漫灌淋洗暗管排水協(xié)同改良濱海鹽土水鹽時(shí)空變化特征

張金龍，劉　明，錢(qián)　紅，張　清，王振宇

（1. 天津市鹽堿地生態(tài)綠化工程中心，天津300457；2. 天津泰達(dá)綠化集團(tuán)有限公司，天津 300457）

0　引　言

灌溉淋洗配套排水措施是鹽堿地改良重要方法，廣泛用于鹽堿地的改良[1-3]。排水措施主要有明溝排水、暗管排水和井排等[4-6]。暗管排水措施具有占用土地資源少、便于機(jī)械化快速作業(yè)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在鹽堿地治理中應(yīng)用越來(lái)越普遍[7-9]。為了合理規(guī)劃設(shè)計(jì)灌排改良方案，提高改良效果，許多學(xué)者對(duì)鹽堿地灌排改良進(jìn)行了研究。Abdel-Dayem 等[10]研究發(fā)現(xiàn)暗管排水系統(tǒng)能明顯提高濱海鹽土淋洗脫鹽效果。戴同霞等[11]研究發(fā)現(xiàn)暗管排水系統(tǒng)能加速粉砂壤質(zhì)濱海鹽土脫鹽和潛水淡化。Chieng[12]比較了不同暗管排水系統(tǒng)對(duì)鹽漬土淋洗改良的影響，發(fā)現(xiàn)暗管間距較窄（＜40 m）的排水系統(tǒng)改良效果較好。

排水條件下灌溉淋洗土壤水鹽運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生空間變化，這可能影響土壤改良效果。Talsma等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)暗管上方土壤脫鹽效果明顯高于兩暗管中間地帶土壤。筆者也曾探討不同暗管排水下土壤淋洗脫鹽空間差異，發(fā)現(xiàn)暗管間距越大，暗管上方土壤與兩暗管中間地帶土壤淋洗脫鹽空間差異也越大[15-16]。這些研究?jī)H揭示了灌排改良下排水控制區(qū)域空間幾個(gè)位置土壤鹽分變化和改良差異。Youngs等[17]把土壤鹽分運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為活塞流，對(duì)暗管排水下土壤淋洗脫鹽空間變化規(guī)律進(jìn)行了理論分析與計(jì)算。Siyal等[18]應(yīng)用HYDRUS-2D模型對(duì)灌排改良土壤鹽分的時(shí)空變化進(jìn)行了模擬研究。這些研究初步揭示了暗管排水下漫灌淋洗水鹽時(shí)空變化規(guī)律，但對(duì)不同暗管間距參數(shù)下土壤水鹽時(shí)空變化特征以及暗管排水控制區(qū)域不同區(qū)段內(nèi)水鹽時(shí)空變化特征研究較少。

本文以濱海鹽土灌排淋洗改良田間試驗(yàn)為例，應(yīng)用Vedernikov入滲方程和Van der Molen淋洗脫鹽方程對(duì)田間試驗(yàn)條件下灌溉改良土壤水鹽時(shí)空變化特征進(jìn)行模擬分析計(jì)算，分析不同暗管間距參數(shù)對(duì)漫灌淋洗水鹽時(shí)空變化的影響，揭示暗管排水控制區(qū)域不同區(qū)段內(nèi)土壤水鹽時(shí)空變化規(guī)律與差異，以期為生產(chǎn)實(shí)踐中合理規(guī)劃設(shè)計(jì)鹽漬土灌排改良方案提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1　灌排改良試驗(yàn)

以暗管排水和漫灌淋洗協(xié)同改良濱海鹽土試驗(yàn)為例（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]和[16]），對(duì)改良過(guò)程中的水鹽時(shí)空變化進(jìn)行模擬分析。試驗(yàn)地位于天津?yàn)I海新區(qū)臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)，共3個(gè)小區(qū)，分別埋設(shè)間距3、6、9 m，埋深1.2 m的暗管排水系統(tǒng)。土壤淋洗改良分為 3個(gè)階段，暗管間距分別為3、6、9 m 的3個(gè)小區(qū)總淋洗時(shí)間分別為27、45、65 d，其中暗管間距9 m的小區(qū)3個(gè)階段的淋洗時(shí)間分別為18、25和22 d。每個(gè)小區(qū)總淋洗水量均為105.5 cm。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地粉壤土，土壤滲透系數(shù)8.98×10-5cm/s，體積質(zhì)量 1.43 g/cm3，0～20、＞20～40、＞40～60、＞60～80、＞80～100 cm 土層土壤含鹽量分別為 13.7、14.0、14.3、13.0、13.8 g/kg。灌溉水為中水，礦化度在1700 mg/L左右。土壤和水理化指標(biāo)都采用常規(guī)分析方法。

2　模擬方程與方法

2.1　水分入滲方程

假定土壤為均勻、各向同性多孔介質(zhì)，土壤含水層厚度較大，漫灌淋洗與暗管排水條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)為二維穩(wěn)定流（圖1），田面距暗管不同水平距離各點(diǎn)的入滲強(qiáng)度可由Vedernikov入滲方程計(jì)算[19-20]。

式中，x為田面入滲點(diǎn)距暗管中心水平距離，m；L為暗管間距，m；D為暗管埋深，m；d為暗管內(nèi)徑，m；ε為田面平均入滲強(qiáng)度，m/d；εx為田面距暗管中心水平距離x處的入滲強(qiáng)度，m/d。

圖1　灌排改良土壤水運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.1　Schematic map of soil water movement in drained field under flooding

根據(jù)二維穩(wěn)定流水量平衡原理[19-20]，ε可表示為

式中，q為單位管長(zhǎng)的排水流量，m2/d；K為壤滲透系數(shù)，m/d；H為有效水頭，m；A為排水修正數(shù)，可由下式計(jì)算。

暗管排水穩(wěn)定流下土壤流場(chǎng)各流線起始端垂直于田面、末端向暗管聚集，田面淋洗水沿著流線向暗管運(yùn)動(dòng)[21-22]（圖1）。漫灌淋洗土壤改良目標(biāo)深度一般遠(yuǎn)小于流場(chǎng)土壤含水層深度，可以近似地將土壤改良目標(biāo)深度范圍內(nèi)的各流線段近似為垂直向下，因此可將該區(qū)域范圍內(nèi)的土壤水鹽二維運(yùn)移近似為一維運(yùn)移。穩(wěn)定流下沿各流線運(yùn)動(dòng)的淋洗水量等于累計(jì)入滲水量，則沿著各流線垂直段運(yùn)動(dòng)的淋洗水量也就是距暗管中心不同距離處土壤剖面的淋洗水量，可以表示為

式中，Qx為距暗管中心水平距離x處土壤淋洗水量，以淋洗水層厚度表示，m；t為淋洗時(shí)間，d。

暗管排水控制區(qū)域土壤平均淋洗水量Q（m）等于累計(jì)平均入滲量，可表示為

2.2　淋洗脫鹽方程

將漫灌淋洗改良目標(biāo)深度范圍內(nèi)的土壤鹽分運(yùn)動(dòng)近似為一維運(yùn)移，距暗管中心不同距離處土壤剖面鹽分變化可以根據(jù)Van der Molen淋洗方程計(jì)算[1,23]。

式中，Cxj為距暗管中心水平距離x處改良土層土壤初始平均鹽分質(zhì)量濃度，mg/L；Cxt為淋洗t時(shí)間后，距暗管中心水平距離 x處改良土層土壤平均鹽分質(zhì)量濃度，mg/L；Ci為淋洗水鹽分質(zhì)量濃度，mg/L；qx為距暗管中心水平距離x處土壤剖面淋洗水流速，m/d，等于入滲強(qiáng)度 εx；w為改良土層飽和水量，以水層厚度表示，m；f為淋洗效率系數(shù)，一般中、細(xì)質(zhì)地土壤為 0.85，砂質(zhì)土壤為 0.95～1.0[1,23]。

3　結(jié)果與分析

3.1　田面入滲強(qiáng)度空間變化

應(yīng)用Vedernikov入滲方程，對(duì)田間試驗(yàn)條件下距排水暗管（間距3、6、9 m）不同水平距離處田面入滲強(qiáng)度進(jìn)行模擬分析計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

圖2　灌排改良田面入滲強(qiáng)度空間變化Fig.2　Spatial change of infiltration intensity in drained field under flooding

暗管排水下漫灌淋洗田面入滲強(qiáng)度空間變化非常明顯（圖 2），距排水暗管越近的區(qū)域田面入滲強(qiáng)度越大，距排水暗管越遠(yuǎn)的區(qū)域田面入滲強(qiáng)度越小。如間距 9 m的排水暗管上方0 cm處田面入滲強(qiáng)度為3.55 cm/d，約是距暗管4.5 m處田面入滲強(qiáng)度的6.11倍；間距6 m的排水暗管上方0 cm處田面入滲強(qiáng)度為3.68 cm/d，約是距暗管3 m處田面入滲強(qiáng)度的3.11倍。排水條件下漫灌淋洗土壤流場(chǎng)水力梯度的變化是造成入滲強(qiáng)度空間變化的原因[24-25]。排水暗管間距參數(shù)對(duì)漫灌淋洗田面入滲強(qiáng)度有明顯影響（圖2）。暗管間距分別為3、6、9 m時(shí)，田面入滲強(qiáng)度空間變化分別在 3.14～4.26、1.19～3.68和0.58～3.55 cm/d之間，平均入滲強(qiáng)度分別為3.65、2.09、1.44 cm/d，排水暗管間距越大的田面平均入滲強(qiáng)度越小、入滲強(qiáng)度空間變化越明顯，但隨暗管間距的逐漸增大田面平均入滲強(qiáng)度之間的差異逐漸減小。

暗管排水下漫灌淋洗田面不同區(qū)段入滲強(qiáng)度空間變化規(guī)律明顯不同。排水暗管間距9 m時(shí)，距暗管0～1.5、＞1.5～3、＞3～4.5 m 的 3個(gè)區(qū)段田面入滲強(qiáng)度分別在1.56～3.55、0.73～1.56 和 0.58～0.73 cm/d 之間，單位距離（每米）變化率分別為1.33、0.55和0.10 cm/d。排水暗管間距6 m時(shí)，距暗管0～1.5、＞1.5～3 m的2個(gè)區(qū)段田面入滲強(qiáng)度分別在1.79～3.68和1.19～1.79 cm/d之間，單位距離（每米）變化率分別為1.26和0.41 cm/d?？拷倒艿膮^(qū)段田面入滲強(qiáng)度空間變化相對(duì)較大，遠(yuǎn)離暗管的區(qū)段田面入滲強(qiáng)度空間變化相對(duì)較小。間距分別為3、6、9 m的排水暗管附近0～1.5 m區(qū)段入滲強(qiáng)度空間變化比較，入滲強(qiáng)度單位距離（每米）變化率分別為 0.75、1.26、1.33 cm/d，這表明排水暗管間距越大，靠近暗管的區(qū)段田面入滲強(qiáng)度空間差異也越大，但差異程度隨著暗管間距的增大而逐漸趨于相同。

3.2　淋洗水分配空間差異

對(duì)田間試驗(yàn)漫灌淋洗結(jié)束后距排水暗管（間距3、6、9 m）不同水平距離處淋洗水分配量進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　灌排改良田面不同位置淋洗水分配量Table 1　Leaching water distribution at different location in drained field under flooding　　　　　　cm

由表1可知，排水暗管間距分別為3、6、9 m時(shí)，距暗管水平距離分別為0～1.5、0～3、0～4.5 m的區(qū)域田面漫灌淋洗水分配量空間變化分別在 84.7～114.9、53.3～165.6、37.8～230.6 cm之間，越靠近排水暗管的地段分配的淋洗水量越多，暗管間距越大的田面淋洗水量空間分配差異越大。暗管排水下田面淋洗水量空間分配出現(xiàn)差異是由于入滲強(qiáng)度的空間變化而造成。不同暗管排水條件下淋洗水量分配比較，間距9 m的排水暗管上方0 cm處淋洗水分配量分別是間距6 m和3 m的排水暗管上方0 cm處淋洗水分配量的1.39倍和2.00倍。這表明相同漫灌淋洗水量下，暗管間距越大，暗管附近區(qū)域分配的淋洗水量越多。

對(duì)田間試驗(yàn)條件下 3個(gè)小區(qū)總淋洗水量進(jìn)行了分析計(jì)算，并與實(shí)際淋洗水量進(jìn)行了比較。排水暗管間距分別為3、6、9 m的3個(gè)小區(qū)模擬計(jì)算的平均總淋洗水量分別為98.7、94.0、93.3 cm，約為實(shí)際淋洗水量的93.51%、89.07%和88.47%。模擬計(jì)算淋洗水量略低于實(shí)際淋洗水量，這可能與田間試驗(yàn)土壤中存在大孔隙，加快了實(shí)際灌溉淋洗水分運(yùn)動(dòng)有關(guān)[26-27]。

3.3　土壤鹽分時(shí)空變化

暗管間距越大，漫灌淋洗水量分配空間差異也越大，將導(dǎo)致改良區(qū)域土壤脫鹽不均一，降低淋洗改良效果。以排水暗管間距為9 m的小區(qū)為例，對(duì)漫灌淋洗下暗管排水控制區(qū)域（0～4.5 m）內(nèi)的土壤鹽分時(shí)空變化進(jìn)行了模擬分析計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同土層土壤鹽分時(shí)空變化Fig.3　Spatial-temporal variation of soil salinity content in different soil layer

漫灌淋洗18 d，暗管排水控制區(qū)域（0～4.5 m）不同位置 0～30、＞30～60 cm 土層土壤含鹽量分別下降到0.90～7.56和4.07～12.81 g/kg之間，與土壤初始含鹽量相比脫鹽率分別在45.2%～93.5%和7.2%～70.5%之間，土壤鹽分空間變化非常明顯，且越靠近暗管的區(qū)域土壤鹽分下降越明顯、淋洗脫鹽效果也越好。淋洗 43 d，暗管排水控制區(qū)域（0～4.5 m）不同位置0～30 cm土層土壤含鹽量在0.64～3.47 g/kg之間，與土壤初始含鹽量相比脫鹽率在 74.8～95.4%之間，土壤鹽分繼續(xù)下降，但空間差異程度減小；＞30～60 cm 土層土壤含鹽量在 0.88～10.02 g/kg之間，與土壤初始含鹽量相比脫鹽率在 27.4%～93.6%之間，土壤鹽分空間差異仍然較明顯。淋洗 65 d，暗管排水控制區(qū)域（0～4.5 m）不同位置0～30 cm土層土壤含鹽量在0.64～1.93 g/kg之間，土壤鹽分空間差異明顯減?。唬?0～60 cm土層土壤含鹽量在0.66～7.59 g/kg之間，空間差異仍然較明顯。以上分析表明，漫灌淋洗下暗管排水控制區(qū)域土壤淋洗脫鹽非常不均勻，為了使土壤淋洗脫鹽趨于均勻，需延長(zhǎng)淋洗時(shí)間。這與Youngs等[17-18]學(xué)者的研究結(jié)論一致。

天津?yàn)I海地區(qū)鹽漬土改良目標(biāo)一般為將土壤鹽分控制在3.00 g/kg以下[28-29]。以該值為土壤淋洗改良脫鹽目標(biāo)，對(duì)持續(xù)漫灌淋洗下暗管排水控制區(qū)域（0～4.5 m）不同地段達(dá)到脫鹽目標(biāo)的土層深度變化進(jìn)行模擬計(jì)算，分析暗管排水控制區(qū)域土層平均含鹽量為3.00 g/kg的等值線移動(dòng)與淋洗時(shí)長(zhǎng)關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，該等值線隨著淋洗時(shí)間的增加而向土層深處移動(dòng)，但等值線上各點(diǎn)向下移動(dòng)速率差異很大。暗管上方0 cm點(diǎn)位向下移動(dòng)平均速率為3.78 cm/d，距暗管1.5 m點(diǎn)位向下移動(dòng)平均速率為1.66 cm/d，距暗管3.0 m點(diǎn)位向下移動(dòng)平均速率為0.78 cm/d，距暗管最遠(yuǎn)（4.5 m）的點(diǎn)位向下移動(dòng)平均速率僅為0.62 cm/d。這表明距暗管越近的區(qū)域土壤達(dá)到淋洗脫鹽目標(biāo)越快，距暗管越遠(yuǎn)的區(qū)域土壤達(dá)到脫鹽目標(biāo)越慢。假定土壤淋洗改良目標(biāo)是0～60 cm土層土壤平均含鹽量下降到3.00 g/kg及以下。淋洗20 d，排水暗管附近0～0.6 m寬區(qū)段土壤達(dá)到改良目標(biāo)，約占暗管排水控制區(qū)（0～4.5 m）面積的13.3%；淋洗40 d，靠近排水暗管0～1.6 m寬區(qū)段土壤達(dá)到改良目標(biāo)，約占暗管排水控制區(qū)（0～4.5 m）面積的35.5%；淋洗60 d，靠近排水暗管0～2.3 m寬區(qū)段土壤達(dá)到改良目標(biāo)，約占暗管排水控制區(qū)（0～4.5 m）面積的51.1%。為了使整個(gè)區(qū)域土壤都達(dá)到改良目標(biāo)，必須漫灌約100 d，這將導(dǎo)致大部分淋洗水從已改良區(qū)域流失，浪費(fèi)大量的水資源。一些學(xué)者針對(duì)暗管排水下土壤淋洗脫鹽不均的問(wèn)題提出了分區(qū)淋洗模式，即將暗管控制區(qū)域劃分為等寬的3或4個(gè)區(qū)段，分區(qū)段逐步漫灌淋洗[30-31]。根據(jù)暗管排水控制區(qū)域水分入滲強(qiáng)度空間變化規(guī)律來(lái)確定分區(qū)淋洗各區(qū)段的寬度可能更有利于土壤淋洗脫鹽，尚需進(jìn)一步研究。

圖4　3.00 g?kg-1鹽分等值線移動(dòng)與漫灌時(shí)長(zhǎng)關(guān)系Fig.4　Relationship between movement of soil salinity3.00 g·kg-1 isoline and flooding duration

淋洗改良18、43、65 d后，對(duì)距排水暗管不同水平距離的4個(gè)土壤剖面0～60 cm土層土壤含鹽量進(jìn)行模擬計(jì)算，并與實(shí)際含鹽量進(jìn)行比較。3個(gè)淋洗時(shí)長(zhǎng)下4個(gè)土壤剖面0～60 cm土層土壤含鹽量計(jì)算值與實(shí)際值差異及變化極為相似，現(xiàn)以淋洗改良65 d為例進(jìn)行說(shuō)明（圖5）。

圖5　0～60 cm土層土壤鹽分實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較（淋洗65 d）Fig.5　Comparison between actual and calculated value of soil salinity content in 0～60 cm soil layer (flooding for 65 d)

由圖5可知，4個(gè)土壤剖面0～60 cm土層土壤含鹽量模擬計(jì)算值與實(shí)際值差異較大，靠近暗管區(qū)域的土壤鹽分模擬計(jì)算值比實(shí)測(cè)值低，而遠(yuǎn)離暗管區(qū)域的土壤鹽分模擬計(jì)算值比實(shí)測(cè)值高，但4個(gè)土壤剖面0～60 cm土層土壤實(shí)際含鹽量平均值與模擬計(jì)算含鹽量平均值非常接近，都約為 2.60 g/kg。土壤鹽分模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果出現(xiàn)較大差異的原因可能是田間試驗(yàn)淋洗初期土壤水分的非飽和、非穩(wěn)定流，以及土壤大孔隙等降低了土壤鹽分淋洗空間差異[26]。

4　結(jié)　論

應(yīng)用Vedernikov入滲方程、Van der Molen淋洗脫鹽方程等對(duì)暗管排水條件下濱海鹽土漫灌淋洗水鹽時(shí)空變化特征進(jìn)行了模擬研究，主要結(jié)論如下：

1）間距分別為3、6、9 m的暗管排水控制區(qū)域田面漫灌穩(wěn)定入滲強(qiáng)度分別在 3.14～4.26、1.19～3.68和0.58～3.55 cm/d之間，平均入滲強(qiáng)度分別為3.65、2.09和1.44 cm/d，排水暗管間距越大的田面平均入滲強(qiáng)度越小、入滲強(qiáng)度空間變化越明顯，但隨暗管間距的逐漸增大田面平均入滲強(qiáng)度之間的差異逐漸減小。

2）暗管排水條件下漫灌淋洗田面不同區(qū)段入滲強(qiáng)度空間變化規(guī)律明顯不同，統(tǒng)一漫灌下靠近排水暗管的區(qū)段田面入滲強(qiáng)度空間變化相對(duì)較大，遠(yuǎn)離暗管的區(qū)段田面入滲強(qiáng)度空間變化相對(duì)較??；相同暗管埋深下隨著排水暗管間距的增大，靠近暗管的區(qū)段入滲強(qiáng)度空間差異也越大，但差異程度隨暗管間距的增大而逐漸趨于相同。

3）相同漫灌淋洗水量下，間距9 m的排水暗管上方0 cm處淋洗水分配量分別是間距6和3 m的排水暗管上方0 cm處淋洗水分配量的1.39倍和2.00倍，暗管間距越大，其附近區(qū)域分配的淋洗水量越多。

4）暗管排水下漫灌淋洗田面不同區(qū)域脫鹽效果差異明顯，漫灌淋洗20 d就能使間距9 m的排水暗管附近0～60 cm寬區(qū)段土層土壤含鹽量下降到3.00 g/kg以下，而需要漫灌淋洗100 d才能使距排水暗管最遠(yuǎn)處（4.5 m）0～60 cm土層土壤含鹽量下降到3.00 g/kg以下。為了使暗管排水控制區(qū)域土壤都達(dá)到脫鹽目標(biāo)，需延長(zhǎng)淋洗時(shí)間，這將導(dǎo)致大部分淋洗水從暗管附近已改良區(qū)域流失，浪費(fèi)大量的水資源。

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