干旱区平原水库坝后农田土壤水盐运移的规律研究

2020-08-21毛海涛严新军

中国农村水利水电 2020年8期

黄风，毛海涛，严新军，林荣

(1.重庆三峡学院土木工程学院，重庆 404100；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；3.巫溪县后溪河水电开发有限公司，重庆 405800)

新疆是中国最大的土壤盐碱地区，许多土地减产甚至弃耕，而众多平原水库造成坝后农田地下水位抬升，加剧了土壤盐渍化的程度。新疆冰冻和非冰冻期时间几乎相当，平原水库在全年不同季节变化及外界气象因素的改变对坝后农田土壤中水盐运移的影响需要研究。

针对干旱区冻土水盐运移，国内外已做了大量的研究。研究表明在干旱、寒冷气候条件以及地下水埋深较浅与矿化度较高的自然条件下，土壤冰冻所造成的盐碱化对作物的危害十分严重[1,2]。荆继红等[3]冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异；李瑞平[4]等土壤冰冻期间多年水分、盐分和温度的变化规律进行分析；李杨[5]介绍了土性对水分迁移过程的影响；尚松浩等[6]模拟了冰冻期土壤水热迁移规律；崔莉红等[7]通过冻融期土壤水盐及其离子成分监测试验，分析确定了土壤盐分运移的主控离子成分和盐分类型；太原理工大学郑秀清、樊贵盛等对冰冻土壤水分入渗特性的影响因素进行了试验研究[8]。针对干旱区非冻土水盐运移，许多学者也做了大量的研究。王振华等[9]新疆棉花地下滴灌水盐运移规律的研究；吴争光等[10]棉花膜下滴灌土壤水盐运移规律研究及数值模拟；刘磊等[11]干旱区棉花膜下滴灌水盐运移规律及数值模拟研究；魏光辉等[12]棉花膜下滴灌土壤盐分运移规律分析。综合前人研究成果发现，缺乏系统在干旱区研究全年土壤盐渍化变化规律的成果，由于水库下游农田地下水埋深呈现季节性变化，冻融时期和非冰冻时期水盐运移变化规律还需要探明。

因此，本文以新疆典型的平原水库—恰拉水库为例，通过HUDRUS来模拟恰拉水库坝后农田在不同气候下土壤水盐运移情况。通过试验观测和数值模拟相互对比研究，系统研究坝后农田土壤盐分变化特征，分析通过气候的变化对农田土壤水盐运移的影响，以期为坝后农田盐渍化的防治提供理论依据和技术支撑。

1 试验方法

1.1 研究区概括

恰拉水库位于新疆天山南麓塔里木盆地东北边缘塔河下游，坝体为碾压式均质土坝。地理位置在东经86°36′～86°57′，北纬40°59′～40°04′范围内，水库设计库容1.61 亿m3，相应水位875.00 m，死水位870.20 m，属国家大Ⅱ型平原灌注式水库，承担着农业灌溉的任务。在建设水库前，周边农田地下水埋深2～3 m[13]，建坝蓄水后，地下水位抬升，导致水库周边农田土壤盐碱化严重。恰拉水库在坝后设置排水沟以降低地下水位，水库坝后的农田土壤主要以黏质壤土为主。区内属于干旱大陆性气候，根据2017年尉犁县气象站的气候数据，可以得到，全年降雨量246 mm，全年分布不均，集中在4-9月。全年蒸发量为1 280.76 mm，是年降雨量的5.3倍。全年平均气温为12.4 ℃，气温最高在7月份为41.8 ℃；最低气温在1月为-12.5 ℃。气象变化情况如图1所示。恰拉水库下游农田在农种期种植棉花。

图1 蒸发量与降雨量的变化情况Fig.1 Changes of evaporation and rainfall

1.2 观测点的布置

为了研究水库坝后下游农田全年中水盐运移情况，在植物区设置3个观测点。每个观测点距离坝址的距离相等，这样能保证3个观测点的地下水位相同。每个点的距离为100 m，分别为Y1、Y2、Y3。示意图如图2所示。

图2 研究区观测点设置Fig.2 Setting of observation points in the study area

每个观测孔深度为1 m，分别对0、20、40、60、80和100 cm处的土样进行试验并获得土壤含盐量、含水率。

1.3 工况的设置

由于季节气候的变化，本文将从这两个时段进行研究。第一时段为11月至次年4月为冰冻时期，这是因为冬季本身蒸发量小，表层土壤处于冻结状态，致使地下水埋深较浅；第二时段为5月至10月为非冰冻时期，这是因为这期间是农业生产阶段，气温高，蒸发量大，致使耕地地下水埋深不断下降，致使地下水埋深较深。通过两个时段分析出土壤在不同气候下水盐运移的变化情况。

1.4 实验步骤

(1)将自动水位记录仪安置在观测孔中，记录3个观测点全年地下水位的变化情况，取3个观测孔的平均值，作为最终水位的变化情况。

(2)每一个月对3个观测点沿土层垂向自上而下分别取0、20、40、60、80和100 cm取出土样，共18个土样。

(3)将每处土样取出一部分与水按5∶1的比例混合，经过3分钟的振荡后，将水土混合液进行过滤，使用电导法测定出滤液中盐分的总量及该土样处的盐分。

(4)将每处土样剩余部分，使用烘干法，计算土样的含水率。

(5)每个实验做3次，取平均值，作为该处的含盐量与含水率的值。

1.5 水位变化

根据全年的观测得到水库水位与地下水埋深的变化如图3所示。

图3 水库水位与地下水位的变化Fig.3 Changes in reservoir water level and ground water level

由图3可以看出，水库水位与地下水埋深的变化趋势相同。在结冻时期，11月-3月水库位引水，蓄水期，呈上升趋势，上升了0.89 m，增加上下游的水位差，导致渗流量增大，而地面上层土壤为冻结土，水分向上积聚到土壤的冻结层，地下水埋深也逐渐上升，上升了0.39 m。3月开始慢慢水库水位及地下水埋深呈慢慢下降。如图3(a)所示。在非冰冻时期，6-9月底，农田的植物需要灌溉，导致水库断放水，水库水位呈下降趋势，从872.91 m下降到871.12 m，上下游的水位差减少，渗流量也减少，排渠水位变低，而蒸发量大，降雨量少，致使农田地下水位不断下降，从1.5 m下降到1.61 m，如图3(b)所示。

2 数值模拟

在上述试验的基础上，根据观测资料和实际情况进行数值模拟。

2.1 垂直一维土壤水分运动方程

土壤为均质、各向同性的多孔介质，忽略温度与土壤中的气相对土壤水分的影响，不考虑根系吸水与源汇项，用以研究饱和-非饱和流动问题的一维 Richards 控制方程：

(1)

式中；K(θ)为土壤水的导水率，cm/h；θ是土壤的体积含水率，cm3/cm3；Z为垂直坐标，可认为是土壤是深度，cm，取向下为正；h是土壤压力水头，cm；t为时间，h。

2.2 溶质的运移

由于不考虑一阶动力学吸附问题，所以μw、μs、γw、γs、S都取0。因此模型中饱和—非饱和多孔介质中非稳定流溶质运移的一维对流-弥散方程[14]为：

(2)

式中：c为土壤溶液中溶质浓度，mg/cm3；s为吸附在土壤颗粒上的固态溶质浓度，mg/cm3；ρ为土壤干容重，g/cm3；q为流速，cm/d；S为水流方程的源汇项，d-1；Cs为源汇项的溶质浓度，mg/cm3；D为饱和—非饱和水动力弥散系数，cm2/d。

2.3 相关系数

模型采用变水头的方法在观测土壤中的盐分与水分的变化。在变水头入渗条件下，θs、Ks与n是对累积入渗量影响较大的参数[15]，根据试验区土壤水盐数据进一步校正，每一个研究区域校正后将取一个点作为代表，表示出土壤水力参数如表1所示。

表1 土壤水力参数Tab.1 Soil hydraulic parameters

本文取1 m土体作为模拟剖面。使用HYDRUS软件对观测点数值模拟。由于季节气候的不同改变地下水的深度从而改变土壤的压力水头，因此通过软件模拟出不同深度的水盐运移的情况，根据监测区的数据与模拟出的数据进行比较，判断出模型的可靠性，最后可以根据模拟值看出水盐运移的动态。

3 结果分析

通过对观测点的实测数据，以及对相应观测点的数值模拟进行以下的对比，并作出结论。

3.1 模拟校准与验证

根据2016年11月-2017年10月对恰拉水库下游农田的含水率与含盐量进行校正与数据验证，通过对比检验模拟得可靠性，从而可以观测出土壤在不同时间、不同深度水盐运移的变化情况。

由图4可知，土壤深度在0～100 cm之间，模拟值与实测值图像的走向基本相同。通过对数据进行相对误差分析可以得到，在冰冻时期，距表层0，20，40，60，80，100 cm处含水率的最大相对误差分别为1.71%、1.42%、1.33%、1.24%、1.19%，1.13%最小相对误差分别为0.59%、0.41%、0.34%、0.38%、0.33%，0.36%。含盐量最大相对误差分别为1.87%、1.72%、1.48%、1.27%，1.33%，1.32%，最小相对误差分别为0.43%、0.64%、0.58%、0.41%，0.22%，0.17%；而在非冰冻时期，距表层0，20，40，60，80，100 cm处含水率的最大相对误差分别为1.39%、1.25%、1.15%、1.45%、1.52%，1.12%，最小相对误差分别为0.74%、0.48%、0.59%、0.43%、0.32%，0.26%。含盐量最大相对误差分别为1.57%、1.73%、1.32%、1.31%，1.12%，1.32%，最小相对误差分别为0.58%、0.41%、0.42%、0.35%，0.26%，0.36%，根据以上分析可以得到含水率与含盐量的最大相对误差在2%以内；最小相对误差大约在0～1%。结果表明，此次模拟值与实测值的图像变化趋势大致相同，相对误差偏低，能够较好的稳合，模拟结果能够反映实际情况，可用于模拟实际情况。

图4 模拟值与实测值的含水率与含盐量对比Fig.4 The water content and salt content of simulated value and measured value were compared

3.2 土壤含水率的变化

通过实测的初始条件对农田的非冰冻时期时期(5月至10月)和冰冻时期时期(11月至4月)的含水率进行数值模拟。模拟后的结果如下。

不同时期土壤在1 m以内含水率的变化过程，如图5所示。在冰冻时期，水库水位处于高水位，渗漏量增大，上层土壤为冻土，土壤水分运移状态呈上渗—入渗型，地下水位逐渐上升，土壤含水率随着地下水位的上升也逐渐增加，从表层到离地面1 m分别上升了66.34%、45.89%、39.48%、37.56%、37.46%、38.14%。如图5(a)所示。在非冰冻时期，土体表孔打开，蒸发量逐渐增大，而水库水位逐渐下降，渗流量减少，导致地下水位下降，土壤中的含水率也随之减少。由于6-9月为农业浇灌期，地下水位逐渐上升，土壤的含水率呈波浪形式上下波动，土壤含水率出现几个峰值，最高达到0.35%左右，如图5(b)所示。从以上分析可以得到，土壤中的含水率随着地下水位深度的变化而改变，地下水位越浅土壤的含水率越高，随着土壤的深度加深含水率逐渐增大。

图5 不同时期的含水率Fig.5 Water content in different periods

3.3 土壤含盐量的变化

通过实测的初始条件对农田的冰冻时期和非冰冻时期的含盐量进行数值模拟。模拟后的盐分变化的图像如图6所示。

图6 不同时期的含盐量Fig.6 Salt content in different periods

由图6可得，土壤含盐量在不同时期的变化情况。冰冻期，土壤的深度从表层到100 m含盐量分别变化了94.32%、90.77%、90.95%、-5.70%、22.55%、-9.18%，土壤的深度越深变化量越低；在60、100 cm呈微下降趋势，0、20、40、80 cm呈上升趋势，如图6(a)所示。由于地下水位上升，水分逐渐往上迁移, 盐分随着水分逐渐上升，在3、4月份蒸发量增大，水分蒸发的速度加快，导致土壤含水率下降，土壤的含盐量反而增大，土层越浅含盐量的变化量越高。在非冰冻时期及农种时期，含盐量分别变化了：97.80%、96.78%、92.90%、11.32%、8.35%、2.22%，变化量与深度呈反比。根据图6(b)所示，表层含盐量在7月达到最高，为7.5 g/L左右，由于在农种时期6月底水库开始放水向棉花地浇灌，地下水位逐渐上升，浇灌的一部分水用于植物的吸收，另一部分用于淋洗土壤中的盐分。表层的盐分随着水分向下渗，降低从而土壤中的含盐量；8月份底，蒸发量大，土壤的含水率下降，上层土壤的含盐量缓慢上升，9月底保持平衡，此时含盐量为4.5 g/L左右。根据以上分析总体说明，土壤的含水率与含盐量呈负相关，地下水位越高，土壤含水率就越高，含盐量越低。经过蒸发后，土壤含水率减少，而土壤含盐量增加。因此有效的控制地下水的可以降低上层土壤的含盐量，土壤越浅越明显。