漫灌淋洗暗管排水协同改良滨海盐土水盐时空变化特征

张金龙，刘　明，钱　红，张　清，王振宇

（1. 天津市盐碱地生态绿化工程中心，天津300457；2. 天津泰达绿化集团有限公司，天津 300457）

0　引　言

灌溉淋洗配套排水措施是盐碱地改良重要方法，广泛用于盐碱地的改良[1-3]。排水措施主要有明沟排水、暗管排水和井排等[4-6]。暗管排水措施具有占用土地资源少、便于机械化快速作业、维护方便等优点，在盐碱地治理中应用越来越普遍[7-9]。为了合理规划设计灌排改良方案，提高改良效果，许多学者对盐碱地灌排改良进行了研究。Abdel-Dayem 等[10]研究发现暗管排水系统能明显提高滨海盐土淋洗脱盐效果。戴同霞等[11]研究发现暗管排水系统能加速粉砂壤质滨海盐土脱盐和潜水淡化。Chieng[12]比较了不同暗管排水系统对盐渍土淋洗改良的影响，发现暗管间距较窄（＜40 m）的排水系统改良效果较好。

排水条件下灌溉淋洗土壤水盐运动会发生空间变化，这可能影响土壤改良效果。Talsma等[13-14]研究发现暗管上方土壤脱盐效果明显高于两暗管中间地带土壤。笔者也曾探讨不同暗管排水下土壤淋洗脱盐空间差异，发现暗管间距越大，暗管上方土壤与两暗管中间地带土壤淋洗脱盐空间差异也越大[15-16]。这些研究仅揭示了灌排改良下排水控制区域空间几个位置土壤盐分变化和改良差异。Youngs等[17]把土壤盐分运动简化为活塞流，对暗管排水下土壤淋洗脱盐空间变化规律进行了理论分析与计算。Siyal等[18]应用HYDRUS-2D模型对灌排改良土壤盐分的时空变化进行了模拟研究。这些研究初步揭示了暗管排水下漫灌淋洗水盐时空变化规律，但对不同暗管间距参数下土壤水盐时空变化特征以及暗管排水控制区域不同区段内水盐时空变化特征研究较少。

本文以滨海盐土灌排淋洗改良田间试验为例，应用Vedernikov入渗方程和Van der Molen淋洗脱盐方程对田间试验条件下灌溉改良土壤水盐时空变化特征进行模拟分析计算，分析不同暗管间距参数对漫灌淋洗水盐时空变化的影响，揭示暗管排水控制区域不同区段内土壤水盐时空变化规律与差异，以期为生产实践中合理规划设计盐渍土灌排改良方案提供依据和指导。

1　灌排改良试验

以暗管排水和漫灌淋洗协同改良滨海盐土试验为例（见参考文献[15]和[16]），对改良过程中的水盐时空变化进行模拟分析。试验地位于天津滨海新区临港经济区，共3个小区，分别埋设间距3、6、9 m，埋深1.2 m的暗管排水系统。土壤淋洗改良分为 3个阶段，暗管间距分别为3、6、9 m 的3个小区总淋洗时间分别为27、45、65 d，其中暗管间距9 m的小区3个阶段的淋洗时间分别为18、25和22 d。每个小区总淋洗水量均为105.5 cm。试验地土壤质地粉壤土，土壤渗透系数8.98×10-5cm/s，体积质量 1.43 g/cm3，0～20、＞20～40、＞40～60、＞60～80、＞80～100 cm 土层土壤含盐量分别为 13.7、14.0、14.3、13.0、13.8 g/kg。灌溉水为中水，矿化度在1700 mg/L左右。土壤和水理化指标都采用常规分析方法。

2　模拟方程与方法

2.1　水分入渗方程

假定土壤为均匀、各向同性多孔介质，土壤含水层厚度较大，漫灌淋洗与暗管排水条件下的土壤水分运动为二维稳定流（图1），田面距暗管不同水平距离各点的入渗强度可由Vedernikov入渗方程计算[19-20]。

式中，x为田面入渗点距暗管中心水平距离，m；L为暗管间距，m；D为暗管埋深，m；d为暗管内径，m；ε为田面平均入渗强度，m/d；εx为田面距暗管中心水平距离x处的入渗强度，m/d。

图1　灌排改良土壤水运动示意图Fig.1　Schematic map of soil water movement in drained field under flooding

根据二维稳定流水量平衡原理[19-20]，ε可表示为

式中，q为单位管长的排水流量，m2/d；K为壤渗透系数，m/d；H为有效水头，m；A为排水修正数，可由下式计算。

暗管排水稳定流下土壤流场各流线起始端垂直于田面、末端向暗管聚集，田面淋洗水沿着流线向暗管运动[21-22]（图1）。漫灌淋洗土壤改良目标深度一般远小于流场土壤含水层深度，可以近似地将土壤改良目标深度范围内的各流线段近似为垂直向下，因此可将该区域范围内的土壤水盐二维运移近似为一维运移。稳定流下沿各流线运动的淋洗水量等于累计入渗水量，则沿着各流线垂直段运动的淋洗水量也就是距暗管中心不同距离处土壤剖面的淋洗水量，可以表示为

式中，Qx为距暗管中心水平距离x处土壤淋洗水量，以淋洗水层厚度表示，m；t为淋洗时间，d。

暗管排水控制区域土壤平均淋洗水量Q（m）等于累计平均入渗量，可表示为

2.2　淋洗脱盐方程

将漫灌淋洗改良目标深度范围内的土壤盐分运动近似为一维运移，距暗管中心不同距离处土壤剖面盐分变化可以根据Van der Molen淋洗方程计算[1,23]。

式中，Cxj为距暗管中心水平距离x处改良土层土壤初始平均盐分质量浓度，mg/L；Cxt为淋洗t时间后，距暗管中心水平距离 x处改良土层土壤平均盐分质量浓度，mg/L；Ci为淋洗水盐分质量浓度，mg/L；qx为距暗管中心水平距离x处土壤剖面淋洗水流速，m/d，等于入渗强度 εx；w为改良土层饱和水量，以水层厚度表示，m；f为淋洗效率系数，一般中、细质地土壤为 0.85，砂质土壤为 0.95～1.0[1,23]。

3　结果与分析

3.1　田面入渗强度空间变化

应用Vedernikov入渗方程，对田间试验条件下距排水暗管（间距3、6、9 m）不同水平距离处田面入渗强度进行模拟分析计算，结果如图2所示。

图2　灌排改良田面入渗强度空间变化Fig.2　Spatial change of infiltration intensity in drained field under flooding

暗管排水下漫灌淋洗田面入渗强度空间变化非常明显（图 2），距排水暗管越近的区域田面入渗强度越大，距排水暗管越远的区域田面入渗强度越小。如间距 9 m的排水暗管上方0 cm处田面入渗强度为3.55 cm/d，约是距暗管4.5 m处田面入渗强度的6.11倍；间距6 m的排水暗管上方0 cm处田面入渗强度为3.68 cm/d，约是距暗管3 m处田面入渗强度的3.11倍。排水条件下漫灌淋洗土壤流场水力梯度的变化是造成入渗强度空间变化的原因[24-25]。排水暗管间距参数对漫灌淋洗田面入渗强度有明显影响（图2）。暗管间距分别为3、6、9 m时，田面入渗强度空间变化分别在 3.14～4.26、1.19～3.68和0.58～3.55 cm/d之间，平均入渗强度分别为3.65、2.09、1.44 cm/d，排水暗管间距越大的田面平均入渗强度越小、入渗强度空间变化越明显，但随暗管间距的逐渐增大田面平均入渗强度之间的差异逐渐减小。

暗管排水下漫灌淋洗田面不同区段入渗强度空间变化规律明显不同。排水暗管间距9 m时，距暗管0～1.5、＞1.5～3、＞3～4.5 m 的 3个区段田面入渗强度分别在1.56～3.55、0.73～1.56 和 0.58～0.73 cm/d 之间，单位距离（每米）变化率分别为1.33、0.55和0.10 cm/d。排水暗管间距6 m时，距暗管0～1.5、＞1.5～3 m的2个区段田面入渗强度分别在1.79～3.68和1.19～1.79 cm/d之间，单位距离（每米）变化率分别为1.26和0.41 cm/d。靠近暗管的区段田面入渗强度空间变化相对较大，远离暗管的区段田面入渗强度空间变化相对较小。间距分别为3、6、9 m的排水暗管附近0～1.5 m区段入渗强度空间变化比较，入渗强度单位距离（每米）变化率分别为 0.75、1.26、1.33 cm/d，这表明排水暗管间距越大，靠近暗管的区段田面入渗强度空间差异也越大，但差异程度随着暗管间距的增大而逐渐趋于相同。

3.2　淋洗水分配空间差异

对田间试验漫灌淋洗结束后距排水暗管（间距3、6、9 m）不同水平距离处淋洗水分配量进行了分析计算，结果见表1。

表1　灌排改良田面不同位置淋洗水分配量Table 1　Leaching water distribution at different location in drained field under flooding　　　　　　cm

由表1可知，排水暗管间距分别为3、6、9 m时，距暗管水平距离分别为0～1.5、0～3、0～4.5 m的区域田面漫灌淋洗水分配量空间变化分别在 84.7～114.9、53.3～165.6、37.8～230.6 cm之间，越靠近排水暗管的地段分配的淋洗水量越多，暗管间距越大的田面淋洗水量空间分配差异越大。暗管排水下田面淋洗水量空间分配出现差异是由于入渗强度的空间变化而造成。不同暗管排水条件下淋洗水量分配比较，间距9 m的排水暗管上方0 cm处淋洗水分配量分别是间距6 m和3 m的排水暗管上方0 cm处淋洗水分配量的1.39倍和2.00倍。这表明相同漫灌淋洗水量下，暗管间距越大，暗管附近区域分配的淋洗水量越多。

对田间试验条件下 3个小区总淋洗水量进行了分析计算，并与实际淋洗水量进行了比较。排水暗管间距分别为3、6、9 m的3个小区模拟计算的平均总淋洗水量分别为98.7、94.0、93.3 cm，约为实际淋洗水量的93.51%、89.07%和88.47%。模拟计算淋洗水量略低于实际淋洗水量，这可能与田间试验土壤中存在大孔隙，加快了实际灌溉淋洗水分运动有关[26-27]。

3.3　土壤盐分时空变化

暗管间距越大，漫灌淋洗水量分配空间差异也越大，将导致改良区域土壤脱盐不均一，降低淋洗改良效果。以排水暗管间距为9 m的小区为例，对漫灌淋洗下暗管排水控制区域（0～4.5 m）内的土壤盐分时空变化进行了模拟分析计算，结果如图3所示。

图3　不同土层土壤盐分时空变化Fig.3　Spatial-temporal variation of soil salinity content in different soil layer

漫灌淋洗18 d，暗管排水控制区域（0～4.5 m）不同位置 0～30、＞30～60 cm 土层土壤含盐量分别下降到0.90～7.56和4.07～12.81 g/kg之间，与土壤初始含盐量相比脱盐率分别在45.2%～93.5%和7.2%～70.5%之间，土壤盐分空间变化非常明显，且越靠近暗管的区域土壤盐分下降越明显、淋洗脱盐效果也越好。淋洗 43 d，暗管排水控制区域（0～4.5 m）不同位置0～30 cm土层土壤含盐量在0.64～3.47 g/kg之间，与土壤初始含盐量相比脱盐率在 74.8～95.4%之间，土壤盐分继续下降，但空间差异程度减小；＞30～60 cm 土层土壤含盐量在 0.88～10.02 g/kg之间，与土壤初始含盐量相比脱盐率在 27.4%～93.6%之间，土壤盐分空间差异仍然较明显。淋洗 65 d，暗管排水控制区域（0～4.5 m）不同位置0～30 cm土层土壤含盐量在0.64～1.93 g/kg之间，土壤盐分空间差异明显减小；＞30～60 cm土层土壤含盐量在0.66～7.59 g/kg之间，空间差异仍然较明显。以上分析表明，漫灌淋洗下暗管排水控制区域土壤淋洗脱盐非常不均匀，为了使土壤淋洗脱盐趋于均匀，需延长淋洗时间。这与Youngs等[17-18]学者的研究结论一致。

天津滨海地区盐渍土改良目标一般为将土壤盐分控制在3.00 g/kg以下[28-29]。以该值为土壤淋洗改良脱盐目标，对持续漫灌淋洗下暗管排水控制区域（0～4.5 m）不同地段达到脱盐目标的土层深度变化进行模拟计算，分析暗管排水控制区域土层平均含盐量为3.00 g/kg的等值线移动与淋洗时长关系，结果如图4所示。由图4可知，该等值线随着淋洗时间的增加而向土层深处移动，但等值线上各点向下移动速率差异很大。暗管上方0 cm点位向下移动平均速率为3.78 cm/d，距暗管1.5 m点位向下移动平均速率为1.66 cm/d，距暗管3.0 m点位向下移动平均速率为0.78 cm/d，距暗管最远（4.5 m）的点位向下移动平均速率仅为0.62 cm/d。这表明距暗管越近的区域土壤达到淋洗脱盐目标越快，距暗管越远的区域土壤达到脱盐目标越慢。假定土壤淋洗改良目标是0～60 cm土层土壤平均含盐量下降到3.00 g/kg及以下。淋洗20 d，排水暗管附近0～0.6 m宽区段土壤达到改良目标，约占暗管排水控制区（0～4.5 m）面积的13.3%；淋洗40 d，靠近排水暗管0～1.6 m宽区段土壤达到改良目标，约占暗管排水控制区（0～4.5 m）面积的35.5%；淋洗60 d，靠近排水暗管0～2.3 m宽区段土壤达到改良目标，约占暗管排水控制区（0～4.5 m）面积的51.1%。为了使整个区域土壤都达到改良目标，必须漫灌约100 d，这将导致大部分淋洗水从已改良区域流失，浪费大量的水资源。一些学者针对暗管排水下土壤淋洗脱盐不均的问题提出了分区淋洗模式，即将暗管控制区域划分为等宽的3或4个区段，分区段逐步漫灌淋洗[30-31]。根据暗管排水控制区域水分入渗强度空间变化规律来确定分区淋洗各区段的宽度可能更有利于土壤淋洗脱盐，尚需进一步研究。

图4　3.00 g⋅kg-1盐分等值线移动与漫灌时长关系Fig.4　Relationship between movement of soil salinity3.00 g·kg-1 isoline and flooding duration

淋洗改良18、43、65 d后，对距排水暗管不同水平距离的4个土壤剖面0～60 cm土层土壤含盐量进行模拟计算，并与实际含盐量进行比较。3个淋洗时长下4个土壤剖面0～60 cm土层土壤含盐量计算值与实际值差异及变化极为相似，现以淋洗改良65 d为例进行说明（图5）。

图5　0～60 cm土层土壤盐分实测值与计算值比较（淋洗65 d）Fig.5　Comparison between actual and calculated value of soil salinity content in 0～60 cm soil layer (flooding for 65 d)

由图5可知，4个土壤剖面0～60 cm土层土壤含盐量模拟计算值与实际值差异较大，靠近暗管区域的土壤盐分模拟计算值比实测值低，而远离暗管区域的土壤盐分模拟计算值比实测值高，但4个土壤剖面0～60 cm土层土壤实际含盐量平均值与模拟计算含盐量平均值非常接近，都约为 2.60 g/kg。土壤盐分模拟结果与实际结果出现较大差异的原因可能是田间试验淋洗初期土壤水分的非饱和、非稳定流，以及土壤大孔隙等降低了土壤盐分淋洗空间差异[26]。

4　结　论

应用Vedernikov入渗方程、Van der Molen淋洗脱盐方程等对暗管排水条件下滨海盐土漫灌淋洗水盐时空变化特征进行了模拟研究，主要结论如下：

1）间距分别为3、6、9 m的暗管排水控制区域田面漫灌稳定入渗强度分别在 3.14～4.26、1.19～3.68和0.58～3.55 cm/d之间，平均入渗强度分别为3.65、2.09和1.44 cm/d，排水暗管间距越大的田面平均入渗强度越小、入渗强度空间变化越明显，但随暗管间距的逐渐增大田面平均入渗强度之间的差异逐渐减小。

2）暗管排水条件下漫灌淋洗田面不同区段入渗强度空间变化规律明显不同，统一漫灌下靠近排水暗管的区段田面入渗强度空间变化相对较大，远离暗管的区段田面入渗强度空间变化相对较小；相同暗管埋深下随着排水暗管间距的增大，靠近暗管的区段入渗强度空间差异也越大，但差异程度随暗管间距的增大而逐渐趋于相同。

3）相同漫灌淋洗水量下，间距9 m的排水暗管上方0 cm处淋洗水分配量分别是间距6和3 m的排水暗管上方0 cm处淋洗水分配量的1.39倍和2.00倍，暗管间距越大，其附近区域分配的淋洗水量越多。

4）暗管排水下漫灌淋洗田面不同区域脱盐效果差异明显，漫灌淋洗20 d就能使间距9 m的排水暗管附近0～60 cm宽区段土层土壤含盐量下降到3.00 g/kg以下，而需要漫灌淋洗100 d才能使距排水暗管最远处（4.5 m）0～60 cm土层土壤含盐量下降到3.00 g/kg以下。为了使暗管排水控制区域土壤都达到脱盐目标，需延长淋洗时间，这将导致大部分淋洗水从暗管附近已改良区域流失，浪费大量的水资源。

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