基于HYDRUS模型的暗管排水水盐运移模拟

2019-07-18石培君刘洪光何新林李开明

干旱地区农业研究 2019年3期

石培君，刘洪光，何新林，李红，李开明

(石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

土壤盐渍化是当前人类面临的一个全球性生态环境问题[1-2]，尤其在干旱半干旱地区，水资源短缺和土壤盐渍化已成为制约灌溉农业可持续发展的关键因子，也是造成土地退化的重要原因[3-4]。新疆作为干旱半干旱农业大区，其盐渍化耕地面积占新疆总耕地面积的30.2%，已严重制约农业的发展。膜下滴灌技术具有节水抑盐、增温保墒、调控土壤盐分的作用，使作物根区处于脱盐状态，为作物生长提供了相对良好的微环境，在干旱区和盐碱化耕地具有应用价值[5-7]。据统计，目前新疆膜下滴灌种植面积已达到3.3×106hm2，种植覆盖率超过90%。许多学者对其水盐运移规律研究发现，膜下滴灌由于灌溉量小，淋溶作用微弱，一般不会产生深层渗透，很难利用灌溉水淋洗盐分[8-9]，只有根区范围处于脱盐区，而其下土层处于积盐区，其盐分仅在土层中转移而无法消除，在强蒸发条件下出现了次生盐渍化威胁[10-11]，对干旱区绿洲生态环境的和谐发展产生较大影响。

暗管排水被认为是地下水平衡和农田水管理实践中最适合的方法[12]，同时，也是防止和治理盐碱化最直接、最有效的措施之一[13-14]。张金龙等[15]研究了暗管排水间距对滨海盐土淋洗脱盐效果的影响，得出排水间距对田面各点土壤脱盐效果影响较大。张展羽等[16]在滨海盐碱地模拟研究了不同埋深和间距的暗管排水系统的地下水埋深动态变化，得出暗管技术参数对地下水埋深的动态影响较大。王洪义等[17]在地下水埋深为1.5 m 的盐碱地进行不同埋深和间距的暗管排水试验，结果表明暗管间距5 m、埋深0.8 m为大庆地区苏打盐碱土降渍脱盐的最佳工程布设参数。王振华等[18]在地下水埋深大于4 m 的盐碱地上，研究了滴灌淋洗条件下不同暗管埋深和间距对土壤脱盐效果的影响，结果表明暗管间距为15 m时土壤脱盐效果较好。刘玉国等[19]研究了干旱区暗管排水对不同程度盐碱化土壤脱盐效果的影响，结果表明轻度和中度盐渍化农田盐分由表聚型向脱盐型转变。李显溦等[20]利用HYDRUS软件对暗管排水的水盐运动参数进行了校验，结果表明模拟值与实测值吻合度较高，可以较好地描述暗管排水、排盐过程中的土壤水盐动态。李亮等[21]利用HYDRUS模型对土壤水盐的迁移进行了模拟分析，结果表明模型对土壤含水率和含盐率运移的模拟具有较高精度，反映出盐分积聚和水分运移规律。

上述研究均表明暗管排水可有效降低地下水位和土壤盐分含量，土壤脱盐效果较好。但暗管排水与膜下滴灌相结合的水盐运移问题，至今尚不清楚，阻碍了暗管排水技术在膜下滴灌条件下的推广和应用，而模型模拟是研究和解决该问题的重要工具。因此，为探索膜下滴灌条件下暗管排水的水盐分布特征及运移规律，本文利用HYDRUS模型对暗管排水模型试验的水盐运移规律进行模拟验证，分析膜下滴灌暗管排水条件下土壤水盐分布特征和动态变化规律，揭示膜下滴灌条件下暗管排水排盐效果，为干旱区暗管排水技术的推广提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验在新疆石河子大学水利建筑工程学院水利与土木工程实验中心进行，试验用模型由混凝土砌筑而成，长、宽、高分别为5 m、2 m、1.8 m。模型装置分为土槽和蓄水池，长、宽、高分别为5 m、1 m、1.8 m，底部以连通管模拟控制地下水位，其管径为3.2 cm，管壁上开5 mm圆孔，开孔率为10%，包裹透水无纺布。埋设2根暗管，管径为9 cm，埋深1 m，间距4 m，倾斜度为5‰，暗管上开5 cm×0.2 cm矩形孔，开孔率为6%。暗管外包裹一层透水无纺布，无纺布外铺设3～5 cm细砂和粗砂，细砂平均粒径为0.35～0.5 mm，粗砂平均粒径为5～10 mm，细砂位于无纺布周围，粗砂铺设于细砂上方。连通管和暗管均为PVC管。采用单翼迷宫式滴灌带，滴头流量为3.6 L·h-1，布管方式采用大田普遍使用的一膜三管铺设方式，共铺设6条滴灌带。通过塑料水桶与水泵形成供水系统，利用水表控制灌溉水量，暗管排水模型剖面示意图如图1所示。

试验用土为新疆生产建设兵团农八师146团盐荒土，土壤初始含盐量为14 g·kg-1，根据中国盐土分类标准，该土壤为重度盐碱土。试验前将土风干，过5 mm土筛除去杂质，将土壤混和均匀形成均质土壤，分层进行装填，每10 cm夯实一次，保证每次压实度基本相同，装填后土壤容重为1.48 g·cm-3，第一次灌水后略有沉降为8 cm，经计算土壤容重达到了1.52 g·cm-3。试验用水为地下水，其矿化度为0.25 g·L-1，灌溉结束后地下水矿化度增加到2.7 g·L-1。

图1 暗管排水模型剖面示意图Fig.1 Diagram of model profile subsurface drainage pipe

1.2 试验设计及方法

试验前在蓄水池中注入水，水位控制在1.2～1.4 m范围内，保证下层土壤基本接近饱和状态。试验开始通过水泵持续灌水，至暗管开始排水即停止灌水并记录灌水量。为保证水分和盐分在土壤内重新分布且时空变化较小，每次灌水时间间隔基本相同，共进行3次灌水淋洗，灌溉排水参数如表1所示。暗管排水结束后24 h内在水平方向距离暗管0、40、80、120、160、200 cm处分别进行取样，纵向每隔10 cm取一个样，取样总深度为80 cm，取样点如图1所示。将所取土样在105℃下烘干8 h，用烘干法测定其含水量，将烘干土样研磨、过0.5 mm土壤筛，按土水比为1∶5配置成溶液，用玻璃棒搅拌、静置使上层液澄清，用电导率仪测定其电导率，用干燥残渣法确定土壤含盐量与电导率之间的标定关系式，如公式(1)所示。

y=0.0035EC+0.8972

(1)

式中,y为土壤含盐量(%)；EC为电导率(μs·cm-1)。

1.3 模型建立

1.3.1 HYDRUS 模型介绍 HYDRUS软件是一种可用来模拟水流和溶质在非饱和多孔隙介质中运移的数值模型[22]，是利用土壤物理参数模拟水、热及溶质在非饱和土壤中的一维(二维)运动的有限元计算机模型[23]。该模型能够较好地模拟水分、溶质与能量在土壤中的分布以及时空变化和运移规律。

1.3.2 模型的基本方程

土壤水分运动方程

(2)

式中,θ为土壤体积含水率(cm3·cm-3)；K(θ)为非饱和土壤导水率(cm·d-1)；t为时间(d)，z为土壤深度(cm)。

表1 灌溉排水参数

土壤水力参数van Genuchten模型

(3)

(4)

式中,Ks为土壤饱和导水率(cm·d-1)；θe为土壤相对饱和度(cm3·cm-3)；θr为土壤残余体积含水率(cm3·cm-3)；θs为土壤饱和体积含水率(cm3·cm-3)；θ(h)为土壤体积含水率(cm3·cm-3)；h为负压水头(cm)；K(θ)为土壤非饱和导水率(cm·h-1)；n、m、α均为经验参数。其中m=1-1/n，α是与土壤物理性质有关的参数；l为经验拟合参数，通常取平均值0.5。

盐分运移基本方程

(5)

式中,C为溶质浓度(g·cm-3)；qi为水通量(cm·d-1)；Dij为扩散度(cm2·d-1)；xi为空间坐标(i=1，2)，x1=x，x2=z，D11=Dxx，D12=Dxz。

1.4 模型的初始条件和边界条件

土壤水分上边界采用零通量边界，由于地膜的覆盖忽略蒸发的影响。滴头处采用第一类边界条件，输入通过滴头处的通量值，包括灌水量，其他边界均为零通量边界。由于在试验期间没有降水，因此忽略降雨量的影响。上边界初始含水率为0.025 cm3·cm-3，下边界初始含水量为0.41 cm3·cm-3，上下边界初始含盐量均为14 g·kg-1，灌水过程中，上边界为常压，待灌水结束，上边界为零通量。整个灌溉过程中，暗管边界设为渗透边界，将土壤含水率和土壤含盐量的实测值及模拟值分别进行对比，相应调整土壤水力特性参数，使两者充分接近为止，修正的模型参数如表2所示。修正后的基本参数不变，以每次灌水量和灌水时间的试验数据进行模型的验证。模拟值和实测值的吻合程度采用决定系数R2和均方根误差RMSE指标进行评价，计算公式如下:

(6)

式中,Si,Mi分别为模拟值和实测值；N为数值比较值，无量纲。

表2 土壤物理特性参数

注：θr为残余土壤体积含水率；θs为饱和土壤体积含水率；Ks为饱和导水率；α、n为土壤水分特征曲线拟合参数；l为孔隙连通性参数。

Note:θris residual soil water content;θsis saturated soil volume water content;Ksis saturated water conductivity;αandnare fitting parameters of soil moisture characteristic curve;lis pore connectivity parameter.

1.5 模型模拟

为探索干旱区暗管排水条件下土壤水分和盐分的动态变化规律，将土槽简化为二维模型进行计算模拟，计算区域为一个高(垂直方向)180 cm、长(水平方向)500 cm 的矩形区域。模型模拟0～80 cm深度范围土壤水分和盐分变化特征，模拟时间共计45 d，采用变时间步长剖分方式，根据收敛迭代次数调整时间步长。设定初始时间步长为0.001 d，最小步长为0.0001 d，最大步长为5 d；土壤含水量容许偏差为0.001，压力水头容许偏差为1 cm。

2 结果分析

2.1 灌水后的水盐分布特征及变化规律

图2(a)，(b)，(c)分别为3次灌水后不同剖面处的土壤盐分动态变化特征。由图2可知，每次灌水后0～30 cm土层内盐分下降速率较快，30～80 cm土层内盐分下降速率缓慢。各土层内盐分含量随土壤深度的增加而增加，距离暗管不同间距处各土层盐分含量变化趋势一致，但相同剖面处盐分含量存在差异。水平距离暗管200 cm处各土层内盐分含量最大，这是由于土壤盐分随水流在运动过程中受到对流弥散作用的影响，且纵向弥散作用大于横向弥散作用，水平距离暗管间距越大，其剖面内盐分被灌溉水淋洗到暗管内的越少。总体来看，每次灌水后盐分含量在垂直方向上随土壤深度的增加盐分含量下降速率减缓；水平方向上距离暗管间距越大，各剖面处盐分含量相对较大，土体脱盐率较小。3次灌水淋洗过程中，各剖面处土壤脱盐率从大到小依次为第2次灌后、第1次灌后、第3次灌后，第1次灌水后水平距离暗管不同间距处盐分含量存在明显差异，这是由于试验土样经筛分、分层装填后存在大孔隙，灌水后形成孔隙流使盐分得不到充分的溶解，只有少量盐分随水流流入暗管，因此，第1次灌水后盐分含量随土壤深度的变化趋势较为平缓。由图2(b)、(c)可知，第2次灌水和第3次灌水后土壤盐分含量随土壤深度的增加呈现先减小后增加的趋势，距离暗管不同间距处盐分含量变化规律不明显，距离暗管200 cm处各土层内盐分含量最大，表层0～20 cm土层内盐分含量明显高于20～40 cm土层盐分含量，说明地下水埋深较浅时强烈蒸发很容易使盐分随水分通过毛细管上升至表层，出现明显的盐分表聚现象。20～40 cm土层内盐分含量下降速率较快，盐分含量下降至2 g·kg-1左右，40～60 cm土层内盐分呈现逐渐增大的趋势，60～80 cm土层内盐分含量处于稳定变化的趋势，土壤盐分下降速率变缓，脱盐效果不明显，这是由于靠近暗管周围土壤内的水分含量接近饱和，水势梯度减弱，减少了与地下水之间的水量交换和盐分淋洗量；随着灌溉次数的增加，地下水中盐分含量增加，溶质浓度变大，暗管周围土体与地下水中的盐分交换量也减小，说明地下水矿化度大小与土壤脱盐率以及暗管排盐量有着密切的关系。第3次灌水后，0～80 cm土壤内总盐分含量下降速率较快，各剖面处盐分的质量分数下降至8 g·kg-1以下，表明暗管排水技术在膜下滴灌条件下的土壤水盐运移具有较好的变化规律，对土壤盐分的淋洗效果较好。

图3为3次灌水后各剖面处土壤水分动态变化特征。由图3可知，水平距离暗管不同间距处各土层内水分含量随土壤深度的增加变化趋势基本一致，均随土壤深度的增加而增加。0～20 cm土层内水分含量变化较大，这是由于表层土壤受到强蒸发作用的影响，另外，上层土壤水分在重力势的作用下不断向下运移。垂直方向20～80 cm土层内各剖面处的水分变化趋势一致，随着土壤深度的增加逐渐增加，水分含量差异不明显，80 cm土层内含水量几乎接近饱和状态。水平方向距离暗管不同间距处各剖面的水分含量存在明显差异，且没有明显的变化规律，这可能是受覆膜边界条件、蒸发作用、地下水的影响。由图3(b)、(c)可以看出，水平距离暗管不同间距处各土层内含水量随土壤深度的增加而增加，但水平距离暗管0 cm处在60～80 cm土层内呈减小趋势，说明暗管排水可以降低暗管上方土壤水分含量。总体来看，3次灌水后暗管周围土壤内含水量较高，基本接近饱和含水率，垂直方向上变化规律较好，均随土壤深度的增加而增加，水平方向上距离暗管不同间距处各剖面含水量差异不大。

图2 3次灌水后土壤不同剖面处的盐分含量变化Fig.2 Changes of salt content in different profiles of soil after three times of irrigation

图3 3次灌水后土壤不同剖面处的水分含量变化Fig.3 Changes of water content in different profiles of soil after three times of irrigation

2.2 模型验证

根据构建的数值模型，输入土壤水力特性参数，同时设置时间、空间离散化处理参数后运行计算，并进行模型可靠性验证分析。通过比较第1次灌水、第3次灌水后距离暗管不同间距处各土层内含水量和含盐量的实测值与模拟值，两者差异较小且总体变化趋势一致，如图4、5、6所示。第1次灌水后距离暗管不同间距处土壤盐分模拟值与实测值的RMSE分别为0.364和0.632，R2分别为0.995和0.992，距离暗管不同间距处土壤水分模拟值与实测值的RMSE分别为1.024和1.324，R2分别为0.906和0.921；第3次灌水后距离暗管不同间距处土壤盐分模拟值与实测值的RMSE分别为0.505和0.197,R2分别为0.996和0.994。由此看出，水平距离暗管不同间距处土壤盐分和水分实测值与模拟值的RMSE均较小，R2均较大，表明两者之间具有较好的一致性。从图6可以看出，尽管水分变化在某些观测点上存在一定的误差，但总体规律基本一致。

图4(a)和(b)表示第1次灌水后水平距离暗管0 cm和200 cm处各剖面盐分含量实测值和模拟值的变化趋势。从决定系数和均方根来看，模拟值和实测值吻合较好，第1次灌水结束后，水平距离暗管0 cm处0～30 cm土层内盐分变化较小，盐分含量下降较大，实测值和模拟值存在较大的误差，是由于灌水过程中强烈蒸发使盐分随毛管水上升至表面，造成实测值偏大，40～80 cm土层内盐分迅速增加，这是由于在灌溉水流的扩散作用下，盐分通过对流、弥散作用不断向下迁移。水平距离暗管200 cm处0～40 cm土层内盐分含量呈线性增长趋势，实测值与模拟值吻合度较好，50～80 cm土层内盐分含量相对保持稳定状态。图5(a)和(b)显示第3次灌水后距离暗管不同剖面处盐分含量实测值和模拟值数据，决定系数和均方根均显示模拟值和实测值吻合很好，水平距离暗管200 cm处0～20 cm土层内出现盐分表聚现象，是由于水平距离暗管200 cm处没有覆盖地膜，蒸发作用使盐分通过毛细管上升至表面，20～60 cm土层内盐分含量增加速率较快。水平距离暗管0 cm处60～80 cm土层内盐分含量呈下降趋势，而水平距离暗管200 cm处60～80 cm盐分含量保持不变。图4和图5相比较，可以看出经过3次灌水后盐分总含量明显减小，说明膜下滴灌与暗管排水相结合的技术可以有效地改良盐碱地。

图6(a)和(b)为第1次灌水后水平距离暗管0 cm和200 cm处各剖面土壤水分含量实测值和模拟值变化，由图6可以看出，土壤水分的运动具有较好的规律，随着土层深度的增加呈现逐渐增加的趋势，水平距离暗管0 cm和200 cm处表层20 cm范围内土层含水量相差较大，这是由于水平距离暗管200 cm处没有覆膜，受蒸发影响大，且暗管对水分的运动影响相对较小。从相关系数和均方根来看，实测值和模拟值吻合好，是因为土壤筛分后，分层装填，比较符合达西定律及土壤水盐运动方程的均匀连续性假设。

2.3 模型应用

利用实测值和模拟值修正后的参数进行更长时间序列的模拟计算，共进行6次灌水的模拟，总时长为90 d。图7(a)和(b)表示距离暗管不同位置处各土层内盐分含量变化曲线。图7(a)显示0～40 cm土层内盐分含量<2 g·kg-1，达到了非盐化土水平，40～80 cm土层内盐分含量随着深度的增加呈对数型增长趋势，整体盐分质量分数<8 g·kg-1，达到中度盐化水平。图7(b)显示距离暗管不同间距处盐分含量呈现波动变化，这是由于覆膜造成边界条件的变化，无膜覆盖处土壤水分既受重力作用的影响，又受到大气环境的影响，而覆膜位置处土壤水分受大气环境的影响较小，运移主要依靠重力势和基质势，因此土壤中的可溶性盐在对流、弥散和水流运移作用下呈现波动变化。在水平距离暗管间距150 cm范围内，20～40 cm深度土层内盐分含量趋于1 g·kg-1左右，60 cm深度土壤内盐分含量趋于2～4 g·kg-1变化，80 cm深度土层内盐分含量在6～8 g·kg-1范围内变化，各土层内盐分含量在水平距离暗管200 cm处(两暗管中间位置)相对较大。