基于HYDRUS的黄土高原丘陵沟壑区土壤水分入渗模拟

董 起 广

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，西安 710075；3.国土资源部退化及未利用土地整治重点实验室，西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，西安 710075)

0 引 言

当前，我国农村可利用耕地面积减少、城市建设用地供给不足，而在黄土高原丘陵沟壑地区长期水土流失所形成的积水沟道又蕴藏了十分丰富的潜在耕地资源[1,2]。通过治沟造地工程的实施，对黄土高原丘陵沟壑区沟道资源进行开发和保护，可增加大面积高质量耕地资源，并有效改善当地脆弱的生态环境[3,4]。在治沟造地实施过程中，必须充分了解区域水资源状况，以达到减少自然灾害、增加农业产值、改善生态条件的目的[5]。作为水资源的重要组成部分，土壤水分对于研究地表径流、水分转化、土壤侵蚀、溶质运移等过程起到了非常重要的作用，也是流域水文过程研究的重要内容之一[6,7]。在黄土高原丘陵沟壑区水源相对丰富的小流域内，土壤水分的运移常常会产生壤中流现象，该现象在流域沟道实施治沟造地后较为普遍，且容易造成土壤次生盐渍化[8]。通过研究土壤水分的入渗及运移过程，为黄土高原丘陵沟壑区治沟造地工程提供依据。

关于土壤水分入渗的基本公式包括：Kostiakov公式、Horton公式、Philip公式、Smith公式及蒋定生公式等[9]。而随着计算技术的发展，土壤水分入渗的数值模拟也愈加成熟，常见模型有SWAP、SWAT、WAVE及HYDRUS模型等[10]。其中，HYDRUS模型在我国关于土壤水分运移、补给等方面的研究应用较为广泛。HYDRUS模型也被应用于分析水流和溶质在非饱和多孔隙媒介中的运移过程。当前，以三舟溪滑坡为例，运用HYDRUS-1D模拟软件，对自然条件下三舟溪滑坡土壤入渗规律进行模拟与分析[11]；王水献等[12]应用 HYDRUS-1D模型在焉耆盆地结合实验观测资料计算了土壤水资源量；余根坚等[13]对内蒙古河套灌区节水灌溉条件下农田土壤的水盐运动进行了研究。这些研究表明，HYDRUS能够较好的模拟土壤水分入渗过程。

在黄土高原丘陵沟壑区治沟造地实施过程中，降雨后产生引起的土壤水分入渗过程往往产生地表径流及壤中流，若不能对其进行有效调控将会引起滑坡、洪涝、土壤盐渍化等问题，使沟道整治效果大打折扣。本文本以黄土高原丘陵沟壑区一典型治沟造地区域为研究对象,利用 Hydrus模型,研究在降雨条件下沟道土壤水分的入渗过程,通过分析该地区土壤水分的动态变化过程,为阐明沟道农田壤中流的形成及治沟造地工程的实施提供依据。

1 研究区概况

研究区属于陕北黄土丘陵沟壑区，地处陕西省延安市宝塔区南泥湾镇，是黄河中游水土流失重点区域之一。属温带季风气候，冬季寒冷干燥，降水较少；夏季炎热多雨，降雨集中全。年平均气温9 ℃，平均无霜期179 d，多年平均水面蒸发量在1 000 mm左右，陆地蒸发量为550 mm，干旱指数1.75。降雨时空分布不均，全年平均降水量约550 mm，冬季降水最少，占年降水量的3%，夏季最多，占年降水量的47%。研究区境内土壤主要有黄棉土、黑垆土、红土等，其中以黄棉土面积最大，占全区土壤总面积的63.87%。区内自然灾害多发，主要灾害包括旱灾、风灾、暴雨洪灾、冰雹灾害、霜冻灾害和严重的水土流失灾害等。

2 数据来源及方法

本研究采用Hydrus模型对研究区沟道农田土壤水分运动进行模拟。该模型是由美国国家盐改中心(US Salinity laboratory)于1991年开发的，主要用于模拟非饱和带多孔介质中的水分、热量和溶质运移[14]。研究区地下水位埋深在1～5 m之间，属浅埋区，土壤质地以粉壤土为主。在区域内设置了雨量筒、土壤水分监测点用以监测该区域降水及土壤水分变化。监测时间为2017年8月20日至9月30日，共计40 d。研究区土壤层次划分为2层，第1层为耕作层土壤，主要为新黄土，质地为粉壤土，厚约50 cm；第2层土壤位于耕作层以下，以老黄土或古土壤居多，质地为黏壤土，厚约30 cm，土壤层以下为卵石层。

3 模型的建立

3.1 基本方程

研究区包气带中的土壤水分运移以垂向运动为主。本文选用Richards方程对非饱和多孔介质中的土壤水运动进行描述：

式中：θ为土壤含水率，cm3·cm-3；t为时间；z为空间坐标，向上为正，cm；K为土壤导水率，cm/d；h为土壤水势，cm。

模型中的土壤水分特征方程采用vanGenuchten方程表示如下：

式中：θs为土壤饱和含水量，cm3/cm-3；θr为土壤残余含水量，cm3/cm-3；Ks为饱和水力传导度，cm/d；α为与进气吸力有关的参数；n为孔隙体积大小分布的指数；h为压力水头，cm；l为弯曲度参数，通常取值0.5，可反映反映了土壤孔隙的连通性；Se为无量纲的有效水分含量。

3.2 模型参数

以研究区土壤剖面不同深度的含水量作为初始含水量。模型的上边界选取为“大气”边界条件，接受降雨补给和蒸发排泄。模型模拟时间段为2017年8月20日至9月30日，期间日降雨量最大为50.5mm，该时间段内降水及平均地下水位埋深变化如图1所示，根据当地降雨特征，选取1d作为模拟的时间步长。同时在剖面上设置4个观测点，分别位于沟道上游和下游距离地表20、40cm处，以验证土壤剖面水分的模拟结果。土壤表面蒸发量根据HYDRUS软件自带的PenmanMonteith公式计算得到。

地层岩性信息将模拟土层划分为3层。第1层为粉壤土,厚约50cm；第2层为黏壤土，厚约30cm。第3层为卵石层，厚约100cm。根据土壤机械组成分析得出砂粒、粉粒、黏粒的百分数，利用软件自带的神经网络模型预测并计算得到各剖面的土壤特性参数，包括：饱和含水量Qs、残余含水量Qr、经验参数α、曲线形状参数n、饱和导水率Ks、曲率系数l(表1)。

图1 地下水水位与降雨变化关系

表1 模型参数设置

4 模型验证与效果评价

根据研究区模拟时间段内土壤水分实测数据对模型进行验证，如图2、图3所示，通过对比模拟结果与实测数据，验证所建立的数值模型的合理性。对沟道上游和下游两点处不同深度处土壤含水率模拟值和实测值进行两配对样本T检验(表2)验证模型精度。计算结果表明：各点位处土壤含水率实测值和模拟值的配对T检验显著性水平P值均不在置信区间(α=0.05)，说明两者无显著差异，该模型用于实际模拟应用。

图2 上游土壤含水率观测值与模拟值

图3 下游土壤含水率观测值与模拟值

表2 模拟结果评价

5 模型应用分析

根据建立的土壤水分模型，在以上各个参数条件下，对80mm日降水量(暴雨)下的土壤水分运移进行模拟，模拟时间共10d，降雨发生在模拟时间段的第2d。通过模拟结果可以看出，在暴雨条件或连续降雨条件下，土壤含水率增大较快，降雨后的第一天上游处含水率增加较下游处明显，之后几天下游处含水率降低较上游处缓慢。整体上，20cm处土壤含水率较小且变化较大，40cm处土壤含水率较大且相对稳定(图4、图5)。

图4 上游观测点不同深度土壤含水率

图5 下游观测点不同深度土壤含水率

6 结 语

(1)应用HYDRUS软件构建了黄土高原丘陵沟壑区土壤水分运移模型，并通过实际监测结果和模拟结果的对比分析验证了模型的合理性，为后期进一步分析该区域土壤水分状况及径流发生规律提供数据支持，为提高治沟造地实施效果提供参考。

(2)通过模拟分析了暴雨条件下黄土高原丘陵沟壑区沟道不同位置及不同深度处土壤含水率的变化特征。一般的，上游土壤含水率小于下游处土壤含水率，降雨过后，深处土壤含水率要大于浅层且其变化程度较小。