代鋒剛，王曉燕,谷明旭，余婉露，連鵬達

(1. 河北地質(zhì)大學河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點實驗室, 河北 石家莊 050031； 2. 河北地質(zhì)大學河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結構優(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)應用技術研發(fā)中心， 河北 石家莊 050031; 4. 中國地質(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)測院河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測與保護重點實驗室, 河北 石家莊050021)

利用鹽堿地的治理改良來增加補充耕地資源，是國家從戰(zhàn)略高度堅守耕地紅線和保障糧食安全的重大舉措之一[1].鹽堿地改良技術方法有物理、化學、生物、工程技術等，其中化學法見效快，但環(huán)境污染的風險大，成本高.物理法、生物法用客土、覆蓋等技術存在返鹽風險.從鹽堿地的綜合整治方法、排鹽效果評價、投資成本、風險分析、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.國內(nèi)外不少學者對鹽堿地治理改良進行了研究，日趨成熟的暗管排水排鹽技術在鹽堿地治理改良中得到較為廣泛的應用[2].國外在通過控制排水降低非點源污染[3]、控制排水智能設備、提高水資源利用效率等方面成果顯著[4].國內(nèi)學者鹽堿土治理改良方面，排水系統(tǒng)結合區(qū)域(新疆[5]、濱海地區(qū)[6]等)水文氣象、土壤類型、作物種類進行綜合調(diào)控，為排水技術的推廣打好了一定的基礎.其中水平井排水技術與排水溝、排水暗管、井灌井排等方法相比具有較大優(yōu)勢[7-8],其機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.

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

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設在冀中平原河北省滄州市滄縣境內(nèi)典型鹽堿地區(qū)，為沖積平原向濱海平原過渡帶，地勢總體趨勢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)試驗區(qū)鉆孔巖心編錄表，現(xiàn)場采集不同層土樣進行顆粒分析、容重測試等室內(nèi)試驗，獲得不同層土壤的容重ρ、孔隙度Φ及顆粒級配數(shù)據(jù)，試驗區(qū)土壤物理參數(shù)見表1，表中d為土層深度，θ為粒組含量.

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

1.2 試驗設計

試驗設計如圖1所示.

圖1 試驗設計示意圖(單位：m)Fig.1 Schematic diagram of test design(unit: m)

試驗區(qū)為300 m×200 m的矩形場地，東西設有2條排水溝，距離280 m,其中間設有3條水平井，間距110 m,水平井布設與排水溝平行，水平井井管和濾水管長度分別為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)測孔和3條水平井分別位于中間.

1.3 土壤水分參數(shù)測定

1) 顆粒分析

顆粒分析是指測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封存，進行土壤顆粒分析，粒徑小于0.075 mm時采用密度計法，粒徑大于0.075 mm時采用篩分法，兩者相結合，土樣定名主要依據(jù)土工試驗規(guī)范和巖土工程勘察規(guī)范.

2) 土壤容重

環(huán)刀法測定土壤容重，即根據(jù)環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值計算所測土壤含水率，由于實測值具有一定精度，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)

利用單孔抽水試驗來獲取試驗區(qū)含水層的導水系數(shù)和釋水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù).本次抽水試驗目標含水層為承壓含水層，巖性以粉砂為主，地下水埋深8～30 m.抽水孔井型結構為完整井，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)測儀，監(jiān)測頻次高，數(shù)據(jù)密度大，用于觀察記錄地下水位的動態(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后停抽并開始水位恢復，得到可靠的觀測資料，利用水位恢復試驗數(shù)據(jù)推求參數(shù).

2 Modflow-Hydrus耦合模型

2.1 Modflow-Hydrus耦合模型簡介

Hydrus模型通常僅局限于小范圍包氣帶土壤水計算問題，不建議用于大區(qū)域范圍地下水計算問題.雖然模擬軟件Modflow在區(qū)域尺度地下水計算方面具有優(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確，如果直接利用Modflow計算分析地下水淺埋區(qū)的水文地質(zhì)問題，那么會產(chǎn)生較大的誤差.故采用Modflow-Hydrus耦合模型，各取所長，彌補兩者不足.首先，對Hydrus模型計算結果進行統(tǒng)計分析，確定綜合補給強度-埋深分段函數(shù).其次，估算試驗區(qū)不同時段不同區(qū)域的綜合補給強度.最后，用BASIC語言將其編成Modflow軟件面狀補給包的數(shù)據(jù)文件格式Rch.dat，導入Modflow軟件進行計算地下水位埋深等值線，重復利用綜合補給強度-埋深函數(shù)計算地下水補給強度，直到模型收斂.計算得到rch1.dat和rch0.dat分別乘以一個權重系數(shù)，得到新源數(shù)據(jù)文件導入Modflow進行模擬計算，能夠加快收斂速度.通過重復迭代計算，Modflow-Hydrus耦合模型體現(xiàn)Hydrus在描述降水入滲-潛水蒸發(fā)自適應源匯項時的高精度及Modflow具備大區(qū)域地下水流計算問題的優(yōu)點，同時降低了地下水變源匯項確定的難度.

Modflow(2005)UZF1是 Visual Modflow三維地下水模擬軟件系統(tǒng)中新增模塊，其中地下水補給過程和蒸散發(fā)模塊可以用于模擬非飽和帶土壤水運動問題.UZF1模塊替換了傳統(tǒng)Modflow中蒸發(fā)蒸騰模塊和面狀補給模塊.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.UZF1模塊與蒸發(fā)蒸騰模塊不同，UZF1模塊中蒸散發(fā)量計算時，起初考慮計算蒸散發(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，在面狀補給的處理方面，能更精細地刻畫非飽和帶水文運動過程，但是UZF模塊僅考慮了重力勢而忽略了毛管勢，因此對非飽和帶土壤水分運移過程的呈現(xiàn)與實際還存在偏差.

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

2.2 數(shù)學模型

根據(jù)試驗設計情況，將整個入滲過程概化為以水頭為變量一維變飽和帶水分運移問題，其數(shù)學模型可以用Richards方程[10]描述，即

(1)

式中：h為壓力水頭，cm，非飽和帶內(nèi)為負值，飽和帶內(nèi)為正值；K為非飽和帶水力傳導度，cm/d，隨含水率變化；C為容水度，cm-1，相當于飽和含水層的儲水率；s為源匯項，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模型剖面包括整個非飽和帶范圍，模擬計算不同埋深非飽和帶水分運移.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間距進行剖分.

模擬應力期設為10a(3 600d)，采用變化的時間步長，軟件根據(jù)數(shù)值解收斂迭代次數(shù)自動調(diào)整時間步長.設初始時間步長為0.001 d，步長區(qū)間設為0.000 1 d～0.200 0 d.

據(jù)試驗區(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，構成相對隔水底板.模型的范圍以試驗區(qū)為中心向四周外擴大1.2 km，通過模型試算，在5 m抽水降深時，3個水平井水位降幅小于1 cm，忽略不計，視為無窮遠邊界，其余邊界均定為隔水邊界.源匯項根據(jù)試驗區(qū)水文氣象環(huán)境設定.根據(jù)上述水文地質(zhì)條件，計算區(qū)地下水數(shù)學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為潛水含水層導水系數(shù),m2/d；T2為承壓水含水層導水系數(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，降水-氣象環(huán)境及灌溉環(huán)境下的綜合補給強度,m/d.采用Visual Modflow系統(tǒng)對水平井工程排水效果進行分析模擬，有效計算范圍為矩形，長為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，試驗區(qū)采用加密剖分，間距10 m，其鄰近部分用25 m格距過渡.

2.3 土壤水分特征參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場原位測試和室內(nèi)試驗的數(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模型可以對水分特征參數(shù)進行預測，同時根據(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)試驗及野外試驗獲取的數(shù)據(jù)進行修正.結合土壤水分參數(shù)經(jīng)驗值，構建了土壤水分參數(shù)數(shù)據(jù)庫(見表2).

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

對耦合模型進行識別和檢驗，計算地下水位等值線與實際觀測地下水等值線的年內(nèi)變化趨勢進行分析，用地下水位的擬合均方差小于允許誤差作為數(shù)值解收斂的判別標準.地下水流場擬合精度以模擬區(qū)地下水最高水位和最低水位差作為參照，擬合誤差δ≤10%，水位模擬動態(tài)和實際動態(tài)基本相似，水位變幅誤差Δ≤10%，因此模型基本可靠.

3 結果與分析

3.1 模擬情景設置

試驗區(qū)設置2種情景進行模擬，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度設為0.40、持續(xù)排水0.30、斷續(xù)排水0.75，單位為m3/(d·m).不同排水強度的單井控制范圍各異，水平井兩側地下水位降幅大于2 m(見表3)，說明天然氣象環(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，對比持續(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定為每年3月、5月、10月進行排水.

典型灌溉情景下，水平排水井排水強度設為0.54、持續(xù)排水0.45、斷續(xù)排水0.90，單位為m3/(d·m).不同排水強度情況下單井控制范圍不同，水平井兩側地下水位降幅達2 m以上(見表3)，對比天然氣象環(huán)境，單排水平井控制范圍呈減小趨勢.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，對天然氣象條件、典型灌溉的排水過程分別進行模擬分析，天然氣象情景和典型灌溉條件下，預測分析試驗區(qū)水位疏干至穩(wěn)定后地下水位變化過程，計算平水期地下水位埋深等值線，如圖2所示.

圖2 試驗區(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表明在排水強度為0.3 m3/(d·m)持續(xù)排水條件下，3個月后在排水井周圍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，抽水基本達穩(wěn)定時，從圖2b和觀測孔數(shù)據(jù)看出，排水強度為0.4 m3/(d·m)時，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500 m處地下水水位從初始值降至0.45 m.

由流場疊加原理可知，若平行布置排水的水平井，水位降深疊加后大于0.8 m，水平排水井兩側有效控制范圍相對較大，單井有效控制的范圍可達到1 000 m.試驗區(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.由模擬計算結果可知，當?shù)叵滤宦裆钶^小時，降水季節(jié)變化嚴重影響降水入滲補給量；當?shù)叵滤宦裆钶^大時，隨包氣帶厚度增加，降水入滲補給強度與降水季節(jié)密切相關，補給量峰值稍有延遲和滯后；當?shù)叵滤宦裆钶^大時，在包括豐平枯的水文年內(nèi)大氣降水入滲補給強度大小和時間弱相關，年降水量平均分配在各個不同時間段.地下水位埋深較小時，包氣帶厚度較小，季節(jié)變化對地下水綜合補給強度影響明顯，若地下水位埋深達6 m以上，各季節(jié)時段地下水綜合補給強度基本達到極值.即可認為當?shù)叵滤宦裆钶^大時，通過厚層非飽和帶降水入滲補給基本穩(wěn)定，因此研究地下水流問題時常用入滲系數(shù)概化降水入滲過程.天然氣象情景和典型灌溉情景2種環(huán)境下，在持續(xù)排水時試驗區(qū)潛水位大幅度下降，形成以試驗區(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，針對天然氣象條件、典型灌溉情景、斷續(xù)排水過程分別進行模擬計算.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個水平排水井不同排水時段計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，藍色細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，藍色細實線表示承壓含水層地下水位埋深線.

圖3 試驗區(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合理排水模式，尤其是在蒸發(fā)強烈季節(jié)和容易返鹽時段，有效控制潛水含水層地下水位，試驗區(qū)因地下水位埋深小而導致返鹽的現(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)和返鹽時段，設定每年排水時段為3月、5月、10月，其余月份不排水，通過模擬計算得到，疏干穩(wěn)定后天然氣象情景條件下，水平井排水強度為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，試驗區(qū)潛水蒸發(fā)和大氣降水入滲補給影響不明顯，數(shù)值基本相等，因此選擇潛水蒸發(fā)量和降水入滲補給量作為指標量，在試驗區(qū)排水水平井斷續(xù)排水后，劃分不同區(qū)域?qū)撍舭l(fā)量與降水入滲補給量比值分別進行統(tǒng)計，然后進行試驗區(qū)排水影響分區(qū)，如圖4所示.

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

試驗區(qū)排水后地下水位下降，影響毛細水上升高度，減小潛水蒸發(fā)量約占大氣降水入滲補給量10%，改變土壤包氣帶水分運動形式，有效改善土壤的水鹽狀況；強烈影響區(qū)，地下水位下降幅度大，潛水蒸發(fā)占大氣降水入滲補給量30%左右，其影響范圍大小為4倍試驗區(qū)面積；明顯影響區(qū)，包氣帶土壤水毛細水上升高度受影響，因為其與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給量50%，其影響范圍大小為3倍試驗區(qū)面積.由此可推測試驗區(qū)進行斷續(xù)排水，以試驗區(qū)為中心，面積為8倍試驗區(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移，淺部潛水含水層水位呈現(xiàn)下降趨勢，甚至小于臨界水位，有效控制毛細水上升高度，避免土壤返鹽.

4 結 論

1) 通過野外和室內(nèi)試驗確定土壤水分特征參數(shù)，利用Hydrus軟件建立試驗區(qū)飽和-非飽和帶土壤水分運移剖面數(shù)值模型.對試驗區(qū)局部范圍土壤水分運移過程進行分析，考慮試驗區(qū)地層巖性、氣象水文、灌溉排水條件，分析確定了不同時段地下水綜合補給強度-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價和大氣降水入滲補給系數(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，單個水平井能夠控制800 m范圍，斷續(xù)排水條件下，單個水平井能夠控制200 m范圍；在典型灌溉持續(xù)排水條件下，單個水平井能夠控制500 m范圍，斷續(xù)排水條件下，單個水平井能夠控制100 m范圍.平行布置水平井時，每條水平排水井的控制范圍會疊加增大.單個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度大小呈正相關.

3) 水平井適宜滲透性小的土層結構，且排水效果明顯.水平井具有一定埋深，大強度排水時地下水調(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，同時排水量可以用作鹽堿土改良淋濾洗鹽的補充水源.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用前景.