余 揚 ，許偉健

（1.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團有限公司，江西 南昌，330029；2.江西潤澤工程咨詢有限公司，江西 南昌，330029；3.昆山市水務(wù)局，蘇州 昆山，215300）

0 引言

鹽堿地在全球廣泛分布，其面積約109hm2，我國鹽堿地面積約108hm2，約占世界鹽堿地面積的1/10[1，2]。在中國沿海地區(qū)因其特殊的地理位置與特定的自然環(huán)境，地下水位較淺、礦化度較高，加之蒸發(fā)量大、降雨少且年內(nèi)分配不均，導(dǎo)致大面積沿海地區(qū)形成鹽堿地，大面積鹽堿地的存在嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展[3，4]。

隨著對鹽堿地改良研究的逐步加深，暗管排水技術(shù)被提出并廣泛應(yīng)用到鹽堿地改良當(dāng)中。塔吉姑麗·達(dá)吾提等[5]以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師二團為研究區(qū)域，通過暗管排水試驗研究了暗管不同管徑和間距對農(nóng)田排水水質(zhì)的影響，并確定了暗管埋設(shè)間距600cm、管徑6cm時當(dāng)?shù)赝寥老贷}效果較好。竇旭等[6]探討了暗管排水條件下不同春灌定額對鹽漬化灌區(qū)土壤水鹽分布的影響，確定了灌水量應(yīng)在常規(guī)基礎(chǔ)上減少10%，并結(jié)合暗管排水技術(shù)是當(dāng)?shù)刈顬檫m宜的灌溉模式。莊旭東等[7]研究了內(nèi)蒙古河套灌區(qū)暗管排水條件下作物根系層水分通量和鹽分通量的變化，確定了適宜當(dāng)?shù)剞r(nóng)田排水的暗管規(guī)格為暗管埋深200cm、暗管間距4500cm。李顯溦等[8，9]為降低新疆地區(qū)鹽堿棉田根區(qū)土壤鹽分含量，利用HYDRUS軟件和田間試驗數(shù)據(jù)對所建立的數(shù)值模型和水鹽運移參數(shù)進行了校驗，并利用建立的數(shù)值模型和相關(guān)水鹽運移參數(shù)描述暗管排水、排鹽過程中的土壤水鹽動態(tài)。Karandish[10]等通過試驗數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和驗證了HYDRUS模型，并利用驗證后的模型確定了珠江三角洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在不同情況下的最佳灌水量。國內(nèi)外眾多學(xué)者對暗管技術(shù)應(yīng)用于鹽堿地治理做了大量研究，眾多研究表明在暗管布設(shè)下土壤鹽分淋洗后分布不均勻，水平距離距暗管越近的土壤剖面含鹽量越低，距離暗管一半間距的剖面是暗管控制區(qū)域排水和排鹽效果最差的剖面，因此為提高土壤整體的淋洗效果，使土壤層鹽分均勻降低，提出分區(qū)淋洗提升暗管排水條件下土壤淋洗的均勻性，并通過HYDRUS模擬軟件模擬了不同分區(qū)淋洗情況下的土壤水鹽運移，深入分析模擬結(jié)果，確定了分區(qū)淋洗下的最佳淋洗水量，為改善暗管排水條件下土壤淋洗的不均勻性提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 現(xiàn)場試驗

1.1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于江蘇省沿海重鹽堿地區(qū)內(nèi)，試驗區(qū)由濱海潮灘鹽土形成，土壤母質(zhì)含鹽量較高，土壤含有較多的貝殼侵入體，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土。

1.1.2 試驗簡介

試驗區(qū)總面積4 400cm×7 800cm，區(qū)域內(nèi)共設(shè)2個小區(qū)。每個小區(qū)布設(shè)7根排水暗管，暗管間距600cm，埋深120cm，坡降2‰，排水暗管采用管徑6cm的帶孔PVC波紋管。集水管采用管徑20cm的無孔PVC波紋管。滲透水流通過排水暗管收集后流入集水管，由集水管排至市政雨水管網(wǎng)。在暗管外圍鋪設(shè)一周碎石，防止暗管進水孔被土壤小顆粒堵塞。試驗區(qū)四周壘土墻高約15cm，防止淋洗水發(fā)生地表徑流。試驗區(qū)平面布置如圖1所示。

圖1 試驗區(qū)平面布置圖

淋洗水采用當(dāng)?shù)刈詠硭?，灌水端安裝流量計與閥門進行灌水量統(tǒng)計與控制。試驗期為2020年4月1日至4月21日，小區(qū)1與小區(qū)2灌水強度分別為3cm/d與4cm/d。

1.1.3 土壤取樣與物理參數(shù)確定

2020年4月1日進行第一次取樣，確定試驗初始條件，每個小區(qū)內(nèi)進行三個重復(fù)的隨機取樣。2020年4月21日進行第二次取樣，確定試驗結(jié)果，取樣點如圖1所示。取樣利用土鉆分5層進行，每層取樣厚度為20cm，總?cè)由疃?00cm。

土壤粒徑采用激光粒度分析儀（LS230型激光粒度儀，貝克曼庫爾特公司，美國）測定；土壤容重利用環(huán)刀法測定；土壤含鹽量由電導(dǎo)率法測得數(shù)據(jù)按照公式（1）計算獲得；土壤含水量采用烘干法測定。試驗區(qū)含水率和含鹽量初始值如表1所示，土壤物理參數(shù)如表2所示。

表1 試驗區(qū)初始含水率與含鹽量數(shù)據(jù)表

表2 試驗區(qū)土壤物理參數(shù)表

式中：Q為土壤含鹽量，g/kg；EC為土壤電導(dǎo)率，ms/cm。

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 土壤水分運動基本方程

以質(zhì)量守恒定律及達(dá)西定律為基礎(chǔ)，認(rèn)為土壤為二維各向同性介質(zhì)，且不考慮土壤中水分的滯后效應(yīng)、溫度及空氣對水分運動造成的影響，故土壤水分運動采用二維飽和-非飽和水流模型進行模擬。水流控制方程為二維 Richards方程[11，12]：

式中：x為橫向坐標(biāo)；z為垂向坐標(biāo)，規(guī)定z向下為正；θ為土壤含水率，cm3/cm3；φ 為基質(zhì)勢，cm；t為入滲時間，d；K（θ）為非飽和導(dǎo)水率，cm/d。

對于式（2）中的θ、φ與K（θ）的求解使用van Genuchten-Mualem方程[11，12]：

式中：θr為殘余含水率，cm3/cm3；θs為飽和含水率，cm3/cm3；α、n 和 m 為經(jīng)驗參數(shù)；m=1-1/n，n＞1；Ks為飽和導(dǎo)水率，cm/d；Se為有效飽和度。

1.2.2 土壤溶質(zhì)運移模型

溶質(zhì)運移采用標(biāo)準(zhǔn)對流彌散方程[11，12]：

式中：i，j為 x，z軸坐標(biāo)，C 為溶液濃度，g/cm3；Dij為水動力彌散系數(shù)，cm2/d；qi為水流流速，cm/d。

1.2.3 定解條件

土壤水分運動方程的初始條件：

式中：θ0（x，z）為土壤初始含水量分布，根據(jù)初始實測值設(shè)置。

土壤溶質(zhì)運移方程的初始條件：

式中，C0為土壤初始含鹽量，g/kg；z為土壤空間坐標(biāo)，取向下為正，根據(jù)初始實測值設(shè)置。

邊界條件：水分上邊界條件為定通量邊界；左右邊界正負(fù)通量近似相等，設(shè)為零通量邊界；暗管為滲出面邊界；在暗管排水作用下，距暗管150cm以下地下水流線近似水平，垂直通量可忽略，故下邊界設(shè)置為零通量邊界[13-15]。溶質(zhì)邊界條件與水分邊界條件相對應(yīng)，定通量邊界、滲出面邊界與零通量邊界處的溶質(zhì)邊界條件同為第三類溶質(zhì)邊界條件。

1.2.4 模型率定與驗證方法

土壤水力特性參數(shù)利用HYDRUS-2D中內(nèi)嵌工具根據(jù)土壤容重和粒徑分布推求。選取小區(qū)1的試驗數(shù)據(jù)用于模型的參數(shù)率定，選取小區(qū)2的試驗數(shù)據(jù)用于模型驗證，通過計算實測值與模擬值的均方根誤差（RMSE）、決定系數(shù)（R2）和納什效率系數(shù)（NSE）進行模型精度評價并確定模型最終參數(shù)值[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定及驗證結(jié)果

模擬采用二維模擬，模擬時間等于試驗時間。利用小區(qū)1試驗數(shù)據(jù)率定后的模型參數(shù)如表3所示。將率定后的參數(shù)用于小區(qū)2進行數(shù)值模擬，模型率定及驗證精度見圖2與圖3所示。

表3 模型參數(shù)

由圖2和圖3可知，土壤含鹽量R2為0.940 0～0.999 7，NSE 為 0.788 0～0.962 0，RMSE 為 0.034 7～1.165 6g/kg。可見，模型精度較高，模擬值與實測值較為吻合，因此運用數(shù)值模擬進行暗管布設(shè)下水鹽運移的模擬是可靠的。

圖2 3cm/d灌水強度各剖面土壤含鹽量

圖3 4cm/d灌水強度各剖面土壤含鹽量

2.2 模型應(yīng)用

2.2.1 分區(qū)淋洗參數(shù)選取

由圖5（a）可以看出同土層距離暗管越近的土壤剖面含鹽量越低，而距離暗管越遠(yuǎn)的土壤剖面含鹽量越高，并且土層越深含鹽量差距越大。為實現(xiàn)在暗管排水情況下同深度土壤鹽分的均勻降低，將上表面每隔100cm劃分為一個淋洗區(qū)域，同一淋洗區(qū)域淋洗灌水強度相同，分區(qū)情況見圖4所示。以總淋洗用水量一定的原則，將淋洗水量階梯式分布于上邊界，距離暗管越遠(yuǎn)的區(qū)域分配更多的淋洗水量，以每次淋洗的最終結(jié)果調(diào)整上邊界淋洗水量分配，共設(shè)定5種模擬情景，具體模擬情景與淋洗灌水強度對應(yīng)情況見表4所示。

圖4 分區(qū)淋洗區(qū)域劃分示意圖

表4 模擬情景與分區(qū)淋洗參數(shù)情況對照表 cm/d

2.2.2 分區(qū)淋洗對土壤鹽分分布的影響

運用驗證后的模型對表4中的模擬情景進行數(shù)值模擬。模擬淋洗 20 天，輸出 20、40、60、80、100cm 深度的土壤含鹽量結(jié)果見圖5所示。

由圖5（a）可以看出上邊界三個分區(qū)灌水量相同的情況下，深層土壤含鹽量距離暗管300cm位置遠(yuǎn)高于0cm 位置。由圖 5（b）、（c）、（d）、（e）可以看出通過調(diào)整上邊界淋洗水分分配可以很好的提高各土層鹽分淋洗的均勻性。深度越大的土層在暗管影響下其淋洗均勻性越差，因此選擇100cm深度土層探討分區(qū)淋洗對土壤鹽分分布的影響，圖5（a）中100cm土層淋洗后土壤含鹽量最高為5.60g/kg，最低為0.03g/kg，差值為5.57g/kg，圖5（b）中100cm土層淋洗后土壤含鹽量最高為3.03g/kg，最低為 0.43g/kg，差值為 2.60g/kg，圖 5（c）中100cm土層淋洗后土壤含鹽量最高為2.13g/kg，最低為0.83g/kg，差值為 1.3g/kg，圖 5（d）中 100cm 土層淋洗后土壤含鹽量最高為2.07g/kg，最低為1.13g/kg，其差值為0.94g/kg，圖5（e）中100cm土層淋洗后土壤含鹽量最高為2.03g/kg，最低為1.24g/kg，差值為 0.79g/kg，可以看出合適分區(qū)淋洗水量既可以降低同層土壤鹽分的最高值，也可以增加土壤鹽分的最低值，致使同層土壤鹽分變化區(qū)間縮小，極大的提升了土壤淋洗的均勻性，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)分區(qū)1水量降低至1cm/d時，100cm土層最大土壤含鹽量出現(xiàn)在了距離暗管最近的位置，表明當(dāng)距離暗管最近的小區(qū)水分分配過少也會導(dǎo)致土壤淋洗均勻性下降。

3 結(jié)論

（1）利用現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)驗證了HYDRUS-2D模型可以準(zhǔn)確的模擬暗管布設(shè)下土壤鹽分的變化情況，根據(jù)模型模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暗管排水條件下，未分區(qū)淋洗存在淋洗后土壤鹽分空間分布均勻性較差的問題。

（2）分區(qū)淋洗可以極大的提高暗管布設(shè)下土壤淋洗的均勻性，使土壤剖面的鹽分均勻下降，在5種模擬情景下，F(xiàn)4情景淋洗均勻性最好，100cm土層土壤鹽分最大與最小值之差最小，為0.79g/kg。實際運用時，建議參照F4分區(qū)淋洗情景進行灌水強度的確定。