基于HYDRUS-2D模拟暗管排水条件下淋洗制度对土壤水盐运移的影响

潘云龙 许伟健 高 琛

（1.江西润泽检测有限公司，江西 南昌 330029；2.昆山市水务局，江苏 昆山 215300；3.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330029）

土壤盐渍化已经成为严重的世界环境问题之一，全世界盐碱地面积约达10 亿hm2，我国盐碱地面积约占世界的1/10。在我国北方沿海地区因其特殊的地理位置与特定的自然环境，土壤母质含盐量高、物理性质差，沿海地区地下水位较浅、矿化度较高，蒸发量大、降雨少且年内分配不均，导致大面积沿海地区形成盐碱地［1］，不仅破坏着当地的生态环境，并且制约着经济发展［2］。

随着对盐碱地水盐运移机理研究的逐渐深入，发现暗管排水技术是治理盐碱地的优良措施［3］。石培君等［4］研究分析了暗管排水条件下膜下滴灌农田的水盐运移规律，证明了距离暗管不同间距处的土壤剖面盐分含量呈波动变化，距离暗管越远，土壤剖面含盐量越大。杨玉辉等［5］通过建立多年膜下滴灌高水位盐渍化棉田暗管改良试验，分析了膜下滴灌-暗管排水模式对新疆南部特质盐渍土的管控和淋洗效果，证明铺设暗管后灌水会具有不同程度的淋洗效果，并且暗管间距对土壤脱盐率的影响比埋深更为显著。张金龙等［6］以滨海盐土为研究对象揭示了暗管排水下漫灌淋洗土壤水盐运移规律，并说明了完全一致的漫灌淋洗会导致暗管附近区域土壤过度淋洗，暗管较远区域淋洗不充分。窦旭等［7］通过田间试验探讨了暗管排水条件下不同春灌定额对盐渍化灌区土壤水盐分布及作物产量的影响，确定了在常规灌水量基础上减少10%并结合暗管排水技术是最适宜当地的灌溉模式。众多学者都对暗管排水条件下土壤水盐运移进行了深入研究，证明了暗管技术在盐碱地治理方面的优越性。但针对暗管排水条件下不同淋洗制度对土壤水盐运移影响的研究还不多见，因此本文利用现场试验结合HYDRUS 模拟软件，探讨不同淋洗制度对土壤水盐运移影响，为暗管排水条件下淋洗制度的确定提供参考。

1 材料与方法

1.1 现场试验

1.1.1 试验区概况

试验区位于滨海重度盐碱地区，试验区土壤为滨海潮滩盐土，土壤质地差且含盐量高，土壤中有较多的贝壳侵入体，土壤质地为粉砂质壤土［8］。

1.1.2 试验简介

试验区总面积为3400cm×5400cm，区域内共设2个小区，每个小区布设5 根排水暗管，暗管埋深120cm，间距600cm，坡降2‰。排水暗管采用外径6cm的带孔PVC波纹管，集水管采用外径20cm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。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10cm，防止淋洗水发生地表径流。试验区平面布置见图1。

图1 试验区平面布置

淋洗水采用当地自来水，水管出水口设置阀门和流量计进行灌水量控制和统计。试验期为2020 年10月12—30 日，小区1 与小区2 的灌水强度分别为3cm/d与2cm/d。

1.1.3 土壤取样与物理参数确定

2020 年10 月12 日进行第一次取样，确定试验初始条件，每个小区内进行3 次随机取样。2020 年10 月30 日进行第二次取样，确定试验结果，取样点见图1。取样利用土钻分层进行，取样深度分别为0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm。

土壤粒径采用激光粒度分析仪测定，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。

表1 试验区初始含水率与含盐量数据表

表2 试验区土壤物理参数

式中：Q为土壤含盐量，g/kg；EC为土壤电导率，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［9-10］：

式中：x为横向坐标；z为垂向坐标，规定z向下为正；θ为土壤含水率，cm3/cm3；φ为基质势，cm；t为入渗时间，d；K（θ）为非饱和导水率，cm/d。

对于式（2）中的θ、φ与K（θ）的求解使用van Genuchten-Mualem方程［9-10］：

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

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［9-10］：

式中：i，j为x，z轴坐标；C为溶液浓度，g/cm3；Dij为水动力弥散系数，cm2/d；qi为水流流速，cm/d。

1.2.3 定解条件

土壤水分运动方程的初始条件：

式中：θ0（x，z）为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：

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

边界条件：水分上边界条件为定通量边界；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150cm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［11-12］。溶质边界条件与水分边界条件相对应，定通量边界、渗出面边界与零通量边界同为第三类溶质边界条件。

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容重和粒径分布来计算。选取小区1 的试验数据用于模型的参数率定，选取小区2 的试验数据用于模型验证，通过计算含水率实测值与模拟值的均方根误差（RMSE）和决定系数（R2）进行模型水分运移精度评价并确定模型最终水分运移参数，通过计算实测值与模拟值的均方根误差（RMSE）、决定系数（R2）和纳什效率系数（NSE）进行模型溶质运移精度评价并确定模型最终溶质运移参数［11］。

2 结果与分析

2.1 模型率定及验证结果

采用二维模拟，模拟时间等于试验时间，利用小区1 试验数据率定后的模型参数（见表3），将率定后的参数用于小区2 进行数值模拟，模型率定及验证精度见图2 与图3。

表3 模型参数

续表

由图2 和图3 可知，土壤含水率R2为0.3785～0.8859，RMSE为0.0031～1.3625cm3/cm3；土壤含盐量R2为0.9825～0.9994，NSE为0.7705～0.9083，RMSE为0.3169～2.3585g/kg。可见，模型精度较高，模拟值与实测值较为吻合，因此运用数值模拟进行暗管布设下水盐运移的模拟是可靠的。

图2 3cm/d灌水强度各剖面土壤含水率/含盐量

图3 2cm/d灌水强度各剖面土壤含水率/含盐量

2.2 模型应用

2.2.1 淋洗制度制定

参考相关文献研究与工程实践经验结合饱和导水率确定了3 种模拟情景，具体模拟情景与淋洗制度对应情况见表4。

表4 模拟情景与淋洗制度情况对照

2.2.2 不同淋洗制度对土壤水盐分布的影响

运用验证后的模型对表4 中的模拟情景进行数值模拟。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淋洗制度下水盐运移的结果，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，见图4。

由图4（a）可知，剖面土壤含水率模拟情景J0≥J1≥J2，J0模拟情景下土壤含水率0～100cm土层为饱和含水率，其原因是J0模拟情景为持续淋洗所致，J1与J2模拟情景下土壤含水率随土层深度的增加逐渐增大，J1与J2模拟情景下土壤含水率分别在80cm与95cm深度达到饱和含水率，剖面含水率平均值模拟情景J1＞J2，其原因是J2模拟情景下灌水淋洗间隔时间较长所致。由图4（b）可知，土壤含盐量由表层到底层逐渐增加，剖面土壤含盐量模拟情景J2＞J1＞J0，表明持续淋洗比间隔淋洗排盐效率更高，并且间隔淋洗的淋洗效率随间隔时间加大而降低。

图4 距离暗管L/2 的剖面土壤水盐分布

2.2.3 不同淋洗制度的水盐变化进程

在距离暗管L/2 的剖面上选择距地表0cm、20cm、40cm、60cm、80cm、100cm深度的点为观测点，输出观测点水盐随时间的变化过程，结果见图5。

图5 不同模拟情景下土壤水盐变化过程

由图5（a）、（b）、（c）可知，土壤层越浅土壤含水率波动范围越大，随着灌水总量的累积，深层土壤含水率先达到饱和，J0模拟情景下土壤含水率持续增加至饱和后不再变化，J1与J2模拟情景下土壤含水率呈现周期性变化，其为间隔灌溉所致，因为单次灌水量较大导致土壤含水率先达到饱和状态，对比J1与J2模拟情景，间隔时间越长含水率周期性变化幅度越大。由图5（d）、（e）、（f）可知，在淋洗作用下表层土壤含盐量先降低，底层土壤含盐量先升高后降低，间隔淋洗时表层土壤含盐量在间隔时间段升高，其为蒸发导致盐分在表层积累所致，各土层土壤含盐量在间隔淋洗的初期下降快于持续淋洗，随着淋洗时间增加持续淋洗含盐量下降程度逐渐超过间隔淋洗，淋洗结束时J0、J1、J2模拟情景下0cm深度土壤含盐量分别为0.44g/kg、1.03g/kg、1.43g/kg；20cm 深度土壤含盐量分别为1.83g/kg、3.47g/kg、4.40g/kg；40cm深度土壤含盐量分别为4.86g/kg、8.16g/kg、9.81g/kg；60cm深度土壤含盐量分别为9.99g/kg、14.71g/kg、16.70g/kg；80cm深度土壤含盐量分别为16.34g/kg、21.00g/kg、22.53g/kg；100cm深度土壤含盐量分别为21.65g/kg、24.46g/kg、25.04g/kg，说明持续淋洗淋盐效率大于间隔淋洗，并且间隔淋洗间隔时间越长淋洗效率越低，淋洗制度对土壤水盐运移的影响随土壤层深度增加而减弱。

3 结语

本文利用现场试验数据验证了HYDRUS-2D模型在模拟暗管布设下土壤水盐运移情况时具有较高精度。表明在暗管排水条件下，随淋洗时间的增长，土壤底层含水率率先达到饱和。持续淋洗表层土壤含盐量呈现逐渐下降趋势，表层以下土壤含盐量呈现先升高后下降的趋势。间隔淋洗在稳定后土壤含水率呈现周期性变化，间隔周期越长含水率变化幅度越大，由表层到底层变化幅度逐渐减小，间隔淋洗表层土壤含盐量在淋洗期间快速下降，在间隔期间反弹升高。相同用水量情况下持续淋洗排盐效率更高，间隔淋洗的间隔时间越长最终淋洗排盐效率越差。研究成果可为暗管排水条件下盐碱地淋洗制度的确定提供参考。

在暗管排水条件下进行盐碱地的盐分淋洗，无植物种植情况下建议采用持续淋洗的方式，相较间隔淋洗淋盐效率更高，但其土壤层含水率始终接近饱和，不利于植物生长。在作物种植情况下建议进行间隔淋洗淋，防止植物涝死。