基于HYDRUS-2D模拟暗管排水条件下分区淋洗对土壤盐分分布的影响

余 扬 ，许伟健

（1.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌，330029；2.江西润泽工程咨询有限公司，江西 南昌，330029；3.昆山市水务局，苏州 昆山，215300）

0 引言

盐碱地在全球广泛分布，其面积约109hm2，我国盐碱地面积约108hm2，约占世界盐碱地面积的1/10[1，2]。在中国沿海地区因其特殊的地理位置与特定的自然环境，地下水位较浅、矿化度较高，加之蒸发量大、降雨少且年内分配不均，导致大面积沿海地区形成盐碱地，大面积盐碱地的存在严重破坏了当地生态环境，制约着当地经济发展[3，4]。

随着对盐碱地改良研究的逐步加深，暗管排水技术被提出并广泛应用到盐碱地改良当中。塔吉姑丽·达吾提等[5]以新疆生产建设兵团第一师二团为研究区域，通过暗管排水试验研究了暗管不同管径和间距对农田排水水质的影响，并确定了暗管埋设间距600cm、管径6cm时当地土壤洗盐效果较好。窦旭等[6]探讨了暗管排水条件下不同春灌定额对盐渍化灌区土壤水盐分布的影响，确定了灌水量应在常规基础上减少10%，并结合暗管排水技术是当地最为适宜的灌溉模式。庄旭东等[7]研究了内蒙古河套灌区暗管排水条件下作物根系层水分通量和盐分通量的变化，确定了适宜当地农田排水的暗管规格为暗管埋深200cm、暗管间距4500cm。李显溦等[8，9]为降低新疆地区盐碱棉田根区土壤盐分含量，利用HYDRUS软件和田间试验数据对所建立的数值模型和水盐运移参数进行了校验，并利用建立的数值模型和相关水盐运移参数描述暗管排水、排盐过程中的土壤水盐动态。Karandish[10]等通过试验数据校准和验证了HYDRUS模型，并利用验证后的模型确定了珠江三角洲农业生产在不同情况下的最佳灌水量。国内外众多学者对暗管技术应用于盐碱地治理做了大量研究，众多研究表明在暗管布设下土壤盐分淋洗后分布不均匀，水平距离距暗管越近的土壤剖面含盐量越低，距离暗管一半间距的剖面是暗管控制区域排水和排盐效果最差的剖面，因此为提高土壤整体的淋洗效果，使土壤层盐分均匀降低，提出分区淋洗提升暗管排水条件下土壤淋洗的均匀性，并通过HYDRUS模拟软件模拟了不同分区淋洗情况下的土壤水盐运移，深入分析模拟结果，确定了分区淋洗下的最佳淋洗水量，为改善暗管排水条件下土壤淋洗的不均匀性提供了可靠的科学依据。

1 材料与方法

1.1 现场试验

1.1.1 试验区概况

试验区位于江苏省沿海重盐碱地区内，试验区由滨海潮滩盐土形成，土壤母质含盐量较高，土壤含有较多的贝壳侵入体，土壤质地为粉砂质壤土。

1.1.2 试验简介

试验区总面积4 400cm×7 800cm，区域内共设2个小区。每个小区布设7根排水暗管，暗管间距600cm，埋深120cm，坡降2‰，排水暗管采用管径6cm的带孔PVC波纹管。集水管采用管径20cm的无孔PVC波纹管。渗透水流通过排水暗管收集后流入集水管，由集水管排至市政雨水管网。在暗管外围铺设一周碎石，防止暗管进水孔被土壤小颗粒堵塞。试验区四周垒土墙高约15cm，防止淋洗水发生地表径流。试验区平面布置如图1所示。

图1 试验区平面布置图

淋洗水采用当地自来水，灌水端安装流量计与阀门进行灌水量统计与控制。试验期为2020年4月1日至4月21日，小区1与小区2灌水强度分别为3cm/d与4cm/d。

1.1.3 土壤取样与物理参数确定

2020年4月1日进行第一次取样，确定试验初始条件，每个小区内进行三个重复的随机取样。2020年4月21日进行第二次取样，确定试验结果，取样点如图1所示。取样利用土钻分5层进行，每层取样厚度为20cm，总取样深度100cm。

土壤粒径采用激光粒度分析仪（LS230型激光粒度仪，贝克曼库尔特公司，美国）测定；土壤容重利用环刀法测定；土壤含盐量由电导率法测得数据按照公式（1）计算获得；土壤含水量采用烘干法测定。试验区含水率和含盐量初始值如表1所示，土壤物理参数如表2所示。

表1 试验区初始含水率与含盐量数据表

表2 试验区土壤物理参数表

式中：Q为土壤含盐量，g/kg；EC为土壤电导率，ms/cm。

1.2 数值模拟

1.2.1 土壤水分运动基本方程

以质量守恒定律及达西定律为基础，认为土壤为二维各向同性介质，且不考虑土壤中水分的滞后效应、温度及空气对水分运动造成的影响，故土壤水分运动采用二维饱和-非饱和水流模型进行模拟。水流控制方程为二维 Richards方程[11，12]：

式中：x为横向坐标；z为垂向坐标，规定z向下为正；θ为土壤含水率，cm3/cm3；φ 为基质势，cm；t为入渗时间，d；K（θ）为非饱和导水率，cm/d。

对于式（2）中的θ、φ与K（θ）的求解使用van Genuchten-Mualem方程[11，12]：

式中：θr为残余含水率，cm3/cm3；θs为饱和含水率，cm3/cm3；α、n 和 m 为经验参数；m=1-1/n，n＞1；Ks为饱和导水率，cm/d；Se为有效饱和度。

1.2.2 土壤溶质运移模型

溶质运移采用标准对流弥散方程[11，12]：

式中：i，j为 x，z轴坐标，C 为溶液浓度，g/cm3；Dij为水动力弥散系数，cm2/d；qi为水流流速，cm/d。

1.2.3 定解条件

土壤水分运动方程的初始条件：

式中：θ0（x，z）为土壤初始含水量分布，根据初始实测值设置。

土壤溶质运移方程的初始条件：

式中，C0为土壤初始含盐量，g/kg；z为土壤空间坐标，取向下为正，根据初始实测值设置。

边界条件：水分上边界条件为定通量边界；左右边界正负通量近似相等，设为零通量边界；暗管为渗出面边界；在暗管排水作用下，距暗管150cm以下地下水流线近似水平，垂直通量可忽略，故下边界设置为零通量边界[13-15]。溶质边界条件与水分边界条件相对应，定通量边界、渗出面边界与零通量边界处的溶质边界条件同为第三类溶质边界条件。

1.2.4 模型率定与验证方法

土壤水力特性参数利用HYDRUS-2D中内嵌工具根据土壤容重和粒径分布推求。选取小区1的试验数据用于模型的参数率定，选取小区2的试验数据用于模型验证，通过计算实测值与模拟值的均方根误差（RMSE）、决定系数（R2）和纳什效率系数（NSE）进行模型精度评价并确定模型最终参数值[13]。

2 结果与分析

2.1 模型率定及验证结果

模拟采用二维模拟，模拟时间等于试验时间。利用小区1试验数据率定后的模型参数如表3所示。将率定后的参数用于小区2进行数值模拟，模型率定及验证精度见图2与图3所示。

表3 模型参数

由图2和图3可知，土壤含盐量R2为0.940 0～0.999 7，NSE 为 0.788 0～0.962 0，RMSE 为 0.034 7～1.165 6g/kg。可见，模型精度较高，模拟值与实测值较为吻合，因此运用数值模拟进行暗管布设下水盐运移的模拟是可靠的。

图2 3cm/d灌水强度各剖面土壤含盐量

图3 4cm/d灌水强度各剖面土壤含盐量

2.2 模型应用

2.2.1 分区淋洗参数选取

由图5（a）可以看出同土层距离暗管越近的土壤剖面含盐量越低，而距离暗管越远的土壤剖面含盐量越高，并且土层越深含盐量差距越大。为实现在暗管排水情况下同深度土壤盐分的均匀降低，将上表面每隔100cm划分为一个淋洗区域，同一淋洗区域淋洗灌水强度相同，分区情况见图4所示。以总淋洗用水量一定的原则，将淋洗水量阶梯式分布于上边界，距离暗管越远的区域分配更多的淋洗水量，以每次淋洗的最终结果调整上边界淋洗水量分配，共设定5种模拟情景，具体模拟情景与淋洗灌水强度对应情况见表4所示。

图4 分区淋洗区域划分示意图

表4 模拟情景与分区淋洗参数情况对照表 cm/d

2.2.2 分区淋洗对土壤盐分分布的影响

运用验证后的模型对表4中的模拟情景进行数值模拟。模拟淋洗 20 天，输出 20、40、60、80、100cm 深度的土壤含盐量结果见图5所示。

由图5（a）可以看出上边界三个分区灌水量相同的情况下，深层土壤含盐量距离暗管300cm位置远高于0cm 位置。由图 5（b）、（c）、（d）、（e）可以看出通过调整上边界淋洗水分分配可以很好的提高各土层盐分淋洗的均匀性。深度越大的土层在暗管影响下其淋洗均匀性越差，因此选择100cm深度土层探讨分区淋洗对土壤盐分分布的影响，图5（a）中100cm土层淋洗后土壤含盐量最高为5.60g/kg，最低为0.03g/kg，差值为5.57g/kg，图5（b）中100cm土层淋洗后土壤含盐量最高为3.03g/kg，最低为 0.43g/kg，差值为 2.60g/kg，图 5（c）中100cm土层淋洗后土壤含盐量最高为2.13g/kg，最低为0.83g/kg，差值为 1.3g/kg，图 5（d）中 100cm 土层淋洗后土壤含盐量最高为2.07g/kg，最低为1.13g/kg，其差值为0.94g/kg，图5（e）中100cm土层淋洗后土壤含盐量最高为2.03g/kg，最低为1.24g/kg，差值为 0.79g/kg，可以看出合适分区淋洗水量既可以降低同层土壤盐分的最高值，也可以增加土壤盐分的最低值，致使同层土壤盐分变化区间缩小，极大的提升了土壤淋洗的均匀性，并且发现当分区1水量降低至1cm/d时，100cm土层最大土壤含盐量出现在了距离暗管最近的位置，表明当距离暗管最近的小区水分分配过少也会导致土壤淋洗均匀性下降。

3 结论

（1）利用现场试验数据验证了HYDRUS-2D模型可以准确的模拟暗管布设下土壤盐分的变化情况，根据模型模拟结果发现，暗管排水条件下，未分区淋洗存在淋洗后土壤盐分空间分布均匀性较差的问题。

（2）分区淋洗可以极大的提高暗管布设下土壤淋洗的均匀性，使土壤剖面的盐分均匀下降，在5种模拟情景下，F4情景淋洗均匀性最好，100cm土层土壤盐分最大与最小值之差最小，为0.79g/kg。实际运用时，建议参照F4分区淋洗情景进行灌水强度的确定。