宁夏银北试验区盐渍土壤盐分运移数值模拟

赵文娟 黄凌

摘要：将宁夏银北试验区夏季的蒸发、降雨、地下水埋深等数据作为求解土壤溶质运移方程的定解条件，同时确定试验区土壤的水动力学参数，结合有限体积数值计算方法对试验区土壤盐分含量在不同土层、不同时期的变化进行了数值模拟。结果表明：通过加密计算网格可有效提高模拟结果与实测值的吻合度；随着时间推移，土壤表层盐分含量逐渐增大、深层盐分含量则逐渐减小，模拟过程中出现了盐分含量恒定区域，该区域随时间的迁移逐渐缩小。

关键词：盐分运移；数值模拟；盐渍土；宁夏银北

中图分类号：S152.7 文献標志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.033

宁夏银北地区处于我国西部内陆干旱区，属温带大陆性气候区。蒸发量年内集中分布在5-7月，占全年总蒸发量的43%左右川。由于该地区的地势低洼，地下水位高致使水中的盐分在强烈的蒸发作用下堆积于土壤内，因此形成了以钠氯化物、硫酸盐或硫酸盐氯化物[2]为主的盐渍土。银北地区盐渍化土地面积约为17070km2，占全区盐渍化土地总面积的81%左右。自然地理条件决定了盐渍化土壤的形成，人类不合理的生产生活方式会直接导致盐渍化的加剧。分析区域土壤盐渍化时空分布状况，提出适宜的土壤盐渍化调控措施，使当地土地达到可持续利用与生态环境稳定的目的，已成为重点研究课题[3]。20世纪90年代以来，根据旱区盐渍化土壤的特点，盐渍土调控措施从单一型向复合型逐渐转变[4-6]。笔者将盐渍化监测与数值模拟结合起来，定量分析该地区夏季盐分运移规律，以期为确定合理的土壤盐渍化调控模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样本

试验区域位于宁夏银川市贺兰县南梁台子铁西村。采用筛分法及使用BT-9300H型激光粒度分布仪对试验区0～20cm表层土壤进行粒径分析（见表1），测定土壤质地为沙壤土；测定试验区土壤的平均pH值为8.56；电导仪测定0～20cm土壤的全盐量为1.2g/kg。上述测验结果表明，试验区土壤样本属于宁夏银北地区盐渍化土壤。

1.2 试验布置与方法

试验区为条形，长28.0m，宽16.4m。试验土壤在深度0～20cm的平均含水率为14.91%，平均土壤干容重为1.538g/cm3，平均饱和含水率为47.826%。试验区内自西向东布置3行18根TDR探测管，其中2号、5号、8号、11号测管用于模拟值检验点，其余测管用于确定土壤水盐运移方程数值计算的边界条件，见图1。试验于2012年6-10月进行，利用时间延迟反射仪对上述区域18个测点的土壤含水率和电阻值进行分时段、分层监测。

3.1 土层盐分含量的模拟计算

利用数学模型编译计算机程序，模拟计算土层盐分含量的变化过程。分别模拟蒸发、降雨条件下计算区域的土壤盐分运移情况，模拟时间为10h，时间步长50s。模拟曲线显示了不同土层的土壤含盐量自西向东保持了一致性，实测值与模拟值吻合较好；深度增加至85cm附近时，土壤含盐量随深度的增加而逐渐增大，直至到达下边界值。从图2中可知，2号测点的盐分模拟曲线在下边界附近出现了数值震荡，且与实测值的吻合度较差。5号测点、8号测点及11号测点的模拟曲线均未发生这一现象；通过对计算区域进行网格加密处理后，在降雨条件下的土壤盐分含量曲线在这一范围内数值震荡减弱，见图3。

3.2 随时间迁移的土层盐分变化数值模拟

运用土壤溶质运移模型分别对7月、8月、9月的土壤盐分含量进行数值模拟。图4为模拟计算的试验区在7月22日10时的土壤盐分运移曲线。增加模型模拟时间，分别得到8月22日10时和9月22日10时的土壤盐分运移曲线（见图5、图6）。在长迭代时间的作用下，解决了西侧边界的盐分浓度数值的局部震荡现象。如图5和图6所示，整个计算断面的土壤盐分含量随时间推移，其运移趋势保持一致，土层深度增加，土壤盐分含量相应增大。

随时间的推移，土壤盐分含量在耕作层出现了较大的变化。7月土壤盐分模拟最高值为1.00g/kg、8月该值为1.45g/kg、9月为1.48g/kg。计算模拟发现不同时期土壤盐分含量断面最大值取决于该时期的地下水矿化度。同时，受地下水埋深逐月增高的影响，模拟区域随时间推移逐渐缩小，由7月的120cm×2800cm缩小到9月的100cm×2800cm，导致计算网格加密，进一步避免了接近西侧边界的模拟值出现局部震荡现象。模拟中出现了土层盐分浓度不受深度影响的恒定区，7月恒定区最长，8月逐渐缩小，9月恒定区最短，故深层土壤的盐分含量随时间的推移在模拟过程中是逐渐变小的。

4 结论

通过建立宁夏银北试验区盐渍土土壤盐分运移数学模型，利用有限体积法对该模型进行离散，并且应用MATLAB软件分别对不同上边界条件下的土层盐分运移进行数值计算。经过加密计算区域的网格，进一步模拟了夏季土壤盐分的运移过程，有效避免了计算边界处出现数值震荡的现象。数值模拟值与实测值吻合较好，表明模型及相关拟合参数符合实际，可以采用该方法模拟宁夏银北地区盐渍土在夏季的盐分运移规律。

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