李彥鑫 ,徐麗 ,齊菲 ,高會 ,于淑會 ,付同剛** ,劉金銅**

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點實驗室 石家莊 050022;2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049;3.河北地質(zhì)大學(xué) 石家莊 050031)

河北濱海鹽漬區(qū)農(nóng)田是我國中低產(chǎn)農(nóng)田的典型代表。該地區(qū)降水的年際變率大、季節(jié)分配不均,洪澇災(zāi)害與次生鹽漬化,土壤鹽漬貧瘠和淡水資源短缺是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要限制因素。暗管排水排鹽技術(shù)遵循“鹽隨水來,鹽隨水去”的水鹽運移規(guī)律,通過埋設(shè)暗管影響地下水滲流場,改變土壤水鹽運移速率和方向,進行排水、排鹽和排澇,達到改良鹽堿地的目的。該措施在鹽堿地改良上已得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

國外針對濱海暗管排水已有較多研究進展,包括濱海鹽漬土形成原因,濱海鹽漬土?xí)r空分布和濱海鹽漬土水鹽運移過程研究[3-7]。我國對濱海農(nóng)田暗管排水技術(shù)推廣應(yīng)用時間較晚,20 世紀80 年代才逐步開始相關(guān)研究。先后在山東省打漁張灌區(qū)[8]、廣東省臺山縣濱海咸酸稻田[9]、遼寧省盤錦地區(qū)輕度鹽漬化水稻田[10]、上海市五四農(nóng)場沿海灘涂墾區(qū)[11]、天津市濱海新區(qū)鹽堿土[12]開展了暗管改良濱海鹽漬土的相關(guān)研究,積累了大量的實踐經(jīng)驗。劉慧濤等[13]在河北省南大港農(nóng)場開展暗管排水條件下土壤水鹽變化的田間試驗,研究表明埋設(shè)暗管有效抑制濱海農(nóng)田返鹽現(xiàn)象,并且較明溝排水在雨季能更好地緩解澇漬災(zāi)害,對于河北濱海鹽堿區(qū)具有較好的適用性。

然而,基于實際場地的試驗通常需要耗費大量的人力物力,試驗周期長,數(shù)據(jù)差異性大,研究結(jié)果也主要針對當(dāng)?shù)氐耐寥拉h(huán)境,所以缺乏普遍適用性。此外,由于暗管本身具有布局的參數(shù)多、環(huán)境依賴大的特點,在進行室外試驗時,很難針對性地對這些影響因素進行系統(tǒng)定量試驗。因此,有必要通過建立數(shù)值模型,系統(tǒng)地研究暗管排水下的水鹽運移過程,有針對性地調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù),從而優(yōu)化暗管布局,制定更為合理的灌排措施。

國內(nèi)外已有不少使用數(shù)值模型對暗管排鹽進行研究的案例:Manal等[14]使用DRAINMOD 研究俄亥俄州農(nóng)田存在大孔隙時如何對排水參數(shù)進行修正;劉洪光等[15]基于HYDRUS-2D 模擬了新疆區(qū)域滴灌加暗管條件下的土體鹽分變化。COMSOL Multiphysics(下文簡寫為“COMSOL”)是由瑞典COMSOL 公司研發(fā)的數(shù)值仿真軟件,以有限元法為基礎(chǔ),通過求解偏微分方程(單物理場)或偏微分方程組(多物理場)來實現(xiàn)對真實物理現(xiàn)象的仿真。針對不同的具體問題,COMSOL 可求解穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)問題、線性和非線性分析,以及特征值和模態(tài)等各種數(shù)值分析。與專門針對土壤水鹽模擬的軟件相比,COMSOL 具有適用性更廣、可編輯性更強的優(yōu)點,可以模擬與實際條件更為接近的工程環(huán)境。如Wissmeier等[16]將該軟件應(yīng)用于土壤中殺蟲劑的運移模擬,并驗證了該軟件對土壤溶質(zhì)運移模擬的適用性;焦會青等[17]使用COMSOL 較好地模擬了新疆鹽漬土淋洗過程鹽分離子的運移情況,并考慮了多種離子間的化學(xué)反應(yīng),研究結(jié)果的擬合程度較好。

本文采用COMSOL 軟件模擬暗管排水條件下濱海農(nóng)田春夏季土體水位變化時的土壤水鹽運移過程,基于Darcy 定律和Fick 定律定義偏微分方程組構(gòu)建水分遷移耦合鹽分運移模型,結(jié)合砂槽模型對土壤水鹽運移進行系統(tǒng)研究,分析不同水位條件下農(nóng)田水鹽運移特征,揭示了暗管排水措施下水分與鹽分的運移規(guī)律。

對排水工程實施后地下水滲流場的動態(tài)變化進行計算分析與預(yù)測,能夠從理論上揭示與探明鹽堿地改良過程水鹽運移方面的運動趨向及規(guī)律。同時,研究地下水滲流場,可為暗管埋設(shè)設(shè)計最佳方案提供理論指導(dǎo),有利于降低工程的經(jīng)濟成本和控制鹽堿地的返鹽程度。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究的試驗農(nóng)田是河北省滄州市南大港農(nóng)場的國土資源部/中國科學(xué)院的暗管排鹽試驗區(qū)。試驗區(qū)占地6.8 hm2,位于河北省滄州市黃驊市的濱海新區(qū)。該地地處環(huán)渤海區(qū)域,距離渤海的海岸線10 km。研究區(qū)主要地貌為濕地、坑塘,呈現(xiàn)較為明顯的濱海特征。研究區(qū)的年平均降雨量為590 mm,其中75%的降雨集中在雨季。土地潛在年蒸發(fā)量為1950 mm,年蒸發(fā)量最大的時間同樣是每年的雨季。鹽漬土的形成與地區(qū)降雨和蒸發(fā)密切相關(guān),研究區(qū)土壤水分和鹽分在垂直方向的上升與下降、積鹽與脫鹽過程具有鮮明的季節(jié)性特點。區(qū)內(nèi)地下水埋深淺(0.3～1.2 m),但多為礦化度較高的咸水。測定結(jié)果表明,地下水陽離子中鈉鉀離子含量占比最高,陰離子中氯離子和硫酸根離子含量最高。地下水的含鹽量為6～10 g?L?1,鹽伴隨春季多風(fēng)期會隨地下水位的上升上移到土壤表面導(dǎo)致土壤次生鹽漬化嚴重。

試驗區(qū)內(nèi)布設(shè)有暗管排水排鹽系統(tǒng),滲水管采用直徑為11 cm 的帶孔單壁波紋管,外包15 cm 厚砂石濾料,埋設(shè)管道的坡降比為0.7‰。研究區(qū)的暗管埋設(shè)方向為從南向北,集水管走向為從西向東,鋪設(shè)暗管總長為1100 m。暗管的埋設(shè)間距為20 m、25 m、30 m、40 m 不等,埋設(shè)深度主要為1.0 m、1.2 m 和1.5 m。平均埋設(shè)間距為35 m,平均埋設(shè)深度為1.3 m。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 砂槽模型

參考試驗區(qū)的暗管埋設(shè)參數(shù),選擇埋設(shè)間距為20 m、埋深為1 m 的試驗地為模擬對象,進行砂槽物理模型的設(shè)計與制作。

砂槽物理模型試驗設(shè)計與水利工程中的水工模型具有相似的原理。在設(shè)計水工模型時,須使模型與實際原型保持相似準則,如:幾何相似準則、運動相似準則、功能相似等[18-19]。為使模型和原型之間保持相似,在一定的比例關(guān)系前提下,應(yīng)當(dāng)保持兩個模型具有相似的動力,不僅對模型尺度進行還原模擬,還要對模型的運動條件進行還原。因此,對滲流場的模擬需要依據(jù)達西定律進行邊界條件的界定。

基于以上模擬準則,對試驗地進行模擬,選取暗管一側(cè)進行研究,以5∶1 的比例制作砂槽模型,選取厚度為10 mm 的有機玻璃板作為砂槽物理模型的制作材料,完成砂槽模型的制作(圖1),砂槽長240 cm、寬20 cm、高70 cm。試驗裝置由主要裝置和附屬裝置兩部分組成。

圖1 砂槽模型裝置設(shè)計、布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the design and layout of the experimental device

主要裝置包括3 部分:地下水補給水源的模擬供水裝置、含水層模擬裝置和暗管模擬裝置。含水層模擬裝置為試驗的核心部位,內(nèi)部填充砂土,長200 cm、寬20 cm、高60 cm。模型中有9 排間距為25 cm,高差為4 cm 的觀測孔,用于布置示蹤孔和鹽分觀測孔。本研究中只用到距離模型箱底部56 cm、48 cm 和40 cm 的作為示蹤孔,距離模型箱底部44 cm 的作為鹽分觀測孔。示蹤孔由裝有染色劑的橡膠套和連通砂槽的連通管組成,試驗時擠壓橡膠套釋放染色劑就可以觀察流線的運動軌跡。鹽分數(shù)據(jù)由觀測孔連接DDS–307A 型號電導(dǎo)率儀測得。地下水補給水源的模擬供水裝置由調(diào)節(jié)水箱、進水開關(guān)和穩(wěn)水箱組成。調(diào)節(jié)水箱在含水層模擬裝置一側(cè),長35 cm、寬20 cm、高60 cm。進水開關(guān)位于調(diào)節(jié)水箱的一側(cè)。穩(wěn)水箱由厚8 mm 有機玻璃制成,長寬高均為25 cm,其中中間有一個長25 cm、寬25 cm、高20 cm 的玻璃板,在試驗中負責(zé)穩(wěn)定補給水位的高度,以保證試驗中水位條件為定水位條件。地下水補給水源的模擬供水裝置和含水層模擬裝置之間有一個孔眼過濾緩沖板。暗管模擬裝置由暗管和控制暗管滲流量的閥門組成。暗管為長25 cm、直徑為2 cm 的PVC 硬管,平行槽體底部鋪設(shè)在槽體40 cm 高處,用于模擬暗管排水排鹽地中埋深為1 m 的暗管,暗管開孔率為1.7%,孔眼長0.7 cm、寬0.1 cm。

附屬裝置包括調(diào)節(jié)水位的穩(wěn)水箱、控制暗管裝置和用來觀測水位變化的測壓裝置,試驗槽體內(nèi)盛裝60 cm 分選良好的人工石英砂(中細粒級),經(jīng)測試石英砂的滲透系數(shù)為21.86 m?d?1。

1.2.2 模擬方案

根據(jù)濱海農(nóng)田春夏季地下水位回升返鹽的實際情況,參考沈榮開等[20]提出的30 cm 的淹水深度(澇害發(fā)生的最小埋深)和翁通[21]對毛細水上升的研究,與試驗區(qū)土壤物理性質(zhì)最為接近的土體毛細水上升最大高度為70～90 cm,在試驗中設(shè)置不同的初始水位,分別模擬農(nóng)田淹水過程(補給水位為0 cm)、農(nóng)田不發(fā)生澇災(zāi)的最大水位深度(40 cm)和農(nóng)田不發(fā)生返鹽的最小深度(80 cm)。通過對砂槽施加這3 個水位條件,模擬暗管在這3 種情況下的水鹽運移情況。

對于濱海農(nóng)田而言,春夏季地下水位的上升是導(dǎo)致農(nóng)田返鹽的重要原因。為進一步模擬側(cè)向補給水對農(nóng)田返鹽的影響,驗證模型對鹽漬土水鹽運移過程模擬的可行性,設(shè)置兩組側(cè)向補給水為高濃度咸水時,補給埋設(shè)暗管農(nóng)田的模擬試驗。試驗中選取試驗地地下水中含量最高的鈉離子與氯離子配制咸水溶液,參考研究區(qū)地下水成分,最終選擇10 g?L?1的NaCl 溶液模擬高咸度地下水。設(shè)置初始水位為40 cm、側(cè)向補給水位為0 cm (位于地表),初始水位為80 cm、側(cè)向補給水位為40 cm 兩組試驗,模擬補給水位和農(nóng)田初始水位的水位差相同時,側(cè)向補給水位高度對暗管排水排鹽過程的影響。

基于以上模擬試驗的水位設(shè)定條件,以砂槽土體表面為基準面,按照5∶1 比例設(shè)定砂槽模型的基本參數(shù),如表1 所示。

表1 模擬暗管排鹽的砂槽模型的參數(shù)表Table 1 Parameters of the flume model for simulation of underground pipe salt drainage

根據(jù)設(shè)定的試驗條件,分別進行各條件下的砂槽模型試驗。待砂槽模型測壓板數(shù)據(jù)和暗管滲流量穩(wěn)定后,擠壓浸潤水位線以下示蹤孔的橡膠球,釋放染色劑繪制流線。使用相機拍攝繪制下來的流線,并記錄暗管穩(wěn)定滲流排水時的滲流速度。在進行鹽分模擬試驗時,每隔10 min 記錄鹽分觀測孔數(shù)據(jù),直至鹽分數(shù)據(jù)不發(fā)生明顯升高為止。

1.3 模型基本原理

研究運用COMSOL 軟件中的多孔介質(zhì)和地下水流模塊,選用模塊中的用于模擬飽和-非飽和水流的Richards 方程作為水分運動的方程,溶質(zhì)運移基于Fick 定律的對流-彌散方程。將兩個模式耦合在同一物理場中,模擬不同水位條件下的土壤中水分和鹽分運移過程。

水分與鹽分在土壤中入滲的過程屬于空間三維(3D)運動,由于3D 問題極其復(fù)雜,本研究將問題簡化為均質(zhì)、各向同性的水鹽運動二維問題來模擬?；谏安勰Ｐ秃蜑I海農(nóng)田實際情況[22],建立高0.6 m、長2.0 m 的長方形鹽土土體模型,并在與砂槽的鹽分觀測點等高位置設(shè)置觀測面,觀測模型鹽分濃度變化。

模型中的土壤水分運動控制方程使用Richards方程[23]表達為:

式中:θ為土壤體積含水率;K(h)為水分滲透系數(shù),cm?min?1;h為土壤基質(zhì)勢,cm;z為縱坐標,cm;W為源匯項。

模型的鹽分移動過程采用二維對流–彌散方程進行描述[24]。

式中:c為溶質(zhì)濃度,g?L?1;Dxx為x向擴散系數(shù);Dzz為z向擴散系數(shù);vx為橫向平均流速,m?s?1;vz為縱向平均流速,m?s?1。

假設(shè)平均流速方向與z軸方向一致,則:

式中:αT為縱向彌散度;αL為橫向彌散度;υ為平均流速,m?s?1;DmL為氯離子在純水中的擴散系數(shù),取1.296 cm2?d?1;τL為曲折因子[25]。

根據(jù)COMSOL 模型中的理查茲方程需要,對土壤水分特征曲線參數(shù)進行擬合,土壤水分特性曲線θ(h)可用van Genuchten 模型來表示[26],即:

式中:θr為殘余土壤體積含水率;θs為飽和土壤體積含水率;a、n、m為土壤水分特征曲線的形狀參數(shù),m=1?l/n,n>1。

1.4 模型率定及驗證

本次模擬共設(shè)置5 種條件的模擬試驗,為保證模擬精度,使用鹽分模擬的2 組試驗用于模型的率定,并將水流模擬的3 組試驗用于模型的驗證。試驗中,對使用中細粒石英砂模擬濱海鹽漬土進行粒徑測定,得出其中砂粒質(zhì)量分數(shù)為70%,粉粒質(zhì)量分數(shù)為30%,容重為1.45 g·cm–3。為得到土體的水力學(xué)參數(shù),將粒徑分布及容重輸入ROSETTA 軟件中進行計算。

在參數(shù)率定方面,首先對暗管排水速率進行率定,然后對鹽分觀測點的數(shù)據(jù)進行率定。模擬過程中,提取暗管穩(wěn)定排水時的排水速率以及累計排水量對比砂槽模型的排水速度和累計排水量。提取與鹽分觀測點位置相同的鹽分變化數(shù)據(jù),每隔10 min進行數(shù)據(jù)采集,試驗時長為360 min。將試驗所得結(jié)果與模擬結(jié)果進行評價指標計算,直至評價指標保持在可信度較高的范圍,得出最終率定后的土壤水鹽運移特征參數(shù)。

率定后的土壤水鹽運移參數(shù)為:殘余含水率θr=0.0321 cm3·cm–3;飽和含水率θs=0.3485 cm3·cm–3;α=0.0304,n=1.3803,α和n是影響水力函數(shù)形狀的經(jīng)驗系數(shù)。

本文使用的評估模型精度的指標為均方根誤差(root mean square error,RMSE)和決定系數(shù) (coefficient of determination,R2)[27]。將COMSOL 模型模 擬的地下水位、暗管速率以及土壤中鹽分變化情況的模擬數(shù)據(jù)同對應(yīng)的試驗實測值進行計算,進行模型精度的評估。評價指標計算公式如下:

式中:n表示數(shù)據(jù)個數(shù),ai表示數(shù)據(jù)實測值,bi表示數(shù)據(jù)模擬值,是實測數(shù)據(jù)的平均值。在以上兩個指標中,RMSE 對于數(shù)據(jù)中的極值非常敏感,RMSE 越小說明數(shù)據(jù)的離散化程度越穩(wěn)定;R2表示數(shù)據(jù)實測值與模擬值的相關(guān)性,R2越接近1 說明模擬精度越高,而建立的模型更具可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型模擬結(jié)果

本文選取水頭高度、滲流速度和流線作為滲流場特征進行研究,以便分析埋設(shè)暗管條件下的滲流場變化特征。

通過將砂槽試驗所繪制的流線進行拍照記錄,得到砂槽模型的流線圖。提取出COMSOL 軟件模擬的流線結(jié)果,并將其與砂槽模型結(jié)果進行對比,由圖2 可得出不同補給水位的流線特征。

圖2 埋設(shè)暗管條件下不同補給水位的流線分布Fig.2 Streamline distribution of different groundwater levels under the condition of underground pipe

當(dāng)?shù)叵滤晃挥诘乇頃r,水流是從地表直接進入土體的滲流場中,沿著地下水滲流路徑流出暗管。離暗管近對應(yīng)的流線為下凸的曲線簇;離暗管遠則地下水流以垂直運動為主,流線近似垂直向下。而靠近暗管的水體受暗管的水力邊界條件影響,水流由豎直轉(zhuǎn)向水平。在水平滲流速度和豎直滲流速度相同時,流線趨于45°,這種流線在距離暗管0.8 m 的范圍內(nèi)出現(xiàn),其高度隨著與暗管水平距離的增加而升高。

在地下水位距離地表8 cm 時,流線走向趨于水平,該水位條件下,在靠近暗管0.8 m 處的水流明顯抬升,直到抬升高度與水頭高度基本一致。當(dāng)?shù)叵滤桓叨冗M一步下降至16 cm 時,流線整體走向與地下水位距離地表8 cm 時基本一致,在距離暗管較遠的區(qū)域,流線受重力作用,下降更為明顯,呈現(xiàn)出流向地下的非完整流線。在靠近暗管時,流線也不斷抬升,最終抬升高度也接近于側(cè)向補給水位的高度。

提取COMSOL 軟件的模擬結(jié)果,得到暗管排水穩(wěn)定后的土體水頭分布,如圖3 所示。

圖3 埋設(shè)暗管條件下不同補給水位的土壤壓力水頭分布Fig.3 Pressure head distribution at different groundwater levels under the condition of underground pipe

由于埋設(shè)了暗管,距離暗管較近的土體,水頭明顯下降,增加了暗管與地表間的水頭差。水頭差產(chǎn)生的勢能是促使土體中水流排出暗管的重要動力。根據(jù)達西定律,相同的間距下,水頭差越大,滲流速度就越大,即水頭梯度差越大滲流速度越大(公式1)。在暗管附近的土體,水頭變化更快,水頭梯度差明顯大于距離暗管較遠的土體。在距離暗管0.4 m 范圍外,水頭變化變緩,水頭變化很小。在地下水位為8 cm和16 cm 時,暗管上部的水頭仍保持較高水平,水流在水頭差影響下發(fā)生抬升。

圖4 為不同水力條件下的滲流速度對比。在土體邊界條件變化時,土體中的滲流路徑不同,滲流速度也不同。這是由于地下水位高度發(fā)生變化時,土體水力邊界條件發(fā)生了變化,暗管所起到的調(diào)控土體滲流場的作用也受到影響。在地下水位處于地表時(淋洗狀態(tài)),水流由地表流向暗管,滲流速度較快,為2.03 m3?d?1;在非淋洗過程中,水流流向暗管的路徑發(fā)生了改變,水流從側(cè)向補給水箱流向暗管,其水力梯度下降平緩,滲流速度較小。地下水位位于地表、地下水位位于地面以下8 cm 和16 cm 的模型,水位差均是8 cm,但是就滲流速度變化而言,前者滲流速度下降了1.68 m3?d?1,后者僅下降0.22 m3?d?1。

圖4 不同水位下砂槽試驗與模擬實驗的暗管排水速度Fig.4 Drainage velocities of underground pipe in flume model and COMSOL model under different water levels

為觀察砂槽土體中水流中鹽分運移過程,對鹽分模擬模型中鹽分觀測點的數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)鹽分濃度到達10 g?L?1時,COMSOL 軟件所觀測的鹽分濃度小于10 g?L?1,濃度為9 g?L?1。因此,選取COMSOL 軟件模擬結(jié)果的鹽分觀測點為9 g?L?1時的數(shù)據(jù),作為側(cè)向補給水中的鹽分基本到達觀測點的時刻,并將其命名為鹽分臨界時刻(圖5)。

圖5 不同地下水位下側(cè)向補給水鹽分臨界時刻Fig.5 Critical time of salt content of makeup water with different burying depth of groundwater

鹽分臨界時刻表示了側(cè)向補給水箱中的高咸度地下水到達觀測點的周期時間?？梢钥闯?距離暗管0.6～1.6 m 范圍,臨界時刻與距離補給水箱的距離呈線性關(guān)系,離水箱越遠,臨界時刻越久。初始水位距離地表8 cm 時,觀測點鹽分濃度上升速度較快,距離補給水箱最遠處的鹽分濃度在1160 min 時達9 g?L?1,距離暗管0.6 m 范圍內(nèi) 的觀測點鹽分到達9 g?L?1的時刻接近;初始水位距離地表16 cm 時,觀測點鹽分上升最慢的位置為距離暗管0.5 m 處,在2820 min 時到達9 g?L?1,而距離暗管0.5 m 范圍內(nèi)的觀測點鹽分上升速度明顯加快,到達9 g?L?1的時刻為2090 min。這是由于含水層底部水流與暗管附近水流共同作用,加快了暗管附近鹽分濃度上升。

2.2 數(shù)據(jù)對比驗證

2.2.1 鹽分擬合驗證

為驗證鹽分運移-水分運移的耦合性,對模擬側(cè)向補給水對埋設(shè)暗管區(qū)域補給咸水過程的模型進行擬合驗證。選取砂槽中監(jiān)測位點Ⅱ和Ⅲ的鹽分變化,并與COMSOL 模型中對應(yīng)點位數(shù)值進行對比,模擬結(jié)果和精度如圖6 所示。

圖6 鹽分觀測點Ⅱ和Ⅲ的土壤含鹽量變化模擬結(jié)果與模擬精度Fig.6 Simulation results and accuracies of salt contents dynamics in the observation points Ⅱ and Ⅲ

根據(jù)圖7 可以看出,砂槽模型的鹽分運移過程的整體趨勢與軟件模擬結(jié)果基本一致,而觀測點的RMSE 值都小于1.1 g?L?1,而R2數(shù)值除沒有完全觀測到的16 cm 水位條件下的Ⅱ號觀測點,其余均在0.9以上(圖6),說明砂槽模型和模擬結(jié)果擬合程度較好,表明模型可以較好地模擬該砂槽試驗的水分運移與鹽分運移的耦合情況,驗證了“鹽隨水來,鹽隨水去”的規(guī)律。

圖7 不同水位下砂槽模型和COMSOL 模型的流線模擬結(jié)果對比Fig.7 Comparison of streamlines simulation results of flume model and COMSOL model under different water levels

2.2.2 流線擬合驗證

為進一步驗證模型擬合程度,對模型的流線進行擬合驗證。將試驗所得流線照片經(jīng)過Origin 軟件處理得到流線圖,并與模型計算結(jié)果進行擬合對比。由于邊界效應(yīng)的影響,模擬結(jié)果只有部分為完整流線,選取模型中4 條較為完整的流線進行擬合計算(圖7)。

根據(jù)圖7 數(shù)據(jù)進行評價指標的計算,得出表2。其中,X表示流線起點距暗管的水平距離。

表2 流線模擬效果評價指標Table 2 Evaluation indicators of streamline simulation effect

流線的擬合結(jié)果基本較好,其中RMSE 值基本在0.1 m 以下,而R2的值基本保持在0.8 以上。這說明砂槽模型與模擬模型的試驗結(jié)果流線基本保持一致,砂槽模型與模擬模型具有相似的運動過程,模型模擬結(jié)果具有一定的可信度。

3 討論

在暗管相關(guān)參數(shù)的模擬研究中,暗管的環(huán)境是導(dǎo)致暗管發(fā)揮效用不同的關(guān)鍵,在不同水力和土壤條件下,暗管排鹽排水的效果也不同,這在實際應(yīng)用中大大限制了暗管埋設(shè)參數(shù)的通用性,暗管埋設(shè)方式須因地制宜,在充分了解當(dāng)?shù)厮临Y源情況后制定合理的鋪設(shè)方案。濱海地區(qū)的地下水位埋深淺,波動大,為研究不同水位條件下埋設(shè)暗管農(nóng)田的水鹽運移過程,本研究以室內(nèi)砂槽試驗為基礎(chǔ),結(jié)合COMSOL 軟件模擬暗管排水排鹽過程,通過設(shè)置不同的初始地下水位,研究了單根暗管周圍滲流場的水鹽運移情況。

模型模擬的流線分布與走向(圖2)可以說明在埋設(shè)暗管條件下,水力邊界條件的改變會導(dǎo)致土體中水力梯度下降方向發(fā)生變化,進而影響水流路徑,引起滲流速度變化。在地下水位位于地面時,水流由地表流向暗管;而地下水位位于地面以下時,水流呈現(xiàn)水平狀態(tài),水流由補給水箱流向暗管。地下水位埋深從8 cm 減小到0 cm (地下水位位于地表)的模 型,其滲流 速度從0.35 m3?d?1增加到2.03 m3?d?1。而在同等水位差下,地下水位埋深從16 cm 減少到8 cm的模型的滲流速度從0.13 m3?d?1增加到0.35 m3?d?1。這說明滲流速度發(fā)生變化不是因為水位的抬升,而是由于水力邊界條件發(fā)生了變化。通過水頭變化圖(圖3)可以看出,地下水位位于地面以下的模型,其水力梯度下降方向為從補給水向暗管,水力梯度差變化較為平緩;而當(dāng)?shù)叵滤惶幱诘乇頃r,其水力梯度下降方向改變?yōu)閺牡乇硐虬倒?水力梯度差變化較大,水力梯度差的變化是導(dǎo)致滲流速度變化的直接原因。

地下水位位于地表常見于農(nóng)田處于淋洗和降雨情況下。由于流動的地下水移動速度較鹽分的彌散速度快,所以流線的走向也很大程度表現(xiàn)了鹽分移動路徑。就滲流路徑而言,距離暗管較近的土體中水流滲流路徑明顯較短,而距離暗管較遠的土體滲流路徑較長。就埋設(shè)暗管對土體滲流場影響而言,距離暗管越近,土體受暗管的影響越強,這個影響在距離暗管0.6 m 范圍內(nèi)十分明顯,而在該距離外,無論是水力梯度變化還是流線走向均呈補給水位與重力對水頭和流線的影響大于埋設(shè)暗管的影響。在水平滲流速度大于豎直滲流速度時,流線走向開始朝暗管方向快速變化。這個位置在流線圖中表現(xiàn)為流線與水平線夾角為45°。隨著距離暗管的水平距離增加,水流由向下淋洗的狀態(tài)轉(zhuǎn)為排水狀態(tài)的45°轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)的位置也會降低。本研究中,最長的45°完整流線的位置是距暗管水平距離0.6 m 的位置,與暗管影響水頭的范圍有很強的重合度,可能是農(nóng)田暗管能否有效排水排鹽的關(guān)鍵。

本研究所涉及的暗管埋深條件以及試驗環(huán)境下,在砂槽中暗管排水排鹽效率最高為0.6 m 范圍內(nèi),超過該范圍,水流的滲流速度和鹽分運移速度都會有較大下降。由于模型是單管模擬并進行了5∶1 的比例換算,因此在本研究中埋深為1 m 的暗管較為高效的埋設(shè)間距是6 m。合適的暗管埋設(shè)間距可以提供更合適的水力條件,有助于加快農(nóng)田快速排水,提高鹽堿地淋洗鹽分的效率。

在淋洗過程中,距離暗管較近的土體淋洗路徑較短,在淋洗過程中會被反復(fù)淋洗,不僅淋走了鹽分,還淋走對于植物生長有益的其他元素;而距離暗管較遠的土體,水流在淋洗周期內(nèi)可能無法經(jīng)由暗管走出土體,這樣的結(jié)果會導(dǎo)致表層鹽分被水流淋入深層土體,在停止淋洗后可能會導(dǎo)致土體返鹽,再次鹽漬化。在實際應(yīng)用中,沒有埋設(shè)暗管的土體和距離暗管較遠的土體,確實有淋洗后返鹽的情況[28]。發(fā)生這種情況的原因是水力邊界對水流沒有起到較好的引導(dǎo)作用。因此應(yīng)該考慮通過人為改變水力邊界條件,優(yōu)化滲流路徑的方式,提高暗管工作效率。孫雪雁等[29]采用埋設(shè)交叉砂槽的方法,通過在土體中增加優(yōu)先流路徑,為水流提供更為寬敞的移動路徑,提升了淋洗效率;Zhang等[30]通過在暗管上方埋設(shè)低滲透表層覆蓋物(low-permeability surface mulch),延長了距離暗管較近土體的水流滲流路徑,給距離暗管較遠的水流提供更大的滲流空間,優(yōu)化了滲流路徑。

在濱海高咸度地下水對埋設(shè)暗管農(nóng)田入侵的模擬研究中,發(fā)現(xiàn)暗管的存在明顯加快了農(nóng)田土體鹽分的運移速度,距離暗管0.6 m 范圍內(nèi)鹽分更快到達觀測點。而初始水位較高的時候,水鹽運移速度也更快。因此,對于埋設(shè)暗管的農(nóng)田而言,在有足夠的排水動力時,暗管可以有效地快速排出側(cè)向補給水位中的水分與鹽分,距離暗管越近,排水排鹽速率越高;在初使水位較低時,鹽分遷移速度有較為明顯的下降,結(jié)合滲流速度來看,是因為水流與暗管的水位差降低。這會導(dǎo)致含鹽水流在土體中的移動時間較長,這時候應(yīng)該配合主動排水加速土體中的鹽分排出,防止其中的咸水通過毛細水上升,導(dǎo)致土體返鹽。

RMSE與R2的擬合計算結(jié)果表明,基于砂槽試驗方法結(jié)合COMSOL 建立的模型研究鹽堿地水鹽運移機理是可行的,評價結(jié)果的可信度較高。得益于砂槽模型的水力條件與土壤環(huán)境較為簡單,模型模擬的精度也較高。其中,就模擬時間而言,模擬時間越久,擬合程度相對越差。這一點不僅體現(xiàn)在流線的擬合上,也體現(xiàn)在鹽分的擬合結(jié)果上。一方面是因為隨著水流移動時間的增加,其受到所處砂槽環(huán)境的干擾越大,水流與模擬結(jié)果的偏差越大;另一方面,隨著試驗的進行,水流越來越接近模型底部邊界,受邊界效應(yīng)影響就越大,導(dǎo)致模型無法完全模擬出實際試驗的結(jié)果。對比不同水位條件下的流線模擬結(jié)果,地下水位位于地表的流線模擬最好,擬合程度最高;而地下水位距離地表16 cm 的模型流線擬合結(jié)果稍差,可能是因為砂土裝填不均勻,在水流流速降低時,不同位置土體水流流速變化不均勻,導(dǎo)致流線擬合程度下降。

4 結(jié)論

本研究通過將室內(nèi)砂槽模型和COMSOL 模型相結(jié)合進行擬合,模擬了不同水力條件下暗管排水排鹽過程的滲流場,對地下水位、暗管排水及水鹽運移隨時間的變化過程進行模擬分析,取得以下結(jié)論:

1)根據(jù)濱海暗管埋設(shè)實際和春夏季返鹽的水力條件設(shè)計了不同水力條件下埋設(shè)暗管農(nóng)田的砂槽試驗,模擬了暗管的排水和排鹽過程,并通過COMSOL 軟件對流線和鹽分進行了擬合評估,結(jié)果表明模擬值與實測值具有較好的一致性。

2)根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),暗管工作效率與水力邊界有關(guān),在改變水力邊界時,土體中的水流滲流速度和流線走向變化較大。高水位條件下,暗管排鹽排水能力較強,而中低水位下滲流速度有明顯下降。在實際工程應(yīng)用時,應(yīng)對埋設(shè)暗管農(nóng)田的土層結(jié)構(gòu)和水力邊界進行調(diào)查與監(jiān)測,對于濱海農(nóng)田水位條件波動較大的區(qū)域應(yīng)當(dāng)采取有針對性的管理措施。

3)對暗管影響范圍進行了研究,發(fā)現(xiàn)在不同水力條件下土體水頭變化較快的區(qū)域與流線轉(zhuǎn)折區(qū)域以及鹽分移動速度轉(zhuǎn)折區(qū)域重合度較高,均在0.6 m范圍內(nèi)。推測暗管對土體的影響范圍不受水力條件的影響,而只受土體自身結(jié)構(gòu)影響。埋深變化及土層結(jié)構(gòu)變化可能會對其產(chǎn)生影響。

本文以流線和水頭為切入點,通過室內(nèi)試驗結(jié)合COMSOL 軟件建立的數(shù)值模型,更直觀地表現(xiàn)了暗管埋設(shè)條件下農(nóng)田水鹽運移路徑,為研究水鹽運移規(guī)律提供了新的研究思路。同時,研究結(jié)果對于實際工程也有較好的借鑒意義,對于優(yōu)化暗管排水路徑,指導(dǎo)暗管施工布置具有技術(shù)支持和理論指導(dǎo)作用。