劉璐瑤，張金龍，張 凱，賈 林，張 迪，聶阿秀

(1.天津泰達鹽堿地綠化研究中心有限公司，天津 300450；2.天津泰達綠化集團有限公司，天津 300450)

土壤鹽漬化已經(jīng)成為嚴重的全球性環(huán)境問題[1-2]，尤其在中國北方沿海地區(qū)，受土壤質(zhì)地與區(qū)域環(huán)境的雙重影響，土壤母質(zhì)含鹽量高、物理性質(zhì)差，加之沿海地區(qū)地下水埋深淺、礦化度高，低降雨高蒸發(fā)，土壤鹽堿化問題十分嚴重[3-5]。近年來，排水暗管技術(shù)在鹽堿地的治理方面得到了廣泛應用[6-7]。鹽堿地的改良效果取決于暗管的布設(shè)參數(shù)，因此確定合理的暗管布設(shè)參數(shù)對鹽堿地的改良效果、水資源的利用以及對工程成本控制至關(guān)重要[8-10]。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，美國鹽堿地實驗室(U.S.Salinity Laboratory)研發(fā)了CHAIN 2D、STANMOD、SWMS-3D、HYDRUS等一系列模型用以模擬飽和-非飽和多孔介質(zhì)中水分、溶質(zhì)及能量運移[11-13]。其中HYDRUS模型以模擬范圍廣、精度高被廣泛應用于水鹽運移的模擬研究[14]。李亮等[15]利用野外實測資料驗證了HYDRUS模型在模擬土壤水分與鹽分空間運移時具有較高的精度，并確定了鹽分積累和土壤水分運移規(guī)律。Shaygan等[16]利用有機和無機改良劑改良了河套灌區(qū)鹽堿地，并驗證了HYDRUS可以準確模擬添加改良劑后土體的水鹽運移規(guī)律。Selim等[17]采用HYDRUS模型研究了在微咸水滴灌條件下，初始土壤含水量和灌溉方式對土壤水鹽運移的影響。Karandish等[18]通過試驗數(shù)據(jù)校準和驗證了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。Wang等[19]在HYDRUS和EPIC模型的基礎(chǔ)上建立了耦合模型，運用耦合模型研究了鹽脅迫對蒸發(fā)量、蒸騰量、籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的影響。李顯溦等[20-21]利用HYDRUS建立了暗管排鹽數(shù)值模擬模型，并利用田間試驗數(shù)據(jù)驗證了模型可以較好地模擬暗管排水、排鹽過程。

眾多學者都利用HYDRUS模擬了不同條件下的土壤水鹽運移，形成了諸多成果。但是針對中國北方沿海鹽堿地區(qū)暗管布設(shè)參數(shù)對土壤水鹽運移的影響研究還相對較少，暗管布設(shè)參數(shù)包括間距和埋深2個重要參數(shù)，不同參數(shù)組合下土壤的淋洗排鹽有所差異，因此，本文通過利用現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合，研究了排水暗管布設(shè)參數(shù)對水鹽運移的影響，為確定合理的暗管布設(shè)參數(shù)墊定了理論基礎(chǔ)。

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)位于天津濱海新區(qū)臨港經(jīng)濟區(qū)內(nèi)，地處海河入?？谀蟼?cè)的灘涂淺海區(qū)上。試驗區(qū)位置為北緯38°55′10″、東經(jīng)117°42′24″(圖1)，暖溫帶半濕潤大陸季風性氣候，年平均降水量為522.2 mm，年平均蒸發(fā)量為2 070.2 mm，蒸降比3.96，夏季降水量約占全年降水量的80%[22-23]。試驗區(qū)由濱海潮灘鹽土經(jīng)吹填而成，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，試驗區(qū)地下水埋深1.8 m。

圖1 試驗區(qū)地理位置

1.1.2試驗簡介

試驗區(qū)總面積4 500 m2，區(qū)域內(nèi)共設(shè)3個小區(qū)。小區(qū)1布設(shè)13根排水暗管，參數(shù)為H120、L300(H與L分別表示埋深與間距，右下角數(shù)值代表埋深與間距數(shù)值，單位cm)，坡降2‰；小區(qū)2布設(shè)7根排水暗管，參數(shù)為H120、L300，坡降2‰；小區(qū)3布設(shè)5根排水暗管，參數(shù)為H120、L900，坡降2‰。排水暗管采用管徑6 cm的帶孔PVC波紋管。集水管采用管徑20 cm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15 cm，防止淋洗水發(fā)生地表徑流。試驗區(qū)平面布置見圖2。

圖2 試驗區(qū)平面布置

淋洗水采用當?shù)刂兴涞V化度為1 700 mg/L，灌水端安裝流量計進行灌水量統(tǒng)計與控制。試驗期為2010年6月1日至8月31日，灌水分三階段進行，灌水日期分別為2010年6月1—7日、7月1—12日、8月1—9日，三階段灌水強度分別為4.314、3.316、3.940 cm/d。

1.1.3土壤取樣與物理參數(shù)確定

2010年5月20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3個重復的隨機取樣。2010年8月31日進行第二次取樣，確定試驗結(jié)果，取樣點見圖1。取樣利用土鉆進行，單次取樣深度20 cm。

土壤粒徑采用激光粒度分析儀(LS230型激光粒度儀，美國貝克曼庫爾特公司)測定；土壤容重利用環(huán)刀法測定；土壤含鹽量由電導率法測得數(shù)據(jù)按照式(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見表1，土壤物理參數(shù)見表2。

(1)

表1 試驗區(qū)初始含水率與含鹽量數(shù)據(jù)

表2 試驗區(qū)土壤物理參數(shù)

式中Q——土壤含鹽量，g/kg；EC——土壤電導率，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)量守恒定律及達西定律為基礎(chǔ)，認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、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[24-25]：

(2)

式中x——橫向坐標；z——垂向坐標，規(guī)定z向下為正；θ——土壤含水率，cm3/cm3；φ——基質(zhì)勢，cm；t——入滲時間，min；K(θ)——非飽和導水率，cm/min。

對于式(1)中的θ、φ與K(θ)的求解使用van Genuchten-Mualem方程[24-26]：

(3)

(4)

(5)

式中θr——殘余含水率，cm3/cm3；θs——飽和含水率，cm3/cm3；α、n和m——經(jīng)驗參數(shù)，m=1-1/n，n>1；Ks——飽和導水率，cm/min；Se——有效飽和度。

1.2.2土壤溶質(zhì)運移模型

溶質(zhì)運移采用標準對流彌散方程[24-25]：

(6)

式中i、j——x、z軸坐標；C——溶液濃度，g/cm3；Dij——水動力彌散系數(shù)，cm2/min；qi——水流流速，cm/min。

1.2.3定解條件

土壤水分運動方程的初始條件：

θ(x,z,t)=θ0(x,z),t=0

(7)

式中θ0(x，z)——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：

C(z,0)=C0(z)，0≤z≤Z

(8)

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

水分邊界條件見圖3，上邊界為隨時間變化邊界，淋洗時為變水頭邊界，其余時刻為大氣邊界，蒸發(fā)和降雨量見圖4，由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載獲得；左右邊界正負通量近似相等，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150 cm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[8,27-28]。溶質(zhì)邊界條件為第三類邊界條件。

圖3 水分邊界條件

圖4 降雨-蒸發(fā)曲線

1.2.4模型率定與驗證方法

土壤水力特性參數(shù)由HYDRUS-2D中內(nèi)嵌的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算工具根據(jù)測量的土壤的容重和粒徑分布來計算。選取中間參數(shù)小區(qū)2的暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L600)試驗數(shù)據(jù)用于模型的率定，通過PEST的多目標校正法將實測值與模擬值進行對比，當模擬值與實測值接近時，取率定參數(shù)值作為模型最終的參數(shù)值。選取小區(qū)1暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L300)與小區(qū)3暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L900)用于模型的驗證，采用均方根誤差(RMSE)、決定系數(shù)(R2)和納什效率系數(shù)(NSE)對模型精度進行評價[8,29]。

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，共92 d。利用小區(qū)2的暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L600)試驗含水率與含鹽量數(shù)據(jù)率定后的模型參數(shù)見表3。將率定后的參數(shù)用于小區(qū)1暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L300)與小區(qū)3暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L900)的數(shù)值模擬，模型驗證結(jié)果見圖5、6。

表3 模型參數(shù)

由圖5、6可知，土壤含水率R2在0.843 0～0.957 6之間，NSE為0.546 3～0.788 2，RMSE為0.006 8～0.020 4 cm3/cm3；土壤含鹽量R2為0.956 7～0.985 0，NSE為0.642 8～0.932 8，RMSE為0.725 5～1.246 3 g/kg?？梢?，模型模擬的結(jié)果與實測值較為吻合，采用數(shù)值模擬進行暗管布設(shè)下水鹽運移的模擬是可靠的。

a)距離暗管0 cm土壤含水率

a)距離暗管0 cm土壤含水率

2.2 模型應用

2.2.1模擬暗管參數(shù)選取

參照中華人民共和國土地管理行業(yè)標準結(jié)合文獻研究成果與工程實踐經(jīng)驗確定了12種模擬情景，具體模擬情景與暗管布設(shè)參數(shù)對應情況見表4。

表4 模擬情景與暗管布設(shè)參數(shù)情況對照

2.2.2暗管布設(shè)對土壤剖面水鹽運移的影響

模擬時段末土壤剖面的水鹽分布情況可以直觀地反映出不同暗管布設(shè)下水鹽運移的結(jié)果，距離暗管L/2的剖面為暗管控制區(qū)域排水和排鹽效果最差的剖面，該剖面可以反映出整個區(qū)域的脫鹽下限，因此選擇距離暗管L/2的剖面分析不同暗管布設(shè)下水鹽運移的結(jié)果。圖7為土壤剖面含水率，圖8為土壤剖面含鹽量，圖8a—8d表示暗管深度固定時不同間距的土壤含鹽量，圖8e—8g表示暗管間距固定時不同埋深的土壤含鹽量。

a)H80含水率

a)H80含鹽量

由圖7可知，當暗管埋深為80 cm時A1、B1、C1模擬情景的土壤剖面整體含水率分布情況基本相同，表明暗管埋深為80 cm時暗管的間距對土壤剖面整體含水率的分布幾乎不產(chǎn)生影響；H100時土壤剖面整體含水率有θA2=θB2<θC2，表明暗管埋深為100 cm時，間距超過一定值后土壤含水率會隨間距的增大而增大；H120時土壤剖面整體含水率有θC3>θB3>θA3，表明暗管埋深為120 cm時暗管的間距越大土壤含水率越高。當暗管間距為300、600 cm時，土壤剖面整體含水率有θA1>θA2>θA3>θA4，表明暗管間距為300、600 cm時含水率隨深度增加而降低；當暗管L900時土壤剖面整體含水率有θC2>θC1>θC3>θC4，表明暗管間距為900 cm時100 cm暗管埋深含水率最高，暗管埋深增大或減小含水率都會降低。12種暗管模擬情景中C2模擬情景土壤剖面整體含水量最高，土壤表層至底層含水率為0.350 8～0.407 1 cm3/cm3，A4模擬情景含水率最低，土壤表層至底層含水率為0.326 4～0.407 1 cm3/cm3。

由圖8可知，當暗管埋深固定時土壤含鹽量隨暗管間距增加而增加，暗管埋深越大間距的變化對土壤含鹽量的影響減弱。當暗管間距固定時土壤含鹽量隨暗管埋深的增加而降低，暗管L900時，H對土壤含鹽量的影響顯著增加。12種暗管模擬情景土壤剖面含鹽量區(qū)間分別為0.61～7.95 g/kg(A1)、1.25～7.81 g/kg(B1)、3.37～7.84 g/kg(C1)、0.55～7.95 g/kg(A2)、0.86～7.94 g/kg(B2)、2.21～7.95 g/kg(C2)、0.51～7.93 g/kg(A3)、0.70～7.93 g/kg(B3)、1.37～7.93 g/kg(C3)、0.47～7.81 g/kg(A4)、0.60～7.81 g/kg(B4)、0.96～7.81 g/kg(C4)，其中A4模擬情景的土壤剖面含鹽量最低，其變化區(qū)間值為0.47～7.81 g/kg，C1模擬情景的土壤剖面含鹽量最高，其變化區(qū)間值為3.44～7.81 g/kg。

3 討論

在不同暗管埋深和間距的組合下，水鹽運移的結(jié)果差異較大，通過分析距離暗管L/2剖面的水鹽運移結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模擬時段末土壤剖面含水率都呈現(xiàn)由表層至底層逐漸增大現(xiàn)象，剖面含鹽量呈現(xiàn)自上而下先減小再增大的規(guī)律，分析原因為在淋洗作用下，土壤含水率整體增加，鹽分隨淋洗水向下遷移，之后在蒸發(fā)作用下，土壤表層含水率快速下降，鹽分出現(xiàn)表聚現(xiàn)象。暗管埋深相同時，間距越大土壤剖面含水率越大，其原因為暗管L越大暗管控制范圍越大，淋洗時排走水分所需時間更多，時間相同的情況下暗管L越大土壤水分殘留也就更多；當暗管H越小時L改變對土壤剖面含水率的影響越小，其原因為暗管H減小，暗管控制范圍減小，暗管對距暗管最遠端土壤剖面影響減小。暗管H相同時L越大土壤剖面含鹽量越高，說明減小暗管L利于土壤鹽分淋洗，暗管L相同時H越大土壤剖面含鹽量越低，說明加大暗管H有利于土壤鹽分淋洗。12種暗管模擬情景中C2模擬情景土壤剖面含水率最高，由表層到底層為0.350 8～0.407 1 cm3/cm3，A4模擬情景土壤剖面含鹽量最低，含鹽量區(qū)間為0.47～7.81 g/kg。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)率定并驗證了HYDRUS-2D模型表明該模型模擬暗管布設(shè)下土壤水鹽運移是可靠的。利用驗證后的模型探究了多種暗管布設(shè)參數(shù)下土壤水鹽運移的結(jié)果，表明暗管L越大，可以保證模擬時段末土壤具有較高的土壤含水率，但其含鹽量也相對較高，減小暗管L可以提高淋洗效果，降低土壤含鹽量。暗管H越大，土壤淋洗效果越好，但模擬時段末土壤含水率也相對較低。從淋洗改良鹽堿地和水資源高效利用的角度，在暗管H固定時，建議暗管L不宜過大，通過對12種暗管布設(shè)參數(shù)進行模擬，確定12種模擬情景中排鹽效果最好的是A4(H140，L300)模擬情景。