董志玲 賈壯壯 陶 園 梁豪杰

（1中國水利水電科學研究院，北京 100048；2江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇淮安 223200）

鹽堿地是重要的耕地資源之一，在保障糧食安全、拓展耕地資源等方面發(fā)揮著重要作用。土壤鹽堿化通常會造成土壤肥力下降，破壞土壤—水—植物系統(tǒng)養(yǎng)分吸收功能，造成植物無法正常生長，導致作物生產(chǎn)力下降[1-2]。在鹽堿地治理中，現(xiàn)有措施和研究成果主要圍繞灌排措施、物理調(diào)控、化學調(diào)理和生物改良等[3-5]，“鹽隨水來，鹽隨水走”充分體現(xiàn)了鹽堿化地區(qū)水鹽運動的宏觀規(guī)律[6]，排除土壤鹽分是改善鹽堿地的有效方案，因此灌排措施是鹽堿地治理的關(guān)鍵。暗管排水被廣泛用于鹽堿地治理，Valipour[7]研究顯示，采用暗管排水后，其鹽漬化面積占耕地面積的比例由1972 年的42%減少至2007 年的7%。Ghumman 等[8]報道的暗管排水實踐也顯示地表及土壤剖面的鹽分含量顯著減少，作物的種植密度顯著增加。周華等[9]指出應(yīng)摸清農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與發(fā)展高效節(jié)水灌溉的規(guī)律，充分挖掘排水系統(tǒng)的最大功能，可結(jié)合高標準農(nóng)田建設(shè)提高灌區(qū)排水系統(tǒng)建設(shè)。王少麗等[10]采用太陽能暗管排水解決了排水排鹽問題。杜歷等[11]研究表明，暗排工程對地下水位的調(diào)控作用明顯。萬聲淦等[12]的暗管排水試驗表明，暗管排水可將土壤含水量控制在土壤調(diào)萎含水量和田間持水量的最佳含水量范圍內(nèi)，同時可使作物增產(chǎn)。景清華等[13]研究表明，暗管排水工程能夠有效控制地下水位且脫鹽效果顯著。目前，鹽堿地的治理仍面臨著諸如障礙土層下如何排水等挑戰(zhàn)。障礙土層（弱透水層）的存在可能會導致排水工程無法充分發(fā)揮其應(yīng)有作用。弱透水土層是允許地下水以極小速度流動的弱導水巖層，在多層含水層疊置的含水系統(tǒng)中，弱透水土層與隔水層的作用不同，后者起隔水作用，前者則構(gòu)成其上、下含水層間的水交換通道，而且上、下含水層的透水壓差越大，通過弱透水土層的水量也越大。大型盆地中弱透水土層的分布面積較大，故不可忽視通過弱透水層的越流水量。研究典型區(qū)域復(fù)雜土壤分布特征及其影響下的暗管排水排鹽情況，提出復(fù)雜土壤條件下農(nóng)田排水建議，對于鹽堿地治理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 土壤質(zhì)地分析與調(diào)查取樣

以寧夏回族自治區(qū)紅寺堡區(qū)鹽堿地6個典型區(qū)域進行土壤質(zhì)地勘測，區(qū)域耕地土壤類型主要為灰鈣土、新積土和風砂土，土壤中夾雜著黏粒層。通過開挖土壤剖面和土鉆取土，按每5 cm或10 cm一層取土樣，對6個典型土壤剖面進行取樣，測定土壤粒徑。采用粒度分析儀，分析得到土壤不同粒徑占比，根據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織土壤分類中對土壤粒徑的定義：粒徑小于0.002 mm的為黏粒，0.002～0.050 mm為粉粒，0.050～1.00 mm為砂粒[14]，進行土壤質(zhì)地分析。

1.2 理論基礎(chǔ)模擬

HYDRUS模型是可用來模擬一維到三維條件下飽和-非飽和多孔介質(zhì)中水分、能量和溶質(zhì)運移的有限元計算模型?？紤]到復(fù)雜土壤質(zhì)地屬于非均質(zhì)土壤，可采用HYDRUS 模型進行模擬分析，其對不規(guī)則水流邊界、各向異性的非均質(zhì)土壤及材料組成等具有很好的模擬效果[15]。HYDRUS模型采用修正的Richards 方程描述二維飽和及非飽和土壤水流運動，控制方程如下。

式（1）中，θ為土壤體積含水量；t為時間；h為壓力水頭；S為代表作物根系吸水的源匯項；K為土壤非飽和導水率，Kx和Kz為K在x和z方向上的分量，按照下述公式計算。

式（2）中，Kr為相對滲透系數(shù)；Ks為土壤飽和導水率。

HYDRUS模型中給出了幾種公式用以描述土壤水力運動特性，其中Van Genuchten（VG）模型描述土壤水力運動特性較為常用，VG模型土壤含水量及導水率表達式如下。

式中，θr、θs分別為土壤殘余含水量和土壤飽和含水量；Se為有效飽和度；α、n和l是決定土壤非飽和特征曲線的經(jīng)驗系數(shù)，一般情況下l取值為0.5。

1.3 模擬設(shè)置

土壤參數(shù)基于實地調(diào)研的土壤粒徑進行反演得到，詳見表1。圖1 為考慮黏土層條件下的HYDRUS模型建模草圖，模擬設(shè)置黏土層厚度為10 cm，暗管埋深150 cm，暗管間距40 m，暗管直徑為90 mm。模型上邊界設(shè)置為大氣邊界，其他外側(cè)邊界設(shè)置為無流量邊界，暗管邊界設(shè)置為滲流邊界，不透水層深度為10 m。模擬方案分別設(shè)置黏土層上邊界位于距離地表30、60、100、140、200、250 和290 cm 的土層。

圖1 考慮黏土層條件下HYDRUS模型示意

表1 土壤VG模型水力參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)雜土壤分布特征

通過田間實地取樣調(diào)研，對紅寺堡區(qū)6 個典型土壤剖面進行分析。6 個樣點的土壤黏粒（0～0.000 5 mm）、粉粒（0.000 5～0.050 0 mm）和砂粒（＞0.050 0 mm）含量見圖2。

圖2 不同土層土壤顆粒含量

點位1 為重度鹽堿地，通過粒徑測量分析得到土壤質(zhì)地主要為壤土，0～110 cm 土壤質(zhì)地以輕壤土和重砂壤土為主，土層黏粒含量范圍為6.2%～14.7%，平均含量為9.9%；110～130 cm 土層為輕砂壤土，130～150 cm 土層為重粉質(zhì)壤土，黏粒含量達到26.0%，形成弱透水層。點位2土壤質(zhì)地主要包括輕壤土、中粉質(zhì)壤土和重粉質(zhì)壤土。0～30 cm表層土為輕壤土，土壤黏粒含量范圍為10.0%～10.3%；30～50 cm 土壤質(zhì)地主要為中粉質(zhì)壤土，土壤黏粒含量平均為13.6%；60～70 cm 為中壤土，50～60 cm 和110～120 cm 土壤為重粉質(zhì)壤土，透水性較差，黏粒含量分別為21.2%和24.5%。點位3 土壤質(zhì)地主要為重砂壤土（僅60～70 cm 土層為輕壤土），整體上土層黏粒含量范圍為6.4%～10.6%，平均含量為8.1%。

點位4和點位5也位于重度鹽堿地，土壤鹽分重，2022 年4—9 月份地下水埋深范圍為1.05～1.69 m。點位4 土壤質(zhì)地以砂壤土和粉壤土為主，土層黏粒含量范圍為2.5%～14.0%，平均黏粒含量14.4%。點位5土壤總體上較點位4黏粒含量高，土層黏粒含量范圍為7.0%～21.0%，平均黏粒含量14.4%，土壤質(zhì)地以壤土和粉質(zhì)壤土為主，40～70 cm 土層黏粒層呈增加趨勢，75～80 cm 為重粉質(zhì)壤土，黏粒含量為21.0%，形成了多層弱透水層，85～95 cm 則為重粉質(zhì)砂壤土。

點位6 是荒地為重度鹽堿地，土壤質(zhì)地主要為重粉質(zhì)壤土和砂壤土，30～80 cm 均為重粉質(zhì)壤土，土層黏粒含量范圍為22.2%～28.7%，重粉質(zhì)壤土厚度大，土層整體滲透性較差。

通過上述分析得出，當土壤存在弱透水層且無其他治理措施時，土壤鹽分普遍偏高，易出現(xiàn)荒地的情況，該區(qū)域弱透水層不具有固定位置和特征，總體上，弱透水層厚度以10～20 cm偏多。

2.2 復(fù)雜土壤對農(nóng)田排水能力的影響

基于HYDRUS 軟件二維模型，通過設(shè)置不同黏土層位置，模擬分析黏土層位置對暗管排水排鹽能力的影響。10 cm黏土層對暗管排水24 h累積流量的影響見圖3。黏土層上邊界位于距離地表30、60、100、140、200、250和290 cm時的累積排水流量較無黏土層條件下減少18%、14%、16%、22%、13%、6%和4%。當黏土層位于暗管層時，10 cm 黏土層就會導致排水量減少20%，暗管上部10 cm 位置處的黏土層對暗管排水效果影響最大，較常規(guī)地下排水量減少22%；當黏土層位置超過2倍暗管埋深時，對排水量的影響較小?？梢灶A(yù)見黏土層若更厚時，暗管排水排鹽作用將受到更大的影響。

圖3 黏土層對于暗管排水影響

3 結(jié)論與討論

基于紅寺堡典型區(qū)域復(fù)雜土壤分布特征及暗管排水響應(yīng)模擬分析得出，當土壤存在弱透水層且無其他治理措施時，土壤鹽分普遍偏高，易出現(xiàn)荒地的情況，弱透水層不具有固定位置和特征，總體上，弱透水層厚度以10～20 cm 偏多。當黏土層位于暗管層時，10 cm 黏土層就會導致排水量減少20%，暗管上部10 cm 位置處的黏土層對暗管排水效果影響最大，較常規(guī)地下排水量減少22%；當黏土層位置超過2 倍暗管埋深時，對排水量的影響較小。當黏土層位于地表0～40 cm 時，可通過換土方式改良土壤或放棄改良；當黏土層位于地表以下40～80 cm 時，可采用鼠道排水配合暗管排水或豎井排水；當黏土層位置低于暗管埋深時，可采用暗管排水或暗管配合明溝的組合的排水方式。對于非水平的黏土層則應(yīng)當考慮弱透水土層形狀對水流流態(tài)的影響，并進行相應(yīng)調(diào)整，避免暗管間距過小導致浪費，同時避免暗管間距過大導致排水排鹽效果不好的問題。

黏土層或弱透水層對暗管排水具有較大影響，對鹽堿地的排水排鹽具有一定負面影響，根據(jù)不同弱透水層的位置，合理設(shè)置排水排鹽方式，對于改良鹽堿地具有重要作用。本研究以紅寺堡為研究區(qū)域，基于實地取樣調(diào)查了不同點位的復(fù)雜土壤分布特征，基于HYDRUS 二維模型分析了不同黏土層位置對暗管排水流量的影響作用，并提出復(fù)雜土壤條件下的排水建議，為鹽堿地治理提供參考。