自然和工程措施条件下吹填土壤脱盐过程模拟

李 山，王 倩，仵 苗，方 伟，张虎平，杨冠川，李静思

自然和工程措施条件下吹填土壤脱盐过程模拟

李 山1，王 倩1，仵 苗1，方 伟2，张虎平2，杨冠川2，李静思1

（1. 西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048；2. 中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

为探明滩涂围垦区吹填土壤在自然和工程措施条件下的脱盐过程、脱盐速率及脱盐历时，该研究以浙江台州东部新区涂面整理区为例，采用在田间水文模型DRAINMOD基础上开发的DRAINMOD-S模型研究了该区域吹填土自然和不同工程措施（集雨措施、生物措施及不同暗管排水措施组合）条件下的脱盐过程。结果表明DRAINMOD-S模型能够较好的模拟出吹填土的水文变化过程和盐分淋洗过程：预测的地下水位埋深变化与实测值变化范围与趋势基本一致，其平均偏差为-3.40 cm，平均绝对偏差为6.90 cm，均方根误差为8.60 cm，相关系数为0.79；土壤盐分模拟值与实测值的平均偏差为-0.08 g/L，平均绝对偏差为0.20 g/L，均方根误差为0.24g/L，相关系数为0.91；吹填土盐分在自然降雨和现状规划河道排水的作用下整体呈缓慢下降的趋势，年平均脱盐速率为0.45 g/L左右，土壤达到脱盐标准的时间约为27 a；该研究提出的工程措施能够极大缩短吹填土的脱盐进程，可将年平均脱盐速率提高至0.73～1.80 g/L，脱盐历时缩短到3～13 a。结果可为类似围海造陆工程规划设计、盐分治理、土地利用规划管理、生态环境重构等前期预测分析工作提供支持。

模型；土壤；DRAINMOD-S；脱盐速率；脱盐历时；盐分控制措施

0 引 言

在经济社会快速发展的背景下，城市化进程不断加快[1]，城市基础设施建设用地逐年增长，耕地面积日益减少[2-3]，经济发展与土地资源的矛盾日益突出，土地资源的紧缺已成为制约中国经济发展的重要因素之一。沿海地区因经济发达、人口密集、城市化程度高，采用围填海造地方式将原有的滨海滩涂转变为陆地，已成为解决用地矛盾，拓展生产和生活空间，打破土地瓶颈的重要手段。因此，填海造陆工程对缓解沿海地区人地矛盾、推动社会经济发展，具有十分重要的现实意义[4-5]。但吹填土初始含盐量普遍较高[6]，填海造陆工程使陆地地下水向海水排泄途径被延长[7-8]，改变了原有的水动力条件[9-10]等原因，导致围海造陆区因土壤和水环境盐分释放缓慢，海岸生态系统不能快速重构[6,11]，围海造陆区往往需要闲置抛荒多年后才能用于耕作或建设，降低了投资回收效率和生态环境的恢复速度，加大了投资成本。因此国家在加强围填海工程管控的同时，需要在掌握围海造陆区开发利用的主要限制因子——土壤盐分[6]变化规律的基础上，加快盘活已完成的围填土地，使其尽快发挥经济效益，提高土地利用率。

但完全依靠自然脱盐，其历时往往长达数十年[12-13]。因此，往往需要采取一定的工程措施以加快自然脱盐过程。盐碱地改良的工程措施往往有利用雨洪淡水资源以促进脱盐的集雨措施[14-15]、通过增强排水能力的暗管排水排盐措施[16-18]、物理-化学-生态综合改良及植被构建技术措施[19]和通过改善土壤特性以促进脱盐效率的土壤调理剂与水力淋洗结合的措施等，但填海造陆区的水盐环境复杂，生态环境脆弱，选择治理方法应十分慎重。此外治理措施往往涉及到治理效果和投资之间的平衡，关系到工程规划设计和投资估算。因此，对不同工程措施进行科学评价和方案比选是吹填工程规划设计的核心内容之一。

目前通过长期定位观测[12]、土壤调查[13]或高密度电法仪监测[20]等获取围海造陆区土壤盐分数据进行统计分析的方法[12-13，21]是围海造陆区土壤脱盐过程预测的主要方法之一。统计分析法往往对数据样本数量有一定要求[13]，需要投入较大的人力和物力及时间成本，同时还存在数据监测点代表性差、数据不连续、时间跨度大，受研究区气象、地形地质等因素影响大，且不能揭示吹填土脱盐的机理等缺点，使研究结果具有一定的局限性和滞后性。刘虎等[22]通过室内土柱试验研究了曹妃甸地区扰动吹填土在稳定流条件下的脱盐过程，克服了统计分析方法的部分不足，但因试验忽略了降雨的随机性，使结果与实际具有较大差异，仍然不能够明晰实际吹填土脱盐过程和脱盐历时。但无论是统计分析还是室内试验，都缺乏不同方案预测分析和方案比选的功能。因此，采用具有明确物理含义，并且能够对不同方案进行分析的数值模型来研究吹填土自然条件和不同治理措施下的脱盐过程，预测其脱盐速率和脱盐历时，是论证实施工程措施的必要性的前提，也是围海造陆区开展土地利用规划、经济效益分析和生态环境恢复的基础。

但吹填土脱盐过程与气象因素、地下水位、地下水矿化度、排水条件、土壤质地、植被等密切相关，因此，在综合考虑以上因素下对吹填土脱盐过程进行预测是目前迫切需要解决的关键问题。根据吹填土脱盐特点和影响因素，美国农业部所推荐的田间水文模型DRAINMOD基础上开发的农田水盐管理模型DRAINMOD-S具有较好的适用性[23-24]。DRAINMOD-S是以DRAINMOD模型的水平衡计算结果作为己知输入，充分利用了DRAINMOD模型所需参数少、排水模拟精度高、能够进行排水设计方案比选等优点[25-27]，但DRAINMOD-S以往的研究和应用，主要集中在农田水盐预测、设计和管理中[28-29]，在吹填工程中还鲜有研究报道。因此，本文以已建工程——台州东部新区涂面整理及软基处理工程为例，基于DRAINMOD-S模型模拟研究区吹填土自然和不同排盐工程措施条件下吹填土壤脱盐过程，量化自然和工程措施条件下淋洗至满足农业生产或城市绿化的耐盐阈值的脱盐历时，以及自然和工程措施条件下吹填土的脱盐速率；以期为围海造陆工程规划设计、盐分治理、可行性分析、土地利用规划管理、生态环境重构等提供依据，以提高土地利用效率，加快资金周转。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于浙江省台州市中部沿海（121˚32'24"E～121˚35'56"E，28˚34'5"N～28˚39'25"N），为2014年开工建设，利用海底淤泥吹填并经地基处理后陆续形成的陆域，其吹填土壤初始平均含盐量达到了10 g/kg[30]，吹填土高含盐量成为了研究区土地开发利用的主要限制因子，因此，为了提高土地利用率、加快资金的回收和后期生态环境的恢复与重构，亟待确定吹填区的排盐量、排盐速率和淋洗至满足农业生产或城市绿化的耐盐阈值的时长。

研究区位于区域性构造单元泰顺-黄岩大断裂的东南方向，地质构造完整，褶皱不发育，原始地貌属于河口近潮坪地貌类型，涂面平坦宽阔，以冲积平原、滩涂为主，研究区埋深80m以内的区域大致可分为：淤泥质黏土、粉质黏土、粉砂、粗砂和砾石等。吹填完成后区域高程在3.0～4.0m之间，地形较为平坦。吹填后地表及以下4 m左右以内为人工堆填的闭气土和吹填土，土质均匀。

研究区地处亚热带季风气候区，四季分明，最高气温为40.3 ℃，最低气温为-7.1 ℃，年平均气温16.8～17.2 ℃，多年平均水面蒸发量900 mm左右；但雨量充沛，年降水量介于1 100～2 200 mm之间，多年平均降水量1 600 mm左右，年降水日数132～171 d。年内降水集中在两个明显的雨期：6月下旬至7月下旬的“梅雨期”，降水量约为146 mm，约占全年降水量的10%；8月上旬至9月中旬的“台风雨期”，降水量约为350 mm，占全年降水量的23%。多年平均6～9月降水量占全年总量的54.8%。年较大暴雨大部分为台风影响所致的台风雨，日暴雨量能达50～100 mm，特大暴雨量能达300 mm以上。因此，相对集中的降雨可能具有较好的淋洗脱盐潜力。

研究区规划的水系格局为“四横四纵、一湖、两湿地”；其中“四横”指与上游河网连通并最终穿过研究区及海堤，进入大海的洪家场浦、鲍浦、长浦、青龙浦；“四纵”指围一至围四河；“一湖”指位于研究区中部的月湖；“两湿地”指位于月湖南、北两侧的人工湿地。连通的水系将研究区分割为多个区域，为土壤脱盐和脱盐尾水提供了水盐输出通道。根据工程建设进度，截止2019年4月，已经挖通的河道有东长埔河、围一河，月湖南侧的南围二河和南围三河，月湖西侧的东鲍浦河，但月湖以东、东长浦河以西的河道，围四河和南湿地工程还未实施。

1.2 DRAINMOD-S模型基本原理

本研究中拟基于DRAINMOD模型，首先对研究区的排水过程进行分析，并在此基础上根据DRAINMOD-S模型对盐分运移的模拟来分析吹填土自然条件和不同工程措施下的脱盐过程。其基本原理如下：

1）DRAINMOD模型基本原理

吹填区排水过程的模拟是自然脱盐计算的基础，DRAINMOD模型的基本原理为地表及土壤剖面水量平衡方程。在某时段内，农田地表水量平衡方程可表达为

土壤剖面水量平衡可表达为

2）DRAINMOD-S模型基本原理

在DRAINMOD-S模型中，为简化计算，假设盐分为最简单的惰性、非吸附性溶质迁移，且以垂向迁移为主，盐分在土壤中主要运动形式为一维垂向对流和水动力弥散。根据Fick定律和质量守恒定理，土壤盐分迁移方程可表示为

式中为水动力弥散系数，cm2/h；为溶液浓度，g/L；为土壤含水率，%；为土壤深度坐标，cm；为淋洗时间，h；为土壤水分通量，mm/d；其中水动力弥散系数计算公式为

式中为纵向弥散度，cm；为土壤孔隙水流速，cm/d；0为盐分在自由水中的分子扩散系数，cm2/d；为孔隙弯曲率，=7/3/θ2，其中为土壤饱和含水率，%。

1.3 DRAINMOD-S模型的输入数据及计算方法

DRAINMOD-S的输入数据主要包括气象数据，土壤特性，作物变量，灌溉和排水系统数据等。

气象数据：因DRAINMOD-S模型需要输入每日的ET、最高气温、最低气温和每小时的降水等气象数据。由中国气象数据网（http://data.cma.cn）获取了研究区附近洪家气象站的降雨、气温、风速、气压、辐射等气象因子日数据（1999年1月1日—2019年4月1日）；因为研究区没有作物，其蒸发为裸地潜水蒸发，但由于裸地潜水蒸发观测困难，代价较高，直接获取难度较大，因此根据水面蒸发数据和2019年1月—2019年4月的研究区地下水位监测数据，采用阿维里扬诺夫潜水蒸发公式计算了研究区的裸地潜水蒸发，用于DRAINMOD-S模型率定过程中的潜在蒸发量（Potential Evapotranspiration，即PET）输入。阿维里扬诺夫潜水蒸发表达式如下：

式中为裸地潜水蒸发量，mm；0为水面蒸发量，mm/d；为极限蒸发深度，根据室内多组土壤颗粒分析结果表明，研究区土壤质地多为黏土和粉质黏土，在无作物条件下，参照有关研究[31]黏土极限蒸发深度可取3 m；为地下水位埋深，m；为与土壤质地和植被情况有关的经验系数，一般取1～3；轻质地土壤或植被根系吸水深度大、蒸腾旺盛时，值较小；土壤质地黏重时，值较大，因研究区土壤质地黏重，因此值取3。

但因吹填工程已经改变了原始地形地貌，缺乏长序列的地下水位数据，因此在利用历史气象资料模拟分析长序列降雨脱盐过程中无法采用阿维里扬诺夫潜水蒸发计算公式计算研究区的裸地潜水蒸发；有研究认为，有作物生长时的潜水蒸发强度与裸地潜水蒸发强度的比值有良好的规律性[31]，因此可根据有作物时的潜水蒸发来确定无作物时的潜水蒸发，即

式中为潜水蒸发强度作物影响系数（简称作物影响系数），无量纲；ET0为参考作物蒸散发，mm/d。基于此，可以对比2019年1月—2019年4月采用阿维里扬诺夫潜水蒸发计算公式计算研究区的裸地潜水蒸发和采用Penman-Monteith法计算的ET0，即可获得，从而可以通过长序列气象资料计算的ET0反推出长序列的。

土壤数据：采用离心机法对土壤水分特征曲线进行了测定，结果表明吹填区土壤在3 m以内土质较均匀，没有明显分层，区域内不同点位的土壤差别不明显，因此在模型中假设研究区为均匀土质，土壤水分特征曲线采用平均值。通过现场竖管试验和振荡试验，获取了现场尺度浅部土层垂向渗透系数在0.73×10-6～2.33×10-6cm/s之间，水平渗透系数在0.88×10-6～2.80×10-6cm/s之间[30,32]，且吹填土层渗透系数大于原始土层（淤泥质黏土），均为微-极微透水层，因此相对不透水层深度取4 m。

盐分数据：研究区土壤可溶盐成分主要是NaCl，2019年1月1日对吹填完成4、2、1和0.5 a的土壤取土（12个钻孔，钻孔深度为3 m左右，分0～30、>30～60、>60～90、>90～120、>120～150、180～210、240～270和290～320 cm共8层取样，共计96个土壤盐分样品）测试发现：新鲜吹填土剖面平均盐分浓度为18 g/L，吹填完成4、2、1和0.5 a的区域土壤盐分平均浓度分别为15.00、15.30、16.00和16.50 g/L左右；水动力弥散系数为1.18×10-6～1.47×10-6cm2/s，弥散度为0.77 cm[30]。

排水系统概化：模型所需的排水系统输入参数包括从土壤表面到排水沟的深度，排水沟间距，排水模数，排水沟的有效半径和相对不透水层厚度。但因为研究区主要为建设用地，规划了“四横四纵，一湖、两湿地”的水系格局，无田间排水系统。因此，需要根据研究区实际，以及土壤水分运动规律和水力特性，对排水系统进行概化，降雨产生的地下排水会首先进入与其相邻的规划河道、月湖或湿地内。

1.4 拟采取的盐分治理工程措施

虽然研究区规划了“四横四纵、一湖、两湿地”的水系格局，为土壤脱盐和脱盐尾水提供了水盐输出通道。但因土壤质地黏重，排水间距较大，依靠现状排水条件，在自然降雨的作用下，吹填土壤脱盐过程可能仍然十分缓慢。势必会影响土地利用率、延长资金的回收和后期生态环境的恢复与重构，因此，需要采取一定的盐分治理措施以加快吹填土壤的脱盐速率，缩短脱盐历时。

本研究拟选择以水利为主，生物为辅的工程措施，以加快研究区的盐分输出。工程措施具体如下：1）生物措施：种植碱蓬、芦苇等盐生植物，通过对植物收割使部分盐分带出土壤；以具有较高经济价值的碱蓬为例，收割后可带走盐分总量约1 200 kg/hm2[33]；2）集雨措施：通过修筑10 cm土埂以抬高排水汇流区四周的高程，收集自然降雨，从而减少降雨地表径流损失，增加雨水入渗，加大降雨淋洗作用，促进吹填土的盐分输出；具体在模型中的体现为增加最大平均坑洼深度S值；3） 暗管排水措施：在生物措施和集雨措施的基础上，采用不占地的暗管排水工程加大地下排水效率，以促进土壤盐分输出；暗管排水措施在模型中的体现为不同排水管间距和排水管深度组合，共设置了5个排水间距（20、40、60、80和100m）和5个排水埋深（0.6、0.8、1.0、1.2和1.5m），共计25个暗管排水组合以分析其脱盐效果。

1.5 模型参数率定、验证与评价

采用吹填完成1a的区域内监测点的水位数据对模型的水文过程进行率定，监测点主要排泄渠道为“四纵”中的围二河。根据围二河设计尺寸和水位监测结果，排水系统可概化为：排水埋深为1 m，排水间距为360 m，排水系统有效半径约为2 m，排水模数因现场条件无法实测获得，根据土壤性质和土壤渗透系数设排水模数的初值为0.10 cm/d，进行率定调整；因该点盐分监测数据较少，但研究区均为吹填形成，吹填工艺、吹填泥沙来源相同；吹填形成的区域地形平坦，排水条件接近；在此基础上以新鲜吹填土盐分作为该点初始值，吹填完成0.5、1、2、和4 a的区域内排水条件相近的点的监测数据作为该点不同脱盐历时的盐分数据，对盐分数据进行了延长，并以年降雨量和降雨规律相近、气候无明显变化的2015—2018年作为模拟率定时段，对土壤脱盐过程进行了率定。

模型预测结果准确性的判断，主要根据径流过程模拟值与实测值图形直观比较和统计参数进行评价。对模拟结果评价的统计指标有平均偏差、平均绝对偏差、均方根误差及相关系数等。

2 结果与分析

2.1 DRAINMOD-S模型的率定与验证

根据吹填完成1 a的区域内监测点的水位数据和盐分数据对模型的水文过程和盐分淋洗过程进行率定，经模型计算，地下水水位实测结果和模拟结果如图1a所示；由图1a可知，DRAINMOD-S模型预测的地下水位埋深变化与实测值变化范围与趋势基本一致；且与降雨密切相关，当降雨量较大时水位上升，没有降雨时，水位逐渐下降；模拟值与观测值的平均偏差为-3.40 cm，说明模型整体低估了地下水埋深；平均绝对偏差为6.90 cm，均方根误差为8.60 cm，说明观测值和模拟值之间的偏离程度较小；相关系数为0.79，说明观测值与模拟值有很好的相关性。对DRAINMOD-S模拟预测的降雨脱盐过程进行对比，结果如图1b；土壤脱盐过程在短期内受降雨的影响和蒸发的影响，在夏季无降雨间隔时间较长时，盐分会在蒸发的作用下，有所上升，但在随后的降雨作用下又会降低；整体呈下降趋势，但因土壤质地黏重，渗透系数较小，脱盐效率较低；模拟值与实测值的平均偏差为−0.08 g/L，说明模型整体低估了土壤盐分；但平均绝对偏差为0.20 g/L，均方根误差为0.24 g/L，说明观测值和模拟值之间的偏离程度非常小；相关系数为0.91，说明观测值与模拟值有很好的相关性。

综上所述，DRAINMOD-S模型能够较好的模拟出研究区的水文变化过程和盐分淋洗过程。偏离程度均在可接受的范围内，满足误差小于20%的要求。经率定得到的排水模数为0.05 cm/d，地表最大平均坑洼深度为3 cm，最小平均坑洼深度为0.50 cm，可作为研究区土壤脱盐过程模拟的基本参数。

2.2 研究区自然脱盐过程模拟与分析

在自然降雨的作用下，吹填土盐分将随着排水排出土体，进入临近的河道、月湖或湿地内，从而使土体盐分降低，但在无降雨的时段，地下水中的盐分将在蒸发的作用下上升至上层土壤中。为了分析研究区的自然脱盐过程，以已开挖的“四横”规划河道之一的东长埔河以南，南湿地以北，围二河两侧的区域为例，该区域排水面积共1.40 km2，采用经率定验证后的DRAINMOD-S模型模拟分析了该区域的自然脱盐过程。根据排水的基本规律可知，该区域降雨产生的地下排水首先会向围二河南段快速排泄，从而使土壤地下水较为迅速的降低，当没有降雨且土壤地下水位和河水位相当时，土壤地下水和邻近河流的部分水流以深层渗漏的方式向更低更远处排泄，但因吹填土导水性能差，区域水力坡度小，该过程历时时间长，因此可以忽略不计。在以上假设条件下，该区域的排水系统基本参数可以概化为排水间距约250 m，平均排水埋深约为1.5 m。需要说明的是，截至2019年4月南湿地还未施工，因此，未考虑南湿地对排水系统概化的影响。

在此基础上，利用历史气象资料（1999—2018年），采用DRAINMOD-S模型对该区域自然脱盐过程进行了模拟计算，自然脱盐过程如图2所示。结果表明：在现状条件下，经20 a土壤盐分浓度由18.0 g/L下降至9.05 g/L，年平均脱盐速率为0.45 g/L左右，在蒸发的作用下还会出现盐分向地表聚集的情况，从而引起土壤溶液盐分浓度出现一定的波动。因此，在规划水系和降雨的作用下，自然脱盐过程缓慢。但研究区土地利用规划涉及到湿地、绿地等城市建设内容，需要满足植被耐盐要求；研究表明一般植物可承受的土壤盐分要小于3 g/kg，约为6 g/L[16,34]；根据图2和年平均脱盐速率可知，预计达到植物适宜生长的土壤盐分阈值的时间约为27 a，脱盐历时较长。因此，降雨虽然对土壤盐分有一定的淋洗作用，土壤溶液盐分浓度也逐年降低，但由于土壤导水性能较差，土壤颗粒细小，多为淤泥质黏土，导致降雨的淋洗作用有限。依靠自然脱盐，过程缓慢。其他区域也得到了类似结论。

对该区域内的水盐输出进行统计，结果表明：多年平均年降雨量为1 596 mm、年蒸发量为822 mm、年地下排水深度仅为8 mm，年地表排水深度为764 mm；因此，该区域年平均地下排水量为1.1万m3，年平均地表排水量为106.9万m3；这说明该区域内主要以地表排水为主，地下排水十分有限。其原因一方面是因为该区域内仅有一条人工沟道围二河，且排水间距较大；另一方面是因为土壤侧向导水率较小，水平方向上排水量较小。基于以上两个原因导致地下排水量很小，从而使该区以地表排水为主。年均总盐分输出量约为187 814.7 kg。

2.3 不同工程措施下研究区脱盐过程模拟与分析

为了尽快满足土壤盐分控制指标，迅速将吹填区内土壤盐分排出是重要的基础。因此，为了使规划用地能够尽快投入使用，加快资金回收，提高土地利用效率，需要采取一定的治理措施加快研究区的土壤脱盐过程。

本研究在生物措施和集雨措施的基础上，模拟分析了共计25组不同排水管间距和排水管深度组合下研究区土壤的脱盐过程；本研究选取了以水利为主，生物为辅的治理措施，以加快研究区的盐分输出。以暗管埋深为1.5 m，暗管布置间距为100 m为例，土壤脱盐过程如图 3所示。由图3可知，研究区土壤盐分随着时间的推移逐渐减小，约为10 a，盐分浓度将下降至6 g/L左右，能够满足一般植物的生长；经过20 a运行，盐分浓度将小于2 g/L，年平均淋洗速率约为0.84 g/L，脱盐效果明显。其他暗管排水系统组合条件下，盐分淋洗过程也得到了类似结论，脱盐速率和达到土壤盐分标准的时间如表1。

由表1可知埋深越大、排水间距越小，淋洗效果越好，达到植物可承受的土壤盐分标准所需的时间越短，年平均脱盐速率在0.73～1.80 g/L之间，脱盐历时在3～13 a之间。本文提出的生物措施、集雨措施和暗管排水结合的工程治理措施，能够较为快速的将盐分淋洗排出，从理论和技术上是可行的；工程措施使脱盐速率提高了1.6～4.0倍，脱盐历时缩短了14～24 a；但一般情况下，埋深越大、排水间距越小，投资也相对越大。因此，还需要进一步根据工程实际需要以及投资预算等多因素综合分析，选择合适的方案。

表1 25种暗管排水工程措施下土壤脱盐效果模拟统计

3 讨 论

DRAINMOD-S模型作为农田水盐管理的专有模型，以往的研究和应用，主要集中在农田水盐预测、设计和管理中[23-24，28-29]。虽然该模型具有所需参数少等优点[25-27]，但仍需要获取气象、土壤和水盐等必要的数据，在某些客观因素的影响下，持续观测仍然存在一定的困难。因此，俞双恩等[28]研究了DRAINMOD-S模型参数的灵敏度，结果表明在模拟土壤剖面含盐量时侧向饱和导水率是敏感性参数，为提高模型模拟精度和扩展模型适用性提供了参考；张展羽等[29]利用山东莱州滨海盐碱地的暗管排水研究资料，通过观测和预测的地下水埋深和土壤剖面盐分，模拟验证了DRAINMOD-S模型的可靠性和实用性，为分析暗管排水条件下滨海盐碱地农田水盐运移规律提供了重要参考；本研究在收集了气象、土壤特性、地下水位、盐分等资料的基础上，采用DRAINMOD-S模型预测分析了吹填工程自然和工程措施下的脱盐过程，但需要说明的是因盐分数据序列有限，本研究通过对吹填工艺、吹填泥沙来源、地形条件、降雨和排水条件分析，根据研究区不同吹填完成年限内脱盐后的土壤盐分结果，对率定点的盐分数据进行了合理延长，取得了较好的率定结果。充分说明了DRAINMOD-S模型具有较好的适用性[28]，能够用于滨海盐碱地等沿海近似区域土壤的水盐管理研究[29]。研究结果为围海造陆区开展土地利用规划、盐分治理和经济效益分析等工作提供了支持，拓展了该模型的应用研究范围。因DRAINMOD-S模型综合考虑了排水条件、土壤特性、植物特征和气象因素等对自然脱盐的影响，在实测吹填土壤侧向饱和导水率、土壤水分特征曲线、地下水位埋深等基础资料的基础上，该模型在模拟吹填工程自然脱盐过程方面具有较强的适用性和较高的精度，与统计分析方法相比具有预测能力强、工作效率高、精度高等特点，克服了统计分析方法存在的数据需求量大，数据不连续、时间跨度大、无法揭示自然脱盐机理等缺点。因此，DRAINMOD-S模型可为围海造陆工程规划设计、土地利用规划管理、生态环境重构等前期预测分析工作提供支持。

在现状条件下，该研究区吹填土盐分在自然降雨的作用下缓慢释放，年平均脱盐速率为0.45 g/L左右；这与林云[12]、张濛等[13]、Xu等[21]研究结果一致，围垦后的土壤盐分呈现随着时间的推移逐渐下降的规律，但脱盐速率略有不同；其原因首先是因为排水条件和土壤质地不同，其次是因为本研究区土地利用规划主要是建设用地，因此未考虑如灌溉、堵港蓄淡等人类活动对吹填土脱盐的积极作用；最后是与模型所考虑的影响因素有关，DRAINMOD-S模型考虑了蒸发、土壤、地下水、降雨、植被等因素来预测土壤脱盐过程，而统计分析方法主要在历史监测数据的基础上进行土壤脱盐过程的预测。

采用生物措施、集雨措施和暗管排水结合的工程治理措施加速了研究区的脱盐进程，使土壤达到满足植物生长的盐分标准的时间由27 a左右降至3～13 a，充分的说明了生物措施、集雨措施和暗管排水结合的工程治理措施在促进自然脱盐过程中的作用。这与张万均等[16]和毛建华等[19]提出的构建“浅密式”暗管排水管网或物理-化学-生态综合改良及植被构建技术能够加快脱盐速率的结论一致，但以往研究是基于治理工程实际，并进行土壤盐分调查来说明治理措施的有效性，本研究通过数值模拟，从机理上揭示了治理措施促进脱盐的内在原理，并充分的证明和量化了构建完善的排水管网、增加雨水入渗和耐盐植被在吹填工程脱盐中的积极作用，能够为工程规划设计提供更好的预测和分析支持。

4 结 论

围海造陆区盐分治理一直是中国填海造陆工程面临的最普遍和最突出的问题之一，对其自然脱盐过程、脱盐速率及脱盐历时进行科学预测并采取有效措施进行防控与治理，是围海造陆区开展土地利用规划、经济效益分析和生态环境恢复的基础。本文以台州东部新区涂面整理工程为例，研究了该区域吹填土自然脱盐过程和工程措施下的脱盐过程，得到了以下主要结论：

1）DRAINMOD-S模型能够较好的模拟出吹填土的水文变化过程和盐分淋洗过程，可为围海造陆工程规划设计、土地利用规划管理、生态环境重构等前期预测分析工作提供支持。

2）吹填土盐分在自然降雨和规划河道排水的综合作用下整体呈缓慢下降的规律，年平均脱盐速率为0.45 g/L左右，土壤达到满足植物生长的盐分标准的时间约为27 a。

3）工程措施能够极大缩短吹填土的脱盐进程，在生物措施和集雨措施的基础上，采用本研究提出的25种排水系统组合，可将年平均脱盐速率提高至0.73～1.8 g/L，脱盐历时缩短到3～13 a。工程措施使脱盐速率提高了1.6～4.0倍，脱盐历时缩短了14～24 a。

本文主要研究了研究区土壤在自然和工程措施下的脱盐过程，结果表明工程措施对吹填土壤脱盐具有较大的促进作用，但最佳的暗管排水组合的确定，还需要进一步根据工程实际需要、投资回收期以及投资预算等多因素综合分析；此外，区域地下水环境的淡化往往会对土壤的脱盐过程有着深远的影响，因此，未来还需要进一步明确区域地下水盐运动规律，有助于防止研究区土壤返盐。

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Simulation of desalination process in dredger fill soil under natural and engineering measures

Li Shan1, Wang Qian1, Wu Miao1, Fang Wei2, Zhang Huping2, Yang Guanchuan2, Li Jingsi1

(1.-,,710048,; 2..,.,200120,)

Land reclamation has become an important way to take land from the sea or wetlands, in order to create much more living space in over-crowded coastal areas. However, there is serious soil salinization of hydraulic fill, where most offshore sediments are added into the surrounding seawater with a generally high salt content. The hydraulic fill project also causes the groundwater discharge path to be extended. These impacts have posed a great challenge on the efficiency of investment and the speed of ecological environmental recovery. Therefore, it is very necessary to accurately predict the desalination process, rate and duration for land use planning and ecological environment restoration in reclaiming coastal areas. Taking the coating finishing project in the eastern new area of Taizhou in Eastern China as a research area, a DRAINMOD-S model was extended to the simulation and prediction of natural desalination process in hydraulic reclamation. The hydrological and desalination process in the model were calibrated using the hydrological and salt data from the regional monitoring points after one year of reclamation. Two modes were selected to implement the field test, including the natural desalination and the specific desalination process under comprehensive control measures. In natural desalination, the salt of dredger fill under the rainfall was discharged from the soil along the drainage into the nearby river. In specific desalination, the comprehensive treatments were mainly composed of the water conservancy, supplemented by biological control measures, thereby to speed up the output of salt. The results show that the DRAINMOD-S model better simulated the hydrological process and the salt leaching of hydraulic fill. The variation of groundwater level was basically consistent with the measured value. Specifically, the average deviation was -3.40 cm, while the average absolute deviation was 6.90 cm, and the root mean square error was 8.60 cm and the correlation coefficient was 0.79, as well as, the average deviation of soil salt concentration was -0.08 g/L, while the average absolute deviation was 0.20 g/L, and the root mean square error was 0.24 g/L and the correlation coefficient was 0.91. The soil salt of hydraulic fill was slowly decreasing under the natural rainfall and river drainage, where the annual average desalination rate was 0.45 g/L, while, the duration for the soil to reach the desalination standard was about 27 a. In contrast, the comprehensive treatments greatly shortened the desalination of dredger fill, where the average annual desalination rate increased to 0.73-1.80 g/L, while the desalination time reduced to 3-13 a. As such, the comprehensive treatments can be technically feasible to rapidly leach and drain the salt. In theoretical case, the better leaching can be achieved in the deeper buried depth and the smaller distance between underground pipelines, but the investment cost would be relatively high. Therefore, an optimal strategy can be further selected to balance multiple factors, such as the actual needs of project and investment budgets. The proposed model can be expected to serve the preliminary prediction for the land-building projects, land use management, and ecological environment reconstruction.

models; soils; DRAINMOD-S; desalination rate; desalination time; salt control measures

李山，王倩，仵苗，等. 自然和工程措施条件下吹填土壤脱盐过程模拟[J]. 农业工程学报，2021，37(6)：91-98. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.012 http://www.tcsae.org

Li Shan, Wang Qian, Wu Miao, et al. Simulation of desalination process in dredger fill soil under natural and engineering measures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 91-98. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.012 http://www.tcsae.org

2020-11-10

2021-02-26

国家自然科学基金项目（51909209）；西安理工大学博士启动金（104/256081803）；台州东部新区月湖压盐排碱工程吹填区排盐技术研究（104/441219039）

李山，博士，讲师，研究方向为农业水资源管理与环境保护。Email：shanli@xaut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.012

S278

A

1002-6819(2021)-06-0091-08