代鋒剛，王曉燕,谷明旭，余婉露，連鵬達(dá)

(1. 河北地質(zhì)大學(xué)河北省水資源可持續(xù)利用與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050031； 2. 河北地質(zhì)大學(xué)河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新中心， 河北 石家莊 050031; 3. 河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心， 河北 石家莊 050031; 4. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051； 5. 河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊050021)

利用鹽堿地的治理改良來(lái)增加補(bǔ)充耕地資源，是國(guó)家從戰(zhàn)略高度堅(jiān)守耕地紅線和保障糧食安全的重大舉措之一[1].鹽堿地改良技術(shù)方法有物理、化學(xué)、生物、工程技術(shù)等，其中化學(xué)法見(jiàn)效快，但環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)大，成本高.物理法、生物法用客土、覆蓋等技術(shù)存在返鹽風(fēng)險(xiǎn).從鹽堿地的綜合整治方法、排鹽效果評(píng)價(jià)、投資成本、風(fēng)險(xiǎn)分析、推廣使用等方面比較，工程排水洗鹽是目前重要的水利措施之一.國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)鹽堿地治理改良進(jìn)行了研究，日趨成熟的暗管排水排鹽技術(shù)在鹽堿地治理改良中得到較為廣泛的應(yīng)用[2].國(guó)外在通過(guò)控制排水降低非點(diǎn)源污染[3]、控制排水智能設(shè)備、提高水資源利用效率等方面成果顯著[4].國(guó)內(nèi)學(xué)者鹽堿土治理改良方面，排水系統(tǒng)結(jié)合區(qū)域(新疆[5]、濱海地區(qū)[6]等)水文氣象、土壤類型、作物種類進(jìn)行綜合調(diào)控，為排水技術(shù)的推廣打好了一定的基礎(chǔ).其中水平井排水技術(shù)與排水溝、排水暗管、井灌井排等方法相比具有較大優(yōu)勢(shì)[7-8],其機(jī)理是灌溉與降水淋濾洗鹽作用，利用水平井能有效控制土壤毛細(xì)水上升高度和地下水位的臨界深度，避免改良的鹽堿土壤再次返鹽.

文中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬技術(shù)，建立飽和-非飽和土壤水Modflow-Hydrus耦合模型，對(duì)不同水文氣象環(huán)境下水平井的排水效果進(jìn)行分析，為濱海鹽堿地改良、排水工程設(shè)計(jì)提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在冀中平原河北省滄州市滄縣境內(nèi)典型鹽堿地區(qū)，為沖積平原向?yàn)I海平原過(guò)渡帶，地勢(shì)總體趨勢(shì)是由西南向東北微傾斜，海拔5～7 m，自然坡降約0.000 08.區(qū)內(nèi)多年平均降水量約600 mm，6—9月高水位期的降水量約占全年降水總量的78%，降水量年內(nèi)分布極為不均，年平均蒸發(fā)量971 mm.根據(jù)試驗(yàn)區(qū)鉆孔巖心編錄表，現(xiàn)場(chǎng)采集不同層土樣進(jìn)行顆粒分析、容重測(cè)試等室內(nèi)試驗(yàn)，獲得不同層土壤的容重ρ、孔隙度Φ及顆粒級(jí)配數(shù)據(jù)，試驗(yàn)區(qū)土壤物理參數(shù)見(jiàn)表1，表中d為土層深度，θ為粒組含量.

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理參數(shù)Tab.1 Soil physical parameters in test area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖(單位：m)Fig.1 Schematic diagram of test design(unit: m)

試驗(yàn)區(qū)為300 m×200 m的矩形場(chǎng)地，東西設(shè)有2條排水溝，距離280 m,其中間設(shè)有3條水平井，間距110 m,水平井布設(shè)與排水溝平行，水平井井管和濾水管長(zhǎng)度分別為180 m和100 m，內(nèi)徑210 mm，地下埋深9m，所在位置為承壓含水層，區(qū)內(nèi)有東西2條排水溝，3眼監(jiān)測(cè)孔和3條水平井分別位于中間.

1.3 土壤水分參數(shù)測(cè)定

1) 顆粒分析

顆粒分析是指測(cè)定田間土壤中不同粒徑顆粒質(zhì)量與該土總質(zhì)量的百分比.野外土樣采集并編號(hào)封存，進(jìn)行土壤顆粒分析，粒徑小于0.075 mm時(shí)采用密度計(jì)法，粒徑大于0.075 mm時(shí)采用篩分法，兩者相結(jié)合，土樣定名主要依據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范和巖土工程勘察規(guī)范.

2) 土壤容重

環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，即根據(jù)環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值計(jì)算所測(cè)土壤含水率，由于實(shí)測(cè)值具有一定精度，因此作為典型參考值用于率定巖土水分特征參數(shù).

3) 水文地質(zhì)參數(shù)

利用單孔抽水試驗(yàn)來(lái)獲取試驗(yàn)區(qū)含水層的導(dǎo)水系數(shù)和釋水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù).本次抽水試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)含水層為承壓含水層，巖性以粉砂為主，地下水埋深8～30 m.抽水孔井型結(jié)構(gòu)為完整井，埋深8～30 m為濾水管,其余為不透水管.本次選用Diver水位監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)頻次高，數(shù)據(jù)密度大，用于觀察記錄地下水位的動(dòng)態(tài)變化，記錄頻次為1次/min.抽到4 h基本穩(wěn)定，繼續(xù)穩(wěn)定16 h后停抽并開(kāi)始水位恢復(fù)，得到可靠的觀測(cè)資料，利用水位恢復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推求參數(shù).

2 Modflow-Hydrus耦合模型

2.1 Modflow-Hydrus耦合模型簡(jiǎn)介

Hydrus模型通常僅局限于小范圍包氣帶土壤水計(jì)算問(wèn)題，不建議用于大區(qū)域范圍地下水計(jì)算問(wèn)題.雖然模擬軟件Modflow在區(qū)域尺度地下水計(jì)算方面具有優(yōu)越性，但是由于潛水面不斷變化，Modflow處理其邊界條件不夠準(zhǔn)確，如果直接利用Modflow計(jì)算分析地下水淺埋區(qū)的水文地質(zhì)問(wèn)題，那么會(huì)產(chǎn)生較大的誤差.故采用Modflow-Hydrus耦合模型，各取所長(zhǎng)，彌補(bǔ)兩者不足.首先，對(duì)Hydrus模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定綜合補(bǔ)給強(qiáng)度-埋深分段函數(shù).其次，估算試驗(yàn)區(qū)不同時(shí)段不同區(qū)域的綜合補(bǔ)給強(qiáng)度.最后，用BASIC語(yǔ)言將其編成Modflow軟件面狀補(bǔ)給包的數(shù)據(jù)文件格式Rch.dat，導(dǎo)入Modflow軟件進(jìn)行計(jì)算地下水位埋深等值線，重復(fù)利用綜合補(bǔ)給強(qiáng)度-埋深函數(shù)計(jì)算地下水補(bǔ)給強(qiáng)度，直到模型收斂.計(jì)算得到rch1.dat和rch0.dat分別乘以一個(gè)權(quán)重系數(shù)，得到新源數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Modflow進(jìn)行模擬計(jì)算，能夠加快收斂速度.通過(guò)重復(fù)迭代計(jì)算，Modflow-Hydrus耦合模型體現(xiàn)Hydrus在描述降水入滲-潛水蒸發(fā)自適應(yīng)源匯項(xiàng)時(shí)的高精度及Modflow具備大區(qū)域地下水流計(jì)算問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低了地下水變?cè)磪R項(xiàng)確定的難度.

Modflow(2005)UZF1是 Visual Modflow三維地下水模擬軟件系統(tǒng)中新增模塊，其中地下水補(bǔ)給過(guò)程和蒸散發(fā)模塊可以用于模擬非飽和帶土壤水運(yùn)動(dòng)問(wèn)題.UZF1模塊替換了傳統(tǒng)Modflow中蒸發(fā)蒸騰模塊和面狀補(bǔ)給模塊.UZF1模塊采用非飽和帶土壤的入滲速率，并不是飽和滲透系數(shù)，飽和滲透系數(shù)與入滲速率緊密相關(guān).UZF1模塊與蒸發(fā)蒸騰模塊不同，UZF1模塊中蒸散發(fā)量計(jì)算時(shí)，起初考慮計(jì)算蒸散發(fā)極限埋深上部的包氣帶，忽略地下水極限埋深，如果水量計(jì)算不能滿足蒸散發(fā)量，直接從地下水中扣除.另外，UZF1模塊與蒸散發(fā)模塊，如果水位高于地面，地下水直接流向地表.UZF模塊與傳統(tǒng)Visual Modflow相比，在面狀補(bǔ)給的處理方面，能更精細(xì)地刻畫(huà)非飽和帶水文運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但是UZF模塊僅考慮了重力勢(shì)而忽略了毛管勢(shì)，因此對(duì)非飽和帶土壤水分運(yùn)移過(guò)程的呈現(xiàn)與實(shí)際還存在偏差.

與兩者相比，Modflow-Hydrus耦合模型能實(shí)時(shí)計(jì)算包氣帶和飽水帶的水分交換量，降水入滲或灌溉入滲補(bǔ)給量、潛水蒸發(fā)量具有自適應(yīng)性，因此耦合模型提高了非飽和帶和飽和帶上邊界源匯項(xiàng)的計(jì)算精度，增加了數(shù)值模擬的仿真度[9].

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)情況，將整個(gè)入滲過(guò)程概化為以水頭為變量一維變飽和帶水分運(yùn)移問(wèn)題，其數(shù)學(xué)模型可以用Richards方程[10]描述，即

(1)

式中：h為壓力水頭，cm，非飽和帶內(nèi)為負(fù)值，飽和帶內(nèi)為正值；K為非飽和帶水力傳導(dǎo)度，cm/d，隨含水率變化；C為容水度，cm-1，相當(dāng)于飽和含水層的儲(chǔ)水率；s為源匯項(xiàng)，cm/d.

初始條件和邊界條件為

(2)

式中：h0為模型剖面初始水位，cm；上邊界條件為面狀補(bǔ)給或排泄，包括大氣降水、潛水蒸發(fā)、灌溉排水等，qs為地表土壤水流量,cm/d；下邊界條件為地下水潛水面，d為地下水位埋深，m.

Hydrus模型剖面包括整個(gè)非飽和帶范圍，模擬計(jì)算不同埋深非飽和帶水分運(yùn)移.地面以下30 m為剖面模型范圍，模型以5種不同巖性概化為5層，模型垂向按2 cm間距進(jìn)行剖分.

模擬應(yīng)力期設(shè)為10a(3 600d)，采用變化的時(shí)間步長(zhǎng)，軟件根據(jù)數(shù)值解收斂迭代次數(shù)自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng).設(shè)初始時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 d，步長(zhǎng)區(qū)間設(shè)為0.000 1 d～0.200 0 d.

據(jù)試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)條件，地表以下30m內(nèi)含水層概化為2層.上層厚度約4 m，巖性以粉土為主，夾薄層粉黏、粉砂層，概化為潛水含水層；中間夾層為埋深5～8 m黏土，視為弱透水層；下層厚度22 m，巖性為粉砂，概化為承壓含水層；底部為黏土層，構(gòu)成相對(duì)隔水底板.模型的范圍以試驗(yàn)區(qū)為中心向四周外擴(kuò)大1.2 km，通過(guò)模型試算，在5 m抽水降深時(shí)，3個(gè)水平井水位降幅小于1 cm，忽略不計(jì)，視為無(wú)窮遠(yuǎn)邊界，其余邊界均定為隔水邊界.源匯項(xiàng)根據(jù)試驗(yàn)區(qū)水文氣象環(huán)境設(shè)定.根據(jù)上述水文地質(zhì)條件，計(jì)算區(qū)地下水?dāng)?shù)學(xué)模型可描述為潛水含水層地下水微分方程和下部承壓含水層地下水流微分方程，即

(3)

(4)

上述式中：H1為潛水水位，m；H2為承壓水水位，m；T1為潛水含水層導(dǎo)水系數(shù),m2/d；T2為承壓水含水層導(dǎo)水系數(shù),m2/d；μ為潛水給水度；μ*為承壓水彈性釋水系數(shù)；Г1，Г2為潛水與承壓水含水層邊界；Q為承壓水開(kāi)采量，m3/d；σ′為潛水與承壓水之間的垂向越流系數(shù)，d-1；w為源匯項(xiàng)，降水-氣象環(huán)境及灌溉環(huán)境下的綜合補(bǔ)給強(qiáng)度,m/d.采用Visual Modflow系統(tǒng)對(duì)水平井工程排水效果進(jìn)行分析模擬，有效計(jì)算范圍為矩形，長(zhǎng)為2 650 m，寬為2 500 m，均勻剖分網(wǎng)格，分別用50 m×50 m方格空間離散，試驗(yàn)區(qū)采用加密剖分，間距10 m，其鄰近部分用25 m格距過(guò)渡.

2.3 土壤水分特征參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，分析確定土壤水分參數(shù)，包括飽和滲透系數(shù)、顆粒分析、干容重、孔隙度.利用SSCBD模型可以對(duì)水分特征參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)根據(jù)各層土壤的粒組含量和容重確定土壤的水分特征參數(shù)(田間持水率θr，飽和持水率θs)，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及野外試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正.結(jié)合土壤水分參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，構(gòu)建了土壤水分參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)(見(jiàn)表2).

表2 土壤水分特征參數(shù)Tab.2 Soil moisture characteristic parameters

對(duì)耦合模型進(jìn)行識(shí)別和檢驗(yàn)，計(jì)算地下水位等值線與實(shí)際觀測(cè)地下水等值線的年內(nèi)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，用地下水位的擬合均方差小于允許誤差作為數(shù)值解收斂的判別標(biāo)準(zhǔn).地下水流場(chǎng)擬合精度以模擬區(qū)地下水最高水位和最低水位差作為參照，擬合誤差δ≤10%，水位模擬動(dòng)態(tài)和實(shí)際動(dòng)態(tài)基本相似，水位變幅誤差Δ≤10%，因此模型基本可靠.

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬情景設(shè)置

試驗(yàn)區(qū)設(shè)置2種情景進(jìn)行模擬，天然氣象情景和典型灌溉情景，不同情景分持續(xù)排水和斷續(xù)排水，根據(jù)不同年排水量(Ma)、不同工程管理方式等條件分析水平井有效控制范圍(單水平井A1為SA1，多井并排A2為SA2)和水平井排水效果.

天然氣象情景下，水平排水井的排水強(qiáng)度設(shè)為0.40、持續(xù)排水0.30、斷續(xù)排水0.75，單位為m3/(d·m).不同排水強(qiáng)度的單井控制范圍各異，水平井兩側(cè)地下水位降幅大于2 m(見(jiàn)表3)，說(shuō)明天然氣象環(huán)境下，不同的年排水量單排水井的控制范圍不同，單井控制范圍和年排水量呈正相關(guān)，對(duì)比持續(xù)排水，斷續(xù)排水的控制范圍顯著減小，本次模擬的排水制度設(shè)定為每年3月、5月、10月進(jìn)行排水.

典型灌溉情景下，水平排水井排水強(qiáng)度設(shè)為0.54、持續(xù)排水0.45、斷續(xù)排水0.90，單位為m3/(d·m).不同排水強(qiáng)度情況下單井控制范圍不同，水平井兩側(cè)地下水位降幅達(dá)2 m以上(見(jiàn)表3)，對(duì)比天然氣象環(huán)境，單排水平井控制范圍呈減小趨勢(shì).因此，不同的灌溉排水制度、田間工程排水方式、天然氣象環(huán)境等對(duì)單水平排水井的控制范圍均有影響，本次分別模擬以上不同情景水平井排水效果和地下水位等值線.

表3 各種環(huán)境下不同年排水量單井控制范圍Tab.3 Single well control range of displacement in various environments

3.2 持續(xù)排水條件下模擬分析

持續(xù)排水條件下，對(duì)天然氣象條件、典型灌溉的排水過(guò)程分別進(jìn)行模擬分析，天然氣象情景和典型灌溉條件下，預(yù)測(cè)分析試驗(yàn)區(qū)水位疏干至穩(wěn)定后地下水位變化過(guò)程，計(jì)算平水期地下水位埋深等值線，如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)區(qū)持續(xù)排水潛水埋深等值線Fig.2 Continuous drainage diving buried depth equivalent line in test area

圖2a表明在排水強(qiáng)度為0.3 m3/(d·m)持續(xù)排水條件下，3個(gè)月后在排水井周圍300 m以內(nèi)，潛水含水層地下水位埋深有所增加，從現(xiàn)狀1.25 m增至2.00 m以上，區(qū)內(nèi)土壤水鹽狀況改善明顯.在第3—4年，抽水基本達(dá)穩(wěn)定時(shí)，從圖2b和觀測(cè)孔數(shù)據(jù)看出，排水強(qiáng)度為0.4 m3/(d·m)時(shí)，排水井周圍400 m處平均水位降至0.75 m，即地下水位平均埋深達(dá)2.00 m以上，可以明顯改善土壤水鹽狀況，單井有效控制范圍大于800 m；排水溝兩側(cè)500 m處地下水水位從初始值降至0.45 m.

由流場(chǎng)疊加原理可知，若平行布置排水的水平井，水位降深疊加后大于0.8 m，水平排水井兩側(cè)有效控制范圍相對(duì)較大，單井有效控制的范圍可達(dá)到1 000 m.試驗(yàn)區(qū)的控制范圍可以延伸外圍300 m，由此可推算，1眼排水水平井就可以基本滿足鹽漬化改良的要求.由模擬計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^小時(shí)，降水季節(jié)變化嚴(yán)重影響降水入滲補(bǔ)給量；當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^大時(shí)，隨包氣帶厚度增加，降水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度與降水季節(jié)密切相關(guān)，補(bǔ)給量峰值稍有延遲和滯后；當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^大時(shí)，在包括豐平枯的水文年內(nèi)大氣降水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度大小和時(shí)間弱相關(guān)，年降水量平均分配在各個(gè)不同時(shí)間段.地下水位埋深較小時(shí)，包氣帶厚度較小，季節(jié)變化對(duì)地下水綜合補(bǔ)給強(qiáng)度影響明顯，若地下水位埋深達(dá)6 m以上，各季節(jié)時(shí)段地下水綜合補(bǔ)給強(qiáng)度基本達(dá)到極值.即可認(rèn)為當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^大時(shí)，通過(guò)厚層非飽和帶降水入滲補(bǔ)給基本穩(wěn)定，因此研究地下水流問(wèn)題時(shí)常用入滲系數(shù)概化降水入滲過(guò)程.天然氣象情景和典型灌溉情景2種環(huán)境下，在持續(xù)排水時(shí)試驗(yàn)區(qū)潛水位大幅度下降，形成以試驗(yàn)區(qū)為中心的地下水位降落疊加漏斗，明顯疏干了潛水含水層，可以明顯改善鹽堿地的水文地質(zhì)條件.持續(xù)排水條件下，水平排水井排水效果比較明顯，有效控制范圍比較大，但是田間工程管理不利于操作，建議鹽堿土水利工程改良實(shí)踐采用斷續(xù)排水方式為宜.

3.3 斷續(xù)排水條件下模擬分析

考慮田間灌排工程管理操控方便，針對(duì)天然氣象條件、典型灌溉情景、斷續(xù)排水過(guò)程分別進(jìn)行模擬計(jì)算.在斷續(xù)排水條件下，天然氣象條件下和典型灌溉情景下，排水期間水平井有效控制范圍內(nèi)，潛水含水層地下水位下降明顯，以試驗(yàn)區(qū)為中心形成地下水位降落漏斗.天然氣象情景下，斷續(xù)排水條件下，3個(gè)水平排水井不同排水時(shí)段計(jì)算的潛水位埋深等值線及承壓水位埋深等值線，如圖3所示，藍(lán)色細(xì)虛線表示初始平均地下水位埋深線和排水疏干后潛水含水層地下水位埋深線，藍(lán)色細(xì)實(shí)線表示承壓含水層地下水位埋深線.

圖3 試驗(yàn)區(qū)斷續(xù)排水條件下不同排水期地下水水位埋深曲線Fig.3 Buried depth of groundwater level in different drainage periods under intermittent drainage conditions in the test area

圖3表明第1年3月地下水位下降最大值為5.47 m，5月增至5.87 m，第2年5月增至5.92 m，天然條件下的排水時(shí)段，潛水含水層疏干效果明顯，水文地質(zhì)條件有利于鹽堿土改良.統(tǒng)籌考慮水文氣象情景及典型灌溉條件，探索田間水平井的科學(xué)合理排水模式，尤其是在蒸發(fā)強(qiáng)烈季節(jié)和容易返鹽時(shí)段，有效控制潛水含水層地下水位，試驗(yàn)區(qū)因地下水位埋深小而導(dǎo)致返鹽的現(xiàn)象可以減少.根據(jù)區(qū)域內(nèi)主要農(nóng)作物灌溉季節(jié)和返鹽時(shí)段，設(shè)定每年排水時(shí)段為3月、5月、10月，其余月份不排水，通過(guò)模擬計(jì)算得到，疏干穩(wěn)定后天然氣象情景條件下，水平井排水強(qiáng)度為1.0 m3/(d·m)地下水位埋深等值線如圖2c所示，典型灌溉條件下，排水強(qiáng)度為1.2 m3/(d·m)地下水位埋深等值線如圖2d所示.天然情景下斷續(xù)排水情況下，不同排水時(shí)段潛水含水層地下水位埋深等值線和承壓含水層地下水位埋深等值線如圖2c，2d所示，單水平井有效控制周圍400 m范圍，斷續(xù)排水時(shí)段潛水含水層地下水位下降幅度較大，疏干效果顯著.

天然氣象環(huán)境下，在水平井排水前，人為干擾較少，試驗(yàn)區(qū)潛水蒸發(fā)和大氣降水入滲補(bǔ)給影響不明顯，數(shù)值基本相等，因此選擇潛水蒸發(fā)量和降水入滲補(bǔ)給量作為指標(biāo)量，在試驗(yàn)區(qū)排水水平井?dāng)嗬m(xù)排水后，劃分不同區(qū)域?qū)撍舭l(fā)量與降水入滲補(bǔ)給量比值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)排水影響分區(qū)，如圖4所示.

圖4 試驗(yàn)區(qū)斷續(xù)排水影響分區(qū)圖Fig.4 Zone of intermittent drainage effect in test area

試驗(yàn)區(qū)排水后地下水位下降，影響毛細(xì)水上升高度，減小潛水蒸發(fā)量約占大氣降水入滲補(bǔ)給量10%，改變土壤包氣帶水分運(yùn)動(dòng)形式，有效改善土壤的水鹽狀況；強(qiáng)烈影響區(qū)，地下水位下降幅度大，潛水蒸發(fā)占大氣降水入滲補(bǔ)給量30%左右，其影響范圍大小為4倍試驗(yàn)區(qū)面積；明顯影響區(qū)，包氣帶土壤水毛細(xì)水上升高度受影響，因?yàn)槠渑c潛水面有密切水力聯(lián)系，隨潛水面改變而變化，潛水蒸發(fā)量約占大氣降水入滲補(bǔ)給量50%，其影響范圍大小為3倍試驗(yàn)區(qū)面積.由此可推測(cè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行斷續(xù)排水，以試驗(yàn)區(qū)為中心，面積為8倍試驗(yàn)區(qū)范圍利于鹽堿土改良的水文地質(zhì)條件均可以得到有效改善，使非飽和帶水分總體向下運(yùn)移，淺部潛水含水層水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，甚至小于臨界水位，有效控制毛細(xì)水上升高度，避免土壤返鹽.

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)野外和室內(nèi)試驗(yàn)確定土壤水分特征參數(shù)，利用Hydrus軟件建立試驗(yàn)區(qū)飽和-非飽和帶土壤水分運(yùn)移剖面數(shù)值模型.對(duì)試驗(yàn)區(qū)局部范圍土壤水分運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行分析，考慮試驗(yàn)區(qū)地層巖性、氣象水文、灌溉排水條件，分析確定了不同時(shí)段地下水綜合補(bǔ)給強(qiáng)度-埋深分段函數(shù)，可以借鑒到大區(qū)域鹽漬土水利工程改良效果評(píng)價(jià)和大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)確定的研究.

2) 利用Modflow-Hydrus耦合模型分析不同情景下試驗(yàn)區(qū)水平井的地下水位控制范圍及排水效果，在天然氣象環(huán)境持續(xù)排水條件下，單個(gè)水平井能夠控制800 m范圍，斷續(xù)排水條件下，單個(gè)水平井能夠控制200 m范圍；在典型灌溉持續(xù)排水條件下，單個(gè)水平井能夠控制500 m范圍，斷續(xù)排水條件下，單個(gè)水平井能夠控制100 m范圍.平行布置水平井時(shí)，每條水平排水井的控制范圍會(huì)疊加增大.單個(gè)水平井的控制范圍影響因素較多，控制范圍與水平井的年抽水強(qiáng)度大小呈正相關(guān).

3) 水平井適宜滲透性小的土層結(jié)構(gòu)，且排水效果明顯.水平井具有一定埋深，大強(qiáng)度排水時(shí)地下水調(diào)節(jié)空間較大，水平井濾水管和土壤含水層充分接觸，增加匯水面積，同時(shí)排水量可以用作鹽堿土改良淋濾洗鹽的補(bǔ)充水源.因此淺層水平排水井用于鹽堿土水利工程改良具有較好的應(yīng)用前景.