基于HYDRUS-2D模拟排水暗管布设参数对土壤水盐运移的影响

刘璐瑶，张金龙，张 凯，贾 林，张 迪，聂阿秀

(1.天津泰达盐碱地绿化研究中心有限公司，天津 300450；2.天津泰达绿化集团有限公司，天津 300450)

土壤盐渍化已经成为严重的全球性环境问题[1-2]，尤其在中国北方沿海地区，受土壤质地与区域环境的双重影响，土壤母质含盐量高、物理性质差，加之沿海地区地下水埋深浅、矿化度高，低降雨高蒸发，土壤盐碱化问题十分严重[3-5]。近年来，排水暗管技术在盐碱地的治理方面得到了广泛应用[6-7]。盐碱地的改良效果取决于暗管的布设参数，因此确定合理的暗管布设参数对盐碱地的改良效果、水资源的利用以及对工程成本控制至关重要[8-10]。

随着计算机技术的发展，美国盐碱地实验室(U.S.Salinity Laboratory)研发了CHAIN 2D、STANMOD、SWMS-3D、HYDRUS等一系列模型用以模拟饱和-非饱和多孔介质中水分、溶质及能量运移[11-13]。其中HYDRUS模型以模拟范围广、精度高被广泛应用于水盐运移的模拟研究[14]。李亮等[15]利用野外实测资料验证了HYDRUS模型在模拟土壤水分与盐分空间运移时具有较高的精度，并确定了盐分积累和土壤水分运移规律。Shaygan等[16]利用有机和无机改良剂改良了河套灌区盐碱地，并验证了HYDRUS可以准确模拟添加改良剂后土体的水盐运移规律。Selim等[17]采用HYDRUS模型研究了在微咸水滴灌条件下，初始土壤含水量和灌溉方式对土壤水盐运移的影响。Karandish等[18]通过试验数据校准和验证了HYDRUS模型，并利用验证后的模型确定了珠江三角洲农业生产在不同情况下的最佳灌水量。Wang等[19]在HYDRUS和EPIC模型的基础上建立了耦合模型，运用耦合模型研究了盐胁迫对蒸发量、蒸腾量、籽粒产量和水分利用效率的影响。李显溦等[20-21]利用HYDRUS建立了暗管排盐数值模拟模型，并利用田间试验数据验证了模型可以较好地模拟暗管排水、排盐过程。

众多学者都利用HYDRUS模拟了不同条件下的土壤水盐运移，形成了诸多成果。但是针对中国北方沿海盐碱地区暗管布设参数对土壤水盐运移的影响研究还相对较少，暗管布设参数包括间距和埋深2个重要参数，不同参数组合下土壤的淋洗排盐有所差异，因此，本文通过利用现场试验与数值模拟相结合，研究了排水暗管布设参数对水盐运移的影响，为确定合理的暗管布设参数垫定了理论基础。

1 材料与方法

1.1 现场试验

1.1.1试验区概况

试验区位于天津滨海新区临港经济区内，地处海河入海口南侧的滩涂浅海区上。试验区位置为北纬38°55′10″、东经117°42′24″(图1)，暖温带半湿润大陆季风性气候，年平均降水量为522.2 mm，年平均蒸发量为2 070.2 mm，蒸降比3.96，夏季降水量约占全年降水量的80%[22-23]。试验区由滨海潮滩盐土经吹填而成，土壤母质含盐量较高，土壤含有较多的贝壳侵入体，土壤质地为粉砂质壤土，试验区地下水埋深1.8 m。

图1 试验区地理位置

1.1.2试验简介

试验区总面积4 500 m2，区域内共设3个小区。小区1布设13根排水暗管，参数为H120、L300(H与L分别表示埋深与间距，右下角数值代表埋深与间距数值，单位cm)，坡降2‰；小区2布设7根排水暗管，参数为H120、L300，坡降2‰；小区3布设5根排水暗管，参数为H120、L900，坡降2‰。排水暗管采用管径6 cm的带孔PVC波纹管。集水管采用管径20 cm的无孔PVC波纹管。渗透水流通过排水暗管收集后流入集水管，由集水管排至市政雨水管网。在暗管外围铺设一周碎石，防止暗管进水孔被土壤小颗粒堵塞。试验区四周垒土墙高约15 cm，防止淋洗水发生地表径流。试验区平面布置见图2。

图2 试验区平面布置

淋洗水采用当地中水，其矿化度为1 700 mg/L，灌水端安装流量计进行灌水量统计与控制。试验期为2010年6月1日至8月31日，灌水分三阶段进行，灌水日期分别为2010年6月1—7日、7月1—12日、8月1—9日，三阶段灌水强度分别为4.314、3.316、3.940 cm/d。

1.1.3土壤取样与物理参数确定

2010年5月20日进行第一次取样，确定试验初始条件，每个小区内进行3个重复的随机取样。2010年8月31日进行第二次取样，确定试验结果，取样点见图1。取样利用土钻进行，单次取样深度20 cm。

土壤粒径采用激光粒度分析仪(LS230型激光粒度仪，美国贝克曼库尔特公司)测定；土壤容重利用环刀法测定；土壤含盐量由电导率法测得数据按照式(1)计算获得；土壤含水量采用烘干法测定。试验区含水率和含盐量初始值见表1，土壤物理参数见表2。

(1)

表1 试验区初始含水率与含盐量数据

表2 试验区土壤物理参数

式中Q——土壤含盐量，g/kg；EC——土壤电导率，mS/cm。

1.2 数值模拟

1.2.1土壤水分运动基本方程

以质量守恒定律及达西定律为基础，认为土壤为二维各向同性介质，且不考虑土壤中水分的滞后效应、温度及空气对水分运动造成的影响，故土壤水分运动采用二维饱和-非饱和水流模型进行模拟。水流控制方程为二维Richards方程[24-25]：

(2)

式中x——横向坐标；z——垂向坐标，规定z向下为正；θ——土壤含水率，cm3/cm3；φ——基质势，cm；t——入渗时间，min；K(θ)——非饱和导水率，cm/min。

对于式(1)中的θ、φ与K(θ)的求解使用van Genuchten-Mualem方程[24-26]：

(3)

(4)

(5)

式中θr——残余含水率，cm3/cm3；θs——饱和含水率，cm3/cm3；α、n和m——经验参数，m=1-1/n，n>1；Ks——饱和导水率，cm/min；Se——有效饱和度。

1.2.2土壤溶质运移模型

溶质运移采用标准对流弥散方程[24-25]：

(6)

式中i、j——x、z轴坐标；C——溶液浓度，g/cm3；Dij——水动力弥散系数，cm2/min；qi——水流流速，cm/min。

1.2.3定解条件

土壤水分运动方程的初始条件：

θ(x,z,t)=θ0(x,z),t=0

(7)

式中θ0(x，z)——土壤初始含水量分布，根据初始实测值设置。

土壤溶质运移方程的初始条件：

C(z,0)=C0(z)，0≤z≤Z

(8)

式中C0——土壤初始含盐量，g /kg；z——土壤空间坐标，取向上为正，根据初始实测值设置。

水分边界条件见图3，上边界为随时间变化边界，淋洗时为变水头边界，其余时刻为大气边界，蒸发和降雨量见图4，由中国气象数据网下载获得；左右边界正负通量近似相等，设为零通量边界；暗管为渗出面边界；在暗管排水作用下，距暗管150 cm以下地下水流线近似水平，垂直通量可忽略，故下边界设置为零通量边界[8,27-28]。溶质边界条件为第三类边界条件。

图3 水分边界条件

图4 降雨-蒸发曲线

1.2.4模型率定与验证方法

土壤水力特性参数由HYDRUS-2D中内嵌的人工神经网络计算工具根据测量的土壤的容重和粒径分布来计算。选取中间参数小区2的暗管布设参数(H120，L600)试验数据用于模型的率定，通过PEST的多目标校正法将实测值与模拟值进行对比，当模拟值与实测值接近时，取率定参数值作为模型最终的参数值。选取小区1暗管布设参数(H120，L300)与小区3暗管布设参数(H120，L900)用于模型的验证，采用均方根误差(RMSE)、决定系数(R2)和纳什效率系数(NSE)对模型精度进行评价[8,29]。

2 结果与分析

2.1 模型率定及验证结果

模拟采用二维模拟，模拟时间等于试验时间，共92 d。利用小区2的暗管布设参数(H120，L600)试验含水率与含盐量数据率定后的模型参数见表3。将率定后的参数用于小区1暗管布设参数(H120，L300)与小区3暗管布设参数(H120，L900)的数值模拟，模型验证结果见图5、6。

表3 模型参数

由图5、6可知，土壤含水率R2在0.843 0～0.957 6之间，NSE为0.546 3～0.788 2，RMSE为0.006 8～0.020 4 cm3/cm3；土壤含盐量R2为0.956 7～0.985 0，NSE为0.642 8～0.932 8，RMSE为0.725 5～1.246 3 g/kg。可见，模型模拟的结果与实测值较为吻合，采用数值模拟进行暗管布设下水盐运移的模拟是可靠的。

a)距离暗管0 cm土壤含水率

a)距离暗管0 cm土壤含水率

2.2 模型应用

2.2.1模拟暗管参数选取

参照中华人民共和国土地管理行业标准结合文献研究成果与工程实践经验确定了12种模拟情景，具体模拟情景与暗管布设参数对应情况见表4。

表4 模拟情景与暗管布设参数情况对照

2.2.2暗管布设对土壤剖面水盐运移的影响

模拟时段末土壤剖面的水盐分布情况可以直观地反映出不同暗管布设下水盐运移的结果，距离暗管L/2的剖面为暗管控制区域排水和排盐效果最差的剖面，该剖面可以反映出整个区域的脱盐下限，因此选择距离暗管L/2的剖面分析不同暗管布设下水盐运移的结果。图7为土壤剖面含水率，图8为土壤剖面含盐量，图8a—8d表示暗管深度固定时不同间距的土壤含盐量，图8e—8g表示暗管间距固定时不同埋深的土壤含盐量。

a)H80含水率

a)H80含盐量

由图7可知，当暗管埋深为80 cm时A1、B1、C1模拟情景的土壤剖面整体含水率分布情况基本相同，表明暗管埋深为80 cm时暗管的间距对土壤剖面整体含水率的分布几乎不产生影响；H100时土壤剖面整体含水率有θA2=θB2<θC2，表明暗管埋深为100 cm时，间距超过一定值后土壤含水率会随间距的增大而增大；H120时土壤剖面整体含水率有θC3>θB3>θA3，表明暗管埋深为120 cm时暗管的间距越大土壤含水率越高。当暗管间距为300、600 cm时，土壤剖面整体含水率有θA1>θA2>θA3>θA4，表明暗管间距为300、600 cm时含水率随深度增加而降低；当暗管L900时土壤剖面整体含水率有θC2>θC1>θC3>θC4，表明暗管间距为900 cm时100 cm暗管埋深含水率最高，暗管埋深增大或减小含水率都会降低。12种暗管模拟情景中C2模拟情景土壤剖面整体含水量最高，土壤表层至底层含水率为0.350 8～0.407 1 cm3/cm3，A4模拟情景含水率最低，土壤表层至底层含水率为0.326 4～0.407 1 cm3/cm3。

由图8可知，当暗管埋深固定时土壤含盐量随暗管间距增加而增加，暗管埋深越大间距的变化对土壤含盐量的影响减弱。当暗管间距固定时土壤含盐量随暗管埋深的增加而降低，暗管L900时，H对土壤含盐量的影响显著增加。12种暗管模拟情景土壤剖面含盐量区间分别为0.61～7.95 g/kg(A1)、1.25～7.81 g/kg(B1)、3.37～7.84 g/kg(C1)、0.55～7.95 g/kg(A2)、0.86～7.94 g/kg(B2)、2.21～7.95 g/kg(C2)、0.51～7.93 g/kg(A3)、0.70～7.93 g/kg(B3)、1.37～7.93 g/kg(C3)、0.47～7.81 g/kg(A4)、0.60～7.81 g/kg(B4)、0.96～7.81 g/kg(C4)，其中A4模拟情景的土壤剖面含盐量最低，其变化区间值为0.47～7.81 g/kg，C1模拟情景的土壤剖面含盐量最高，其变化区间值为3.44～7.81 g/kg。

3 讨论

在不同暗管埋深和间距的组合下，水盐运移的结果差异较大，通过分析距离暗管L/2剖面的水盐运移结果，发现模拟时段末土壤剖面含水率都呈现由表层至底层逐渐增大现象，剖面含盐量呈现自上而下先减小再增大的规律，分析原因为在淋洗作用下，土壤含水率整体增加，盐分随淋洗水向下迁移，之后在蒸发作用下，土壤表层含水率快速下降，盐分出现表聚现象。暗管埋深相同时，间距越大土壤剖面含水率越大，其原因为暗管L越大暗管控制范围越大，淋洗时排走水分所需时间更多，时间相同的情况下暗管L越大土壤水分残留也就更多；当暗管H越小时L改变对土壤剖面含水率的影响越小，其原因为暗管H减小，暗管控制范围减小，暗管对距暗管最远端土壤剖面影响减小。暗管H相同时L越大土壤剖面含盐量越高，说明减小暗管L利于土壤盐分淋洗，暗管L相同时H越大土壤剖面含盐量越低，说明加大暗管H有利于土壤盐分淋洗。12种暗管模拟情景中C2模拟情景土壤剖面含水率最高，由表层到底层为0.350 8～0.407 1 cm3/cm3，A4模拟情景土壤剖面含盐量最低，含盐量区间为0.47～7.81 g/kg。

4 结论

通过现场试验数据率定并验证了HYDRUS-2D模型表明该模型模拟暗管布设下土壤水盐运移是可靠的。利用验证后的模型探究了多种暗管布设参数下土壤水盐运移的结果，表明暗管L越大，可以保证模拟时段末土壤具有较高的土壤含水率，但其含盐量也相对较高，减小暗管L可以提高淋洗效果，降低土壤含盐量。暗管H越大，土壤淋洗效果越好，但模拟时段末土壤含水率也相对较低。从淋洗改良盐碱地和水资源高效利用的角度，在暗管H固定时，建议暗管L不宜过大，通过对12种暗管布设参数进行模拟，确定12种模拟情景中排盐效果最好的是A4(H140，L300)模拟情景。