暗管间距和埋深对田间水盐运移变化的影响

张丽，焦平金，董勤各,4，陶园

暗管间距和埋深对田间水盐运移变化的影响

张丽1,3，焦平金2，董勤各1,3,4*，陶园2

（1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.中国水利水电科学研究院 水利研究所，北京 100048；3.西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；4.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）

【目的】研究河套灌区漫灌模式下田间尺度不同暗管间距和埋深对土壤水盐运移特征的影响。【方法】基于田间监测数据率定验证HYDRUS-2D模型，并模拟暗管埋深1.5 m下5种间距（5、15、25、50、100 m）与暗管间距25 m下5种埋深（0.6、1.0、1.5、2.0、2.5 m）下的排水排盐量和土壤剖面水盐时空分布特征。【结果】①模型模拟水盐变化的精度较高，土壤剖面水分和盐分模拟结果的决定系数2分别为0.81和0.71，均方根误差分别为0.038和0.026，纳什系数分别为0.93和0.86。②累积排水量和排盐量随暗管间距减小和暗管埋深增加而增加，埋深1.5 m下暗管间距从100 m减至5 m排水总量增长了4.96倍，排盐总量增长了5.06倍；暗管间距25 m下埋深从0.6 m增至2.5 m排水总量增长了64.24倍，排盐总量增长了60.08倍。③土壤剖面含水率在排水期随暗管间距减小和埋深增加而降低，土壤剖面含水率降幅随时间增加而减小；土壤剖面含盐量在非排水期随暗管间距减小和埋深增加而降低，土壤剖面含盐量降幅随时间增加而增大。④水平方向，土壤含盐量在非排水期随水平距离的增加而增大，增幅随暗管间距减小和埋深增大而减小。埋深1.5 m下暗管间距5 m与暗管间距100 m土壤含盐量差异从暗管处的26.67%增加到暗管中间的39.88%，暗管间距25 m下埋深0.6 m与埋深2.5 m土壤含盐量差异从暗管处的30.56%增加到暗管中间的50.39%；垂直方向，土壤含水率随土层深度增加呈先增大后减小的“镰刀”状变化；排水初期土壤含盐量随土层深度的增加而增大，非排水期随土层深度的增加而减小。【结论】减少暗管间距和增加暗管埋深可有效提高暗管排水排盐量并降低排水期的土壤剖面蓄水量和非排水期的土壤剖面积盐量，初步认为暗管间距在15～50 m，暗管埋深在1.0～2.0 m范围内作为河套灌区的暗管排水布设参数较为合适。

暗管排水；水盐运移；暗管间距；暗管埋深；HYDRUS-2D

0 引言

【研究意义】河套灌区是黄河中游的特大型灌区，也是我国重要的产粮基地[1]。由于降雨稀少和蒸发强烈[2]，河套灌区主要通过引黄灌溉来满足农业发展的用水和洗盐需求，但年均47.03亿m3的引水量显著抬高了地下水位并加重了土壤次生盐渍化程度[3]。通过加大春灌或秋浇灌水量淋洗土壤盐分可缓解盐害，却进一步抬升了地下水位，不仅造成水资源浪费，又使土壤返盐严重。随着灌区一系列节水工程的实施，农田地下水位有所下降，然而由于排水效果不佳，根区土壤仍处于积盐状态，发生土壤次生盐渍化的风险仍然很大。因此加强排水、健全排灌配套体系是实现灌区节水控盐及可持续发展的关键环节[4]。

【研究进展】暗管排水是调控土壤水盐、保证灌溉农业可持续发展的重要措施，可排出土壤剖面中过多水分和盐分，维持土壤透气性。暗管间距和埋深是暗管布设的2个重要参数，暗管布设对土壤剖面水盐的运移具有显著影响[5-6]。暗管间距对土壤盐分淋洗的影响随暗管间距减小而增大[7-8]。张洁等[9]研究发现，大棚土壤次生盐渍化土壤中暗管埋深70 cm的土壤改良效果优于埋深40 cm。水盐运移是指土壤中水盐随时空变化的过程，了解水分和盐分在土壤中的分布和变化对灌区水管理和盐渍化治理具有重要作用[10]。王振华等[8]研究表明，暗管中点位置处土壤脱盐率最小。Moreno等[5]研究发现，暗管下方土壤脱盐效果较好。在蒸发作用下土壤含水率整体呈缓慢降低趋势[11]，土壤含盐量整体上呈逐年加重趋势[12]。【切入点】然而，上述研究仅从暗管间距或埋深方面分析暗管排水对土壤盐分淋洗的影响，探讨了土壤含水率和含盐量的空间分布规律，但缺乏对多水平暗管间距和埋深共同作用下土壤水盐时空运移特征的系统研究。【拟解决的关键问题】为此，基于田间试验率定和验证模拟模型，构建了多种暗管间距和埋深模拟情景，分析暗管排水驱动下向日葵田土壤水盐运移特征，并从时间与空间2个角度进一步揭示不同暗管间距和埋深条件下土壤水盐运移机制，以丰富干旱半干旱地区农田节水控盐的技术体系。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县义长试验站（107°37′19″—108°51′04″E，40°45′57″—41°17′58″N），平均海拔为1 092 m。该区属于温带大陆性气候，降水稀少（年均降水量139～222 mm），蒸发强烈（年均蒸发量2 200～2 400 mm），冻融期较长，达180 d，平均冻土深度为1.1 m。年平均风速为2.7 m/s；年平均气温为6.6～7.7 ℃；年平均日照时间为3 200 h，太阳辐射量多达6 200 MJ/m2。试验区的灌溉方式主要为大水漫灌，主要排水方式为明沟排水和暗管排水；主要种植作物有玉米和向日葵，作物生育期内地下水埋深为0.52～2.20 m，地下水矿化度约为0.65 g/L。试验田土壤质地为粉壤土，平均干体积质量为1.50 g/cm3，田间持水率为0.23～0.29 cm3/cm3，土壤表层含盐量高达15 g/kg左右，土壤属于中度盐渍土[10]。

试验区面积为3 000 m2，小区内布设3根平行暗管，暗管间距50 m，暗管长均为20 m，埋深1.6 m，管径75 mm的外包土工布透水管，坡降为0.002。试验进行2 a，2019年试验区内种植玉米，生育期内进行3次灌水，每次的灌水定额为2 000 m3/hm2；2020年试验区内种植向日葵，生育期内不灌水，在播种前进行春灌，春灌定额2 300 m3/hm2，灌溉水电导率范围为550～700 μS/cm。在生育期及各关键节点采集土样，测定土层深度为120 cm，测定土层为0～10、10～30、30～50、50～70、70～100、100～120 cm土样，共6层。土壤含水率采用烘干法测量，先用电导率仪测定土壤标准液电导率再转化为土壤含盐量，计算式为[13]：

1:5×0.003 2， （1）

式中：为全盐量（g/kg）；1:5为土壤电导率（μS/cm）。

图1 试验区降水量与蒸发量

1.2 二维土壤水盐运移模拟模型构建

HYDRUS-2D是一种可用来模拟水流和溶质在非饱和多孔隙介质中运移的数值模型[14]，输入气象、含水率和含盐量等基本数据，可模拟土壤水盐的时空变化特征。土壤水分运移通过Richards方程来描述，土壤水力特性通过van Genuchten公式来描述，土壤盐分运移通过对流-弥散方程来描述。

2019年从第1次灌水前取土时（6月22日）开始模拟，模拟时长为玉米整个生育期共137 d，2020年从春灌前取土时（5月13日）开始模拟，模拟时长为向日葵整个生育期共166 d。模型模拟区域以及边界条件见图2，模拟计算区域为长50 m，宽30 m的矩形，模型实际模拟0～120 cm土层土壤水盐变化特征。暗管位于区域中间，埋深1.6 m处，控制两边各25 m。由于需考虑降水、蒸发等影响土壤水分运动的气象因素，将土壤水分上边界条件设为大气边界或变水头边界。当灌水时，上边界为变水头边界，当灌水完全入渗，地表没有积水后，上边界变为大气边界；暗管处设为渗透面边界；左、右边界设为零通量边界；下边界远低于地下水位，视下边界基本不与地下水发生水分运移和溶质运移，视为具有不透水性，因此将下边界也视为零通量边界。土壤溶质运移边界条件与水分运移边界条件相对应，左、右边界及下边界为零通量边界，上边界和暗管处为第三类边界条件。

图2 试验区模型边界条件

表1 土壤类型及水力特性参数

注r为残余土壤含水率（cm3/cm3）；s为饱和土壤含水率（cm3/cm3）；为土壤水分特征曲线拟合参数；s为饱和导水率（cm/d）；为孔隙连通性参数。

1.3 模型率定与验证

采用决定系数（2）、均方根误差（）和纳什系数（）3个指标来评价模型的模拟结果。2和越接近于1，越接近于0，模拟精度越高，一般认为2在0.5以上达到率定要求[15]。

本研究利用2019年玉米整个生育期土壤水盐数据进行模型的率定，将模拟值与实测值进行拟合，调整参数，土壤物理参数见表1，土壤溶质运移参数参考文献[16]确定，纵向弥散度（L）为79 cm，横向弥散度（T）为2 cm，并用2020年的数据进行验证。2019年生育期土壤水分和盐分的模拟值与实测值的2分别为0.78、0.70，分别为0.03、0.03，分别为0.93、0.85；2020年生育期土壤水分和盐分模拟值与实测值的2分别为0.81、0.71，分别为0.04、0.03，分别为0.93、0.86。2019年和2020年土壤水盐模拟值与实测值的2和均较大（接近1）均较小（接近0）。表明二者之间一致性较好，模型可靠，满足模拟精度要求。上述结果表明，HYDRUS-2D模型可以较好地模拟土壤水分和盐分运动，反映田间土壤水盐运移规律。

1.4 模拟方案

为探索不同暗管间距和埋深下土壤水盐的动态变化规律，本研究设置了暗管埋深1.5 m下5种暗管间距（5、15、25、50、100 m），以及暗管间距25 m下5种暗管埋深（0.6、1.0、1.5、2.0、2.5 m）。采用2020年数据来进行情景模拟。模型输入参数与率定的水分和盐分参数相同，初始含水率采用原先各土层土壤含水率平均值，初始含盐量采用原先各土层土壤含盐量平均值，边界条件不变。种植作物、灌溉制度和气象参数等均与2020年保持一致。

2 结果与分析

2.1 暗管间距对排水排盐的影响

暗管埋深1.5 m下不同暗管间距对土壤累积排水量、累积排盐量和累积灌水量的影响如图3所示。由图3可见，累积排水量和累积排盐量均随暗管间距的增大而减小。间距5 m暗管单位面积累积排水量最大为60.80 mm，分别是间距15、25、50、100 m暗管累积排水量的1.42、1.87、3.18、5.96倍；间距5 m暗管单位面积累积排盐量最大为273.7g/m2，分别是间距15、25、50、100 m暗管的1.43、1.88、3.22、6.06倍。不同暗管间距处理均从第3天（灌水当天）开始排水排盐，初始排水阶段排水量和排盐量均呈爆发式增长，尤其暗管间距5、15 m更为明显。经历一段时间后，排水速率、排盐速率逐渐减小，最终达稳定状态时停止排水和排盐。暗管间距5、15、25、50、100 m处理灌后农田爆发式排水排盐持续时间分别为11、15、18、20、22 d。

图3 模型率定与验证结果

2.2 暗管埋深对排水排盐的影响

暗管间距25 m下不同暗管埋深对土壤累积排水量、累积排盐量和累积灌水量的影响如图4所示。由图4可知，累积排水量和累积排盐量随暗管埋深的增大而增加。埋深2.5 m暗管累积排水量最大为163.10 mm，分别是埋深0.6、1.0、1.5、2.0 m暗管的65.24、16.47、5.00、1.96倍；埋深2.5 m暗管单位面积累积排盐量最大为710.72 g/m2，分别是埋深0.6、1.0、1.5、2.0 m暗管单位面积累积排盐量的61.80、15.62、4.89、1.94倍。不同暗管埋深处理开始排水时间不同，埋深2.0 m以下暗管从第3天（灌水当天）开始排水排盐，排水历时均在25 d以内，而埋深2.0、2.5 m暗管从第1天就开始排水排盐，排水历时高达43、79 d。可见，与暗管间距相比，排水时间受暗管埋深和地下水位影响更大。因此以暗管埋深为1.5 m时各暗管间距处理下最长排水时间为临界时间，灌水后开始排水至排水结束期间（第3～第25天）称为排水期，排水结束后至生育期结束期间（第25～第166天）称为非排水期。

图4 不同暗管间距对累积排水量、累积排盐量、累积灌水量的影响

图5 不同暗管埋深对累积排水量、累积排盐量、累积灌水量的影响

2.3 暗管间距对土壤剖面水盐时空分布的影响

2.3.1 土壤剖面含水率

暗管埋深1.5 m时，不同时期不同暗管间距下0～120 cm土层土壤含水率变化如图6和图7所示。从时间上看，整个生育期内，不同处理的土壤剖面含水率整体均呈下降趋势，土壤整个剖面含水率在不同暗管间距下的差异也随时间推进逐渐缩小，暗管间距5 m与暗管间距100 m之间的土壤整个剖面含水率，差异在生育期开始时为9.16%，生育期结束时为0。

从空间上看，不同暗管间距下排水期（第3～第25天）土壤剖面含水率空间分布差异明显，土壤剖面含水率与暗管间距正相关。水平方向，排水初期（第5天），虽然不同暗管间距下土壤剖面含水率上层差异较大，但其差异基本上不随距暗管距离变化而变化（除暗管处），与暗管间距5 m相比，暗管间距100 m表层土壤含水率增加9.16%。排水末期（第25天），不同暗管间距间下层土壤含水率差异较大，与暗管间距5 m相比，暗管间距100 m下层土壤含水率增加4.57%。非排水期（第25～第127天），不同暗管间距下土壤含水率无显著差异，其根区平均土壤含水率约为0.23cm3/cm3。垂直方向，随着土层深度的增加，土壤剖面含水率均呈先增大后减小的变化趋势，排水初期土壤含水率在50 cm土层深度处最大，为0.45 cm3/cm3，之后土壤含水率在70 cm土层深度最大，为0.39 cm3/cm3。

图6 不同暗管间距各土层土壤含水率随时间变化

图7 第5天不同暗管间距下土壤含水率随距暗管水平距离变化（L指2根暗管之间的距离）

2.3.2 土壤剖面含盐量

暗管埋深1.5 m时，不同时期不同暗管间距下0～120 cm土层土壤含盐量变化如图8和图9所示。从时间上看，整个生育期内，不同处理下的土壤剖面含盐量整体呈上升趋势，土壤整个剖面含盐量在不同暗管间距处理间的差异也随时间推进逐渐增大；随生育进程推进，暗管间距5 m与暗管间距100 m处理之间的土壤剖面含盐量差异最大达到55.16%。各暗管间距下土壤含盐量差异先在土壤表层显现，而后逐渐转移至下层。

从空间上看，不同暗管间距下土壤含盐量空间分布在非排水期差异明显，土壤剖面含盐量与暗管间距正相关。第127天成熟时，与暗管间距5 m相比，暗管间距100 m土壤整个剖面平均含盐量增加39.88%。水平方向上，随着距暗管水平距离的增加不同暗管间距间土壤含盐量差异增大，土壤剖面含盐量也增大，暗管间距5 m与暗管间距100 m土壤含盐量差异从暗管处的26.67%增加到距暗管/2处的39.88%。垂直方向，随着土层深度增加，土壤剖面含盐量在非排水期均呈逐渐降低的趋势，且土壤含盐量在不同暗管间距间的差异也随土层深度的增加逐渐减小，0～10 cm土层土壤含盐量差异最大，100～120 cm差异最小。

图8 不同暗管间距各土层土壤含盐量随时间变化

2.4 暗管埋深对土壤剖面水盐时空分布的影响

2.4.1 土壤剖面含水率

暗管间距25 m时，不同时期不同暗管埋深下0～120 cm土层土壤含水率变化如图10和图11所示。从时间上看，整个生育期内，不同处理的土壤剖面含水率整体呈下降趋势，整个土壤剖面含水率在不同暗管埋深处理间的差异也随时间推进逐渐减小，暗管埋深0.6 m处理与暗管埋深2.5 m处理的土壤剖面含水率差异在生育期开始时为7.69%，生育期结束时为0.12%。排水初期上层差异较大，与暗管埋深0.6 m处理相比，暗管埋深2.5 m处理表层含水率降低7.69%。排水第25～第127天，不同暗管埋深处理间土壤剖面含水率差异主要在70～120 cm处显现，与暗管埋深0.6 m处理相比，暗管埋深2.5 m处理的下层土壤平均含水率降低4.35%。

从空间上看，不同暗管埋深下土壤含水率空间分布差异明显，土壤剖面含水率与暗管埋深负相关。第5天，与暗管埋深0.6 m处理相比，暗管埋深2.5 m处理土壤剖面平均含水率降低4.55%。在水平方向，排水初期随距暗管水平距离的增加不同暗管埋深处理间土壤含水率差异逐渐减小，暗管埋深0.6 m处理与埋深2.5 m处理土壤剖面平均含水率差异从暗管处的7.69%减小到距暗管/2处的4.95%。垂直方向，随着土层深度的增加，土壤剖面含水率均呈先增大后减小的规律，排水初期50 cm土层土壤含水率最大，达到0.45 cm3/cm3，之后土壤含水率在70 cm土层最大，达到0.39 cm3/cm3。

图11 第5天不同暗管埋深下土壤含水率随距暗管水平距离变化

2.4.2 土壤剖面含盐量

暗管间距25 m时，不同时期不同暗管埋深下0～120 cm土层土壤含盐量变化如图12和图13所示。从时间上看，整个生育期内，不同暗管埋深处理土壤剖面含盐量整体呈上升趋势，不同土层土壤含盐量在不同暗管埋深间的差异也随时间推进逐渐增加；随着作物生育进程推进，暗管埋深0.6 m处理与暗管埋深2.5 m处理土壤剖面平均含盐量差异最大达到50.39%，且各暗管埋深处理间土壤含盐量差异均呈上层大于下层的规律。第127天成熟时，距暗管/2处埋深2.5、0.6 m处理暗管的上层土壤含盐量差异比下层大33.92%。

从空间上看，不同暗管埋深下土壤含盐量空间分布在非排水期差异明显。土壤剖面含盐量与暗管埋深负相关，第127天，与暗管埋深0.6 m处理相比，暗管埋深2.5 m处理土壤剖面平均含盐量降低23.53%。非排水期，水平方向上，随着距暗管水平距离的增加土壤剖面含盐量均值增加，不同暗管埋深处理间土壤剖面含盐量差异越大。第127天，暗管埋深0.6 m处理与暗管埋深2.5 m处理土壤剖面平均含盐量差异从暗管处的30.56%增加到距暗管/2处的50.39%。垂直方向上，土壤剖面含盐量随土层深度的增加而减小，且不同暗管埋深下土壤上层（0～50 cm）含盐量之间的差异大于土壤下层（50～120 cm）。

图12 不同暗管埋深下各土层土壤含盐量随时间变化

图13 第127天不同暗管埋深下土壤含盐量随距暗管水平距离变化

3 讨论

3.1 暗管间距和暗管埋深对排水排盐的影响

暗管排水可以排出农田多余的水分，抑制地下水位的抬升[17]，也可以排出土壤中过高的盐分，改良盐渍化土壤[18]。暗管间距和暗管埋深作为暗管排水2个重要的布设参数，对农田排水和排盐具有显著影响[6]。本研究发现，农田排水量和排盐量与暗管间距成反比，暗管埋深1.5 m下暗管间距从100 m减至5 m但排水总量增长了4.96倍，排盐总量增长了5.06倍；农田排水量和排盐量与暗管埋深成正比，暗管间距25 m下埋深从0.6 m增至2.5 m排水总量增长了64.24倍，排盐总量增长了60.08倍。这与张金龙等[19]的研究结论相一致。暗管间距较小时，灌溉水入渗强度较大，排水排盐效率也较高；另一方面暗管间距较小时土壤水盐的运移距离缩短，更易随暗管排出[7]，所以暗管间距越小，排水量和排盐量越大。暗管埋深较大时，水分在土壤中运移时间较长，经暗管排出时带出较多的盐分，所以排水排盐量大。王振华等[8]通过滴灌淋洗试验发现，排水时间与暗管间距成正比，土壤脱盐淋洗效率与暗管间距成反比，暗管间距15、20、25 m小区分别持续排水76、78、84 h。与王振华等[8]研究相比，本试验排水历时较长，一方面可能是因为本文的土壤质地和灌溉方式与其不同，且本文灌溉量较大；另一方面在相同暗管间距下，本研究暗管埋深较深，排水排盐量较多，所以排水持续时间较长。因此，进行农田暗管排水试验时应采用较小的暗管间距和较大的暗管布设深度。

3.2 暗管间距和暗管埋深对土壤水盐空间变化的影响

在空间上不同暗管间距和暗管埋深下土壤剖面含水率和含盐量均有明显差异。在水平方向上，排水初期（第5天）暗管处土壤剖面含水率较小，在0.38～0.44 cm3/cm3之间。这可能是因为暗管处水动力较强，水分向暗管处运移速度较快，造成了土壤剖面含水率较小[20]。非排水期土壤剖面含盐量与暗管水平距离成正比，且随着水平距离的增加，不同暗管间距和暗管埋深处理间土壤剖面含盐量差异也越大，土壤剖面含盐量差异随暗管间距减小和暗管埋深增大而减小。距暗管水平距离越远，暗管控制效果越差，土壤水分入渗速度慢，盐分淋洗效果差，盐分向暗管处运移的时间也较长[21]。

从垂直方向上看，土壤含水率随土层深度增加呈先增大后减小的“镰刀”状变化。排水初期土壤含水率在50 cm土层深度处最大，排水末期及之后最大值下移至70 cm土层深度处。与本研究结果不同，石培君等[22]通过滴灌试验发现，不同暗管间距下的土壤含水率均随土层深度增加而增大，在80 cm土层内土壤含水率几乎接近饱和状态。造成这种差异的原因可能是漫灌与滴灌模式下湿润锋的运移不同，漫灌易产生某土层含水率较高的湿润峰。灌水后上层水分向下层土壤运移，而下层水分又向暗管处运移导致土层50～70 cm处土壤含水率较大。排水初期土壤含盐量随土层深度的增加而增大且不受暗管间距和暗管埋深的变化影响，非排水期土壤含盐量随土层深度的增加而减小，土壤含盐量降幅随暗管间距减小和暗管埋深增加而减小。排水初期由于刚灌溉完土壤剖面盐分得到了充分淋洗导致土壤含盐量较小，在0.6～1.2 g/kg之间；而非排水期间灌溉水分入渗完毕后，在蒸发的作用下土壤剖面盐分逐渐向表层聚集出现返盐现象[23]，导致土壤含盐量较大，土壤表层含盐量高达4.0 g/kg。

3.3 暗管间距和暗管埋深对土壤水盐时间变化的影响

众多学者研究反映了不同暗管间距和暗管埋深对土壤水盐空间分布的影响[20-23]，但土壤水盐在不同暗管间距和暗管埋深下时间上的差异研究鲜有涉及。而本研究发现，不同暗管间距和暗管埋深下土壤剖面水盐分布随时间变化差异显著。不同暗管间距和暗管埋深下的土壤含水率差异在排水期随暗管间距减小和暗管埋深增大而减小，土壤含水率降幅随时间推进而减小，排水初期上层土壤含水率降幅较大，排水末期下层土壤含水率降幅较大，非排水期间无明显差异。排水初期土壤剖面含水率迅速增大，不同暗管间距和暗管埋深下土壤水动力强度不同造成了上层土壤含水率差异大[20]，排水末期水分已完全入渗，此时水分均向暗管处运移造成了下层的土壤含水率差异较大[24]，随时间推进蒸发蒸腾作用效果增强，土壤剖面含水率逐渐下降，不同暗管间距和暗管埋深处理间的含水率差异也逐渐减小。与土壤剖面含水率的时间变化相反，土壤剖面含盐量在整个生育期内随时间的增加而增大，不同暗管间距和暗管埋深下的土壤含盐量差异在非排水期随暗管间距减小和暗管埋深增大而减小，土壤含盐量降幅随时间增加而增大，且上层降幅大于下层，排水期间差异不明显。这是由于本试验采用大水漫灌灌水量较大，灌溉后土壤盐分得到了充分淋洗导致排水期间不同暗管间距和暗管埋深处理间的土壤含盐量之间无明显差异且数值较小，而随着时间推进蒸发强度也增大，土壤下层盐分在毛管力的作用下向上迁移导致土壤含盐量逐渐增大且上层含盐量之间的差异也逐渐增大[25]。

综上可知，不同暗管间距和暗管埋深处理间的土壤含水率和含盐量差异变幅均随暗管间距增大和暗管埋深减小而增大，暗管间距越大，排水排盐效果相对较差，暗管排出的水盐较少，更多的水分保留在田间，所以导致暗管间距越大土壤剖面含水率和含盐量越大[20]，土壤含水率和含盐量的变幅也与暗管间距成正比。因此，减小暗管间距可以提高淋洗效果，降低土壤剖面含盐量。暗管埋深较大时，水分在土壤剖面滞留的时间较长，土壤盐分得到了充分淋洗；土壤排水量较大，导致暗管埋深大时土壤剖面含水率和含盐量较小。另一方面是因为暗管埋深大时，地下水位较高，导致蒸发作用减弱，土壤剖面含盐量减小[26]，所以不同暗管埋深处理间的土壤含水率和含盐量变幅随暗管埋深增大而减小[27]。本文通过情景模拟还发现，暗管间距50 m处理与暗管间距100 m处理之间的土壤含水率差异变幅较小，仅为0.23%，说明暗管间距超过一定阈值时，对土壤含水率的影响并不明显。暗管埋深0.6 m处理与暗管埋深1.0 m处理之间土壤含水率差异变幅较小，仅为0.29%，说明暗管埋深小于一定深度时，对土壤含水率影响也不显著。因此，综合考虑不同暗管间距和暗管埋深对土壤剖面水盐分布情况及排水排盐情况的影响，结合田间实际施工成本，初步认为暗管间距在15～50 m，埋深在1.0～2.0 m范围内作为河套灌区的暗管排水布设参数较为合适。

4 结论

1）累积排水量、累积排盐量与暗管间距成反比，与暗管埋深成正比。各暗管间距和暗管埋深下的累积排水排盐量在排水初期均呈爆发式增长，随后达稳定状态直至排水停止。

2）土壤剖面含水率在排水期随暗管间距减小和暗管埋深增大而减小，土壤剖面含水率降幅随时间增加而减小。排水初期上层土壤含水率降幅大，排水末期下层土壤含水率降幅大。土壤含盐量在非排水期随暗管间距减小和暗管埋深增大而减小，土壤含盐量降幅随时间增加而增大，上层土壤含盐量降幅大于下层。

3）水平方向土壤含水率差异不明显，土壤含盐量在非排水期随距暗管水平距离的增加而增大。垂直方向，排水初期土壤含水率随土层深度增加呈先增大后减小的趋势，土壤含水率变幅随暗管间距减小和暗管埋深增大而减小，排水末期及之后土壤含水率最大值下移且变幅减小；排水初期土壤含盐量随土层深度的增加而增大且不受暗管间距和暗管埋深影响，非排水期随土层深度的增加而减小，土壤含盐量变幅随暗管间距减小和暗管埋深增大而减小。

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）

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Effects of Spacing and Depth of Subsurface Drain on Water and Salt Transport in the Field

ZHANG Li1,3, JIAO Pingjin2, DONG Qin’ge1,3,4*, TAO Yuan2

(1. College of Water Resource and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2. Institute of Water Conservancy, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 3. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid Areas, Ministry of Education, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 4. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

【Objective】Subsurface drains are commonly used in drainage system. This paper investigates the effect of their spacing and depth on water movement and salt transport in field soil under flood irrigation in Hetao Irrigation District.【Method】The study was based on data measured from a field, which were used to calibrate the HYDRAS-2D model. The validated model was then used to predict spatiotemporal changes in water flow and salt transport when the drain depth was 1.5m by varying the drain spacing from 5 to 100 m, and when the drain spacing was 25 m by varying the drain depth from 0.6 to 2.5 m.【Result】①The model is accurate for simulating both water flow and salt transport, with the coefficient of determination2for soil profile moisture and salinity being 0.81 and 0.71, theerror being 0.038 and 0.026, and the Nash coefficientbeing 0.93 and 0.86, respectively. ②The cumulative displacement and salt discharge increased with the decrease in drain spacing and the increase in drain depth. When the drain depth was 1.5 m, decreasing drain spacing from 100m to 5m increased total drainage by 4.96 times and increased the salt discharge by 5.06 times. When drain spacing was 25 m, increasing drain depth from 0.6 m to 2.5 m increased the total drainage by 64.24 times, and the total salt discharge by 60.08 times. ③The water content in the soil profile decreased with the decrease in drain spacing and drain depth during the drainage period, and the decrease decreased as time elapsed. The salt content in the soil profile decreased with the decrease in drain spacing and depth in non-drainage period, and the decrease increased as time elapsed. ④Horizontally, salt content in the soil increased with the increase in the distance from the drain in non-drainage period, and the increase decreased with an decrease in drain spacing and an increase in drain depth. When drain depth was 1.5 m, the difference in soil salinity between the drain spacing 5 m and 100 m increased from 26.67% in the region proximal to the drains to 39.88% in the middle of the drains. When the drain spacing was 25 m, the difference in soil salinity between the drain depth 0.6 m and 2.5 m increased from 30.56% in the region adjacent to the drain to 50.39% in the middle of the drains. Vertically, soil water content varied in a “sickle” shape with the increase in soil depth. The initial drainage of salt increased with the increase in drain depth, while in non-drainage period it decreased with the increase in drain depth.【Conclusion】Reducing drain spacing or increasing drain depth can improve the drainage and salt discharge, thereby reducing water storage in soil profile during drainage period and soil salt content during non-drainage period. Our results suggested that the optimal drain spacing was 15～50 m and the drain depth was 1.0～2.0 m for Hetao irrigation district.

subsurface pipe drainage; water and salt transport; subsurface pipe spacing; subsurface pipe buried deep; HYDRUS-2D

1672 - 3317（2023）09 - 0092 - 10

S276

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022681

张丽, 焦平金, 董勤各, 等. 暗管间距和埋深对田间水盐运移变化的影响[J]. 灌溉排水学报, 2023, 42(9): 92-101.

ZHANG Li, JIAO Pingjin, DONG Qin’ge, et al.Effects of Spacing and Depth of Subsurface Drain on Water and Salt Transport in the Field[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(9): 92-101.

2022-12-08

2023-05-09

2023-09-15

国家自然科学基金项目（52179054）

张丽（1997-），女。硕士研究生，主要从事农田排水与盐碱地治理研究。E-mail: 1430519575@qq.com

董勤各（1982-），男。副研究员，主要从事节水灌溉方法与技术、土壤水盐运移调控与模拟研究。E-mail:qgdong2011@163.com

@《灌溉排水学报》编辑部，开放获取CC BY-NC-ND协议

责任编辑：白芳芳