基于Hydrus- 1D软件的大洼灌区灌水方案优选研究

肖素欣

(辽宁润中供水有限责任公司,辽宁 沈阳 110166)

1 灌区简介

大洼灌区位于辽宁省盘锦市南部，地处大辽河下游的右岸，东临大辽河，西邻辽河，南与营口市隔河相望，北与兴隆台区相接，总面积约1526km2[1]。灌区地势低平，海拔高程为2～3.5m之间，总土地面积15.25万hm2，设计灌溉面积6.8万hm2。灌区属于温带半湿润大陆性季风气候区，降水量适中，年平均降水量为646.6mm，平均气温8.5℃，无霜期177d。大洼灌区由于地势较低，历史上曾有大面积的盐碱地分布，由于潜水位高、土壤盐度高，不利于农作物的生长和发育。在大洼灌区建成之后，经过多年的改良，土壤盐碱化问题得到明显改善，但是并没有彻底解决。

2 土壤水盐运移数值模拟模型

2.1 Hydrus- 1D软件

随着盐碱地改良技术发展，土壤水溶质运移研究也取得诸多研究成果。其中，Hydrus软件是由美国国家盐改中心开发的一款土壤水分、盐分运移规律数值模拟软件，主要由水流和溶质运移等七大基本模块组成。该软件凭借其精确的模拟结果以及强大的功能，在该领域获得广泛应用[2]。徐存东等利用该软件进行了漫灌条件下的土壤水盐运移规律[3]，余根坚等学者则利用该软件对灌区土壤的水分和盐分进行数值模拟[4]，均取得了良好的模拟效果。本次研究拟以上述研究成果为参考，利用Hydrus- 1D软件对辽宁省大洼灌区的土壤水盐运移规律进行研究，并以此为基础提出最佳灌水方案。

2.2 模型的构建与参数率定

2.2.1 土壤水流模块设置

在模型构建中利用修正的Richarhs方程描述土壤水分运动的基本方程，其数学表达式为[5]：

(1)

式中，θ—土壤的含水率；t—时间，h；z—深度，m；K(θ)—土壤的导水率；S—农作物根系吸水项。

采用V-G模型对土壤的水力特征进行描述，根据研究区的土壤颗粒级配和容重的实测值，利用“Rosetta”模拟获得土壤水力参数值，结果见表1。

表1 土壤水力参数模拟结果

模块的上边界设定为大气边界，考虑到大洼灌区地下水位较高，下边界条件的确定必须要考虑地下水的影响。根据相关研究成果，如果将下边界设定为变水头与实际结果误差较大，因此将下边界确定为自由水头。

2.2.2 溶质运移模块设置

由于大洼灌区部分地区土壤盐碱化情况仍然比较严重，因此将研究对象选为土壤可溶岩类，以土壤的全盐量为指标，以多孔介质运移理论为基础，建立盐碱化土壤溶质运移数学模型：

(2)

式中，D—弥散系数，cm；q—水流通量；c—溶质的质量浓度。

关于溶质运移模块的参数值，研究中结合李韵珠等人的研究成果[6]，结合大洼灌区的实测数据适当调整确定。其中，弥散系数确定为39.5cm，扩散系数确定为1.25cm2/d。该模块的边界条件设置要和土壤水流模块相对应，上边界设定为浓度通量，下边界设置为零浓度梯度。

2.2.3 作物根系生长和吸水

土壤水分会对农作物根系吸水速率产生一定的影响，本次研究中利用Feddes模型对这一影响进行计算，其参数由软件的自带系数确定，结果见表2。在需要输入作物根系生长数据时，将初始根系深度设为0cm，最大根系深度设为60cm。

表2 Feddes模型自带参数表

2.3 模型的检验

以播种前的土壤实测数据对构建的模型进行率定，以生育期的土壤实测数据进行模型的合理性验证。结果显示，所选样本的土壤含水率与全盐量配对的T检验显著性水平的P值均大于0.05，说明模型的模拟结果与大洼灌区的实测结果比较接近，存在的误差在可接受的范围内，边界条件与参数的确定比较科学、合理，可以用于下一步的研究。

3 灌区灌水方案的确定

3.1 灌水方案的确定

本次研究在进行多次田间试验的基础上，结合路振广、刘佳等学者的研究结论[7- 8]，拟定灌水方案，见表3。

3.2 不同方案的土壤水盐运移数值模拟

利用上节构建的Hydrus-ID数值模拟模型对14个不同灌水方案下的水分运移规律进行数值模拟。结果显示，不同方案具有大致相同的土壤含水率变化规律，也就是灌水后土壤含水率迅速增加，而后逐步降低，其中表层土壤含水率的变化最为明显。不同方案下的玉米生育期土壤平均含水率计算结果见表4。

表3 灌水方案拟定表

表4 各方案土壤含水率计算结果

利用模型对不同灌水方案下的盐分运移规律进行数值模拟。结果显示各方案的土壤含盐率变化规律相似，也就是灌水后土壤含盐率迅速降低，而后逐步增加，其中表层土壤含盐率的变化最为明显。不同方案下的玉米生育期土壤平均含盐率计算结果见表5。

3.3 灌水方案的优选

从土壤在不同灌溉方案下的含水率和全盐量两个方面对上节计算获取的结果进行对比分析，以获得最佳灌水方案。

首先，从土壤含水率方面来看，当灌水定额相同的情况下，畦灌方式的不同深度土壤含水量均小于喷灌，其差值在0.5%～0.6%。因此，对玉米种植而言，喷灌的方式效果好于畦灌，对农作物的生长最为有利，因此应结合农田水利建设进行推广。

表5 各方案土壤含盐率计算结果

对喷灌方式而言，随着每hm2灌水定额的增加，土壤的平均含水率有逐渐增大的趋势，在10cm土层深度下，各个灌水方案的土壤含水率均在25%以上，适宜农作物生长发育。从变化比率来看，在方案5，也就是780m3/hm2灌水定额条件下，土壤含水率增量最大，而方案1～方案4的土壤含水率均低于25%，不能完全满足作物生长发育需求，由此可见，方案5的灌溉用水具有最高的利用效率。

其次，从土壤的全盐量总体情况来看，在灌水定额相同的条件下，喷灌的全盐量要低于畦灌方式，主要原因是喷灌方式的下渗作用更强烈，同时还可以限制土壤深层盐分上泛，可以使全盐量相对下降较多。因此，从土壤的全盐量角度来看，喷灌方式同样要好于漫灌。从不同土层深度的全盐量来看，所有方案的土壤全盐量计算结果均小于0.3%，不会对作物生长造成明显的不利影响。在方案5，也就是780m3/hm2灌水定额条件下，土壤全盐量下降最多，因此该方案的灌溉水利用效率最高。

综上所述，利用构建的Hydrus- 1D模型对农作物生长发育期的土壤水盐运移情况进行模拟，通过对模拟结果的对比分析，认为方案5的灌溉用水具有最高的利用效率，经济适用，可以大面积推广使用。

4 结语

大洼灌区是我国东北地区的重要粮食产区，但部分地区一直受到土壤盐碱化问题的困扰。近年来，随着气候变迁和浑河、大辽河上游来水量的减少，水资源供需矛盾日渐突出。因此，文章通过数值模拟的方式，针对高含盐量土壤的灌水定额进行研究，并获得如下结论：

(1)针对数值模拟计算的需要，构建起基于Hydms- ID软件的水盐运移计算模型，实测数据检验结果显示，模型具有较高的拟合度，可以用于相关研究。

(2)从土壤含水率方面来看，喷灌的方式效果好于畦灌，对农作物的生长最为有利，在780m3/hm2灌水定额条件下，灌溉用水具有最高的利用效率。

(3)从土壤的全盐量总体情况来看，喷灌方式同样要好于漫灌，在780m3/hm2灌水定额条件下，土壤全盐量下降最多，灌溉水利用效率最高。

(4)喷灌条件下780m3/hm2灌水定额灌溉用水效率最高，对土壤盐分的淋洗效果最好，为大洼灌区的最优灌水方案。