复杂土壤分布特征及暗管排水响应模拟

董志玲 贾壮壮 陶 园 梁豪杰

（1中国水利水电科学研究院，北京 100048；2江苏省灌溉总渠管理处，江苏淮安 223200）

盐碱地是重要的耕地资源之一，在保障粮食安全、拓展耕地资源等方面发挥着重要作用。土壤盐碱化通常会造成土壤肥力下降，破坏土壤—水—植物系统养分吸收功能，造成植物无法正常生长，导致作物生产力下降[1-2]。在盐碱地治理中，现有措施和研究成果主要围绕灌排措施、物理调控、化学调理和生物改良等[3-5]，“盐随水来，盐随水走”充分体现了盐碱化地区水盐运动的宏观规律[6]，排除土壤盐分是改善盐碱地的有效方案，因此灌排措施是盐碱地治理的关键。暗管排水被广泛用于盐碱地治理，Valipour[7]研究显示，采用暗管排水后，其盐渍化面积占耕地面积的比例由1972 年的42%减少至2007 年的7%。Ghumman 等[8]报道的暗管排水实践也显示地表及土壤剖面的盐分含量显著减少，作物的种植密度显著增加。周华等[9]指出应摸清农业结构调整与发展高效节水灌溉的规律，充分挖掘排水系统的最大功能，可结合高标准农田建设提高灌区排水系统建设。王少丽等[10]采用太阳能暗管排水解决了排水排盐问题。杜历等[11]研究表明，暗排工程对地下水位的调控作用明显。万声淦等[12]的暗管排水试验表明，暗管排水可将土壤含水量控制在土壤调萎含水量和田间持水量的最佳含水量范围内，同时可使作物增产。景清华等[13]研究表明，暗管排水工程能够有效控制地下水位且脱盐效果显著。目前，盐碱地的治理仍面临着诸如障碍土层下如何排水等挑战。障碍土层（弱透水层）的存在可能会导致排水工程无法充分发挥其应有作用。弱透水土层是允许地下水以极小速度流动的弱导水岩层，在多层含水层叠置的含水系统中，弱透水土层与隔水层的作用不同，后者起隔水作用，前者则构成其上、下含水层间的水交换通道，而且上、下含水层的透水压差越大，通过弱透水土层的水量也越大。大型盆地中弱透水土层的分布面积较大，故不可忽视通过弱透水层的越流水量。研究典型区域复杂土壤分布特征及其影响下的暗管排水排盐情况，提出复杂土壤条件下农田排水建议，对于盐碱地治理具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 土壤质地分析与调查取样

以宁夏回族自治区红寺堡区盐碱地6个典型区域进行土壤质地勘测，区域耕地土壤类型主要为灰钙土、新积土和风砂土，土壤中夹杂着黏粒层。通过开挖土壤剖面和土钻取土，按每5 cm或10 cm一层取土样，对6个典型土壤剖面进行取样，测定土壤粒径。采用粒度分析仪，分析得到土壤不同粒径占比，根据联合国粮食与农业组织土壤分类中对土壤粒径的定义：粒径小于0.002 mm的为黏粒，0.002～0.050 mm为粉粒，0.050～1.00 mm为砂粒[14]，进行土壤质地分析。

1.2 理论基础模拟

HYDRUS模型是可用来模拟一维到三维条件下饱和-非饱和多孔介质中水分、能量和溶质运移的有限元计算模型。考虑到复杂土壤质地属于非均质土壤，可采用HYDRUS 模型进行模拟分析，其对不规则水流边界、各向异性的非均质土壤及材料组成等具有很好的模拟效果[15]。HYDRUS模型采用修正的Richards 方程描述二维饱和及非饱和土壤水流运动，控制方程如下。

式（1）中，θ为土壤体积含水量；t为时间；h为压力水头；S为代表作物根系吸水的源汇项；K为土壤非饱和导水率，Kx和Kz为K在x和z方向上的分量，按照下述公式计算。

式（2）中，Kr为相对渗透系数；Ks为土壤饱和导水率。

HYDRUS模型中给出了几种公式用以描述土壤水力运动特性，其中Van Genuchten（VG）模型描述土壤水力运动特性较为常用，VG模型土壤含水量及导水率表达式如下。

式中，θr、θs分别为土壤残余含水量和土壤饱和含水量；Se为有效饱和度；α、n和l是决定土壤非饱和特征曲线的经验系数，一般情况下l取值为0.5。

1.3 模拟设置

土壤参数基于实地调研的土壤粒径进行反演得到，详见表1。图1 为考虑黏土层条件下的HYDRUS模型建模草图，模拟设置黏土层厚度为10 cm，暗管埋深150 cm，暗管间距40 m，暗管直径为90 mm。模型上边界设置为大气边界，其他外侧边界设置为无流量边界，暗管边界设置为渗流边界，不透水层深度为10 m。模拟方案分别设置黏土层上边界位于距离地表30、60、100、140、200、250 和290 cm 的土层。

图1 考虑黏土层条件下HYDRUS模型示意

表1 土壤VG模型水力参数

2 结果与分析

2.1 复杂土壤分布特征

通过田间实地取样调研，对红寺堡区6 个典型土壤剖面进行分析。6 个样点的土壤黏粒（0～0.000 5 mm）、粉粒（0.000 5～0.050 0 mm）和砂粒（＞0.050 0 mm）含量见图2。

图2 不同土层土壤颗粒含量

点位1 为重度盐碱地，通过粒径测量分析得到土壤质地主要为壤土，0～110 cm 土壤质地以轻壤土和重砂壤土为主，土层黏粒含量范围为6.2%～14.7%，平均含量为9.9%；110～130 cm 土层为轻砂壤土，130～150 cm 土层为重粉质壤土，黏粒含量达到26.0%，形成弱透水层。点位2土壤质地主要包括轻壤土、中粉质壤土和重粉质壤土。0～30 cm表层土为轻壤土，土壤黏粒含量范围为10.0%～10.3%；30～50 cm 土壤质地主要为中粉质壤土，土壤黏粒含量平均为13.6%；60～70 cm 为中壤土，50～60 cm 和110～120 cm 土壤为重粉质壤土，透水性较差，黏粒含量分别为21.2%和24.5%。点位3 土壤质地主要为重砂壤土（仅60～70 cm 土层为轻壤土），整体上土层黏粒含量范围为6.4%～10.6%，平均含量为8.1%。

点位4和点位5也位于重度盐碱地，土壤盐分重，2022 年4—9 月份地下水埋深范围为1.05～1.69 m。点位4 土壤质地以砂壤土和粉壤土为主，土层黏粒含量范围为2.5%～14.0%，平均黏粒含量14.4%。点位5土壤总体上较点位4黏粒含量高，土层黏粒含量范围为7.0%～21.0%，平均黏粒含量14.4%，土壤质地以壤土和粉质壤土为主，40～70 cm 土层黏粒层呈增加趋势，75～80 cm 为重粉质壤土，黏粒含量为21.0%，形成了多层弱透水层，85～95 cm 则为重粉质砂壤土。

点位6 是荒地为重度盐碱地，土壤质地主要为重粉质壤土和砂壤土，30～80 cm 均为重粉质壤土，土层黏粒含量范围为22.2%～28.7%，重粉质壤土厚度大，土层整体渗透性较差。

通过上述分析得出，当土壤存在弱透水层且无其他治理措施时，土壤盐分普遍偏高，易出现荒地的情况，该区域弱透水层不具有固定位置和特征，总体上，弱透水层厚度以10～20 cm偏多。

2.2 复杂土壤对农田排水能力的影响

基于HYDRUS 软件二维模型，通过设置不同黏土层位置，模拟分析黏土层位置对暗管排水排盐能力的影响。10 cm黏土层对暗管排水24 h累积流量的影响见图3。黏土层上边界位于距离地表30、60、100、140、200、250和290 cm时的累积排水流量较无黏土层条件下减少18%、14%、16%、22%、13%、6%和4%。当黏土层位于暗管层时，10 cm 黏土层就会导致排水量减少20%，暗管上部10 cm 位置处的黏土层对暗管排水效果影响最大，较常规地下排水量减少22%；当黏土层位置超过2倍暗管埋深时，对排水量的影响较小。可以预见黏土层若更厚时，暗管排水排盐作用将受到更大的影响。

图3 黏土层对于暗管排水影响

3 结论与讨论

基于红寺堡典型区域复杂土壤分布特征及暗管排水响应模拟分析得出，当土壤存在弱透水层且无其他治理措施时，土壤盐分普遍偏高，易出现荒地的情况，弱透水层不具有固定位置和特征，总体上，弱透水层厚度以10～20 cm 偏多。当黏土层位于暗管层时，10 cm 黏土层就会导致排水量减少20%，暗管上部10 cm 位置处的黏土层对暗管排水效果影响最大，较常规地下排水量减少22%；当黏土层位置超过2 倍暗管埋深时，对排水量的影响较小。当黏土层位于地表0～40 cm 时，可通过换土方式改良土壤或放弃改良；当黏土层位于地表以下40～80 cm 时，可采用鼠道排水配合暗管排水或竖井排水；当黏土层位置低于暗管埋深时，可采用暗管排水或暗管配合明沟的组合的排水方式。对于非水平的黏土层则应当考虑弱透水土层形状对水流流态的影响，并进行相应调整，避免暗管间距过小导致浪费，同时避免暗管间距过大导致排水排盐效果不好的问题。

黏土层或弱透水层对暗管排水具有较大影响，对盐碱地的排水排盐具有一定负面影响，根据不同弱透水层的位置，合理设置排水排盐方式，对于改良盐碱地具有重要作用。本研究以红寺堡为研究区域，基于实地取样调查了不同点位的复杂土壤分布特征，基于HYDRUS 二维模型分析了不同黏土层位置对暗管排水流量的影响作用，并提出复杂土壤条件下的排水建议，为盐碱地治理提供参考。