土壤水盐运移Hydrus模型及其应用

，

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130102; 2.中国科学院大学,北京 100049)

0 引 言

目前，土壤盐渍化正以惊人的速度发展，每年新增的盐渍化土壤面积达100万hm2[1-2]。因此，土壤盐渍化问题严重制约着当今社会经济的发展，成为亟待解决的问题。水盐运移是土壤盐渍化的核心所在，定量描述土壤水盐运移对于防治和改良盐渍土具有重要意义。

土壤中水盐运移研究的基础内容是水分和盐分在土壤中的运动规律。土壤中的盐分离子处于一个复杂的庞大系统之中，该系统内物理、化学和生物等过程相互联系且连续变化。水盐运移的物理过程包括对流、扩散、机械弥散、离子的交换吸附以及盐分离子随薄膜水的运动等过程。随着对土壤水盐运移理论研究的不断深入，各种监测技术的快速发展与计算机远程控制能力的提高，使得定量化描述土壤水盐运移过程成为可能，并且其模型不断发展和完善[3]。当前，国内外学者以水盐运移理论和环境条件为依据，研究建立了适宜于不同条件下的水盐运移模型，以此来模拟土壤中水分和盐分的运移过程，进而明确不同情境中土壤水盐运移的影响因素及动态变化规律，最终实现预测功能。

美国盐土实验室(US Saline Laboratory)开发的Hydrus模型具有灵活的边界条件、标准化的计算机程序、友好的用户界面以及便于推广的优势，被广泛应用于土壤水分和溶质运移的模拟研究[4-5]。Hydrus模型用于研究水分、溶质和热量在土壤中分布情况，模拟土壤中水盐运移动态变化；同时，该模型涵盖了作物根系吸水过程和土壤持水能力的滞后现象，便于设置不同的边界条件，输入输出功能操作灵活，并积累了大量参数，以此作为参考，为实际田间的水盐动态模拟提供了可能[6-7]。

本文总结了Hydrus模型在不同土壤质地、灌溉方式、灌水频率以及不同盐碱地改良方式下土壤水分和盐分运移中的应用，评述了不同条件下Hydrus模型对土壤水盐运移研究的作用，旨在为区域的水盐管理以及可持续发展提供理论基础与科学依据。

1 Hydrus模型

美国国家盐土实验室(US Salinity Laboratory)开发的Hydrus模型是用来模拟饱和多孔介质中水分、溶质以及能量运移过程的新型数值模型[8]。该模型经历了 UNSAT，AWMS-2D及CHAIN-2D，Hydrus-1D，Hydrus-2D及Hydrus-3D等系列发展，已成为世界上用得最为广泛的定量描述水盐运移的模型。Hydrus-1D是一个由国际地下水模型中心公布的共享软件。该模型主要用于研究土壤中水分和溶质的运移规律，模拟一维变饱和条件下的地下水流、根系吸水、溶质运移和热运移。经过不断改进，该模型得到了广泛应用[9-10]。Hydrus-2D模型是Simunek等开发的基于Windows接口的饱和-非饱和多孔介质中二维空间中的水、热、溶质运动的有限元计算机模型[11]。Hydrus-3D是在2006年Simunek等人研发出来的，该模型能够模拟不同灌溉方式条件下土壤中水分和盐分运移、热量传输及根系吸水规律的二维和三维空间的有限元计算机模型[12]。

Hydrus模型可以较为准确地对土壤中水分、盐分及热量的运移规律和时空变化进行模拟，然后分析不同环境中农田灌溉、田间施肥以及环境污染等问题；此外，Hydrus模型还可以有机结合其他水分运动模型，在大尺度上对土地以及水资源的转化与利用进行深度剖析。Hydrus模型的输入输出功能比较简单灵活，数据库比较丰富，包括水含量方程及植物根系作用等可供选择。水分运动过程及规律的模拟计算一般采用Richards方程，该方程解法运用Galerkin线性有限元法，Inverse Solution模块中的Marquardt-Levnenberg参数优化算法可以反演土壤水和溶质运移及反应动力学参数等。目前，该模型能够广泛应用于各种土壤类型的水盐运移研究[13-15]。2000年，Hydrus模型开始被引进我国，并在国内进行了一些初步应用[16-19]。

1.1 基本方程

(1)Richards方程

若只是研究垂直方向的水分运动情况，那么，一维Richards方程[20]表示如下：

(1)

式中：K(θ)是指非饱和渗透性函数；θ是体积含水率(cm3·cm-3)；h(θ)为压力水头(cm)。由土壤水分特征曲线可以确定函数关系式h(θ)，可以推出θ形式或h形式的控制方程。在给定边界条件和初始条件之后，就可以应用有限差分或有限元方法进行数值求解。

在不考虑土壤中气流运动的条件下，二维土壤水分运动可以用Richards[20]方程表示为：

(2)

式中：K(h)为非饱和导水率，它是土壤含水量的函数(cm·d-1)；x为横坐标(cm)；z为纵坐标(向上为正)(cm)；t为时间(d)；S(h)为源汇项，表示根系吸水(d-1)。

Hydrus-3D模型中，用修改过的Richards方程表示三维土壤水分运动[20]：

(3)

(2)对流-弥散方程

一般来说，对流弥散传输过程仅考虑土壤中溶质的对流弥散作用。在部分情况下，对流弥散传输过程也会考虑溶质的吸收与分解过程，其中主要把吸水时的盐分运移处理为以对流为主的形式；侧重点在于动力弥散过程的溶质运移模型，把土壤中溶质运移处理为以动力弥散为主的形式，不考虑任何理化作用。对流-弥散传输模型一般只考虑溶质在土壤中的对流和弥散作用，同时也伴随着吸收与分解盐分离子的过程[21]。

盐分运动的基本方程为：

(4)

水分运动的基本方程为：

(5)

式中，c为土壤溶液浓度(g·cm-3)；D为水动力弥散系数(cm2·s-1)；q为土壤水渗流系数(cm·s-1)；Z为空间坐标，原点在地表，向下为正(cm)；t为时间变量(T)；K(θ)为水力传导度(cm·s-1)；D(θ)为扩散度(cm2·s-1)。

(3)传递函数方程

传递函数模型最早由Jury[22]设计提出，属于黑箱随机模型，该模型不考虑土壤中溶质的运移机理。其主要原理是将研究目标假定为一个溶质质点，任何条件下都能用两个非负的时间变量来描述该质点。假设研究的溶质进入所研究的土体的时间为t1，该质点离开研究土体的时间为t2时，则该质点在土体内停留时间为t=t1-t2，利用随机变量t1和t2所定义的联合概率密度函数P(t1，t2)来描述水盐运移过程，即：

P(t1，t2)=θin(t1)g(t/t1)=θin(t1)g[(t2-t1)/t1]

(6)

式中：θin(t1)为溶质输入时间(t1)时的分布密度函数；g为条件概率密度(PDF)。同样，在[0，t]时段内，溶质从土体边界上的累积初流率(θout(t))为：

(7)

该模型的关键在于概率密度函数g[(t2-t1)/t1]，因为土壤中盐分运移过程都要用概率密度函数来实现。

1.2 土壤水盐运移的初始条件和边界条件

1.2.1 水分运动的初始条件与边界条件。土壤中水分的上边界采用第二类边界条件，即诺依曼边界条件，其通量是已知的，然后逐日输入通过上边界的变量值，主要包括降水量、灌溉量、作物潜在蒸腾量以及棵间潜在蒸发量，对叶面的拦截雨量和地面径流忽略不计。土壤水分的下边界选在农田土壤剖面100 cm处，使用压力水头边界，根据实际测量的地下水埋深来赋值。

初始条件：θ(z，0)=θ0(z)Z≤z≤0

上边界：θ(0，t)=θsz=0

下边界：θ(Z，t)=θ0(t)

1.2.2 土壤溶质运动的初始条件与边界条件。土壤盐分运动的上边界概化为通量边界，试验期降水时，由于雨水电导率非常小，降雨含盐浓度赋值为0，模型预测灌溉的情况下，赋予实测的灌溉水电导率。土壤盐分运动的下边界为浓度边界，赋予实测的地下水电导率值。利用实验所测量的土壤溶液电导率数值来反映土壤溶液浓度，其单位为mS·cm-1，同样，利用实际测量的电导率值来反映上、下边界所涉及的降水、灌溉以及地下水的浓度。

初始条件：c(z，0)=c0(z)t=0Z≤z≤0

下边界：c(Z，t)=cb(t)

式中：θ0为土壤初始含水率(cm3·cm-3)；Ks为土壤饱和导水率(cm·d-1)；qs为地表水分通量(cm·d-1)，蒸散取正值，灌溉与降水入渗取负值；co为剖面初始土壤水电导率(mS·cm-1)；cs为上边界流量的电导率值，cs=0，当边界流量为灌溉水量时指灌水电导率值(mS·cm-1)；cb为下边界潜水电导率值(mS·cm-1)。

2 Hydrus模型在土壤水盐运移中的应用

2.1 不同土壤质地与灌溉方式下的模型应用

目前有许多学者利用Hydrus模型模拟并研究不同土壤质地与不同灌溉方式下土壤水盐运移情况。下面将从土壤质地与膜下滴灌、畦灌、负压灌溉及灌水频率等角度阐述Hydrus模型的应用情况。

2.1.1 土壤质地。土壤中水分和盐分的分布情况以及运移规律受土壤质地的影响。利用Hydrus模型对不同质地条件下土壤水盐运移模拟的研究显示：黏土会阻碍水分运动，即具有较强的保水效果[23]；沙土的导水率比较高，所以水分入渗深度比较深，但是缺点在于沙土中的水分损耗性较大，进而造成土壤中盐分在表层呈现积聚现象，并且随着时间的逐渐推移，土壤剖面的水分含量处于一个较低且变化不大的数值范围之内。黏壤土的导水性能比较差，水分入渗的深度比较浅，因此土壤中水分的损失概率比较小，从而使得土壤表层以下的含水量维持在一个较高的数值[24]。

夹砂结构是我国西北地区比较常见的一种土壤质地类型[25-26]。由于夹砂层的存在，对土壤中水分和盐分分布及运移规律都有显著的影响[27]。范严伟等[28]采用Hydrus-1D模型模拟了不同土壤质地条件下的水分入渗过程，实验结果显示Hydrus模型的模拟数据与实测数据存在的误差低于5%。

2.1.2 膜下滴灌。膜下滴灌技术包括地表覆膜(一般为塑料膜)和滴灌方式两部分。田间土壤、植被等因素的时空变化与自然或人为过程密切相关，膜下滴灌条件下水盐运移过程非常复杂[29-31]，因此利用Hydrus模型在膜下滴灌条件下的研究应用比较丰富。Hydrus模拟过程中，土壤水分、盐分随着土层深度的运移变化规律基本上是一致的，主要表现为：土壤上层盐分呈现下降趋势，土壤下层盐分呈现上升趋势[32-34]。齐智娟[35]对Hydrus-2D模型在我国土壤运用的可靠性条件进行了尝试，结果表明：该模型的模拟数据与田间资料中的实测值吻合度较高，能够比较准确地模拟膜下滴灌条件下土壤水盐运移规律。应用Hydrus模型模拟膜下滴灌条件下土壤水分、盐分运移动态，能够为灌溉制度的进一步优化提供数据支持，进而为区域土壤水盐管理提供参考[36-38]。由于Hydrus模型在膜下滴灌条件下的可靠性高，因此，通过该模型可以很好地预测田间土壤水盐运移情况，有利于采取恰当措施促进灌溉方式的优化以及提高田间管理的准确性。

2.1.3 畦灌。畦灌是指通过田间渠道或压低管道来输送水分，在此过程中借助重力和土壤吸力的作用湿润土壤[39]。畦灌需要考虑与土壤渗吸速度、田面坡度、平整程度以及作物种植情况有密切关系的多种要素，主要包括：土壤类型、畦长、畦宽、入畦的单宽流量以及改水成数等[40]。通过Hydrus模型的模拟，可以较为直观的展现畦灌的优点以及对灌溉效果的影响程度。

利用Hydrus模型模拟了畦灌条件下水分、盐分在土壤中的运移情况的结果表明：Hydrus模型可以正确模拟畦灌条件下土壤水盐运移[41]。刘群昌等[42]采用Hydrus-2D模型在不同土壤、灌水量和隔畦宽度条件下对土壤水分和盐分的分布以及运移情况进行模拟，结果表明，畦宽为120 cm的情况下，灌水量在600～900 m3·hm-2之间，水分利用效率最高，能够达到节水目的并且可以提高作物产量。

2.1.4 负压灌溉。负压灌溉是一种新型的适用于非饱和土壤的灌溉方式，通过把供水的压力控制在负值，然后进行水分灌溉。一方面，该灌溉方式能够将根区土壤水分控制在最适宜的状态，进而提高作物产量；另一方面，负压灌溉能够显著减少水分用量，在一定程度上抑制土壤表层的无效蒸发，显著提高水分利用效率[43-45]。目前负压灌溉的应用处于探索阶段，利用Hydrus模型对负压灌溉条件下土壤水分以及盐分运移进行模拟研究是非常必要的[46-47]。

已有研究利用Hydrus模型在负压灌溉方式下模拟不同供水压力、初始土壤基质吸力、灌水器导水率和时间对土壤中水分和盐分运移状况的影响，经过验证，模拟值与实测值基本一致[48]。周青云等[49]利用Hydrus-2D模型模拟负压灌溉方式下，不同质地对土壤水盐运移的影响，研究结果表明：沙壤土水分含量较少，土壤中水分的入渗速度较快，不适合使用负压灌溉方式；壤土、黏壤土和黏土保水效果较好，土壤中水分含量较高，湿润锋分布均匀，比较适合负压灌溉这种方式。冀荣华等[50]利用Hydrus-2D模型模拟在负压灌溉方式下，土壤的垂直剖面中水分入渗规律，结果显示，灌溉条件下土壤中水分的入渗速率与灌水器的半径存在正相关关系。

2.1.5 不同灌水频率。灌水频率对土壤水分和盐分的空间分布以及土壤温度的变化具有重要影响，同时影响植物的生长状况[51-54]。利用Hydrus模型对不同灌水频率条件下土壤中水盐运移特征进行模拟的结果表明：土层深度位于20～40 cm时，土壤中水分、盐分含量的模拟值与实测值差异不大，而土层深度介于0～20 cm或者40～50 cm时，土壤水分及盐分含量数值的模拟值与实测值存在较大偏差，可见在一定条件下Hydrus模型可较好地描述不同灌水频率下土壤水盐分布[55]。目前就灌水频率的研究多集中于对作物产量、品质改善方面，而灌水频率条件下Hydrus模型对土壤水盐运移规律模拟的研究较少，因此，在此方面有待进一步加强。

2.2 不同盐碱土改良方式下水盐运移Hydrus模拟

改良盐渍土的措施主要包括水利工程排水洗盐、地表覆盖抑制水分蒸发、施加改良剂和生物改良[56-57]。

地表覆盖技术是指在土壤表层铺盖薄膜、秸秆及沙土等物质，以此减少土壤中水分的蒸发；在土壤表层以下铺设砂砾层或秸秆层可阻止底层土壤的盐分随水分向上运动，进而减轻土壤表层盐分积聚情况[58-65]。运用Hydrus模型模拟盐碱土改良条件下土壤水盐运移情况，该研究具有重要意义及广阔前景。目前，相关学者通过对同种土壤不同覆盖方式(覆盖材料、夹层埋深及夹层厚度等)以及不同土壤(土壤质地、土壤含盐水平等)同种覆盖方式下土壤水分、盐分运移进行模拟研究，结果表明，地表覆盖和表下隔层能够有效控制土壤表层盐分的积聚情况，从而有效改良土壤盐渍化，同时Hydrus模型能够比较准确地反映土壤水盐动态运移过程[66-68]。

水利工程措施是改良盐渍土，对土壤次生盐渍化过程进行防治的主要途径，主要包括明渠排水洗盐、暗管排盐等方式。该改良措施能够调节和控制土壤水盐迁移过程，改善土壤盐分积聚问题，提高土地的生产能力，促进土地资源的优化利用[69-70]。因此，通过Hydrus模型对土壤洗盐条件下水盐运移的模拟研究，能够掌握土壤中水分、盐分的变化规律，为盐碱地改良、水资源的持续性等方面提供科学依据。相关学者利用Hydrus模型对竖直压盐、明沟排水洗盐过程进行模拟，分析不同改良方式对土壤水分和盐分变化的影响，进而对其时间变化进行预测分析[71-72]。利用Hydrus模型模拟暗管条件下土壤水盐运移情况，结果表明：埋设暗管能够在一定程度上提高土壤的渗透性能，容易将土壤中可溶性盐分排出，对盐碱地有显著的脱盐效果；经过模型模拟数值与实测数值的比较验证，在土层深度为20 cm时，Hydrus模型的模拟精度最高，因此，该模型可以模拟及预测土壤中水分以及盐分的动态变化规律[73-74]。

综上，运用Hydrus模型对不同盐碱土改良方式下土壤水盐运移动态进行模拟，模拟结果精度较高，因此，该条件下应用Hydrus模型进行预测研究的可行性较高。但是，改良盐碱土能够显著影响土壤水分运移、盐分分布，作用过程复杂，并且作用机理尚不明确，模拟时采用的方法并不完善，大部分方法忽略了土壤-大气之间的水分循环过程。因此，对于不同改良方法对水盐运移模拟的原理有待进一步研究。

3 展 望

现阶段，大部分土壤水盐运移研究只是针对室内土柱进行的模拟实验，而田间尺度因其土壤理化性质的空间变异性，导致边界条件比较复杂，在一定程度上影响了模型在田间尺度上应用的精确度，因此田间尺度上Hydrus模拟研究少于室内条件下的研究。

Hydrus模型在不同土壤质地、灌溉方式、灌水频率及盐碱土改良方式等条件下对土壤水分和盐分运移进行了数值模拟，并且大部分研究中的模拟数值与实测数值吻合度较高，这在一方面验证了Hydrus模型在土壤水盐运移研究应用中的准确性，另一方面可以利用该模型对不同条件下水盐运移规律进行预测，从而为区域田间管理提供理论依据与实践价值。

水盐运移机理研究不断深入的同时，Hydrus模型得到了长足发展。土壤水盐运移模型向着综合化方向发展，在不同条件下Hydrus模型应用要充分考虑水土的相互作用、土壤中多相流的混合作用以及生物地球化学循环过程，从模拟水盐运移发展到模拟物质运移以及能量传递；在不同条件下模拟时，结合先进技术或软件工程对模型进行验证，提高其精度，达到扩展模型应用空间的目的。

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