陳 瑾，羅 紈，賈忠華，張 裕，賀園春

（揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009）

圍墾灘涂曾經(jīng)是我國沿海地區(qū)重要的后備土地資源，對(duì)于農(nóng)、牧、漁業(yè)發(fā)展具有重要意義［1，2］。由于新圍墾灘涂區(qū)土壤含鹽量高、滲透性差［3］，自然脫鹽過程十分緩慢［4］。江蘇省是我國灘涂圍墾的主要區(qū)域之一，其中鹽城市的圍墾面積最大，總量占全省總圍墾面積的70%［5］。雖然目前已經(jīng)基本停止了圍墾工作，但是江蘇省現(xiàn)存墾區(qū)面積約50 萬hm2，其中未進(jìn)行改造的面積占比仍然很大，土壤改良任務(wù)艱巨。目前，針對(duì)沿海灘涂圍墾區(qū)土壤鹽分變化的研究已有不少，但是由于自然條件以及人工措施的差異，得到的結(jié)果規(guī)律性較差、缺乏系統(tǒng)性地整理。李鵬［6］等在江蘇如東縣東凌墾區(qū)的研究顯示，在圍墾20年和50年后，土壤含鹽量都在1 g/kg 以下，已處于臨界輕度鹽化的狀態(tài)；而在江蘇省大豐市圍墾時(shí)間為9年的研究區(qū)內(nèi)，鹽分含量最小僅為0.095 g/kg，最大可達(dá)到8.11 g/kg，差別很大［7，8］。張建兵等［9］在東臺(tái)市黃海原種場測得土壤平均含鹽量差別不大，介于1.27～1.98 g/kg間，但是在土壤剖面上差別很大。造成上述現(xiàn)象的原因主要是圍墾后的排水系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行不規(guī)范，再加上土壤特性空間變異性大［10-12］，導(dǎo)致土壤脫鹽過程存在較大差異。

本文利用在國內(nèi)外廣泛認(rèn)可的農(nóng)田排水模型-DRAINMOD［20-23］，以江蘇省典型灘涂圍墾地區(qū)東臺(tái)市弶港鎮(zhèn)為例，針對(duì)濕潤區(qū)鹽分運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在田間水文過程模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了土壤鹽分淋洗模型，利用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型驗(yàn)證后，針對(duì)研究區(qū)典型土壤，模擬了不同暗管排水布置條件下農(nóng)田排水及鹽分的變化過程，分析了研究區(qū)降雨淋洗作用下土壤脫鹽效果及影響因素，以期為沿海墾區(qū)土壤鹽漬化治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)收集

研究區(qū)為江蘇省大豐市到如東縣的沿海墾區(qū)范圍。根據(jù)江蘇省土壤志，墾區(qū)土壤多為沖積鹽土類，潮鹽土亞類，土壤成中度鹽漬化狀態(tài)。為了評(píng)價(jià)目前圍墾區(qū)的脫鹽情況，本文收集了14項(xiàng)在沿海墾區(qū)進(jìn)行的研究成果，整理得到了土壤含鹽量隨圍墾年份變化的情況［6-8，11，24-33］。研究區(qū)地處北亞熱帶暖濕季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤，日照充足。

為了驗(yàn)證模型模擬的可靠性，在位于江蘇省東臺(tái)市弶港鎮(zhèn)的江蘇省水利科學(xué)研究院沿海試驗(yàn)基地觀測了暗管排水農(nóng)田地下水位在自然降雨過程影響下的動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，測定了站內(nèi)氣象參數(shù)，以及土壤的理化特性。在比較模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果一致性的基礎(chǔ)上，利用江蘇省東臺(tái)市長序列氣象數(shù)據(jù)，預(yù)測了不同排水條件下的土壤脫鹽過程。本文采用的長期氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心公布的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（江蘇省東臺(tái)市1953-2014年），氣象臺(tái)站的地理位置為北緯32°33'～32°57'，東經(jīng)120°07'～120°53'。多年平均降水量為1 043.2 mm，最高年降水量為1991年的1 977.4 mm，最低年降水量為1978年的446.3 mm，雨量多集中于6-9月。

圖1 研究區(qū)地理位置及鹽分?jǐn)?shù)據(jù)來源地圖［6-8，11，24-34］Fig.1 Map of the study area location and the reported soil salinity data sources［6-8，11，24-34］

1.2 DRAINMOD模型原理及鹽分動(dòng)態(tài)預(yù)測模型

DRAINMOD 模型是由美國自然資源保護(hù)局推薦的田間水文模型［35］。它根據(jù)輸入的氣象以及灌排系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，逐日、逐時(shí)計(jì)算農(nóng)田地表、地下水量平衡過程。模型輸出的田間水量平衡項(xiàng)包括入滲、蒸發(fā)蒸騰、地下排水和地表徑流量，以及田間地下水埋深等日值。在Δt時(shí)段內(nèi)，農(nóng)田土壤剖面水量平衡方程［35］為：

式中：ΔV為土壤水分變化量，cm；D為側(cè)向排水量，cm；ET為蒸發(fā)蒸騰量，cm；DS為深層滲漏量，cm；F為入滲量，cm。

地表水量平衡方程［35］可表示為：

式中：Pr為降雨量，cm；I為灌溉水量，cm；F為入滲量，cm；ΔS為地表的儲(chǔ)水量變化，cm；R為地表徑流量，cm。

除暗管埋深與間距以外，農(nóng)田地表平整度也是影響農(nóng)田排水水文過程的重要因素。在DRAINMOD 模型中體現(xiàn)為農(nóng)田局部積水深度Si與總體平均蓄水深度Sm兩個(gè)地表排水參數(shù)。當(dāng)?shù)乇砼潘畻l件為優(yōu)、良、差時(shí)，Sm取值分別為3、2、1 cm，Si則取值為Sm的1/2～1/3。表1 列出了DRAINMOD 模型主要輸入?yún)?shù)：其中部分土壤參數(shù)來自于土壤實(shí)測數(shù)據(jù)，部分參考了《江蘇土壤》［36］中研究區(qū)土壤特性，整理得到土壤水分特征曲線、排水特性等土壤參數(shù)。

牙體病作為牙科常見疾病，指的是牙齒硬組織發(fā)生疾病，主要包括根尖牙周病、齲齒等。牙髓病顧名思義指的是牙髓組織發(fā)生疾病，主要包括牙髓退變、牙髓壞死以及炎癥等。牙體牙髓病的臨床癥狀主要為牙齒劇烈疼痛、斷牙以及牙洞，嚴(yán)重情況下還會(huì)產(chǎn)生牙周潰爛、牙齒出血等情況，對(duì)患者的生活質(zhì)量造成了嚴(yán)重的影響。牙體牙髓病的臨床治療方式為根管治療，不僅能夠有效提高牙體牙髓病的治療效果，同時(shí)能夠減少感染[1-2]。此次研究選取了我院收治的86例牙體牙髓病患者，均分為兩組后，分別實(shí)施一次性根管治療和多次法根管治療，對(duì)比其治療效果，具體報(bào)告如下。

DRAINMOD 模型5.0版本中增加了土壤鹽分隨排水輸出的預(yù)測模塊，但未能得到充分驗(yàn)證；模型后期升級(jí)版本中存在的技術(shù)問題，致使現(xiàn)有6.1 版本中因輸入?yún)?shù)不全而無法正確使用。因此，本文在DRAINMOD模型田間水量平衡計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上構(gòu)建了農(nóng)田土壤剖面鹽分動(dòng)態(tài)模型。首先，作物根區(qū)土壤的水分平衡可表述為：

式中：θsat為飽和土壤剖面含水率；zw，zmax分別為地下水位（飽和區(qū)）和根區(qū)深度，cm；θ(z)為土壤剖面深度z處的含水率；W為根區(qū)土壤含水量，cm3。

如果土壤剖面的鹽分初始濃度為c，剖面總鹽量為：

在忽略降水中所攜帶的鹽分情況下，只考慮灌溉水中的鹽分以及地下水中的鹽分輸入，在一個(gè)較小的時(shí)段內(nèi)（Δt），排水鹽分濃度變化很小，則在該時(shí)段內(nèi)剖面鹽分變化可以表示為：

式中：s為剖面鹽分含量，g；Q為單位時(shí)段內(nèi)排出土壤的水流量，m3/s；Qin為單位時(shí)段內(nèi)進(jìn)入土壤的水流量，m3/s；cin為Δt時(shí)段內(nèi)進(jìn)入土壤中鹽分濃度，g/kg；Qgw為單位時(shí)段內(nèi)作物利用地下水流量，m3/s；cgw為Δt時(shí)段內(nèi)作物利用地下水鹽分濃度，g/kg。

在時(shí)段末，剖面的地下水位變動(dòng)到z'wt，此時(shí)的剖面水量為：

則在時(shí)段末，剖面平均鹽分濃度可以表示為：

式（7）中的c'將作為下一個(gè)時(shí)段的初始濃度。依照上述計(jì)算步驟，可逐時(shí)段地根據(jù)每日排水過程和地下水的變化情況，預(yù)測土壤鹽分的變化。根據(jù)已有研究［10］，東臺(tái)地區(qū)新墾土地的土壤含鹽量約為11.9 g/kg，本文將該值作為灘涂鹽漬土改良的初始鹽分濃度。

本文根據(jù)研究區(qū)長序列日氣象數(shù)據(jù)以及土壤水力特性，利用DRAINMOD 模型模擬不同暗管排水系統(tǒng)布置，得到農(nóng)田排水過程隨自然降雨的變化規(guī)律，根據(jù)輸出結(jié)果中的逐日水平衡項(xiàng)，利用上述鹽分平衡模型，計(jì)算了土壤鹽分的變化過程。模型主要輸入?yún)?shù)列于表1。

表1 DRAINMOD模型主要輸入?yún)?shù)Tab.1 The main input parameters for DRAINMOD model

2 結(jié)果分析與討論

2.1 模型的率定及驗(yàn)證

采用2020年4月20日-7月24日于東臺(tái)市弶港鎮(zhèn)江蘇省水利科學(xué)研究院沿海試驗(yàn)基地的實(shí)際地下水位資料與模型模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)DRAINMOD模型進(jìn)行率定。根據(jù)研究區(qū)暗管排水系統(tǒng)布置現(xiàn)狀，在地表較為平整的條件下暗管埋深設(shè)置為0.8 m，暗管間距為8.9 m，利用DRAINMOD 模擬該時(shí)段內(nèi)的地下水位逐日變化情況，繪制圖2。采用4 種統(tǒng)計(jì)參數(shù)衡量模型模擬的實(shí)際效果：均方根誤差與標(biāo)準(zhǔn)差比值（RSR）；百分比偏差（PBIAS）；Nash-Sutcliffe模型效率系數(shù)（NSE）；相關(guān)系數(shù)（r）［37］。

圖2 DRAINMOD模型率定的地下水位模擬值與實(shí)測值對(duì)比圖Fig.2 A comparison between the simulated and measured value of the groundwater level fixed by DRAINMOD

式中：Oi為觀測值；Pi為預(yù)測值是所有觀測值的平均值；n是總數(shù)。模擬結(jié)果顯示PBIAS= 3.81%，在±25%之內(nèi)、RSR=0.41＜0.7、NSE=0.83＞0.65、相關(guān)系數(shù)為0.92，表明采用這種參數(shù)下模型模擬與實(shí)測值的誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，模擬效果好。

另外，本文根據(jù)張華［34］等于2013-2014年在該研究區(qū)進(jìn)行的暗管排鹽試驗(yàn)的研究結(jié)果進(jìn)行模型驗(yàn)證。該試驗(yàn)中的暗管埋深為0.9 m，間距為17 m。在2013年5月1日-10月31日期間，測得的土壤剖面平均鹽分濃度約下降31.28%；而2014年5月1日-10月31日間由于雨量較大（807.8 mm），脫鹽率達(dá)到47.63%。兩年的平均脫鹽率為39.45%。圖3 模擬了研究區(qū)在這兩個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)土壤鹽分變化情況，結(jié)果顯示2013年脫鹽率為19.09%，2014年為61.42%，平均脫鹽率為40.25%，試驗(yàn)期內(nèi)平均脫鹽率的模擬誤差為0.8%，表明模型精度較高，可以用來預(yù)測研究區(qū)土壤鹽分的長期變化。

圖3 研究區(qū)2013-2014年土壤含鹽量的實(shí)測值與模擬值Fig.3 Measured and simulated values of soil salinity in the study area in 2013-2014

2.2 預(yù)測不同暗管間距與埋深下土壤的脫鹽過程

圖4顯示模擬值以及文獻(xiàn)中報(bào)告的沿海墾區(qū)土壤含鹽量隨圍墾年份的變化值［6-8，11，24-33］。模擬結(jié)果依據(jù)東臺(tái)市1953-2014年的逐日氣象數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了當(dāng)排水埋深為1.2 m 時(shí)，土壤鹽分在排水良好（間距為20 m）和排水不暢（間距為200 m）情況下隨時(shí)間的變化過程。雖然文獻(xiàn)中對(duì)于排水系統(tǒng)的布置大都沒有詳細(xì)、定量的說明，但從圖4 中數(shù)據(jù)的分布來看，除點(diǎn)2 以外，實(shí)測鹽分?jǐn)?shù)據(jù)采集點(diǎn)分布于排水不暢和排水良好地段之間，大部分的監(jiān)測點(diǎn)（占總數(shù)的78%）位于排水良好地帶。這主要是由于江蘇沿海墾區(qū)一般建設(shè)有農(nóng)田排水設(shè)施，在降雨淋洗作用下，土壤逐漸脫鹽［24，25］。

圖4 研究區(qū)土壤鹽分變化預(yù)測值與實(shí)測值對(duì)比（d為暗管埋深，s為暗管間距）［6-8，11，24-33］Fig.4 Predicted and measured soil salinity change with time in the study area（d for drain depth，s for drain spacing）［6-8，11，24-33］

圖4 中的模擬結(jié)果包括暗管埋深為1.2 m 且地表平整的條件下，不同暗管間距對(duì)土壤含鹽量的影響；當(dāng)排水間距為20 m時(shí)，土壤鹽分在1～2 a 內(nèi)下降到了初始值的55.5%，5 a 內(nèi)降到初始值的19.3%；而在排水不暢的情況下（間距為200 m），鹽分變化過程則十分遲緩，5 a 內(nèi)僅下降到初始值的94.1%。表2 列出了依據(jù)中國土壤鹽漬化分類標(biāo)準(zhǔn)，不同暗管排水條件下土壤脫鹽所需年數(shù)的模擬結(jié)果?？梢姡?dāng)暗管排水條件良好時(shí)，在天然降雨的淋洗作用下，土壤鹽分可在10 a 內(nèi)穩(wěn)定下降到1 g/kg左右，基本實(shí)現(xiàn)脫鹽；而在排水設(shè)施不完善的情況下，經(jīng)過10 a后土壤含鹽量才能降到重度之下；當(dāng)排水間距大于150 m時(shí)，土壤鹽分變化很小。這說明，在天然排水不暢，且無人工排水干預(yù)的情況下，土壤中的鹽分難以排出，無法實(shí)現(xiàn)脫鹽目標(biāo)。因此，建設(shè)人工排水系統(tǒng)是保證沿海墾區(qū)農(nóng)田土壤免受土壤鹽漬化危害的必要措施。

表2 研究區(qū)土壤在不同暗管間距條件下降至不同鹽漬化等級(jí)所需的年數(shù)計(jì)算結(jié)果 aTab.2 Calculated number of years required to reach different desalinization levels for different drain spacing in the study area

圖5顯示了暗管埋設(shè)深度對(duì)于土壤脫鹽速率的影響。從長期變化來看，當(dāng)暗管間距為50 m，地表平整度較好的條件下，暗管埋設(shè)深度從0.6 m增加到1.5 m，土壤鹽分均在前期變化明顯，最后趨于穩(wěn)定，但最低值為0.9～3 g/kg不等。在圖5所示的計(jì)算期內(nèi)，排水農(nóng)田的土壤鹽分均呈明顯下降趨勢，尤其是在圍墾之后的前15 a 內(nèi)，鹽分淋洗的效果十分顯著，隨后土壤鹽分在不同氣象條件影響下出現(xiàn)波動(dòng)。這種整體趨勢的形成是由于在鹽漬化土壤改良初期，土壤的鹽分含量較高，排水帶出的鹽分就相應(yīng)較多。以達(dá)到不同鹽分濃度、土壤鹽漬化等級(jí)為目標(biāo)調(diào)整暗管埋設(shè)深度，表3 中的結(jié)果顯示當(dāng)暗管埋深很?。?.6 m）時(shí)，經(jīng)過長時(shí)間淋洗后的最低土壤含鹽量為3 g/kg，只能達(dá)到中度鹽漬化水平；當(dāng)暗管埋深較大（1.5 m）時(shí)，可以在32 a 左右達(dá)到非鹽化土的等級(jí)，但研究區(qū)所在的沿海地區(qū)海拔較低，暗管埋深過大會(huì)造成排水出路困難、工程量大、成本較高、不利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)等問題。當(dāng)選取暗管埋深適中（1.2 m）時(shí)，土壤鹽分含量最終趨于穩(wěn)定后可達(dá)1.4 g/kg，既在當(dāng)?shù)刈魑锬望}范圍之內(nèi)，又可以顧及工程成本，是建設(shè)排水系統(tǒng)的較好選擇。

圖5 降雨淋洗條件下土壤含鹽量隨暗管埋深的變化（d為暗管埋深）Fig.5 Variation of soil salt content with drainage depth under rainfall leaching（d for drain depth）

表3列出了研究區(qū)土壤在不同暗管埋深條件下降至不同鹽漬化等級(jí)所需的年數(shù)計(jì)算結(jié)果。

表3 研究區(qū)土壤在不同暗管埋深條件下降至不同鹽漬化等級(jí)所需的年數(shù)計(jì)算結(jié)果 aTab.3 Calculated number of years required to reach different desalinization levels for different drain depth in the study area

為了進(jìn)一步描述土壤降到輕度鹽堿化（＜1 g/kg）所需時(shí)間與排水強(qiáng)度（暗管埋深、間距）之間的關(guān)系，建立二元回歸分析模型，從而更好地預(yù)測數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢。本文模擬了研究區(qū)在地表較為平整時(shí)不同暗管埋深和間距條件下的土壤脫鹽年份，現(xiàn)擬合N=f（D、S）關(guān)系函數(shù)，得到二元方程為：式中：N為土壤完成脫鹽（土壤含鹽量降到1 g/kg 以下）至少所需要的年份，a；D為暗管埋深，m；S為暗管間距，m。相關(guān)系數(shù)r=0.97，表明擬合結(jié)果較好。

農(nóng)田土壤鹽分淋洗的有效性取決于地下排水過程，即只有通過暗管排出的水才是淋洗土壤鹽分的有效水量，也只有通過地下排水才能夠有效淋洗土壤中的鹽分。因此，分析不同暗管布置條件下地表排水和地下排水的轉(zhuǎn)化過程可以在很大程度上反映排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于鹽分淋洗效率的影響。

3 結(jié) 論

（1）利用長序列氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用DRAINMOD 水文模型和鹽分淋洗模型可以分析不同暗管排水系統(tǒng)布置情況下農(nóng)田排水洗鹽過程，科學(xué)布設(shè)暗管排水系統(tǒng)可以促進(jìn)土壤中的鹽分快速有效地通過地下水排出，從而改變土壤的鹽分分布；暗管布置間距越小、埋深越大，鹽分淋洗效果越好；得到土壤脫鹽年份和暗管埋深、間距之間的回歸方程為N=11.872-7.385D+0.237S，因此應(yīng)重點(diǎn)考慮暗管埋深為1.0～1.5 m，間距為20～50 m 的暗管布置組合；

（2）在沿海墾區(qū)采用暗管排水措施，合理利用自然降雨即可完成脫鹽任務(wù)。在排水較好（間距為30 m）的情況下，土壤鹽分可以在10 a 內(nèi)降低到1 g/kg，成為非鹽化土；對(duì)于排水不暢（間距為100 m）的情況，則至少需要10 a才能降到重度之下；

（3）在幾乎無排水設(shè)施的情況下，土壤內(nèi)鹽分不僅不會(huì)減少，反而會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸累積。對(duì)于濱海新墾農(nóng)田而言，如果在初期就建設(shè)完善的排水系統(tǒng)，可以提前實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。如需盡快實(shí)現(xiàn)脫鹽目標(biāo)，可以適當(dāng)提高排水強(qiáng)度。沿海墾區(qū)利用暗管排水改良鹽漬土的同時(shí)，還需考慮農(nóng)田除澇降漬要求［38］。由于控鹽對(duì)降低地下水位的要求較高，滿足其設(shè)計(jì)要求的同時(shí)即可滿足其他排水要求。