考虑排盐和控盐的干旱区暗管布局参数研究

钱颖志，朱 焱，伍靖伟，黄介生

考虑排盐和控盐的干旱区暗管布局参数研究

钱颖志，朱 焱，伍靖伟，黄介生※

（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点室，武汉 430072）

为研究干旱盐碱地区排盐暗管工程布局参数的确定方法，该文利用新疆蓄水淋洗、暗管排水排盐试验数据，建立并验证了HYDRUS-2D数学模型，土壤含水率均方根误差范围为0.038～0.043 cm3/cm3，决定系数为0.82～0.95；土壤含盐量均方根误差范围为1.6～5.15 g/kg，决定系数为0.95～0.99，所建立的模型能够模拟淋洗和暗管协同作用下的土壤水盐运移规律。考虑干旱区排盐和控盐的多重需要，提出了排淋比作为暗管排盐的评价指标，并结合传统的脱盐率指标，定量分析了不同暗管布局参数（埋深和间距）和土壤质地条件对暗管排盐的影响。结果表明：暗管埋深对脱盐率影响不大，影响根系区脱盐率的主要因素是暗管间距，脱盐率与暗管间距近似呈指数关系；而暗管间距和埋深对于排淋比都有显著影响；当土壤饱和渗透系数较大时，土壤饱和渗透系数对脱盐率没有明显影响，而排淋比与土壤饱和渗透系数呈指数关系，可见，排淋比比脱盐率更加适用于评价暗管排盐效率。该文进一步建立了排淋比与暗管布局（埋深和间距）以及土壤饱和渗透系数的经验公式。经比较，在计算的壤土情况下，当设计排淋比为500%时，该文拟合公式计算得到暗管间距与《规范》公式一致，当设计要求较低时，拟合公式所得暗管布局较为经济。该经验公式可用于指导确定干旱区暗管布局参数。

盐分；脱盐；含水率；暗管；间距；埋深；渗透系数；排淋比

0 引 言

暗管在治理盐碱地方面得到越来越广泛的应用，暗管排盐起初用于滨海盐碱地区[1-6]，研究者们针对滨海区水文地质特点，对不同灌溉方式、不同暗管埋深、间距布置、不同反滤层材料、暗管材料的降渍排盐效果开展了大量试验研究和数值模拟[7-12]，提出了一系列适用于滨海区暗管布置的工程技术及参数估算方法[13-16]。张展羽等[17]采用Drainmod-S模拟了滨海盐碱地暗管排水条件下土壤水盐运移规律；张金龙等综合Vedernikov入渗公式和Vander Molen淋洗方程，提出了滨海区暗管埋深、间距和淋洗定额计算公式[18]，并研究了定埋深条件下不同暗管间距的盐分淋洗效率[19]；陈诚等提出了考虑多目标的暗管埋深间距参数，并对比了滨海区暗管布置“浅密型”与“深宽型”的优缺点[20]，提出针对滨海区快速排水宜采用浅密型布置模式。滨海地区暗管布置以降低降雨引起的地下水位上升为主要目的，通过控制地下水位控制耕作层盐分不超过作物耐盐阈值，主要考虑作物根系深度和作物耐淹耐渍时间[21]等因素的影响。

近年来，西北干旱半干旱地区开始尝试采用暗管排水进行盐碱地治理，针对暗管排水对作物产量、土壤盐分、土壤水分、灌溉水量、灌溉水质、土壤理化性质等的影响开展了大量试验和数值模拟研究[22-27]。干旱区对于暗管布置参数多借鉴滨海区经验，尚未对暗管布局参数进行系统研究，也未能形成能够指导实践的暗管布局参数公式[28]。西北内陆干旱区水文气象、土壤质地、水文地质等特征与滨海地区有显著差异，西北地区降雨少、蒸发量大，高强度蒸发导致地下水中盐分上移，聚集在土壤表层，导致土壤盐碱化[29-32]。西北旱区地下水埋深较深，暗管需配合淋洗对土壤盐分进行协同调控。因此，在西北干旱区布设暗管考虑因素与滨海地区存在差异，基于滨海地区的暗管布局经验公式在西北干旱半干旱地区的适用性也值得探讨。综上，有必要研究干旱半干旱情况下，不同暗管布局的排盐效果，并对暗管布局参数和土壤脱盐之间的关系进行定量表征，以指导西北旱区排盐暗管工程布局。

本文针对西北干旱地区水文地质条件，通过新疆玛纳斯河流域暗管排水条件土壤水盐动态试验数据，率定和验证HYDRUS-2D模型的可靠性和实用性，利用建立的模型计算不同暗管布局和土壤质地下暗管的淋洗排盐效果；选取常用的脱盐率及本文所定义的排淋比为指标，分别表征以控盐为目的和以排盐为目的的2种盐碱地治理思路，并利用前述计算结果拟合得到经验公式，定量表征脱盐率、排淋比与暗管间距、埋深、土壤饱和渗透系数之间的关系；结合工程算例，比较本文提出的经验公式与已有公式计算暗管间距结果，说明本文提出公式的可行性及经济性。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况及试验设置

暗管排盐淋洗试验于2012年5－8月在新疆农科院棉花育种基地上进行[25]。试验小区面积为15×10 m2，小区内共铺设3条暗管，埋深60 cm，坡度0.2 %，间距5 m，编号分别为1、2、3号，小区布置见图1。试验小区从2012年7月8日（时间=0 d）开始蓄水淋洗压盐。每天早晚根据入渗情况及时补充水分，0～7 d（7月8－15日）保持水深在3～5 cm之间，8～16 d（7月16－24日）保持水深在5～10 cm之间。本试验中取中间2号暗管控制区域作为取样区域（图1阴影部分），试验前后在小区中心地带距2号管水平方向上各0、50、150、250 cm处分层取土样，垂向分层为自地表至90 cm，间隔为10 cm，具体位置如图1中A、B、C、D点所示。

注：A1 ~D3为土壤取样点。

1.2 数值模型

1.2.1 模型基本原理

本文采用HYDRUS-2D模型[28]进行暗管排水条件下土壤水盐动态模拟，模型采用二维饱和-非饱和Richards方程描述土壤水分运动，如下所示：

模型采用van Genuchten方程的改进模型来表示土壤体积含水率和土壤水力传导度与土壤负压的关系，模型包括5个重要参数，分别为残余含水率θ、饱和含水率θ、饱和渗透系数K、经验参数和[24]。

模型采用二维对流-弥散方程描述盐分运移，如下所示：

式中为土壤溶液中的溶质浓度，M/L3；q为在x向的达西流速，L/T；D为饱和/非饱和水动力弥散系数，L2/T。饱和/非饱和水动力弥散系数D为1个张量，可以利用以下公式计算：

式中D为离子或者分子在静水中的扩散系数，L2/T；为土壤孔隙的曲率因子；||是达西流速的模，L/T；为Kronecker delta函数；D和D分别为纵向和横向弥散度，L。当模拟二维水盐运移时，式（1）～式（3）中，,=1, 2，分别表示,方向。

1.2.2 模拟区域

取2号暗管控制区域的一半作为模拟研究区域，模拟宽度为250 cm，为充分考虑地下水的顶托及返盐作用，将模拟深度延伸到地下水以下，在地下水一定深度以下设置为不透水边界。已有研究表明[33]，在暗管排水作用下，距离暗管150 cm以下位置地下水流线近似水平，垂直通量可忽略，故此处将地下500 cm处设为不透水边界。根据模拟区域的水力特征，将左右边界设置为不透水边界，将暗管设置为渗流边界，上边界设置为定水头边界或大气边界，当上边界水势下降到临界值时，上边界由定水头边界转变为大气边界。上边界水头据文献[25]中的淋洗水深简化而来，0～7 d水深为4 cm，8～16 d水深为7.5 cm，17～20 d为大气边界。上边界蒸发强度取日平均为0.32 cm/d。初始地下水埋深设为480 cm。

土壤粒径分布采用激光粒度分析仪（Mastersizer 2000，马尔文仪器有限公司，英国）测得；容重采用环刀取原状土测定；土壤水分特征曲线利用粒径和容重数据通过HYDRUS软件中嵌入的人工神经网络推算工具进行推算获得；饱和导水率利用渗透率仪在变水头下测定。溶质分子在静水中的扩散系数取1.632 cm2/d；纵向弥散度和横向弥散度根据参考文献中的取值进行调试。试验区土壤物理参数如表1所示[25]。

1.3 模拟情景设置

1.3.1 暗管布局参数情景设置

暗管布局参数对于暗管排盐效果具有显著影响，其中暗管间距和埋深是2个重要因素。在现有工程布局下，考虑施工成本，暗管间距多在1 000 cm以上；考虑耕作因素及暗管施工机械施工能力，暗管埋深多在60 cm以下及200 cm以上。

表1 试验区域土壤物理参数

根据《暗管改良盐碱地技术规程第2部分：规划设计与施工》[34]（以下简称《规范》）中的经验公式，暗管设计间距应满足下式：

=·K·/100 （4）

式中K为饱和渗透系数，cm/d；为暗管埋深，m；暗管间距，m；为经验系数，根据《规范》要求，黏土为40，壤土为30，砂土为20。

由于试验区域土壤导水性较差（K为7.2 cm/d）,当埋深为0.6～2 m时，代入式（4），计算得到暗管间距为1.72～5.76 m。结合工程实际及研究目的，本文设置不同暗管间距（100、200、300、500、1 000、1 500 cm）和不同暗管埋深（60、100、150 cm）共18种暗管布局，另外设置1组无暗管空白对照组，累计19组方案。模拟区域宽度为暗管间距一半，暗管直径、模拟深度、边界类型、淋洗制度、土壤参数、土壤水盐初始值设置与前述一致。空白组模拟宽度为1 000 cm，不设暗管边界，其余边界条件及初始条件与前述一致。

1.3.2 土壤质地情景设置

考虑到土壤渗透参数对暗管排水排盐具有重要影响，本文选取饱和渗透系数差别较大的4种土壤进行计算[35]，所选土壤种类及其参数见表2（溶质运移参数D和D取值与试验区域表层土壤相同，分别为10和1 cm）。本组模拟的暗管布局为间距1 000 cm、埋深100 cm、管径11 cm，模拟区域、边界类型、淋洗制度及土壤水盐初始值设置与前述一致。

表2 选取土壤物理参数表

1.3.3 模拟时长及盐分均衡区域

干旱地区由于蒸发强度大，返盐现象强烈，因此，选取的任何评价指标需考虑时间和空间范围。本次模拟针对新疆典型作物棉花播种前的春灌排水排盐过程，已有研究表明膜下滴灌棉田在生育期存在积盐现象，需要利用淋洗保证棉花出苗[4,36-37]。因此本文将模拟时长定为暗管终止时间持续到棉花出苗期结束（10～15 d），累计40 d；由于出苗期棉花根系深度较浅，本文将各个指标研究区域定为土壤表层40 cm。

1.4 暗管排盐评价指标选取

为考虑控盐和排盐不同目的，本文选取脱盐率和定义排淋比2个指标来评价淋洗作用下暗管排盐效果。脱盐率是指研究区域土壤盐分的减小值占初始值的比例，它可以评价淋洗和暗管协同作用下，土壤层的脱盐效果，在已有研究中得到广泛采用[2-3]。土壤脱盐率的计算公式为

式中为脱盐率，%；1为土壤盐分初始值，g/kg；2为土壤盐分终值，g/kg。

已有研究表明，脱盐率不能将淋洗和暗管对脱盐的贡献区分开来[24-25]，且由于淋洗作用产生的脱盐作用具有返盐风险，因此有必要将淋洗压盐与暗管排盐作用进行区分，以反映暗管土壤的真实脱盐程度。本文定义排淋比作为评价暗管排盐的第2个指标。所谓排淋比是指暗管排出盐分质量与同样淋洗制度下不埋设暗管时研究区域盐分减小质量的比值，定量反映暗管排盐相对于淋洗作用对于剖面脱盐贡献程度的大小。当排淋比为100%时，可认为暗管排盐与淋洗压盐作用相当。暗管排淋比计算公式为

式中R为排淋比，%；1、2分别为空白组土壤盐分初始值和终值，kg；M为暗管累积排盐质量，kg。

实际计算时，脱盐率及排淋比R中的土壤盐分初始值、终值通过Fortran语言将盐分均衡区域各个节点含盐量以节点控制面积为权重加权平均获得。

2 结果与分析

2.1 模型验证结果

采用表1中土壤参数对试验区暗管排水条件下土壤水盐进行模拟，=20 d时距离暗管水平方向距离（=0, 50, 150, 250 cm）各剖面实测和模拟含水率、含盐量对比如图2所示。由各处（=0, 50, 150, 250 cm）剖面实测和模拟含水率对比图2a～图2d可知，在=20 d时，各个剖面含水率差异不大，土壤在深度50 cm以下已经饱和。利用模型模拟得到的各个剖面含水率与土壤实测值变化趋势一致，但在深度20～40 cm的土层中模拟值偏大，分析原因可能是暗管埋在60 cm处，加速了上层重力水的排出，导致该土层土壤参数与模型所给平均参数具有一定差异。由各处（=0, 50, 150, 250 cm）剖面实测和模拟含盐量对比图2e~图2h可知，在=20 d时，除=0 cm剖面，其余剖面含盐量差异不大，土壤表层含盐量明显减小，但随着深度增加，土壤含盐量变化值越来越小。利用模型模拟得到的各个剖面含盐量与土壤实测值变化趋势一致，在=50 cm处，模拟值较实测值偏大。为准确判定模型模拟效果，采用均方根误差（root mean square error, RMSE）和决定系数（2）作为模拟结果评价指标[24]。不同剖面处含水率与含盐量计算值与模拟值的RMSE和2见图2。由计算结果可知，土壤含水率RMSE范围为0.038～0.043 cm3/cm3，2为0.82～0.95；土壤含盐量RMSE范围为1.6～5.15 g/kg，2为0.95～0.99。可见，模型模拟的土壤水盐与实测值较为吻合，能够较好地模拟淋洗条件下的暗管排盐过程。

注：R2是决定系数；RMSE是均方根误差；**表示在0.01水平显著；下同。

2.2 暗管布局对土壤剖面水盐分布的影响

模拟时段末剖面水盐分布情况可以直观表示淋洗和暗管协同作用下剖面的水盐分布规律及剖面脱盐效果。此处选取埋深为100 cm，不同暗管间距条件下距离暗管/2（为暗管间距）剖面的水盐分布情况，以研究暗管间距对剖面水盐分布的影响，图3a～图3b表示模拟时段末不同暗管间距条件下距离暗管/2处剖面的水盐分布情况。需要说明的是，距离暗管/2的剖面为暗管控制区域排水排盐效果最差的剖面，该剖面可以反映淋洗和暗管协同作用下，整个区域脱盐的下限。由图3a～图3b可知，模拟时段末剖面含水率都呈现表层含水率低于初始含水率，底部含水率明显增大的规律，剖面含盐量呈现自上而下先减小再增大的规律，分析原因为在淋洗作用下，土壤含水率整体上升，盐分随淋洗水整体向下迁移，在后续蒸发作用下，土壤表层含水率下降，盐分出现表聚现象；暗管间距越大，其排盐效果最差断面距离暗管距离越远，对应的剖面含盐量越高，原因为暗管具有一定的控制距离，暗管间距越大，中间断面距暗管越远，其脱盐效果越差。

同时选取间距为500 cm，不同暗管埋深（）条件下距离暗管/2（为暗管间距）剖面的水盐分布情况，以研究暗管埋深对剖面水盐分布的影响，对比结果如图3c和图3d所示。由图可知，暗管埋深越深，剖面含盐量越低，但并无显著差别，说明暗管间距对于剖面脱盐的影响大于暗管埋深，分析原因为现有淋洗制度较大，地下水可以上升到足够高度，使不同埋深的暗管都能充分排水。

2.3 暗管布局参数与脱盐率的关系

不同暗管布局及空白组在=40 d后土壤耕作层（0～40 cm）的剖面脱盐率计算结果及其与暗管埋深、间距的变化关系如图4所示。由图4a可见，对整体而言，不同暗管埋深情景下剖面脱盐率之间无显著性差异（>0.05）；当暗管间距小于500 cm时，脱盐率均在80%以上，无明显变化规律，且变化幅度很小。分析原因为在淋洗和暗管协同作用下，耕作层水盐运移有2种途径：淋洗到下层土壤、由暗管排出或停留在下层土壤，淋洗作用直接影响脱盐率大小，但是暗管排水足够大时，也会促进淋洗进而影响脱盐率，在现有大额淋洗制度下，尽管增加暗管埋深可以增加排水流量，但不足以促进淋洗水流向下推进，故脱盐率几乎不变。

注：a图和b图，暗管埋深为100 cm；c图和d图，暗管间距为500 cm。

由表3和图4b可知，在同样的埋深条件下，不同间距情景下脱盐率存在一定差异，且均呈现随着间距增大，脱盐率减小的变化趋势，并逐渐趋于空白对照组的脱盐率（66.42%），这是因为增大暗管间距，相当于减少单位横截面积土壤的水盐出口和排水排盐量，进而减小暗管排水排盐对淋洗推进的促进作用，当暗管间距足够大时，该促进作用可以忽略不计，因此此时脱盐率趋于空白对照组脱盐率。

为确定脱盐率与暗管间距之间的定量关系，对脱盐率与暗管间距之间的关系进行拟合，如图4b所示，拟合关系式为

=25.23exp(-0.14)+66.42 （7）

式中为脱盐率，%；为暗管间距，m。

该拟合公式的均方根误差及决定系数分别为1.88%、0.92，可见拟合得到的曲线能够较好地反映该种土壤在特定淋洗条件下，脱盐率与暗管间距之间的定量关系。从图4及式（7）可以得出，暗管布局对于脱盐率的影响很小，正常工程布局下（>1 000 cm），脱盐率变化范围为66.42%~74.76%，变化不足10%。这说明用脱盐率作为指标不能客观反映暗管在土壤脱盐过程中的排盐作用。

图4 脱盐率与暗管埋深和间距关系

2.4 暗管布局参数与排淋比的关系

不同暗管布局及空白组在=40 d后土壤耕作层（0～40 cm）的剖面排淋比计算结果及其与暗管埋深、间距变化关系如图5所示。由图5可见，暗管埋深和间距均对排淋比有明显影响，暗管埋深越大、间距越小，则排淋比越大。这是因为随着暗管加密，单位横截面积土壤的水盐出口增加；随着暗管埋深增加，其排水水势梯度增加，以上均会增加暗管总排水量和排盐量，从而增大排淋比。当暗管埋深较深、间距较小（例如埋深为100 cm，间距100 cm）时，暗管排淋比会大于100%，这表明此时暗管的排盐能力已经与淋洗造成的脱盐相当，此时暗管具有较好地排出土壤剖面盐分的作用。图5还反映出，排淋比与暗管间距近似呈指数关系，与暗管埋深近似呈线性关系。

由以上分析可知，排淋比同时受到暗管埋深及间距的影响，为了定量表示排淋比与暗管布局参数的关系，本文采用曲面函数对排淋比进行定量拟合，排淋比与暗管埋深、间距之间的拟合关系如图5c所示，拟合关系式为

R=(91.03+8.35)×exp(-0.104) （8）

该拟合公式均方根误差及决定系数分别为10.88 %、0.87。可见拟合得到的曲线均方根误差较小，决定系数接近1，能够较好地反映特定淋洗条件下排淋比与暗管布局参数（埋深与间距）之间的定量关系。

注：D为暗管埋深，L为暗管间距。下同。

2.5 土壤质地与暗管脱盐率及排淋比的关系

不同土壤质地在=40 d后土壤耕作层（0～40 cm）的剖面脱盐率及暗管排淋比如表3所示。由于饱和渗透系数K是影响土壤中水盐运移的重要因素，因此土壤质地中影响脱盐率、淋排比的主要因素是饱和渗透系数K，图6表示脱盐率、排淋比与K之间的关系。由表3及图6可见，对于脱盐率，除了本文模拟区域土壤以外均接近100%，主要原因是淋洗定额较大，可以将耕作层中的盐分进行充分淋洗进入40 cm以下土壤，且在给定的模拟时间内不至于大量返回土壤表面。因此，对于不同质地的土壤，若是以控盐为目的，在设计淋洗制度之前有必要对土壤K进行详细考察，防止由于淋洗水量过大造成浪费。排淋比对K的敏感程度大于脱盐率。相同淋洗制度下，不同土壤质地的排淋比表现出很大差异，排淋比随着K增大而增大，暗管的排盐作用逐渐超过淋洗作用，这是因为暗管排水排盐能力与其周围土壤性质直接相关，土壤导水能力越强，暗管影响范围和排水排盐总量越大，最终暗管不仅能排出上层土壤淋洗盐分，还能排出地下水所含盐分。

为了定量研究排淋比与K之间的关系，采用指数函数对二者关系进行拟合，同时，为保证当K不变时，排淋比与暗管布局关系与式（8）一致，采用如下关系进行拟合：

R=(91.03+8.35)×exp(-0.104+0.091K+0.131) （9）

表3 不同质地土壤脱盐率和排淋比计算结果

图6 脱盐率、排淋比与饱和渗透系数（Ks）关系

图6b所示情景下，暗管间距和埋深分别为1 000、100 cm，此时得到的拟合公式均方根误差和决定系数分别为13.64%和0.996。可见拟合公式能够较好的反映该种土壤在特定淋洗条件下，排淋比与K及暗管布局参数之间的关系。需要说明的是，上述拟合公式针对K区间为小于30 cm/d。由于排淋比不可能随着K无限增大，因此不推荐对K外延，对于K≥30 cm/d时排淋比及其规律，有待于进一步研究。

3 本文公式与已有规范公式计算结果对比

为评价拟合公式的适用性以及与已有经验公式的差别，现参考《规范》[34]中的经验公式（式（4）），比较两者计算结果的差别。假设土壤为壤土，饱和渗透系数为25 cm/d，种植作物为棉花，现需要布设暗管配合淋洗进行盐碱地改良，由于种植作物为棉花，生育期根系可达到80～100 cm，因此暗管埋深应大于100 cm。当暗管埋深分别为100、150、200 cm时，利用式（9）计算得到暗管间距分别为750、1 130、1 500 cm，如表4所示。若以脱盐率为指标设计暗管布局，由图7可得，对于壤土，在已有淋洗制度下，脱盐率几乎与暗管布局无关（均接近100 %）。可见，对于该种土质，以脱盐率为指标进行暗管布局设计并不合理。

若以排淋比为指标设计暗管布局，需首先确定设计排淋比。为保证整个生育期棉花不受返盐影响，暗管应当将根系深度范围内（假设棉花根系深度为80 cm）淋洗的盐分全部排出，根据排淋比定义（排淋比盐分均衡区域仍为表层40 cm），在土壤剖面盐分均一的条件下，暗管排除盐分应2倍于均衡区域因淋洗减少的盐分，即排淋比至少应达到200%才能满足要求。此处取设计排淋比分别为200%、300%、400%、500%进行计算，利用式（8）计算得到当暗管埋深为100、150、200 cm时对应的暗管间距，如表4所示。由表可知，在同一种埋深情况下，对应不同设计排淋比，利用本文公式可以计算得到不同的暗管间距，而《规范》中的公式没有考虑不同排盐需求，对于给定埋深，只能得到1种暗管间距。同时，由表4可以看出，当设计排淋比为500%时，本文拟合公式计算得到的暗管间距与《规范》公式结果一致（可以认为在此设计排淋比下，暗管能够排出0～200 cm剖面淋洗下来的所有盐分），而当设计排淋比小于500%时，本文公式计算得到的暗管间距都大于《规范》公式，由于当设计排淋比为200%时作物根系区盐分得到有效排除，达到排盐目的。这一方面说明在一定的排淋比下，本文公式与《规范》公式的计算结果一致，另一方面也说明当设计排淋比较小（也即是排盐需求较小）时，利用本文公式可以计算得到相对较大的暗管间距，这可以在满足设计要求的情况下，减小暗管布设的成本，提高经济效益。

表4 《规范》公式与本文公式计算结果对比

注：土壤类型为壤土，饱和渗透系数为25 cm·d-1，种植作物为棉花。

Note: Loam withsaturated hydraulic conductivity of 25 cm·d-1for cotton.

4 结 论

采用脱盐率和排淋比来衡量盐碱地治理效果，研究脱盐率、排淋比及其与暗管布局（间距和埋深）的关系，得到以下结论：

1）在暗管与淋洗协同作用下，剖面的脱盐由2部分组成，一是由淋洗作用将盐分由上而下带入耕作层以下；二是通过暗管排出。干旱地区降雨少，蒸发大，由淋洗造成的脱盐是不稳定的，耕作层的盐分会随着蒸发作用返回上部，具有返盐风险。因此，评估干旱区暗管排盐作用，需要综合考虑脱盐率和排淋比。

2）对于盐碱地治理，若是以控盐为主要目的，可以脱盐率作为主要指标。此时暗管主要发挥2个方面的作用，一方面是及时排出淋洗进入的水分，从而增加淋洗总水量，另一方面在淋洗作用结束后，及时降低地下水位，减少后期返盐风险。文中计算结果显示，暗管埋深对于脱盐率无显著性影响，暗管间距对于脱盐率的影响很小，正常工程布局下（间距>1 000 cm），影响不足10%，可以忽略不计。

3）对于盐碱地治理，若是以排盐为主要目的，需要同时兼顾脱盐率和排淋比指标。此时暗管发挥的另一个作用是将耕作层淋洗下来的盐分及时排除，防止返盐。可采用本文所提出排淋比与暗管布局参数关系的经验公式计算合适的间距和埋深组合，考虑施工成本，挑选经济合理的布局方式进行布设。

4）土壤质地影响暗管布局设计，文中计算结果显示，当饱和水力传导度大于5 cm/d，现有淋洗定额下，土壤脱盐率与饱和水力传导度无关（都为100%），而排淋比与饱和水力传导度呈指数关系。说明若是以控盐为目的，在设计淋洗定额之前有必要对土壤饱和水力传导度进行详细考察，防止由于淋洗水量过大造成浪费，若是以排盐为目的，可以根据土壤饱和水力传导度相应调整暗管布局参数。

5）利用本文所得的排淋比公式计算得到的暗管布局与已有规范中的经验公式的计算结果对比，在同一种埋深情况下，对应不同设计排淋比，利用本文公式可以计算得到不同的暗管间距，而《规范》中的公式没有考虑不同排盐需求，对于给定埋深，只能得到1种暗管间距。当设计排淋比为500%时，本文拟合公式计算得到的暗管间距与《规范》公式结果一致，而当设计排淋比小于500%时，本文公式计算得到的暗管间距都大于《规范》公式，可知本文公式对于现有淋洗制度下不同土壤的暗管布局设计具有较大的参考价值，且在设计淋洗标准较低的情况下，可以减小暗管布设成本，提高经济效益。

土壤脱盐与淋洗制度密切相关，本文仅考虑现行淋洗制度下的暗管布局方案，暂不考虑不同淋洗制度的影响，进一步研究需要考虑淋洗制度与暗管布局的协同调控。

致 谢 中国农业大学左强教授提供了本文数值模型验证数据，并对论文提出了宝贵意见，在此表示衷心感谢！

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Subsurface drains layout in arid areas with purposes of salt control and discharge

Qian Yingzhi, Zhu Yan, Wu Jingwei, Huang Jiesheng※

(430072,)

Subsurface drainage has been widely used to prevent saline-alkali soil. However, it remains a concern to determine the layout of subsurface drains in arid areas while considering its complex hydrogeological conditions, e.g., deep groundwater table, arid climate, and strong spatial soil heterogeneity. Therefore, it is necessary to investigate the method of determining layout parameters, e.g., spacing and depth of subsurface drains in arid region. The leaching salt will move upward due to strong evaporation in arid areas, which limits the evaluation index of desalination rate to evaluate the effect of subsurface drains. So, there are 3 major objects in this study: 1) to define an additional evaluation index to evaluate the effect of subsurface drains; 2) to determine relationship between the layout parameters of subsurface drains and the effects of subsurface drains for controlling or discharging soil salt; and 3) to evaluate the impacts of soil characteristics on effects of subsurface drains for controlling or discharging soil salt. The evaluation index, ratio of salt discharge to leaching, is defined and used with desalination rate to evaluate the effects of subsurface drains for controlling or discharging soil salt. The experimental data of salt leaching under the subsurface drainage condition in Xinjiang was used to calibrate and validate the HYDRUS-2D model. 16 scenarios of numerical experiments were implemented to calculate the soil salt transport under different layout parameters of subsurface drains with 6 different spacing (100, 200, 300, 500, 1 000, 1 500 cm) under 3 different depths (60, 100, 150 cm). 1 scenario without subsurface drain was carried out for comparison. The soil salinity and desalination rate as well as ratio of salt discharge to leachingwere calculated for evaluation. In addition, 4 different soil types (loam, silt, silt loam, sandy clay loam) under the same depth of 1 m and spacing of 10 m were used to analyze the effect of soil texture on the effects of salt leaching and discharge of subsurface drains. The results showed that the simulation values were in good agreement with observed ones, and the established model could simulate soil water and salt transport under subsurface drains. The spacing of the subsurface drains showed strong impact on the desalination rate while no obvious impact was found from the depth of the subsurface drains and soil characteristics. There was an exponential relationship between the desalination rate and spacing of subsurface drains. The spacing and depth of the subsurface drains and the soil characteristics had significant effects on the ratio of salt discharge to leaching. The exponential and linear relationship between ratio of salt discharge to leachingwith the spacing and depth could be established, and also the ratio of salt discharge to leaching was exponentially related to saturated hydraulic conductivity. The empirical formula of the desalination rate and ratio of salt discharge to leaching with the layout parameters of subsurface drains under the specific soil and leaching schedule was established. The ratio of salt discharge to leaching was considered as a more appropriate evaluation index in arid areas because it could clearly distinguish leaching and discharging salt and it was sensitive to the layout parameters and soil characteristics. Furthermore, an empirical formula representing the relationship between the ratio of salt discharge to leaching with layout parameters and saturated hydraulic conductivitywas established, which could be used to determine the layout parameters according to the different objects of controlling or discharging soil salt. The calculation results were compared with those from the. The results showed that the calculated spacing from the proposed formula equaled to that from theformula with the ratio of salt discharge to leaching equaled to 500%. This study provides a possible quantitative evaluation method to determine the layout parameters in arid areas.

salinity; desalination;water content; subsurface drains; spacing; buried depth; permeability coefficient; ratio of salt discharge to leaching

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.008

S276.3;S276.7+3

A

1002-6819(2019)-13-0074-10

2018-12-27

2019-05-10

国家自然科学基金（No.51790533）

钱颖志，博士生，主要从事土壤水地下水资源与环境方面的研究。Email：yzqian@whu.edu.cn

黄介生，博士，主要从事农田水利与水环境方面的研究。Email：sdjshuang@whu.edu.cn

钱颖志，朱 焱，伍靖伟，黄介生.考虑排盐和控盐的干旱区暗管布局参数研究[J]. 农业工程学报，2019，35(13)： 74－83. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.008 http://www.tcsae.org

Qian Yingzhi, Zhu Yan, Wu Jingwei, Huang Jiesheng. Subsurface drains layout in arid areas with purposes of salt control and discharge [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 74－83. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.008 http://www.tcsae.org