基于HYDRUS-1D模型的灌排联合下的水盐运移模拟

贾 浩，李宝珠，李文昊，3

（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子832000；2.新疆天业节水灌溉股份有限公司，新疆石河子832000；3.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子832000）

大面积实施节水灌溉，诱发土壤次生盐渍化、林地退化和草地荒漠化等生态环境问题[1]。据统计，全球盐碱土面积达到95 亿hm2，占耕地面积的18%，且每年以150 万hm2的速度增长[2]，而中国盐渍土地占全国可利用土地4.8%，其中，新疆盐碱土面积为2.2×1012hm2，占全国盐碱土总面积的22%。近20年来，膜下滴灌技术[3]在新疆广泛使用，浅灌和勤灌无法将盐分排除土体导致次生盐渍化问题出现，农田“有灌无排”的现状，威胁着绿洲粮食安全和生态系统的稳定[4]。

为了解决此类问题，新疆采取了冬春灌、水利措施等方案。但根据“盐随水来，盐随水去”的原理，只有灌排系统协同发展，土壤就会发挥最大效益，明沟和暗管被认为是改良盐碱地的有效水利措施。国内外专家对其进行了研究，Hou等[5]开展灌水量和排水沟深度两因素三水平试验，指出3 种排水方式对土壤盐分的总去除率为8.7%～13.2%；Tao 等[6]开展了基于土柱的改进式暗管排水试验，暗管排水流量相比传统排水流量增加2～3 倍；王振华等[7]开展了膜下滴灌条件下的暗管排水大田试验，得出间距15m、埋深0.6 m、管径90 mm 时，土壤脱盐率最高；刘洪光等[8]开展了明沟排水和暗管排水对比大田试验，得出暗管排水的脱盐效率优于明沟。国内外学者还采用HYDRUS 模型来深入模拟水盐动态分布[9-11]，左强等[12]对所建立的数值模型和水盐运动参数进行了校验，数据结果能很好反应其水盐动态分布。

上述研究均表明暗管排水对土壤脱盐效率较高，且HYDRUS 数值模型可以较好地模拟水盐动态分布，但灌排联合下的水盐运移问题，至今尚不清楚。因此，本文为探索灌排联合下的水盐运移规律，利用HYDRUS-1D模型对灌排联合下的水盐运移规律进行模拟验证，探索灌排联合下水盐运移的机理，揭示灌排联合下排水排盐效果，为干旱区灌排联合模式下的水盐运移理论研究提供帮助。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于2018年7-10月在现代节水灌溉兵团重点实验室内进行。试验用土取自八师炮台镇盐碱地0～30 cm土壤，初始含盐量为为12.46 g/kg，通过风干和研磨，之后过筛（5 mm）使其盐分均匀，分层装填，每隔10 cm 进行夯实。根据国际制土壤质地分级标准，土壤质地为砂壤土，土壤颗分及基本物理性质如表1 所示。试验用水为地下水，其矿化度为0.25 g/L。滴头采用贴片式滴头，滴头流量为1.8 L/h。试验模型装置见图1，利用马氏瓶（高65 cm，容积5 102.5 cm3）作为水源，5 mm 厚有机玻璃管制作而成的土柱（半径20 cm，装置高130 cm），土柱表层覆盖新疆天业公司生产的聚乙烯塑料地膜，水表用来记录灌水量。底部开3～5 mm 的孔，开孔率为5%，底部铺设高度为5 cm 的砂石反滤层。排水管材质为PVC 管、管径分为d=5、7 cm，排水管上开直径4或2 mm的圆孔，开孔率为6%，排水管外包一层透水无纺布，无纺布外覆3～5 cm 细砂和粗砂作为滤层，细砂平均粒径为0.35～0.5 mm，粗砂的平均粒径为5～10 mm[22]。排水管距土柱表层80 cm。排水管通过圆孔与圆柱体相连，用玻璃胶进行密封防止漏水，排水管坡度设置为5‰，使排出的水能够顺利地沿排水管坡度方向流入收集器内，土柱放置于盛放有水塑料盆内，用来模拟地下水位。

表1 供试土壤物理参数Tab.1 Test soil physical parameters

1.2 试验设计及方法

试验采用灌水量、排水模式二因素三水平完全处理，灌水设置3个水平：灌水定额分别为15、25、35 L（分别标记为W15、W25、W35），排水模式设置3 种：排水管d=7 cm、排水管d=5 cm、无排水管（分别标记为P7、P5、P0）。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。排水结束后水分经过重分布（24 h）后立即进行取样，取样点分别在土柱中心处、沿暗管水平方向距离滴头±15 cm 处，共3 个取样点，取样深度为80 cm，每隔10 cm取样一个，重复三次，分析灌排联合对土壤水盐运移及土壤脱盐效果的影响。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。

式中：S为土壤含盐量，%；EC为电导率，μs/cm。

为了进一步分析土壤脱盐状况，将每次灌水后土样含盐量与初始含盐量进行比较，计算含盐量相对变化率，根据每次取样测得的土壤盐分质量分数，得出土壤脱盐率公式如下：

式中：η 为脱盐率%；Wh为不同深度的含盐量，%；W0为初始含盐量，%。

1.3 模型建立

HYDRUS 模型是一种有效的数值模型工具，是利用土壤物理参数模拟水、热及溶质在饱和非饱和土壤中的一维（二维）运动的有限元计算机模型[13]。

土壤水分运动方程：

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

土壤水分特征特征曲线和非饱和导水率用van Genuchten方程拟合：

式中：Ks为土壤饱和导水率，cm/d；θe土壤相对饱和度；θr为土壤剩余体积含水率；θs为土壤饱和体积含水率；θ(h)为土壤体积含水率，cm3/cm3；h 为负压水头，cm；K(θ)为土壤非饱和导水率，cm/h；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：

式中：C 为溶质浓度，g/cm3；qi为水通量，cm/h；Dij为扩散度，cm2/h；xi为空间坐标（i=1，2），x1=x，x2=z，D11=Dxx，D12=Dxz。

1.4 模型初始条件和边界条件

土柱上边界是地膜下面有贴片滴头，采用第一类边界条件，确定上、下边界的初始含水率分别为0.028 cm3/cm3、0.39 cm3/cm3，上下边界初始含盐量均为12.46 g/ kg。在整个灌水过程中，上边界为常压，下边界的排水管设置为渗透边界，灌水结束，上边界为零通量。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在模型中输入供试土壤物理参数，修正的模型参数如表2所示。根据土柱试验计算土壤盐分的纵向弥散系数，土壤盐分弥散系数表现了土壤中溶质随着水分运动的变化规律，修正的模型参数如表3所示。

表2 土壤物理特性参数Tab.2 Soil physical property parameters

表3 土壤盐分横纵弥散系数Tab.3 Horizontal and vertical dispersion coefficients of soil salinity

1.5 模型模拟

将土柱简化为计算区域为高(垂直方向)120 cm 的一维模型，基于本模型来探索干旱区灌排联合条件下土壤水盐的动态变化规律。由于排水管埋深为80 cm，所以本模型模拟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0.00l d，最小步长为0.000 l 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。模型基本参数不变，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：

式中：Si、Mi分别为模拟值和实测值；N 为样本数，无量纲。

2 结果与分析

2.1 模型验证

通过Hydrus-1D软件构建其模型，输入各项参数，设置时间、空间离散化处理参数等进行运算，并进行模型可靠性验证分析。由图2 看出，第二次灌水后灌排联合下W35P7处理滴头处的土壤水分、盐分模拟值与实测值的R2和RMSE 分别为0.975 和0.286、0.997 和0.217。同时第二次灌水后距离滴头±15 cm 处土壤水分、盐分模拟值与实测值跟滴头处趋势相同，规律一致。

通过含水率变化图可以看出，其土柱土壤水分运动规律明显，竖直方向增加趋势明显，变化率是由高到低再逐渐升高，从0～20 cm 土层内的R2和RMSE 看出，模拟值小于实测值，是由于土柱表层覆膜和取样数量较少导致，而20～80 cm土层内的R2和RMSE看出，模拟值和实测值趋势一致且相当吻合，这是土壤在装填时，经过筛分和分层填装的结果，而这也侧面印证了符合达西定律、土壤水盐运动方程的均匀连续性假设。通过含盐量变化图可以看出，0～40 cm 土层内含盐量下降明显，实测值和模拟值吻合较好，40～80 cm 土层内含盐量变化趋势减缓，且实测值都小于模拟值，是重力作用的水流运动导致的，同时也是土壤盐分运动遵循对流弥散理论的结果。第二次灌水后各处理的土壤水分、盐分模拟值与实测值的R2和RMSE 以表格的形式展示，如表4 所示，第一次和第三次灌水后的各处理的土壤水分、盐分模拟值与实测值的R2和RMSE 也具有相似的规律。由此看出，随着灌水量的增大，不同处理滴头处土壤盐分和水分实测值与模拟值的RMSE均变小，而R2均变大，同样随着排水效率的增大，两者之间也表现出较好的一致性。

表4 灌排联合下滴头处水盐运移模拟实测值和模拟值验证Tab.4 Simulated measured value and simulated value verification of water and salt transport at the drip joint under irrigation and drainage

2.2 灌排联合模式下土壤水分动态分布规律

图3表示第三次灌水后不同排水措施下滴头处土壤含水率分布特征变化。由图3（a）可知，当无排水措施时，不同灌水量下的土壤含水率变化，竖直方向上总体表现为：先高变低再变高后稳定的变化趋势，随灌水量的增加各土层内含水量均增大，0～80 cm土层内W25、W35含水率趋势相同，但是0～40 cm 土层内W35含水率比W25平均增大4%，40～80 cm 土层内W35含水率比W25平均增大1.5%，而W15含水率曲线因为低灌水量，趋势与其他两种变化规律不同，20～50 cm 土层内含水率最大。由图3（b）可知，当排水管d=5 cm 时，W15、W25含水率曲线趋势一致，40～80 cm 土层内W25含水率比W15平均增大2.5%，W35含水率比W15平均增大3.05%，而W35含水率曲线因为高灌水量，大于20 cm 土层内含水率变化趋势稳定。由图3（c）可知，当排水管d=7 cm时，0～40 cm土层内W15、W35含水率曲线变化趋势相同，W35含水率比W15平均增大4.26%，40～80 cm 土层内W25、W35含水率曲线趋势一致，W35含水率比W25平均增大1.36%。由于排水管的作用，使得40～80 cm 土层内W35P7比W35P5平均降低0.89%，W35P7比W35P0平均降低1.56%，其中越接近排水管位置的含水率变化越明显。3 种灌水量下土壤含水量随土壤深度的增加呈现不一样的变化趋势，排水管d=7 cm 的处理排水效果优于排水管d=5 cm，且含水率的变化率都显著高于无排水管的处理（P＜0.05）。综上所述，通过第一次灌水和第二次灌水取样的数据也可以得到相同的变化趋势，同时，排水管上方与排水管两侧旁各土层内含水量具有一致的变化规律，三种灌水量下排水管周围各土层内含水量呈稳定的变化趋势，灌溉水在重力作用下不断向下迁移逐渐渗入暗管，这是由于土壤和滤层结构形成两个不同的界面，砂石滤层导水率较大，滤层与土壤界面处汇聚的水分渗入排水管，过多水分在重力作用下逐渐向下迁移。

2.3 灌排联合模式下土壤盐分动态分布规律

图4表示第三次灌后不同处理下土壤盐分分布特征及运移规律，其中W15P0表示在无排水措施下的土壤盐分运移规律体现，W35P7表示在最大排水量的土壤盐分分布规律体现，不同的灌水量对土柱土壤的湿润范围和含水率影响有显著的差异，而根据“盐随水来，盐随水去”的原理，土壤盐分的运动受饱和水运动影响，且土壤盐分运动遵循对流弥散理论。由图图4（a）可知，在无排水措施下，0～80 cm 土层内盐分含量变化速率缓慢，其中0～40 cm 土层内含盐量降低速率要高于40～80 cm土层内含盐量。灌水量越小40～80 cm土层内盐分含量越大，说明当灌水量较小时，只有少部分盐分被水流带入下层土壤，且溶解在地下水中的盐分较小。在0～20 cm土层内含盐量呈“V”型分布。由图4（b）可知，在排水管d=7 cm 时，0～80 cm土层内盐分含量变化速率较快，其中70～80 cm土层内含盐量平均要比60～70 cm 土层内含盐量高1.69 g/kg，与无排水措施处理相比，0～40 cm、40～80 cm 土层内平均含盐量分别降低0.527、0.824 g/kg。综上所述，灌水量相同时，排水措施成为影响水盐运移的关键，导致土壤含盐量变化效果不同，总体表现为：排水管d=7 cm＞排水管d=5 cm＞无排水管。排水管以上土层内含盐量变化趋势一致，垂直方向上沿湿润峰方向逐渐增加，水平方向上差异不显著。因此灌水量不同对土壤盐分的淋洗作用不同。

2.4 灌排联合模式下土壤脱盐效果影响

表5 表示灌排联合下不同处理各土层内土壤脱盐率变化，通过方差分析探讨不同处理下各土层内土壤平均脱盐率的差异性。当排水管d=7 cm 时，W15P7处理与W25P7处理、W35P7处理相比0～20 cm 和0～80 cm 土层内脱盐率存在显著性差异，其他各土层内脱盐率在三个处理下均存在显著性差异，各土层内脱盐率均在W35P7处理下达到最大值。当无排水措施时，即d=0时，灌水量对各土层内脱盐率影响较大，增大灌水量可以提高土壤脱盐率。说明增加灌水量对盐碱土盐分具有较好的淋洗作用，整体来看各土层内脱盐率随着灌水量的增加而增加，随着排水管直径的增大而增加，同样随着土壤深度越深土壤脱盐率变小，表层0～20 cm土层内脱盐率最大。

表5 灌排联合下不同处理各土层内土壤脱盐率Tab.5 Desalination rate of soil in different soil layers under different irrigation and drainage combinations

3 结 论

（1）通过灌排联合下的水盐运移模拟试验，3种灌水量下土壤含水率随土壤深度的增加呈现异样趋势，排水管d=7 cm的处理排水效果优于排水管d=5 cm，且含水率的变化率都显著高于无排水管的处理（P＜0.05）；灌水量相同时，土壤含盐量变化效果总体表现为：排水管d=7 cm＞排水管d=5 cm＞无排水管；经过3 次灌水淋洗后，各处理0～20 cm 土层内土壤盐分淋洗效果最显著，灌水定额35 L 及排水管d=7cm 处理下脱盐率达到最大值83.69%，灌排联合模式可有效地降低土壤盐分含量，可高效地改良盐碱地。

（2）利用HYDRUS-1D模型对灌排联合模式下的水盐运移规律进行了模拟，利用实测数据和模拟数据对比分析，通过R2和RMSE 得出，随着灌水量、灌水次数、土壤深度和排水措施变化，土壤水盐含量的模拟值和实测值有较好的拟合性，模型具有一定的可靠性，这将为干旱区灌排联合模式下的水盐运移理论研究提供帮助。