明沟排水洗盐条件下土壤水盐动态模拟研究*

陈丽娟,冯起,张新民,刘蔚,苏永红,郭瑞,席海洋

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,兰州730000;2.甘肃省水利科学研究院,兰州730000;3.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084)

我国有盐渍土面积约9 913万hm2,涉及范围多达23个省、市、自治区,具有分布范围广、含盐成分复杂、含盐量高、危害严重等特点[1]。研究土壤水盐运移对盐渍土的改良有很大的经济价值。要想使农作物生长的土层中含盐量保持在一定的限度内,就需要研究土壤水盐在入渗、蒸发条件下的运移过程及分布规律。目前对于盐分在非饱和土层中运动规律的研究,还少有涉及盐分在明沟排水冲洗改良过程中的运移规律及水盐动态的预测、预报方法,无法用来指导盐渍土改良过程中遇到的问题[2-5],因此,必须在已有研究成果和试验经验的基础上,紧密结合土壤盐渍化的防治,对洗盐过程中盐分运移理论作进一步的探讨和研究,为合理地确定土壤盐碱化防治措施和田间水分管理提供科学依据。本文运用数值模拟的方法,对明沟排水洗盐条件下沟距一半处的土壤水盐运移动态进行了研究,并建立了区域洗盐制度,其结论可以为盐渍土的改良治理提供理论依据和技术支持。

1 土壤水盐运移数学模型

明沟排水洗盐多选择农田休闲期进行,如忽略土壤温度及溶质对水输运过程的影响,不考虑作物根系吸水因素,以θ、h为变量的混合型土壤水分运动数学模型为

式中：θ——体积含水率;h——压力水头;h0(z)——初始压力水头分布;K(h)——水力传导度;Qp——供水强度或表土蒸发强度;ql(t)——净排水通量,l——计算土层厚度。

作为土壤水分输运物质的盐分,忽略其在土壤中的化合与分解、溶解与沉淀及离子交换等影响,明沟排水洗盐盐分运移的数学模型为

式中：c——土壤溶质浓度;D——水动力弥散系数;q——土壤水通量;J p——通过土壤表面的盐分通量,入渗时为εcr,蒸发时为零;cl——下边界土壤盐分浓度。

2 模型验证

2.1 模拟方案的确定

2003年7月有关部门在疏勒河昌马灌区进行了明沟排水洗盐试验,试验设计见参考文献[6],为监测冲洗脱盐效果,试验以4#排水沟中心为起点每间隔20 m设置了一个土壤盐分监测剖面,从监测所得冲洗后土壤脱盐率及含盐量等值线图(图1)可以看出,在同一条田中,距排水沟近的区域脱盐率高,脱盐层厚,反之,则脱盐率低,脱盐层浅。对于水平方向含盐量均匀的土壤,冲洗后脱盐率与脱盐深度均在沟距一半处最小,形成一谷值点,并沿这一位置形成对称分布。由此可见,沟距一半处的土壤水盐运移动态及分布规律对明沟排水洗盐具有较大的影响,很大程度上影响着冲洗脱盐的整体效果。

明沟排水洗盐的过程中,水流携带盐分向排水沟的运移为二维饱和-非饱和运动,但在一般情况下,两排水沟沟距一半处的非饱和带土壤水盐运移可以近似地视为一维运动[7]。鉴于此,本文确定运用数值模拟方法,仅对沟距一半处非饱和带的土壤水盐运移规律进行研究,并制定相应的洗盐制度。

图1 冲洗后脱盐率及含盐量等值线图

2.2 数值模拟结果与分析

采用美国国家盐改中心开发的HYDRUS软件,同时进行水分和盐分的非迟滞模拟,土壤水分运动特性参数见表1。取昌马灌区明沟排水洗盐试验中3#和4#排水沟(间距141.8 m)之间各监测剖面实测洗盐前后土壤含盐量值进行模型的率定,冲洗水量采用3#和4#排水沟所在六号条田实际灌水量。根据洗盐期间实测地下水位变化过程,地下水位最高时位于地面以下0.8 m处,因此取模拟最大土层深度距地面以下1.2 m。模拟阶段划分压力入渗和蒸发两个过程,以累积入渗量达到各次灌溉水深所对应的时间作为划分依据,模拟结果如图2所示。

表1 土壤水分运动特性参数

从图中可以看出,距排水沟60～80 m处模拟得到的土壤盐分动态过程与实际观测得到的土壤盐分动态过程基本吻合,表明此模拟方案能反映明沟排水洗盐沟距一半处的土壤水盐动态分布。

图2 距排水沟60 m(A)和80 m(B)处含盐量模拟值与实测值对比

3 模型的应用

3.1 冲洗后土壤水盐动态变化

土壤含水率分布是研究土壤含盐量分布的基础和前提,第一次冲洗后,表层0-30 cm土壤平均含水率增大至0.25 cm3/cm3(图3),较饱和含水率小,且无论是湿润锋向下移动的深度还是盐分含量的递减均比较缓慢,至第五次冲洗后,表层土壤平均含水率0.30 cm3/cm3,含盐量6.77%,脱盐率24.24%,脱盐率低,脱盐效果不明显。第六次冲洗后因昌马西干渠停水修渠,试验灌水间隔了8 d,在入渗和蒸发双重作用影响下含水率变化较大,饱和含水层延伸至40 cm土层,湿润锋至100 cm土层。入渗水溶解表土所含固态盐分和原有土壤溶液一并形成浓度较高的土壤溶液向下移动,盐峰形成于35-45 cm处,含盐量5.25%。由此可见,较长的冲洗间隔时间,潜水蒸发导致的水分损失增大了土壤孔隙度,加快了水分向下入渗的速度,因此更有利于盐分向深层土壤运移。第十次冲洗后,耕作层0-50 cm土壤平均含水率达到0.34 cm3/cm3,含盐量0.86%,形成一个盐分淡化区域,土壤含盐量随着土壤水分下渗而减少,耕作层土壤液相储盐量下降,土壤盐渍化程度明显降低。整个冲洗过程中,从整个剖面来看,含盐量的变化总是稍滞后于含水率的变化,并且从上到下盐峰的形成越来越晚,移动的速度越来越慢,由此可见,土壤脱盐实际上是一个从上到下盐分逐层传递的动态过程,具有明显的层次分异特征,土层越深,脱盐越慢,难度越大。

图3 各次灌水土壤含水率与含盐量分布模拟

3.2 土壤返盐情况分析

图4 为冲洗后30 d和150 d土壤含盐量分布情况,可以看出,冲洗后30 d土壤含盐量仍然保持下降趋势,但随着入渗水分的减少,盐分运移量逐渐减小。至冲洗后150 d,出现了不同程度的返盐,0-30 cm土层含盐量由冲洗后的0.74%增大到1.35%,返盐率为45.1%。究其原因,连续灌水洗盐导致地下水位不断上升,强烈的潜水蒸发造成土壤严重返盐,另外,在地下水位恢复灌水前的高度后,土壤含水量仍然较高,土面蒸发也会使淋滤到下层土壤中的盐分重新上移,造成返盐。

分析不同含盐量剖面的返盐率发现,含盐量与返盐率之间存在显著的相关性(图5),0-30 cm脱盐层、0-100 cm脱盐层的返盐率与含盐量均符合幂函数关系,含盐量较低时,返盐率较高,随着含盐量增高,返盐率急剧下降。

图4 冲洗后土壤含盐量分布

3.3 洗盐制度的确定

采用明沟排水冲洗改良的盐渍土多为中、重盐土,0-30 cm土层积盐严重,土壤平均含盐量为0-100 cm土层土壤平均含盐量的2倍以上,在冲洗过程中,沟距一半处往往是脱盐效果较差的区域,故冲洗定额的确定应首先满足该区域的计划脱盐标准。根据该试验区盐渍土冲洗改良后大麦苗期受盐害程度试验分析[4],播种前0-30 cm土层土壤平均含盐量应控制在1.3%以下,故按0-30 cm设计脱盐层,脱盐标准确定为1.15%,针对不同初始含盐量设计冲洗方案进行沟距一半处水盐动态模拟,制定出适合该区域不同含盐量情况下明沟排水洗盐制度见表2。

表2 洗盐制度设计表

4 结论

图5 0-30 cm脱盐层返盐率与含盐量关系曲线

通过明沟排水洗盐过程中沟距与脱盐率关系的分析,以沟距一半处土壤水盐动态作为模拟研究的重点,对洗盐条件下土壤水盐运移模型进行了验证,并就冲洗后土壤水盐动态及返盐情况进行了研究。结果表明,在明沟排水洗盐的过程中,沟距一半处的冲洗脱盐率与脱盐深度最小,并沿这一位置形成对称分布,因此可将该处土壤水盐运移视为一维运动;整个冲洗过程中,含盐量的变化总是稍滞后于含水率的变化,说明土壤脱盐实际上是一个从上到下盐分逐层传递的动态过程,具有明显的层次分异特征;分析冲洗后不同含盐量剖面的返盐率发现,返盐率与含盐量符合幂函数关系,含盐量较低时,返盐率较高,反之亦然。在此基础上,本文运用数值模拟的方法制定了区域明沟排水洗盐制度,对以试验为主的盐渍土改良研究进行了有益的探索和补充。

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