水动力学模拟模型在盐碱地改良中的应用

涂 超，戴 玮

(1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021；2.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100044)

盐碱土是一系列受土体中盐碱成分影响的各类土壤统称，包括盐土、碱土以及其它各种不同程度的盐化土和碱化土。土地盐碱化现象常发生于干旱或半干旱区域，全球范围内，受盐碱化影响的土地面积大约为9.5亿hm2，分布在各大洲100多个国家[1]。中国是土壤盐碱化较为严重的国家之一，盐碱土主要分布在东北、华北及西北内陆地区，以及一些沿海平原地区，总面积大约有1亿hm2[2]。盐碱化严重的情况下会导致土地减产和草皮退化等现象。

盐分运移为水流运移伴随过程，即“盐随水来，盐随水走”的原理，以水利工程为措施，通过在目标区域建立完善的灌溉系统、排水系统及调度管理系统，实现利用水利工程对地表-地下水联合调度，进而实现对土壤盐分含量的控制。可分为：灌水洗盐、排水脱盐和蓄水压盐等技术。研究证明，通过水利工程来治理土地盐碱化的方式是可行的，但由于水利工程措施投入成本较大，如果设计结果不能满足预期效用，则会造成巨大的浪费，故在设计过程中需要通过模型模拟的手段对设计水利工程设施地表-地下水联合调度效果进行模拟论证，以保证所设计水力工程设施能满足需求，避免发生不必要的投资浪费。

1 水利工程措施

1.1 灌水洗盐

灌水洗盐为通过利用盐分随水流运移原理，通过灌溉一定水量，将土壤中的盐分排到浅层地下水中，从而达到降低土壤盐分含量的目的。如果设计得当，在灌溉过程中，要注意合理的灌溉方式，如果采用大水漫灌则很有可能会造成地下水位上升，将地下水中的盐分带入土壤，如果没有设置合理的排水设置，反而存在加重土地盐碱化的可能。

1.2 排水脱盐

排水脱盐分为水平排水和垂直排水两类，水平排水为通过排水沟或暗管排水，垂直排水为通过竖井排水。排水沟排水是通过在田间布设具有一定深度的沟渠，借助沟渠排水过程来实现脱盐的方式，既可排地表水，也可排地下水，一般布设明渠排水沟深度为1.5m左右。本方法占用土地空间较大，且易发生淤堵及塌方的现象，需要定期清理及维护，工程管理成本较高。暗管排水较为常用，该方法通过将降雨及灌溉水汇入布设于地下带空隙的管道直接排走，从而实现脱盐的目的。排水暗管一般布设深度为1.5～2.5m之间，具体数值需依据项目区域地下水位临界埋深确定。竖井排水为利用竖井汇集雨水、灌溉水及矿化地下水，再利用机械抽水，进而实现排水脱盐的目的。该方法成本低、占地空间小，水量大，便于灵活控制地下水位。

1.3 蓄水压盐

蓄水压盐为在盐碱地上拦蓄淡水，通过淋洗压盐。通常采用在地表修建蓄水池或水库的方式，在地表保持一定深度的静止水体，借助土壤入渗过程将土壤中的盐分排入地下水，同时，地表保持一定深度静止水头还可以借助水体重力对土壤盐分起到压制作用，改变土壤中垂向盐分分布。与排水脱盐相比，该方法可减小工程量，避免了由于排出水体所含盐分较高，会加重下游区域盐碱化的问题。

2 水动力学模拟模型

模拟模型得到了长足发展。通过水利工程措施改良土壤盐碱化时涉及以下过程，渠系输配水过程、地面灌溉过程、排水沟/排水井蓄水排水过程、土壤入渗过程和水池/水库蓄水过程等。采用淡水灌溉时，分别对应水动力学模拟模型为一维渠系输配水水动力学模拟模型、二维地表水流运动水动力学模拟模型和土壤水盐运移水动力学模拟模型，采用微咸水进行灌溉时，分别对应二维地表水盐运移水动力学模拟模型和土壤水盐运移水动力学模拟模型。

2.1 一维渠系输配水水动力学模拟模型

常采用Saint-Venant equations来描述一维渠系水流运动，Saint-Venant equations由连续方程和运动方程组成：

连续方程

(1)

运动方程

(2)

式中，t—时间，s，s—沿水流运动方向距离，m；h—水深；m，v—断面平均流速，m/s；A—过水断面面积，m2；Q—断面流量，m3/s，i—水力坡度；g—重力加速度，m/s；Jf—摩擦力作用下的能量损失比降。

2.2 二维地表水流运动水动力学模拟模型

采用二维扩散波方程模拟二维地表水流运动：

(3)

式中，H—水流自由表面高程，m；H=h+z0，h—水深，m；z0—地面高程，m；t—时间，s；x—水流运动方向距离，m；y—水平面上，垂直于水流运动方向距离，m；i—源汇项；Dw—水流扩散系数，m2/s。

(4)

式中，n—曼宁糙率系数，s/m-1/3，其余各参数含义同上。

2.3 二维地表水盐运动水动力学模拟模型

二维扩散波方程常用于描述二维水盐运动：

(5)

式中，φ—溶质量，g/m2；φ=hc；h—水深，m；c—溶质浓度，g/m3；D—溶质扩散系数，m2/s，；ic为源汇项。

(6)

式中，Dl—溶质扩散度，m；u—x方向水流速度分量，m/s；v—y方向水流速度分量，m/s。

2.4 土壤溶质运移水动力学模拟模型

将土体试为均值且各项同性，通过一维对流-弥散方程来描述：

(7)

式中，各参数意义同上。

不同的水动力学模拟模型对应不同的水流运动过程，描述上节所述不同的水利工程措施时，需要组合不同的水动力学模拟模型。

3 不同水利工程措施水动力学模拟模型

因为水流运动过程的复杂性，在验证不同水利工程措施是否能达到预期效果时，需要组合不同的水动力学模拟模型，依据各水力学过程先后顺序，依次求解各模型，将上一模型结果作为下一模型输入项，以此来建立不同水利工程措施水动力学模拟模型。

3.1 灌水洗盐

该方法与传统的地面灌溉方法相类似，涉及过程为渠系输配水、地表水流及土壤入渗，对应水动力学模拟模型为一维渠系输配水模型、二维地表水流水动力学模拟模型和土壤溶质运移水动力学模拟模型。最主要过程为地表水流运动模拟及土壤溶质运移模拟，如图1所示。

图1 灌水洗盐措施模拟过程

在采该水利工程措施时，需控制灌溉水量，通过水动力学模拟模型提供最合理的灌溉方式，以防止大水满灌引起的地下水位上升，将浅层地下水中的盐分带入土壤，反而加重土地盐碱化。

3.2 排水脱盐

与灌水洗盐想比，排水脱盐多了通过垂向和水平向排水来排出盐分的过程，涉及过程为渠系输配水、地表水流、土壤入渗及排水沟排水，对应水动力学模拟模型为一维渠系输配水模型、二维地表水流水动力学模拟模型和土壤溶质运移水动力学模拟模型。最主要过程为土壤溶质运移模拟及排水沟排水模拟，如图2所示。

图2 排水脱盐措施模拟过程

排水脱盐关键在与模拟土壤中盐分随土壤水运动汇集到竖井或排水沟中的过程，且为了保证排盐效果，应尽可能防止排水沟淤积，可通过建立水动力学模拟模型来模拟盐分随土壤水运动过程及论证排水沟发生淤积的可能性，通过模拟来寻找排盐效果好及排水沟淤积可能性小的调度运行方案，以发挥水利工程措施最大效果，提高盐碱地改善效率。

3.3 蓄水压盐

蓄水压盐类似于水库蓄水及入渗过程，涉及过程为渠系输配水、地表水流及土壤入渗等过程，对应水动力学模拟模型为一维渠系输配水模型、二维地表水流水动力学模拟模型和土壤溶质运移水动力学模拟模型，如图3所示。最主要过程为土壤溶质运移过程。蓄水压盐的关键在于地表静止水体面积及高度。

图3 蓄水压盐措施模拟过程

运用建立的水动力学模拟模型可对所选水利工程运行效果进行验证，亦可通过水动力学模拟模型来获取最优调度运行方案。

4 结语

水动力学模拟模型与水利工程措施相结合，在流域及城市防洪、水库调度、灌溉水资源优化配置和精细地面灌溉等方面已有广泛应用，通过模型模拟能更好地发挥水利工程措施效用。水动力学模型模拟与水利工程措施相结合，改良土地盐碱化的方法在实际应用中较少。随着水动力学模型的不断发展以及计算机计算效率的不断增强，可实现通过水动力学模拟模型模拟及优化水利工程措施运行效果，以最大化的发挥水利工程措施潜力，实现改良土地盐碱化目的。

在以后的工作中应积极探索水动力学模拟模型在土地盐碱化改良中的应用，通过工程实力来验证模型模拟效果。促进模拟模型的不断完善，提高模型模拟精度及效率，以确保模拟模型能更好的与工程实际相结合。