寧夏銀北試驗區(qū)鹽漬土壤鹽分運移數(shù)值模擬

趙文娟 黃凌

摘要：將寧夏銀北試驗區(qū)夏季的蒸發(fā)、降雨、地下水埋深等數(shù)據(jù)作為求解土壤溶質(zhì)運移方程的定解條件，同時確定試驗區(qū)土壤的水動力學(xué)參數(shù)，結(jié)合有限體積數(shù)值計算方法對試驗區(qū)土壤鹽分含量在不同土層、不同時期的變化進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：通過加密計算網(wǎng)格可有效提高模擬結(jié)果與實測值的吻合度；隨著時間推移，土壤表層鹽分含量逐漸增大、深層鹽分含量則逐漸減小，模擬過程中出現(xiàn)了鹽分含量恒定區(qū)域，該區(qū)域隨時間的遷移逐漸縮小。

關(guān)鍵詞：鹽分運移；數(shù)值模擬；鹽漬土；寧夏銀北

中圖分類號：S152.7 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.033

寧夏銀北地區(qū)處于我國西部內(nèi)陸干旱區(qū)，屬溫帶大陸性氣候區(qū)。蒸發(fā)量年內(nèi)集中分布在5-7月，占全年總蒸發(fā)量的43%左右川。由于該地區(qū)的地勢低洼，地下水位高致使水中的鹽分在強烈的蒸發(fā)作用下堆積于土壤內(nèi)，因此形成了以鈉氯化物、硫酸鹽或硫酸鹽氯化物[2]為主的鹽漬土。銀北地區(qū)鹽漬化土地面積約為17070km2，占全區(qū)鹽漬化土地總面積的81%左右。自然地理條件決定了鹽漬化土壤的形成，人類不合理的生產(chǎn)生活方式會直接導(dǎo)致鹽漬化的加劇。分析區(qū)域土壤鹽漬化時空分布狀況，提出適宜的土壤鹽漬化調(diào)控措施，使當(dāng)?shù)赝恋剡_(dá)到可持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的目的，已成為重點研究課題[3]。20世紀(jì)90年代以來，根據(jù)旱區(qū)鹽漬化土壤的特點，鹽漬土調(diào)控措施從單一型向復(fù)合型逐漸轉(zhuǎn)變[4-6]。筆者將鹽漬化監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)合起來，定量分析該地區(qū)夏季鹽分運移規(guī)律，以期為確定合理的土壤鹽漬化調(diào)控模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣本

試驗區(qū)域位于寧夏銀川市賀蘭縣南梁臺子鐵西村。采用篩分法及使用BT-9300H型激光粒度分布儀對試驗區(qū)0～20cm表層土壤進行粒徑分析（見表1），測定土壤質(zhì)地為沙壤土；測定試驗區(qū)土壤的平均pH值為8.56；電導(dǎo)儀測定0～20cm土壤的全鹽量為1.2g/kg。上述測驗結(jié)果表明，試驗區(qū)土壤樣本屬于寧夏銀北地區(qū)鹽漬化土壤。

1.2 試驗布置與方法

試驗區(qū)為條形，長28.0m，寬16.4m。試驗土壤在深度0～20cm的平均含水率為14.91%，平均土壤干容重為1.538g/cm3，平均飽和含水率為47.826%。試驗區(qū)內(nèi)自西向東布置3行18根TDR探測管，其中2號、5號、8號、11號測管用于模擬值檢驗點，其余測管用于確定土壤水鹽運移方程數(shù)值計算的邊界條件，見圖1。試驗于2012年6-10月進行，利用時間延遲反射儀對上述區(qū)域18個測點的土壤含水率和電阻值進行分時段、分層監(jiān)測。

3.1 土層鹽分含量的模擬計算

利用數(shù)學(xué)模型編譯計算機程序，模擬計算土層鹽分含量的變化過程。分別模擬蒸發(fā)、降雨條件下計算區(qū)域的土壤鹽分運移情況，模擬時間為10h，時間步長50s。模擬曲線顯示了不同土層的土壤含鹽量自西向東保持了一致性，實測值與模擬值吻合較好；深度增加至85cm附近時，土壤含鹽量隨深度的增加而逐漸增大，直至到達(dá)下邊界值。從圖2中可知，2號測點的鹽分模擬曲線在下邊界附近出現(xiàn)了數(shù)值震蕩，且與實測值的吻合度較差。5號測點、8號測點及11號測點的模擬曲線均未發(fā)生這一現(xiàn)象；通過對計算區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理后，在降雨條件下的土壤鹽分含量曲線在這一范圍內(nèi)數(shù)值震蕩減弱，見圖3。

3.2 隨時間遷移的土層鹽分變化數(shù)值模擬

運用土壤溶質(zhì)運移模型分別對7月、8月、9月的土壤鹽分含量進行數(shù)值模擬。圖4為模擬計算的試驗區(qū)在7月22日10時的土壤鹽分運移曲線。增加模型模擬時間，分別得到8月22日10時和9月22日10時的土壤鹽分運移曲線（見圖5、圖6）。在長迭代時間的作用下，解決了西側(cè)邊界的鹽分濃度數(shù)值的局部震蕩現(xiàn)象。如圖5和圖6所示，整個計算斷面的土壤鹽分含量隨時間推移，其運移趨勢保持一致，土層深度增加，土壤鹽分含量相應(yīng)增大。

隨時間的推移，土壤鹽分含量在耕作層出現(xiàn)了較大的變化。7月土壤鹽分模擬最高值為1.00g/kg、8月該值為1.45g/kg、9月為1.48g/kg。計算模擬發(fā)現(xiàn)不同時期土壤鹽分含量斷面最大值取決于該時期的地下水礦化度。同時，受地下水埋深逐月增高的影響，模擬區(qū)域隨時間推移逐漸縮小，由7月的120cm×2800cm縮小到9月的100cm×2800cm，導(dǎo)致計算網(wǎng)格加密，進一步避免了接近西側(cè)邊界的模擬值出現(xiàn)局部震蕩現(xiàn)象。模擬中出現(xiàn)了土層鹽分濃度不受深度影響的恒定區(qū)，7月恒定區(qū)最長，8月逐漸縮小，9月恒定區(qū)最短，故深層土壤的鹽分含量隨時間的推移在模擬過程中是逐漸變小的。

4 結(jié)論

通過建立寧夏銀北試驗區(qū)鹽漬土土壤鹽分運移數(shù)學(xué)模型，利用有限體積法對該模型進行離散，并且應(yīng)用MATLAB軟件分別對不同上邊界條件下的土層鹽分運移進行數(shù)值計算。經(jīng)過加密計算區(qū)域的網(wǎng)格，進一步模擬了夏季土壤鹽分的運移過程，有效避免了計算邊界處出現(xiàn)數(shù)值震蕩的現(xiàn)象。數(shù)值模擬值與實測值吻合較好，表明模型及相關(guān)擬合參數(shù)符合實際，可以采用該方法模擬寧夏銀北地區(qū)鹽漬土在夏季的鹽分運移規(guī)律。

參考文獻：

[1]杜歷，周華.淺層地下水利用與鹽堿地治理[M].銀川：寧夏人民出版社，2003：1-7.

[2]汪林，甘泓，汪珊，等.寧夏引黃灌區(qū)水鹽循環(huán)演化與調(diào)控[M].北京：中國水利水電出版社，2003：12-17.

[3]劉勤，王宏衛(wèi)，丁建麗，等.旱區(qū)區(qū)域土壤鹽漬化監(jiān)測研究進展及其未來熱點[J].新疆大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，31（1）：108-115.

[4]王水獻，董新光，昊彬.干旱鹽漬土區(qū)土壤水鹽運動數(shù)值模擬及調(diào)控模式[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，12（13）：142-148.

[5]呂桂軍，康紹忠，張富倉，等.鹽漬化土壤不同入滲條件下水鹽運動規(guī)律研究[J].人民黃河，2006，28（4）：52-54.

[6]徐東瑞，高廣惠.鹽漬化土壤遙感動態(tài)監(jiān)測及人工調(diào)控模式：以河北省滄州市為例[J].華北農(nóng)學(xué)報，1995增刊1）：175-180.

[7]趙文娟，李春光，梁晨憬.參數(shù)初始值對土壤水分特征曲線擬合模型的影響[J].灌溉排水學(xué)報，2014，33（1）：34-38.

[8]VERSTEEG H K，MALALASEKERA W.An Introduction toComputational Fluid Dynamics：the Finite Volume Method[M].London：Longman Group Ltd，1995：85-99.