīng)不同的水流運動過程，描述上節(jié)所述不同的水利工程措施時，需要組合不同的水動力學(xué)模擬模型。

3 不同水利工程措施水動力學(xué)模擬模型

因為水流運動過程的復(fù)雜性，在驗證不同水利工程措施是否能達到預(yù)期效果時，需要組合不同的水動力學(xué)模擬模型，依據(jù)各水力學(xué)過程先后順序，依次求解各模型，將上一模型結(jié)果作為下一模型輸入項，以此來建立不同水利工程措施水動力學(xué)模擬模型。

3.1 灌水洗鹽

該方法與傳統(tǒng)的地面灌溉方法相類似，涉及過程為渠系輸配水、地表水流及土壤入滲，對應(yīng)水動力學(xué)模擬模型為一維渠系輸配水模型、二維地表水流水動力學(xué)模擬模型和土壤溶質(zhì)運移水動力學(xué)模擬模型。最主要過程為地表水流運動模擬及土壤溶質(zhì)運移模擬，如圖1所示。

圖1 灌水洗鹽措施模擬過程

在采該水利工程措施時，需控制灌溉水量，通過水動力學(xué)模擬模型提供最合理的灌溉方式，以防止大水滿灌引起的地下水位上升，將淺層地下水中的鹽分帶入土壤，反而加重土地鹽堿化。

3.2 排水脫鹽

與灌水洗鹽想比，排水脫鹽多了通過垂向和水平向排水來排出鹽分的過程，涉及過程為渠系輸配水、地表水流、土壤入滲及排水溝排水，對應(yīng)水動力學(xué)模擬模型為一維渠系輸配水模型、二維地表水流水動力學(xué)模擬模型和土壤溶質(zhì)運移水動力學(xué)模擬模型。最主要過程為土壤溶質(zhì)運移模擬及排水溝排水模擬，如圖2所示。

圖2 排水脫鹽措施模擬過程

排水脫鹽關(guān)鍵在與模擬土壤中鹽分隨土壤水運動匯集到豎井或排水溝中的過程，且為了保證排鹽效果，應(yīng)盡可能防止排水溝淤積，可通過建立水動力學(xué)模擬模型來模擬鹽分隨土壤水運動過程及論證排水溝發(fā)生淤積的可能性，通過模擬來尋找排鹽效果好及排水溝淤積可能性小的調(diào)度運行方案，以發(fā)揮水利工程措施最大效果，提高鹽堿地改善效率。

3.3 蓄水壓鹽

蓄水壓鹽類似于水庫蓄水及入滲過程，涉及過程為渠系輸配水、地表水流及土壤入滲等過程，對應(yīng)水動力學(xué)模擬模型為一維渠系輸配水模型、二維地表水流水動力學(xué)模擬模型和土壤溶質(zhì)運移水動力學(xué)模擬模型，如圖3所示。最主要過程為土壤溶質(zhì)運移過程。蓄水壓鹽的關(guān)鍵在于地表靜止水體面積及高度。

圖3 蓄水壓鹽措施模擬過程

運用建立的水動力學(xué)模擬模型可對所選水利工程運行效果進行驗證，亦可通過水動力學(xué)模擬模型來獲取最優(yōu)調(diào)度運行方案。

4 結(jié)語

水動力學(xué)模擬模型與水利工程措施相結(jié)合，在流域及城市防洪、水庫調(diào)度、灌溉水資源優(yōu)化配置和精細地面灌溉等方面已有廣泛應(yīng)用，通過模型模擬能更好地發(fā)揮水利工程措施效用。水動力學(xué)模型模擬與水利工程措施相結(jié)合，改良土地鹽堿化的方法在實際應(yīng)用中較少。隨著水動力學(xué)模型的不斷發(fā)展以及計算機計算效率的不斷增強，可實現(xiàn)通過水動力學(xué)模擬模型模擬及優(yōu)化水利工程措施運行效果，以最大化的發(fā)揮水利工程措施潛力，實現(xiàn)改良土地鹽堿化目的。

在以后的工作中應(yīng)積極探索水動力學(xué)模擬模型在土地鹽堿化改良中的應(yīng)用，通過工程實力來驗證模型模擬效果。促進模擬模型的不斷完善，提高模型模擬精度及效率，以確保模擬模型能更好的與工程實際相結(jié)合。