滨海盐碱农田暗管排盐渗流场模拟*

李彦鑫 ,徐丽 ,齐菲 ,高会 ,于淑会 ,付同刚** ,刘金铜**

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省土壤生态学重点实验室 石家庄 050022;2.中国科学院大学 北京 100049;3.河北地质大学 石家庄 050031)

河北滨海盐渍区农田是我国中低产农田的典型代表。该地区降水的年际变率大、季节分配不均,洪涝灾害与次生盐渍化,土壤盐渍贫瘠和淡水资源短缺是农业生产发展的主要限制因素。暗管排水排盐技术遵循“盐随水来,盐随水去”的水盐运移规律,通过埋设暗管影响地下水渗流场,改变土壤水盐运移速率和方向,进行排水、排盐和排涝,达到改良盐碱地的目的。该措施在盐碱地改良上已得到广泛应用[1-2]。

国外针对滨海暗管排水已有较多研究进展,包括滨海盐渍土形成原因,滨海盐渍土时空分布和滨海盐渍土水盐运移过程研究[3-7]。我国对滨海农田暗管排水技术推广应用时间较晚,20 世纪80 年代才逐步开始相关研究。先后在山东省打渔张灌区[8]、广东省台山县滨海咸酸稻田[9]、辽宁省盘锦地区轻度盐渍化水稻田[10]、上海市五四农场沿海滩涂垦区[11]、天津市滨海新区盐碱土[12]开展了暗管改良滨海盐渍土的相关研究,积累了大量的实践经验。刘慧涛等[13]在河北省南大港农场开展暗管排水条件下土壤水盐变化的田间试验,研究表明埋设暗管有效抑制滨海农田返盐现象,并且较明沟排水在雨季能更好地缓解涝渍灾害,对于河北滨海盐碱区具有较好的适用性。

然而,基于实际场地的试验通常需要耗费大量的人力物力,试验周期长,数据差异性大,研究结果也主要针对当地的土壤环境,所以缺乏普遍适用性。此外,由于暗管本身具有布局的参数多、环境依赖大的特点,在进行室外试验时,很难针对性地对这些影响因素进行系统定量试验。因此,有必要通过建立数值模型,系统地研究暗管排水下的水盐运移过程,有针对性地调节相关参数,从而优化暗管布局,制定更为合理的灌排措施。

国内外已有不少使用数值模型对暗管排盐进行研究的案例:Manal等[14]使用DRAINMOD 研究俄亥俄州农田存在大孔隙时如何对排水参数进行修正;刘洪光等[15]基于HYDRUS-2D 模拟了新疆区域滴灌加暗管条件下的土体盐分变化。COMSOL Multiphysics(下文简写为“COMSOL”)是由瑞典COMSOL 公司研发的数值仿真软件,以有限元法为基础,通过求解偏微分方程(单物理场)或偏微分方程组(多物理场)来实现对真实物理现象的仿真。针对不同的具体问题,COMSOL 可求解稳态和瞬态问题、线性和非线性分析,以及特征值和模态等各种数值分析。与专门针对土壤水盐模拟的软件相比,COMSOL 具有适用性更广、可编辑性更强的优点,可以模拟与实际条件更为接近的工程环境。如Wissmeier等[16]将该软件应用于土壤中杀虫剂的运移模拟,并验证了该软件对土壤溶质运移模拟的适用性;焦会青等[17]使用COMSOL 较好地模拟了新疆盐渍土淋洗过程盐分离子的运移情况,并考虑了多种离子间的化学反应,研究结果的拟合程度较好。

本文采用COMSOL 软件模拟暗管排水条件下滨海农田春夏季土体水位变化时的土壤水盐运移过程,基于Darcy 定律和Fick 定律定义偏微分方程组构建水分迁移耦合盐分运移模型,结合砂槽模型对土壤水盐运移进行系统研究,分析不同水位条件下农田水盐运移特征,揭示了暗管排水措施下水分与盐分的运移规律。

对排水工程实施后地下水渗流场的动态变化进行计算分析与预测,能够从理论上揭示与探明盐碱地改良过程水盐运移方面的运动趋向及规律。同时,研究地下水渗流场,可为暗管埋设设计最佳方案提供理论指导,有利于降低工程的经济成本和控制盐碱地的返盐程度。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究的试验农田是河北省沧州市南大港农场的国土资源部/中国科学院的暗管排盐试验区。试验区占地6.8 hm2,位于河北省沧州市黄骅市的滨海新区。该地地处环渤海区域,距离渤海的海岸线10 km。研究区主要地貌为湿地、坑塘,呈现较为明显的滨海特征。研究区的年平均降雨量为590 mm,其中75%的降雨集中在雨季。土地潜在年蒸发量为1950 mm,年蒸发量最大的时间同样是每年的雨季。盐渍土的形成与地区降雨和蒸发密切相关,研究区土壤水分和盐分在垂直方向的上升与下降、积盐与脱盐过程具有鲜明的季节性特点。区内地下水埋深浅(0.3～1.2 m),但多为矿化度较高的咸水。测定结果表明,地下水阳离子中钠钾离子含量占比最高,阴离子中氯离子和硫酸根离子含量最高。地下水的含盐量为6～10 g∙L−1,盐伴随春季多风期会随地下水位的上升上移到土壤表面导致土壤次生盐渍化严重。

试验区内布设有暗管排水排盐系统,渗水管采用直径为11 cm 的带孔单壁波纹管,外包15 cm 厚砂石滤料,埋设管道的坡降比为0.7‰。研究区的暗管埋设方向为从南向北,集水管走向为从西向东,铺设暗管总长为1100 m。暗管的埋设间距为20 m、25 m、30 m、40 m 不等,埋设深度主要为1.0 m、1.2 m 和1.5 m。平均埋设间距为35 m,平均埋设深度为1.3 m。

1.2 试验设计

1.2.1 砂槽模型

参考试验区的暗管埋设参数,选择埋设间距为20 m、埋深为1 m 的试验地为模拟对象,进行砂槽物理模型的设计与制作。

砂槽物理模型试验设计与水利工程中的水工模型具有相似的原理。在设计水工模型时,须使模型与实际原型保持相似准则,如:几何相似准则、运动相似准则、功能相似等[18-19]。为使模型和原型之间保持相似,在一定的比例关系前提下,应当保持两个模型具有相似的动力,不仅对模型尺度进行还原模拟,还要对模型的运动条件进行还原。因此,对渗流场的模拟需要依据达西定律进行边界条件的界定。

基于以上模拟准则,对试验地进行模拟,选取暗管一侧进行研究,以5∶1 的比例制作砂槽模型,选取厚度为10 mm 的有机玻璃板作为砂槽物理模型的制作材料,完成砂槽模型的制作(图1),砂槽长240 cm、宽20 cm、高70 cm。试验装置由主要装置和附属装置两部分组成。

图1 砂槽模型装置设计、布置示意图Fig.1 Schematic diagram of the design and layout of the experimental device

主要装置包括3 部分:地下水补给水源的模拟供水装置、含水层模拟装置和暗管模拟装置。含水层模拟装置为试验的核心部位,内部填充砂土,长200 cm、宽20 cm、高60 cm。模型中有9 排间距为25 cm,高差为4 cm 的观测孔,用于布置示踪孔和盐分观测孔。本研究中只用到距离模型箱底部56 cm、48 cm 和40 cm 的作为示踪孔,距离模型箱底部44 cm 的作为盐分观测孔。示踪孔由装有染色剂的橡胶套和连通砂槽的连通管组成,试验时挤压橡胶套释放染色剂就可以观察流线的运动轨迹。盐分数据由观测孔连接DDS–307A 型号电导率仪测得。地下水补给水源的模拟供水装置由调节水箱、进水开关和稳水箱组成。调节水箱在含水层模拟装置一侧,长35 cm、宽20 cm、高60 cm。进水开关位于调节水箱的一侧。稳水箱由厚8 mm 有机玻璃制成,长宽高均为25 cm,其中中间有一个长25 cm、宽25 cm、高20 cm 的玻璃板,在试验中负责稳定补给水位的高度,以保证试验中水位条件为定水位条件。地下水补给水源的模拟供水装置和含水层模拟装置之间有一个孔眼过滤缓冲板。暗管模拟装置由暗管和控制暗管渗流量的阀门组成。暗管为长25 cm、直径为2 cm 的PVC 硬管,平行槽体底部铺设在槽体40 cm 高处,用于模拟暗管排水排盐地中埋深为1 m 的暗管,暗管开孔率为1.7%,孔眼长0.7 cm、宽0.1 cm。

附属装置包括调节水位的稳水箱、控制暗管装置和用来观测水位变化的测压装置,试验槽体内盛装60 cm 分选良好的人工石英砂(中细粒级),经测试石英砂的渗透系数为21.86 m∙d−1。

1.2.2 模拟方案

根据滨海农田春夏季地下水位回升返盐的实际情况,参考沈荣开等[20]提出的30 cm 的淹水深度(涝害发生的最小埋深)和翁通[21]对毛细水上升的研究,与试验区土壤物理性质最为接近的土体毛细水上升最大高度为70～90 cm,在试验中设置不同的初始水位,分别模拟农田淹水过程(补给水位为0 cm)、农田不发生涝灾的最大水位深度(40 cm)和农田不发生返盐的最小深度(80 cm)。通过对砂槽施加这3 个水位条件,模拟暗管在这3 种情况下的水盐运移情况。

对于滨海农田而言,春夏季地下水位的上升是导致农田返盐的重要原因。为进一步模拟侧向补给水对农田返盐的影响,验证模型对盐渍土水盐运移过程模拟的可行性,设置两组侧向补给水为高浓度咸水时,补给埋设暗管农田的模拟试验。试验中选取试验地地下水中含量最高的钠离子与氯离子配制咸水溶液,参考研究区地下水成分,最终选择10 g∙L−1的NaCl 溶液模拟高咸度地下水。设置初始水位为40 cm、侧向补给水位为0 cm (位于地表),初始水位为80 cm、侧向补给水位为40 cm 两组试验,模拟补给水位和农田初始水位的水位差相同时,侧向补给水位高度对暗管排水排盐过程的影响。

基于以上模拟试验的水位设定条件,以砂槽土体表面为基准面,按照5∶1 比例设定砂槽模型的基本参数,如表1 所示。

表1 模拟暗管排盐的砂槽模型的参数表Table 1 Parameters of the flume model for simulation of underground pipe salt drainage

根据设定的试验条件,分别进行各条件下的砂槽模型试验。待砂槽模型测压板数据和暗管渗流量稳定后,挤压浸润水位线以下示踪孔的橡胶球,释放染色剂绘制流线。使用相机拍摄绘制下来的流线,并记录暗管稳定渗流排水时的渗流速度。在进行盐分模拟试验时,每隔10 min 记录盐分观测孔数据,直至盐分数据不发生明显升高为止。

1.3 模型基本原理

研究运用COMSOL 软件中的多孔介质和地下水流模块,选用模块中的用于模拟饱和-非饱和水流的Richards 方程作为水分运动的方程,溶质运移基于Fick 定律的对流-弥散方程。将两个模式耦合在同一物理场中,模拟不同水位条件下的土壤中水分和盐分运移过程。

水分与盐分在土壤中入渗的过程属于空间三维(3D)运动,由于3D 问题极其复杂,本研究将问题简化为均质、各向同性的水盐运动二维问题来模拟。基于砂槽模型和滨海农田实际情况[22],建立高0.6 m、长2.0 m 的长方形盐土土体模型,并在与砂槽的盐分观测点等高位置设置观测面,观测模型盐分浓度变化。

模型中的土壤水分运动控制方程使用Richards方程[23]表达为:

式中:θ为土壤体积含水率;K(h)为水分渗透系数,cm∙min−1;h为土壤基质势,cm;z为纵坐标,cm;W为源汇项。

模型的盐分移动过程采用二维对流–弥散方程进行描述[24]。

式中:c为溶质浓度,g∙L−1;Dxx为x向扩散系数;Dzz为z向扩散系数;vx为横向平均流速,m∙s−1;vz为纵向平均流速,m∙s−1。

假设平均流速方向与z轴方向一致,则:

式中:αT为纵向弥散度;αL为横向弥散度;υ为平均流速,m∙s−1;DmL为氯离子在纯水中的扩散系数,取1.296 cm2∙d−1;τL为曲折因子[25]。

根据COMSOL 模型中的理查兹方程需要,对土壤水分特征曲线参数进行拟合,土壤水分特性曲线θ(h)可用van Genuchten 模型来表示[26],即:

式中:θr为残余土壤体积含水率;θs为饱和土壤体积含水率;a、n、m为土壤水分特征曲线的形状参数,m=1−l/n,n>1。

1.4 模型率定及验证

本次模拟共设置5 种条件的模拟试验,为保证模拟精度,使用盐分模拟的2 组试验用于模型的率定,并将水流模拟的3 组试验用于模型的验证。试验中,对使用中细粒石英砂模拟滨海盐渍土进行粒径测定,得出其中砂粒质量分数为70%,粉粒质量分数为30%,容重为1.45 g·cm–3。为得到土体的水力学参数,将粒径分布及容重输入ROSETTA 软件中进行计算。

在参数率定方面,首先对暗管排水速率进行率定,然后对盐分观测点的数据进行率定。模拟过程中,提取暗管稳定排水时的排水速率以及累计排水量对比砂槽模型的排水速度和累计排水量。提取与盐分观测点位置相同的盐分变化数据,每隔10 min进行数据采集,试验时长为360 min。将试验所得结果与模拟结果进行评价指标计算,直至评价指标保持在可信度较高的范围,得出最终率定后的土壤水盐运移特征参数。

率定后的土壤水盐运移参数为:残余含水率θr=0.0321 cm3·cm–3;饱和含水率θs=0.3485 cm3·cm–3;α=0.0304,n=1.3803,α和n是影响水力函数形状的经验系数。

本文使用的评估模型精度的指标为均方根误差(root mean square error,RMSE)和决定系数 (coefficient of determination,R2)[27]。将COMSOL 模型模 拟的地下水位、暗管速率以及土壤中盐分变化情况的模拟数据同对应的试验实测值进行计算,进行模型精度的评估。评价指标计算公式如下:

式中:n表示数据个数,ai表示数据实测值,bi表示数据模拟值,是实测数据的平均值。在以上两个指标中,RMSE 对于数据中的极值非常敏感,RMSE 越小说明数据的离散化程度越稳定;R2表示数据实测值与模拟值的相关性,R2越接近1 说明模拟精度越高,而建立的模型更具可靠性。

2 结果与分析

2.1 模型模拟结果

本文选取水头高度、渗流速度和流线作为渗流场特征进行研究,以便分析埋设暗管条件下的渗流场变化特征。

通过将砂槽试验所绘制的流线进行拍照记录,得到砂槽模型的流线图。提取出COMSOL 软件模拟的流线结果,并将其与砂槽模型结果进行对比,由图2 可得出不同补给水位的流线特征。

图2 埋设暗管条件下不同补给水位的流线分布Fig.2 Streamline distribution of different groundwater levels under the condition of underground pipe

当地下水位位于地表时,水流是从地表直接进入土体的渗流场中,沿着地下水渗流路径流出暗管。离暗管近对应的流线为下凸的曲线簇;离暗管远则地下水流以垂直运动为主,流线近似垂直向下。而靠近暗管的水体受暗管的水力边界条件影响,水流由竖直转向水平。在水平渗流速度和竖直渗流速度相同时,流线趋于45°,这种流线在距离暗管0.8 m 的范围内出现,其高度随着与暗管水平距离的增加而升高。

在地下水位距离地表8 cm 时,流线走向趋于水平,该水位条件下,在靠近暗管0.8 m 处的水流明显抬升,直到抬升高度与水头高度基本一致。当地下水位高度进一步下降至16 cm 时,流线整体走向与地下水位距离地表8 cm 时基本一致,在距离暗管较远的区域,流线受重力作用,下降更为明显,呈现出流向地下的非完整流线。在靠近暗管时,流线也不断抬升,最终抬升高度也接近于侧向补给水位的高度。

提取COMSOL 软件的模拟结果,得到暗管排水稳定后的土体水头分布,如图3 所示。

图3 埋设暗管条件下不同补给水位的土壤压力水头分布Fig.3 Pressure head distribution at different groundwater levels under the condition of underground pipe

由于埋设了暗管,距离暗管较近的土体,水头明显下降,增加了暗管与地表间的水头差。水头差产生的势能是促使土体中水流排出暗管的重要动力。根据达西定律,相同的间距下,水头差越大,渗流速度就越大,即水头梯度差越大渗流速度越大(公式1)。在暗管附近的土体,水头变化更快,水头梯度差明显大于距离暗管较远的土体。在距离暗管0.4 m 范围外,水头变化变缓,水头变化很小。在地下水位为8 cm和16 cm 时,暗管上部的水头仍保持较高水平,水流在水头差影响下发生抬升。

图4 为不同水力条件下的渗流速度对比。在土体边界条件变化时,土体中的渗流路径不同,渗流速度也不同。这是由于地下水位高度发生变化时,土体水力边界条件发生了变化,暗管所起到的调控土体渗流场的作用也受到影响。在地下水位处于地表时(淋洗状态),水流由地表流向暗管,渗流速度较快,为2.03 m3∙d−1;在非淋洗过程中,水流流向暗管的路径发生了改变,水流从侧向补给水箱流向暗管,其水力梯度下降平缓,渗流速度较小。地下水位位于地表、地下水位位于地面以下8 cm 和16 cm 的模型,水位差均是8 cm,但是就渗流速度变化而言,前者渗流速度下降了1.68 m3∙d−1,后者仅下降0.22 m3∙d−1。

图4 不同水位下砂槽试验与模拟实验的暗管排水速度Fig.4 Drainage velocities of underground pipe in flume model and COMSOL model under different water levels

为观察砂槽土体中水流中盐分运移过程,对盐分模拟模型中盐分观测点的数据进行分析,发现盐分浓度到达10 g∙L−1时,COMSOL 软件所观测的盐分浓度小于10 g∙L−1,浓度为9 g∙L−1。因此,选取COMSOL 软件模拟结果的盐分观测点为9 g∙L−1时的数据,作为侧向补给水中的盐分基本到达观测点的时刻,并将其命名为盐分临界时刻(图5)。

图5 不同地下水位下侧向补给水盐分临界时刻Fig.5 Critical time of salt content of makeup water with different burying depth of groundwater

盐分临界时刻表示了侧向补给水箱中的高咸度地下水到达观测点的周期时间。可以看出,距离暗管0.6～1.6 m 范围,临界时刻与距离补给水箱的距离呈线性关系,离水箱越远,临界时刻越久。初始水位距离地表8 cm 时,观测点盐分浓度上升速度较快,距离补给水箱最远处的盐分浓度在1160 min 时达9 g∙L−1,距离暗管0.6 m 范围内 的观测点盐分到达9 g∙L−1的时刻接近;初始水位距离地表16 cm 时,观测点盐分上升最慢的位置为距离暗管0.5 m 处,在2820 min 时到达9 g∙L−1,而距离暗管0.5 m 范围内的观测点盐分上升速度明显加快,到达9 g∙L−1的时刻为2090 min。这是由于含水层底部水流与暗管附近水流共同作用,加快了暗管附近盐分浓度上升。

2.2 数据对比验证

2.2.1 盐分拟合验证

为验证盐分运移-水分运移的耦合性,对模拟侧向补给水对埋设暗管区域补给咸水过程的模型进行拟合验证。选取砂槽中监测位点Ⅱ和Ⅲ的盐分变化,并与COMSOL 模型中对应点位数值进行对比,模拟结果和精度如图6 所示。

图6 盐分观测点Ⅱ和Ⅲ的土壤含盐量变化模拟结果与模拟精度Fig.6 Simulation results and accuracies of salt contents dynamics in the observation points Ⅱ and Ⅲ

根据图7 可以看出,砂槽模型的盐分运移过程的整体趋势与软件模拟结果基本一致,而观测点的RMSE 值都小于1.1 g∙L−1,而R2数值除没有完全观测到的16 cm 水位条件下的Ⅱ号观测点,其余均在0.9以上(图6),说明砂槽模型和模拟结果拟合程度较好,表明模型可以较好地模拟该砂槽试验的水分运移与盐分运移的耦合情况,验证了“盐随水来,盐随水去”的规律。

图7 不同水位下砂槽模型和COMSOL 模型的流线模拟结果对比Fig.7 Comparison of streamlines simulation results of flume model and COMSOL model under different water levels

2.2.2 流线拟合验证

为进一步验证模型拟合程度,对模型的流线进行拟合验证。将试验所得流线照片经过Origin 软件处理得到流线图,并与模型计算结果进行拟合对比。由于边界效应的影响,模拟结果只有部分为完整流线,选取模型中4 条较为完整的流线进行拟合计算(图7)。

根据图7 数据进行评价指标的计算,得出表2。其中,X表示流线起点距暗管的水平距离。

表2 流线模拟效果评价指标Table 2 Evaluation indicators of streamline simulation effect

流线的拟合结果基本较好,其中RMSE 值基本在0.1 m 以下,而R2的值基本保持在0.8 以上。这说明砂槽模型与模拟模型的试验结果流线基本保持一致,砂槽模型与模拟模型具有相似的运动过程,模型模拟结果具有一定的可信度。

3 讨论

在暗管相关参数的模拟研究中,暗管的环境是导致暗管发挥效用不同的关键,在不同水力和土壤条件下,暗管排盐排水的效果也不同,这在实际应用中大大限制了暗管埋设参数的通用性,暗管埋设方式须因地制宜,在充分了解当地水土资源情况后制定合理的铺设方案。滨海地区的地下水位埋深浅,波动大,为研究不同水位条件下埋设暗管农田的水盐运移过程,本研究以室内砂槽试验为基础,结合COMSOL 软件模拟暗管排水排盐过程,通过设置不同的初始地下水位,研究了单根暗管周围渗流场的水盐运移情况。

模型模拟的流线分布与走向(图2)可以说明在埋设暗管条件下,水力边界条件的改变会导致土体中水力梯度下降方向发生变化,进而影响水流路径,引起渗流速度变化。在地下水位位于地面时,水流由地表流向暗管;而地下水位位于地面以下时,水流呈现水平状态,水流由补给水箱流向暗管。地下水位埋深从8 cm 减小到0 cm (地下水位位于地表)的模 型,其渗流 速度从0.35 m3∙d−1增加到2.03 m3∙d−1。而在同等水位差下,地下水位埋深从16 cm 减少到8 cm的模型的渗流速度从0.13 m3∙d−1增加到0.35 m3∙d−1。这说明渗流速度发生变化不是因为水位的抬升,而是由于水力边界条件发生了变化。通过水头变化图(图3)可以看出,地下水位位于地面以下的模型,其水力梯度下降方向为从补给水向暗管,水力梯度差变化较为平缓;而当地下水位处于地表时,其水力梯度下降方向改变为从地表向暗管,水力梯度差变化较大,水力梯度差的变化是导致渗流速度变化的直接原因。

地下水位位于地表常见于农田处于淋洗和降雨情况下。由于流动的地下水移动速度较盐分的弥散速度快,所以流线的走向也很大程度表现了盐分移动路径。就渗流路径而言,距离暗管较近的土体中水流渗流路径明显较短,而距离暗管较远的土体渗流路径较长。就埋设暗管对土体渗流场影响而言,距离暗管越近,土体受暗管的影响越强,这个影响在距离暗管0.6 m 范围内十分明显,而在该距离外,无论是水力梯度变化还是流线走向均呈补给水位与重力对水头和流线的影响大于埋设暗管的影响。在水平渗流速度大于竖直渗流速度时,流线走向开始朝暗管方向快速变化。这个位置在流线图中表现为流线与水平线夹角为45°。随着距离暗管的水平距离增加,水流由向下淋洗的状态转为排水状态的45°转折点出现的位置也会降低。本研究中,最长的45°完整流线的位置是距暗管水平距离0.6 m 的位置,与暗管影响水头的范围有很强的重合度,可能是农田暗管能否有效排水排盐的关键。

本研究所涉及的暗管埋深条件以及试验环境下,在砂槽中暗管排水排盐效率最高为0.6 m 范围内,超过该范围,水流的渗流速度和盐分运移速度都会有较大下降。由于模型是单管模拟并进行了5∶1 的比例换算,因此在本研究中埋深为1 m 的暗管较为高效的埋设间距是6 m。合适的暗管埋设间距可以提供更合适的水力条件,有助于加快农田快速排水,提高盐碱地淋洗盐分的效率。

在淋洗过程中,距离暗管较近的土体淋洗路径较短,在淋洗过程中会被反复淋洗,不仅淋走了盐分,还淋走对于植物生长有益的其他元素;而距离暗管较远的土体,水流在淋洗周期内可能无法经由暗管走出土体,这样的结果会导致表层盐分被水流淋入深层土体,在停止淋洗后可能会导致土体返盐,再次盐渍化。在实际应用中,没有埋设暗管的土体和距离暗管较远的土体,确实有淋洗后返盐的情况[28]。发生这种情况的原因是水力边界对水流没有起到较好的引导作用。因此应该考虑通过人为改变水力边界条件,优化渗流路径的方式,提高暗管工作效率。孙雪雁等[29]采用埋设交叉砂槽的方法,通过在土体中增加优先流路径,为水流提供更为宽敞的移动路径,提升了淋洗效率;Zhang等[30]通过在暗管上方埋设低渗透表层覆盖物(low-permeability surface mulch),延长了距离暗管较近土体的水流渗流路径,给距离暗管较远的水流提供更大的渗流空间,优化了渗流路径。

在滨海高咸度地下水对埋设暗管农田入侵的模拟研究中,发现暗管的存在明显加快了农田土体盐分的运移速度,距离暗管0.6 m 范围内盐分更快到达观测点。而初始水位较高的时候,水盐运移速度也更快。因此,对于埋设暗管的农田而言,在有足够的排水动力时,暗管可以有效地快速排出侧向补给水位中的水分与盐分,距离暗管越近,排水排盐速率越高;在初使水位较低时,盐分迁移速度有较为明显的下降,结合渗流速度来看,是因为水流与暗管的水位差降低。这会导致含盐水流在土体中的移动时间较长,这时候应该配合主动排水加速土体中的盐分排出,防止其中的咸水通过毛细水上升,导致土体返盐。

RMSE与R2的拟合计算结果表明,基于砂槽试验方法结合COMSOL 建立的模型研究盐碱地水盐运移机理是可行的,评价结果的可信度较高。得益于砂槽模型的水力条件与土壤环境较为简单,模型模拟的精度也较高。其中,就模拟时间而言,模拟时间越久,拟合程度相对越差。这一点不仅体现在流线的拟合上,也体现在盐分的拟合结果上。一方面是因为随着水流移动时间的增加,其受到所处砂槽环境的干扰越大,水流与模拟结果的偏差越大;另一方面,随着试验的进行,水流越来越接近模型底部边界,受边界效应影响就越大,导致模型无法完全模拟出实际试验的结果。对比不同水位条件下的流线模拟结果,地下水位位于地表的流线模拟最好,拟合程度最高;而地下水位距离地表16 cm 的模型流线拟合结果稍差,可能是因为砂土装填不均匀,在水流流速降低时,不同位置土体水流流速变化不均匀,导致流线拟合程度下降。

4 结论

本研究通过将室内砂槽模型和COMSOL 模型相结合进行拟合,模拟了不同水力条件下暗管排水排盐过程的渗流场,对地下水位、暗管排水及水盐运移随时间的变化过程进行模拟分析,取得以下结论:

1)根据滨海暗管埋设实际和春夏季返盐的水力条件设计了不同水力条件下埋设暗管农田的砂槽试验,模拟了暗管的排水和排盐过程,并通过COMSOL 软件对流线和盐分进行了拟合评估,结果表明模拟值与实测值具有较好的一致性。

2)根据模拟结果发现,暗管工作效率与水力边界有关,在改变水力边界时,土体中的水流渗流速度和流线走向变化较大。高水位条件下,暗管排盐排水能力较强,而中低水位下渗流速度有明显下降。在实际工程应用时,应对埋设暗管农田的土层结构和水力边界进行调查与监测,对于滨海农田水位条件波动较大的区域应当采取有针对性的管理措施。

3)对暗管影响范围进行了研究,发现在不同水力条件下土体水头变化较快的区域与流线转折区域以及盐分移动速度转折区域重合度较高,均在0.6 m范围内。推测暗管对土体的影响范围不受水力条件的影响,而只受土体自身结构影响。埋深变化及土层结构变化可能会对其产生影响。

本文以流线和水头为切入点,通过室内试验结合COMSOL 软件建立的数值模型,更直观地表现了暗管埋设条件下农田水盐运移路径,为研究水盐运移规律提供了新的研究思路。同时,研究结果对于实际工程也有较好的借鉴意义,对于优化暗管排水路径,指导暗管施工布置具有技术支持和理论指导作用。