李彥鑫 ,徐麗 ,齊菲 ,高會(huì) ,于淑會(huì) ,付同剛** ,劉金銅**

(1.中國(guó)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(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022;2.中國(guó)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(guó)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(lái),鹽隨水去”的水鹽運(yùn)移規(guī)律,通過(guò)埋設(shè)暗管影響地下水滲流場(chǎng),改變土壤水鹽運(yùn)移速率和方向,進(jìn)行排水、排鹽和排澇,達(dá)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(guó)外針對(duì)濱海暗管排水已有較多研究進(jìn)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(yùn)移過(guò)程研究[3-7]。我國(guó)對(duì)濱海農(nóng)田暗管排水技術(shù)推廣應(yīng)用時(shí)間較晚,20 世紀(jì)80 年代才逐步開(kāi)始相關(guān)研究。先后在山東省打漁張灌區(qū)[8]、廣東省臺(tái)山縣濱海咸酸稻田[9]、遼寧省盤(pán)錦地區(qū)輕度鹽漬化水稻田[10]、上海市五四農(nóng)場(chǎng)沿海灘涂墾區(qū)[11]、天津市濱海新區(qū)鹽堿土[12]開(kāi)展了暗管改良濱海鹽漬土的相關(guān)研究,積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。劉慧濤等[13]在河北省南大港農(nóng)場(chǎng)開(kāi)展暗管排水條件下土壤水鹽變化的田間試驗(yàn),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(duì)于河北濱海鹽堿區(qū)具有較好的適用性。

然而,基于實(shí)際場(chǎng)地的試驗(yàn)通常需要耗費(fèi)大量的人力物力,試驗(yàn)周期長(zhǎng),數(shù)據(jù)差異性大,研究結(jié)果也主要針對(duì)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(lài)大的特點(diǎn),在進(jìn)行室外試驗(yàn)時(shí),很難針對(duì)性地對(duì)這些影響因素進(jìn)行系統(tǒng)定量試驗(yàn)。因此,有必要通過(guò)建立數(shù)值模型,系統(tǒng)地研究暗管排水下的水鹽運(yùn)移過(guò)程,有針對(duì)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(guó)內(nèi)外已有不少使用數(shù)值模型對(duì)暗管排鹽進(jìn)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(shí)如何對(duì)排水參數(shù)進(jìn)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(jiǎn)寫(xiě)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(guò)求解偏微分方程(單物理場(chǎng))或偏微分方程組(多物理場(chǎng))來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真。針對(duì)不同的具體問(wèn)題,COMSOL 可求解穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)問(wèn)題、線(xiàn)性和非線(xiàn)性分析,以及特征值和模態(tài)等各種數(shù)值分析。與專(zhuān)門(mén)針對(duì)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),可以模擬與實(shí)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(chóng)劑的運(yùn)移模擬,并驗(yàn)證了該軟件對(duì)土壤溶質(zhì)運(yùn)移模擬的適用性;焦會(huì)青等[17]使用COMSOL 較好地模擬了新疆鹽漬土淋洗過(guò)程鹽分離子的運(yùn)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(shí)的土壤水鹽運(yùn)移過(guò)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(yùn)移模型,結(jié)合砂槽模型對(duì)土壤水鹽運(yùn)移進(jìn)行系統(tǒng)研究,分析不同水位條件下農(nóng)田水鹽運(yùn)移特征,揭示了暗管排水措施下水分與鹽分的運(yùn)移規(guī)律。

對(duì)排水工程實(shí)施后地下水滲流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行計(jì)算分析與預(yù)測(cè),能夠從理論上揭示與探明鹽堿地改良過(guò)程水鹽運(yùn)移方面的運(yùn)動(dòng)趨向及規(guī)律。同時(shí),研究地下水滲流場(chǎng),可為暗管埋設(shè)設(shè)計(jì)最佳方案提供理論指導(dǎo),有利于降低工程的經(jīng)濟(jì)成本和控制鹽堿地的返鹽程度。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究的試驗(yàn)農(nóng)田是河北省滄州市南大港農(nóng)場(chǎng)的國(guó)土資源部/中國(guó)科學(xué)院的暗管排鹽試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)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(xiàn)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(shí)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(guò)程具有鮮明的季節(jié)性特點(diǎn)。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(cè)定結(jié)果表明,地下水陽(yáng)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(huì)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(yán)重。

試驗(yàn)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?yàn)閺哪舷虮?集水管走向?yàn)閺奈飨驏|,鋪設(shè)暗管總長(zhǎng)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(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 砂槽模型

參考試驗(yàn)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(yàn)地為模擬對(duì)象,進(jìn)行砂槽物理模型的設(shè)計(jì)與制作。

砂槽物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與水利工程中的水工模型具有相似的原理。在設(shè)計(jì)水工模型時(shí),須使模型與實(shí)際原型保持相似準(zhǔn)則,如:幾何相似準(zhǔn)則、運(yùn)動(dòng)相似準(zhǔn)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(gè)模型具有相似的動(dòng)力,不僅對(duì)模型尺度進(jìn)行還原模擬,還要對(duì)模型的運(yùn)動(dòng)條件進(jìn)行還原。因此,對(duì)滲流場(chǎng)的模擬需要依據(jù)達(dá)西定律進(jìn)行邊界條件的界定。

基于以上模擬準(zhǔn)則,對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行模擬,選取暗管一側(cè)進(jìn)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(jī)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(zhǎng)240 cm、寬20 cm、高70 cm。試驗(yàn)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(jì)、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(bǔ)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(yàn)的核心部位,內(nèi)部填充砂土,長(zhǎng)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(cè)孔,用于布置示蹤孔和鹽分觀測(cè)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(cè)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(yàn)時(shí)擠壓橡膠套釋放染色劑就可以觀察流線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。鹽分?jǐn)?shù)據(jù)由觀測(cè)孔連接DDS–307A 型號(hào)電導(dǎo)率儀測(cè)得。地下水補(bǔ)給水源的模擬供水裝置由調(diào)節(jié)水箱、進(jìn)水開(kāi)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(zhǎng)35 cm、寬20 cm、高60 cm。進(jìn)水開(kāi)關(guān)位于調(diào)節(jié)水箱的一側(cè)。穩(wěn)水箱由厚8 mm 有機(jī)玻璃制成,長(zhǎng)寬高均為25 cm,其中中間有一個(gè)長(zhǎng)25 cm、寬25 cm、高20 cm 的玻璃板,在試驗(yàn)中負(fù)責(zé)穩(wěn)定補(bǔ)給水位的高度,以保證試驗(yàn)中水位條件為定水位條件。地下水補(bǔ)給水源的模擬供水裝置和含水層模擬裝置之間有一個(gè)孔眼過(guò)濾緩沖板。暗管模擬裝置由暗管和控制暗管滲流量的閥門(mén)組成。暗管為長(zhǎng)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(kāi)孔率為1.7%,孔眼長(zhǎng)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(lái)觀測(cè)水位變化的測(cè)壓裝置,試驗(yàn)槽體內(nèi)盛裝60 cm 分選良好的人工石英砂(中細(xì)粒級(jí)),經(jīng)測(cè)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(shí)際情況,參考沈榮開(kāi)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(duì)毛細(xì)水上升的研究,與試驗(yàn)區(qū)土壤物理性質(zhì)最為接近的土體毛細(xì)水上升最大高度為70～90 cm,在試驗(yàn)中設(shè)置不同的初始水位,分別模擬農(nóng)田淹水過(guò)程(補(bǔ)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(guò)對(duì)砂槽施加這3 個(gè)水位條件,模擬暗管在這3 種情況下的水鹽運(yùn)移情況。

對(duì)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(jìn)一步模擬側(cè)向補(bǔ)給水對(duì)農(nóng)田返鹽的影響,驗(yàn)證模型對(duì)鹽漬土水鹽運(yùn)移過(guò)程模擬的可行性,設(shè)置兩組側(cè)向補(bǔ)給水為高濃度咸水時(shí),補(bǔ)給埋設(shè)暗管農(nóng)田的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)中選取試驗(yàn)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(bǔ)給水位為0 cm (位于地表),初始水位為80 cm、側(cè)向補(bǔ)給水位為40 cm 兩組試驗(yàn),模擬補(bǔ)給水位和農(nóng)田初始水位的水位差相同時(shí),側(cè)向補(bǔ)給水位高度對(duì)暗管排水排鹽過(guò)程的影響。

基于以上模擬試驗(yàn)的水位設(shè)定條件,以砂槽土體表面為基準(zhǔn)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(yàn)條件,分別進(jìn)行各條件下的砂槽模型試驗(yàn)。待砂槽模型測(cè)壓板數(shù)據(jù)和暗管滲流量穩(wěn)定后,擠壓浸潤(rùn)水位線(xiàn)以下示蹤孔的橡膠球,釋放染色劑繪制流線(xiàn)。使用相機(jī)拍攝繪制下來(lái)的流線(xiàn),并記錄暗管穩(wěn)定滲流排水時(shí)的滲流速度。在進(jìn)行鹽分模擬試驗(yàn)時(shí),每隔10 min 記錄鹽分觀測(cè)孔數(shù)據(jù),直至鹽分?jǐn)?shù)據(jù)不發(fā)生明顯升高為止。

1.3 模型基本原理

研究運(yùn)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(yùn)動(dòng)的方程,溶質(zhì)運(yùn)移基于Fick 定律的對(duì)流-彌散方程。將兩個(gè)模式耦合在同一物理場(chǎng)中,模擬不同水位條件下的土壤中水分和鹽分運(yùn)移過(guò)程。

水分與鹽分在土壤中入滲的過(guò)程屬于空間三維(3D)運(yùn)動(dòng),由于3D 問(wèn)題極其復(fù)雜,本研究將問(wèn)題簡(jiǎn)化為均質(zhì)、各向同性的水鹽運(yùn)動(dòng)二維問(wèn)題來(lái)模擬。基于砂槽模型和濱海農(nóng)田實(shí)際情況[22],建立高0.6 m、長(zhǎng)2.0 m 的長(zhǎng)方形鹽土土體模型,并在與砂槽的鹽分觀測(cè)點(diǎn)等高位置設(shè)置觀測(cè)面,觀測(cè)模型鹽分濃度變化。

模型中的土壤水分運(yùn)動(dòng)控制方程使用Richards方程[23]表達(dá)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(shì),cm;z為縱坐標(biāo),cm;W為源匯項(xiàng)。

模型的鹽分移動(dòng)過(guò)程采用二維對(duì)流–彌散方程進(jìn)行描述[24]。

式中:c為溶質(zhì)濃度,g?L?1;Dxx為x向擴(kuò)散系數(shù);Dzz為z向擴(kuò)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(kuò)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(duì)土壤水分特征曲線(xiàn)參數(shù)進(jìn)行擬合,土壤水分特性曲線(xiàn)θ(h)可用van Genuchten 模型來(lái)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(xiàn)的形狀參數(shù),m=1?l/n,n>1。

1.4 模型率定及驗(yàn)證

本次模擬共設(shè)置5 種條件的模擬試驗(yàn),為保證模擬精度,使用鹽分模擬的2 組試驗(yàn)用于模型的率定,并將水流模擬的3 組試驗(yàn)用于模型的驗(yàn)證。試驗(yàn)中,對(duì)使用中細(xì)粒石英砂模擬濱海鹽漬土進(jìn)行粒徑測(cè)定,得出其中砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%,粉粒質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)行計(jì)算。

在參數(shù)率定方面,首先對(duì)暗管排水速率進(jìn)行率定,然后對(duì)鹽分觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行率定。模擬過(guò)程中,提取暗管穩(wěn)定排水時(shí)的排水速率以及累計(jì)排水量對(duì)比砂槽模型的排水速度和累計(jì)排水量。提取與鹽分觀測(cè)點(diǎn)位置相同的鹽分變化數(shù)據(jù),每隔10 min進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為360 min。將試驗(yàn)所得結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算,直至評(píng)價(jià)指標(biāo)保持在可信度較高的范圍,得出最終率定后的土壤水鹽運(yùn)移特征參數(shù)。

率定后的土壤水鹽運(yùn)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(yàn)系數(shù)。

本文使用的評(píng)估模型精度的指標(biāo)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(duì)應(yīng)的試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)行模型精度的評(píng)估。評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式如下:

式中:n表示數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),ai表示數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值,bi表示數(shù)據(jù)模擬值,是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。在以上兩個(gè)指標(biāo)中,RMSE 對(duì)于數(shù)據(jù)中的極值非常敏感,RMSE 越小說(shuō)明數(shù)據(jù)的離散化程度越穩(wěn)定;R2表示數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值與模擬值的相關(guān)性,R2越接近1 說(shuō)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(xiàn)作為滲流場(chǎng)特征進(jìn)行研究,以便分析埋設(shè)暗管條件下的滲流場(chǎng)變化特征。

通過(guò)將砂槽試驗(yàn)所繪制的流線(xiàn)進(jìn)行拍照記錄,得到砂槽模型的流線(xiàn)圖。提取出COMSOL 軟件模擬的流線(xiàn)結(jié)果,并將其與砂槽模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,由圖2 可得出不同補(bǔ)給水位的流線(xiàn)特征。

圖2 埋設(shè)暗管條件下不同補(bǔ)給水位的流線(xiàn)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(shí),水流是從地表直接進(jìn)入土體的滲流場(chǎng)中,沿著地下水滲流路徑流出暗管。離暗管近對(duì)應(yīng)的流線(xiàn)為下凸的曲線(xiàn)簇;離暗管遠(yuǎn)則地下水流以垂直運(yùn)動(dòng)為主,流線(xiàn)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(shí),流線(xiàn)趨于45°,這種流線(xiàn)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(shí),流線(xiàn)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(jìn)一步下降至16 cm 時(shí),流線(xiàn)整體走向與地下水位距離地表8 cm 時(shí)基本一致,在距離暗管較遠(yuǎn)的區(qū)域,流線(xiàn)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(xiàn)。在靠近暗管時(shí),流線(xiàn)也不斷抬升,最終抬升高度也接近于側(cè)向補(bǔ)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(bǔ)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(shì)能是促使土體中水流排出暗管的重要?jiǎng)恿Α８鶕?jù)達(dá)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(yuǎn)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(shí),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(duì)比。在土體邊界條件變化時(shí),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(shí),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(chǎng)的作用也受到影響。在地下水位處于地表時(shí)(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(guò)程中,水流流向暗管的路徑發(fā)生了改變,水流從側(cè)向補(bǔ)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(yàn)與模擬實(shí)驗(yàn)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(yùn)移過(guò)程,對(duì)鹽分模擬模型中鹽分觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)鹽分濃度到達(dá)10 g?L?1時(shí),COMSOL 軟件所觀測(cè)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(cè)點(diǎn)為9 g?L?1時(shí)的數(shù)據(jù),作為側(cè)向補(bǔ)給水中的鹽分基本到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻,并將其命名為鹽分臨界時(shí)刻(圖5)。

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

鹽分臨界時(shí)刻表示了側(cè)向補(bǔ)給水箱中的高咸度地下水到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的周期時(shí)間?？梢钥闯?距離暗管0.6～1.6 m 范圍,臨界時(shí)刻與距離補(bǔ)給水箱的距離呈線(xiàn)性關(guān)系,離水箱越遠(yuǎn),臨界時(shí)刻越久。初始水位距離地表8 cm 時(shí),觀測(cè)點(diǎn)鹽分濃度上升速度較快,距離補(bǔ)給水箱最遠(yuǎn)處的鹽分濃度在1160 min 時(shí)達(dá)9 g?L?1,距離暗管0.6 m 范圍內(nèi) 的觀測(cè)點(diǎn)鹽分到達(dá)9 g?L?1的時(shí)刻接近;初始水位距離地表16 cm 時(shí),觀測(cè)點(diǎn)鹽分上升最慢的位置為距離暗管0.5 m 處,在2820 min 時(shí)到達(dá)9 g?L?1,而距離暗管0.5 m 范圍內(nèi)的觀測(cè)點(diǎn)鹽分上升速度明顯加快,到達(dá)9 g?L?1的時(shí)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(duì)比驗(yàn)證

2.2.1 鹽分?jǐn)M合驗(yàn)證

為驗(yàn)證鹽分運(yùn)移-水分運(yùn)移的耦合性,對(duì)模擬側(cè)向補(bǔ)給水對(duì)埋設(shè)暗管區(qū)域補(bǔ)給咸水過(guò)程的模型進(jìn)行擬合驗(yàn)證。選取砂槽中監(jiān)測(cè)位點(diǎn)Ⅱ和Ⅲ的鹽分變化,并與COMSOL 模型中對(duì)應(yīng)點(diǎn)位數(shù)值進(jìn)行對(duì)比,模擬結(jié)果和精度如圖6 所示。

圖6 鹽分觀測(cè)點(diǎn)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(yùn)移過(guò)程的整體趨勢(shì)與軟件模擬結(jié)果基本一致,而觀測(cè)點(diǎn)的RMSE 值都小于1.1 g?L?1,而R2數(shù)值除沒(méi)有完全觀測(cè)到的16 cm 水位條件下的Ⅱ號(hào)觀測(cè)點(diǎn),其余均在0.9以上(圖6),說(shuō)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(yàn)的水分運(yùn)移與鹽分運(yùn)移的耦合情況,驗(yàn)證了“鹽隨水來(lái),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(xiàn)模擬結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of streamlines simulation results of flume model and COMSOL model under different water levels

2.2.2 流線(xiàn)擬合驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型擬合程度,對(duì)模型的流線(xiàn)進(jìn)行擬合驗(yàn)證。將試驗(yàn)所得流線(xiàn)照片經(jīng)過(guò)Origin 軟件處理得到流線(xiàn)圖,并與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合對(duì)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(xiàn),選取模型中4 條較為完整的流線(xiàn)進(jìn)行擬合計(jì)算(圖7)。

根據(jù)圖7 數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算,得出表2。其中,X表示流線(xiàn)起點(diǎn)距暗管的水平距離。

表2 流線(xiàn)模擬效果評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Evaluation indicators of streamline simulation effect

流線(xiàn)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(shuō)明砂槽模型與模擬模型的試驗(yàn)結(jié)果流線(xiàn)基本保持一致,砂槽模型與模擬模型具有相似的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)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(dòng)大,為研究不同水位條件下埋設(shè)暗管農(nóng)田的水鹽運(yùn)移過(guò)程,本研究以室內(nèi)砂槽試驗(yàn)為基礎(chǔ),結(jié)合COMSOL 軟件模擬暗管排水排鹽過(guò)程,通過(guò)設(shè)置不同的初始地下水位,研究了單根暗管周?chē)鷿B流場(chǎng)的水鹽運(yùn)移情況。

模型模擬的流線(xiàn)分布與走向(圖2)可以說(shuō)明在埋設(shè)暗管條件下,水力邊界條件的改變會(huì)導(dǎo)致土體中水力梯度下降方向發(fā)生變化,進(jìn)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(shí),水流由地表流向暗管;而地下水位位于地面以下時(shí),水流呈現(xiàn)水平狀態(tài),水流由補(bǔ)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(shuō)明滲流速度發(fā)生變化不是因?yàn)樗坏奶?而是由于水力邊界條件發(fā)生了變化。通過(guò)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?yàn)閺难a(bǔ)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(shí),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(jiàn)于農(nóng)田處于淋洗和降雨情況下。由于流動(dòng)的地下水移動(dòng)速度較鹽分的彌散速度快,所以流線(xiàn)的走向也很大程度表現(xiàn)了鹽分移動(dòng)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(yuǎn)的土體滲流路徑較長(zhǎng)。就埋設(shè)暗管對(duì)土體滲流場(chǎng)影響而言,距離暗管越近,土體受暗管的影響越強(qiáng),這個(gè)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(wú)論是水力梯度變化還是流線(xiàn)走向均呈補(bǔ)給水位與重力對(duì)水頭和流線(xiàn)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(shí),流線(xiàn)走向開(kāi)始朝暗管方向快速變化。這個(gè)位置在流線(xiàn)圖中表現(xiàn)為流線(xiàn)與水平線(xiàn)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(diǎn)出現(xiàn)的位置也會(huì)降低。本研究中,最長(zhǎng)的45°完整流線(xiàn)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(qiáng)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(yàn)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(guò)該范圍,水流的滲流速度和鹽分運(yùn)移速度都會(huì)有較大下降。由于模型是單管模擬并進(jìn)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(guò)程中,距離暗管較近的土體淋洗路徑較短,在淋洗過(guò)程中會(huì)被反復(fù)淋洗,不僅淋走了鹽分,還淋走對(duì)于植物生長(zhǎng)有益的其他元素;而距離暗管較遠(yuǎn)的土體,水流在淋洗周期內(nèi)可能無(wú)法經(jīng)由暗管走出土體,這樣的結(jié)果會(huì)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(huì)導(dǎo)致土體返鹽,再次鹽漬化。在實(shí)際應(yīng)用中,沒(méi)有埋設(shè)暗管的土體和距離暗管較遠(yuǎn)的土體,確實(shí)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(duì)水流沒(méi)有起到較好的引導(dǎo)作用。因此應(yīng)該考慮通過(guò)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(guò)在土體中增加優(yōu)先流路徑,為水流提供更為寬敞的移動(dòng)路徑,提升了淋洗效率;Zhang等[30]通過(guò)在暗管上方埋設(shè)低滲透表層覆蓋物(low-permeability surface mulch),延長(zhǎng)了距離暗管較近土體的水流滲流路徑,給距離暗管較遠(yuǎn)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(duì)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(yùn)移速度,距離暗管0.6 m 范圍內(nèi)鹽分更快到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)。而初始水位較高的時(shí)候,水鹽運(yùn)移速度也更快。因此,對(duì)于埋設(shè)暗管的農(nóng)田而言,在有足夠的排水動(dòng)力時(shí),暗管可以有效地快速排出側(cè)向補(bǔ)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(shí),鹽分遷移速度有較為明顯的下降,結(jié)合滲流速度來(lái)看,是因?yàn)樗髋c暗管的水位差降低。這會(huì)導(dǎo)致含鹽水流在土體中的移動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),這時(shí)候應(yīng)該配合主動(dòng)排水加速土體中的鹽分排出,防止其中的咸水通過(guò)毛細(xì)水上升,導(dǎo)致土體返鹽。

RMSE與R2的擬合計(jì)算結(jié)果表明,基于砂槽試驗(yàn)方法結(jié)合COMSOL 建立的模型研究鹽堿地水鹽運(yùn)移機(jī)理是可行的,評(píng)價(jià)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(jiǎn)單,模型模擬的精度也較高。其中,就模擬時(shí)間而言,模擬時(shí)間越久,擬合程度相對(duì)越差。這一點(diǎn)不僅體現(xiàn)在流線(xiàn)的擬合上,也體現(xiàn)在鹽分的擬合結(jié)果上。一方面是因?yàn)殡S著水流移動(dòng)時(shí)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(yàn)的進(jìn)行,水流越來(lái)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(wú)法完全模擬出實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果。對(duì)比不同水位條件下的流線(xiàn)模擬結(jié)果,地下水位位于地表的流線(xiàn)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(xiàn)擬合結(jié)果稍差,可能是因?yàn)樯巴裂b填不均勻,在水流流速降低時(shí),不同位置土體水流流速變化不均勻,導(dǎo)致流線(xiàn)擬合程度下降。

4 結(jié)論

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

1)根據(jù)濱海暗管埋設(shè)實(shí)際和春夏季返鹽的水力條件設(shè)計(jì)了不同水力條件下埋設(shè)暗管農(nóng)田的砂槽試驗(yàn),模擬了暗管的排水和排鹽過(guò)程,并通過(guò)COMSOL 軟件對(duì)流線(xiàn)和鹽分進(jìn)行了擬合評(píng)估,結(jié)果表明模擬值與實(shí)測(cè)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(shí),土體中的水流滲流速度和流線(xiàn)走向變化較大。高水位條件下,暗管排鹽排水能力較強(qiáng),而中低水位下滲流速度有明顯下降。在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí),應(yīng)對(duì)埋設(shè)暗管農(nóng)田的土層結(jié)構(gòu)和水力邊界進(jìn)行調(diào)查與監(jiān)測(cè),對(duì)于濱海農(nóng)田水位條件波動(dòng)較大的區(qū)域應(yīng)當(dāng)采取有針對(duì)性的管理措施。

3)對(duì)暗管影響范圍進(jìn)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(xiàn)轉(zhuǎn)折區(qū)域以及鹽分移動(dòng)速度轉(zhuǎn)折區(qū)域重合度較高,均在0.6 m范圍內(nèi)。推測(cè)暗管對(duì)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(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。

本文以流線(xiàn)和水頭為切入點(diǎn),通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)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(yùn)移路徑,為研究水鹽運(yùn)移規(guī)律提供了新的研究思路。同時(shí),研究結(jié)果對(duì)于實(shí)際工程也有較好的借鑒意義,對(duì)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。