蒸发条件下宁夏银北地区盐渍土水分运移数值模拟

赵文娟+李春光

摘要：对盐渍土中的水盐动态进行定量分析是提出适宜于宁夏银北地区盐渍土调控措施的基础工作。蒸发条件下土壤水分运动模拟初步研究表明，将有限体积法应用到求解蒸发条件下的土壤水分运动模拟计算中，模拟值与实测值吻合较好；春季土壤含水率模拟曲线在纵断面较为一致，地表蒸发量对0.2～0.6 m的土壤含水率有较大的影响。

关键词：土壤水分；蒸发；数值模拟；盐渍土

中图分类号：S152.7 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）15-3638-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.15.013

Abstract： Its the basis of the work to use the numerical simulation method for finding appropriate control measures in Yinbei region of Ningxia province. The results showed that there was a good agreement between simulated and measured values when the finite volume method was selected to simulate the movement of soil moisture evaporation. The simulated curve of soil moisture in the horizontal section was consistent with that of the real values. Surface evaporation had a greater impact on the soil moisture of 0.2～0.6 m.

Key words： soil moisture； evaporation； numerical simulation； saline soil

宁夏回族自治区属于黄河中上游半干旱-半漠境盐渍区，盐渍化土地面积为20 718 km2，占自治区总面积的40%。其中尤以银北地区分布最广，盐渍化面积为17 070 km2，约占全区盐渍化土地总面积的81%左右，该地区含盐量0.6%～1.0%的重度盐渍土就占到本区盐渍化土壤面积25.66%[1]。由于银北地区地形低洼，排水不畅，地下水位高致使水中的盐分在强烈的蒸发作用下堆积于土壤内，这是形成土壤盐渍化的主要原因。通过对该地区的盐化土地实施水利工程改造和农业生物改良调控措施，盐渍化得到了整体控制[2]。但近几年来该地区局部的盐渍化现象明显加重，主要是由于打浅井使用高矿化度地下水进行灌溉及淋洗，加剧了土壤的盐害[3]。这就需要提出更为适宜银北地区土壤盐渍化调控措施，作为该地区农业可持续发展和生态环境保护的基础。

本研究是通过建立能够描述宁夏银北地区盐渍土中水盐运移的数学模型，采用数值计算方法进行模拟计算，对盐渍土中的水盐动态进行定量分析。分析模拟结果，掌握水分、盐分在盐渍土体中的基本运动规律，为确定合理的土壤盐渍化调控模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土壤水分运动数学模型

土壤水分运移模型是基于对流扩散方程和初边值条件共同构建的模型，模型中的各类土壤水动力参数均需要通过试验来确定。该模型属于非线性偏微分方程，当前最有效的求解方法是数值计算方法。有限差体积法[4]是当前求解流动问题数值计算方法中最成功的方法，该方法是将方程中的每一项在所划分的控制体积进行积分，各项积分均有明确的物理意义，构成线性方程组进行求解计算。

1.2.1 有限体积法离散过程 采用有限体积方法对二维非饱和土壤水分运动方程进行线性离散。

其中，？准0为初值含水率（cm3/cm3），D（？准）为非饱和土壤扩散率（cm2/min），为非饱和土壤导水率（cm/min），？着为水量交换强度（cm/d）。

对方程在图1所示的控制体内积分可得：

由于全隐式格式可以在较大时间步长保持计算结果的稳定性[5]，所以采用全隐格式对扩散项进行时间上的积分，设？驻x=？驻z=？驻d则？驻V=A·？驻x=A·？驻z，得：

1.2.2 边界条件处理 上边界条件为地表，与当地的气象因素相关联，即与垂直向的水量交换强度？着（cm/d）有关。当？着为负数时为该时期的蒸发强度。根据监测蒸发量数据即可得到整个监测区域内的水量交换强度值。

采用上述相同方法给出边界条件在计算区域内离散得到各个端点的离散系数，见表1。以上系数通过编写MATLAB程序进行迭代运算，即可得到蒸发条件下的土壤水分运动曲线。运行前，需给出初始值。假设土壤的含水率随监测深度的不同而变化，呈现为随深度变化的曲面，即有：

？准0（SD，0）=HSL （6）

其中，SD为土壤不同深度（m），以向量表示；HSL为不同深度的土壤含水率（cm3/cm3），以向量表示。

1.2 试验区情况

试验区位于宁夏银川市贺兰县南梁台子铁西村。该村地理坐标为东经105°58，北纬38°41，位于贺兰县的西北方向。试验区为一面积约459 m2的条形区域。距离地表20 cm试验土壤的平均初始含水率为15.843%，土壤容重为1.6 g/cm3。

2 结果与分析

利用时间延迟反射仪对试验区的15个以三行五列形式布置的测点进行土壤含水率和电导率分时段、分层的测定工作。其中相关的水动力学参数有：

选择2012年5月16日10点到5月17日10点的时段对自西向东的由2号、5号、8号、11号和14号、17号、20号及23号组成的纵断面数值模拟土壤水的运动过程，其他测点作为边界条件进行模拟计算。当日蒸发所引起的土壤水通量为6.4 cm/d，蒸发强烈。模拟结果表明，同一深度下的土壤含水率自西向东运动趋势基本保持一致，但模拟数值自西向东逐渐增加，土壤含水率最低点均出现在0.2 m附近，最大值出现在1.0 m附近。模拟值与实测值吻合较好，模拟曲线可以基本表达土壤水分在盐渍土内的运动趋势，但个别测点的实测值与模拟值的偏移量较大，可能的原因是假设模拟区域的土壤质地为均质土壤，即土壤容重是相同，在模拟过程出现了偏移现象，另一方面也可能是测量误差造成实测值与模拟曲线的偏移。

将5月17日的模拟值作为初始值，模拟土壤水分在5 d后的变化过程，拟合曲线见图3。由于气象数据的变化，土壤含水率也发生变化。含水率的最小值出现在了0.4 m附近，土壤监测断面含水率与5月17日的相比是增加的，且测定点的模拟数值自西向东的增量更为明显。在0.8 m附近土壤含水率逐渐进入稳定状态，且随着迭代时间的增长，数值解与实测值吻合较好。说明运用有限体积法计算土壤纵断面含水率是有效的，模拟曲线也显示出0.2～0.6 m处土壤含水率较低。

3 结论

采用数值模拟的方法研究蒸发条件下的宁夏银北盐渍土区土壤水分运动，在整个模拟过程中，模拟值与实测值吻合较好，将有限体积法应用到求解土壤水分运动方程是可行的。模拟结果表明，土壤的含水率在春季的变化较为频繁，在同一深度的土壤含水率从数值上呈现西低东高的现象；纵断面上同一时刻的土壤含水率模拟曲线形态是基本一致的，土壤蒸发量使0.2～0.6 m的土壤含水率较小。

参考文献：

[1] 何文寿，刘阳春，何进宇.宁夏不同类型盐渍化土壤水溶盐含量与其电导率的关系[J].干旱地区农业研究，2010，28（1）：111-113.

[2] 俞仁培.对盐渍土资源开发利用的思考[J].土壤通报，2001，32S1：139-140.

[3] 史晓杰，万 力，张永庭，等.银北地区土壤盐渍化形成机理与模拟研究[J].水文地质工程地质，2006，34（6）：116-117

[4] VERSTEEG H K，MALALASEKERA W.An introduction to computational fluid dynamics：The Finite V Method[M].London：Longman Group Ltd，1995.

[5] 姜启源，谢金星，叶 俊.数学模型[M].北京：高等教育出版社，2011.