水動(dòng)力學(xué)模擬模型在鹽堿地改良中的應(yīng)用

涂 超，戴 瑋

(1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021；2.中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100044)

鹽堿土是一系列受土體中鹽堿成分影響的各類土壤統(tǒng)稱，包括鹽土、堿土以及其它各種不同程度的鹽化土和堿化土。土地鹽堿化現(xiàn)象常發(fā)生于干旱或半干旱區(qū)域，全球范圍內(nèi)，受鹽堿化影響的土地面積大約為9.5億hm2，分布在各大洲100多個(gè)國家[1]。中國是土壤鹽堿化較為嚴(yán)重的國家之一，鹽堿土主要分布在東北、華北及西北內(nèi)陸地區(qū)，以及一些沿海平原地區(qū)，總面積大約有1億hm2[2]。鹽堿化嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致土地減產(chǎn)和草皮退化等現(xiàn)象。

鹽分運(yùn)移為水流運(yùn)移伴隨過程，即“鹽隨水來，鹽隨水走”的原理，以水利工程為措施，通過在目標(biāo)區(qū)域建立完善的灌溉系統(tǒng)、排水系統(tǒng)及調(diào)度管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)利用水利工程對(duì)地表-地下水聯(lián)合調(diào)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤鹽分含量的控制?？煞譃椋汗嗨贷}、排水脫鹽和蓄水壓鹽等技術(shù)。研究證明，通過水利工程來治理土地鹽堿化的方式是可行的，但由于水利工程措施投入成本較大，如果設(shè)計(jì)結(jié)果不能滿足預(yù)期效用，則會(huì)造成巨大的浪費(fèi)，故在設(shè)計(jì)過程中需要通過模型模擬的手段對(duì)設(shè)計(jì)水利工程設(shè)施地表-地下水聯(lián)合調(diào)度效果進(jìn)行模擬論證，以保證所設(shè)計(jì)水力工程設(shè)施能滿足需求，避免發(fā)生不必要的投資浪費(fèi)。

1 水利工程措施

1.1 灌水洗鹽

灌水洗鹽為通過利用鹽分隨水流運(yùn)移原理，通過灌溉一定水量，將土壤中的鹽分排到淺層地下水中，從而達(dá)到降低土壤鹽分含量的目的。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，在灌溉過程中，要注意合理的灌溉方式，如果采用大水漫灌則很有可能會(huì)造成地下水位上升，將地下水中的鹽分帶入土壤，如果沒有設(shè)置合理的排水設(shè)置，反而存在加重土地鹽堿化的可能。

1.2 排水脫鹽

排水脫鹽分為水平排水和垂直排水兩類，水平排水為通過排水溝或暗管排水，垂直排水為通過豎井排水。排水溝排水是通過在田間布設(shè)具有一定深度的溝渠，借助溝渠排水過程來實(shí)現(xiàn)脫鹽的方式，既可排地表水，也可排地下水，一般布設(shè)明渠排水溝深度為1.5m左右。本方法占用土地空間較大，且易發(fā)生淤堵及塌方的現(xiàn)象，需要定期清理及維護(hù)，工程管理成本較高。暗管排水較為常用，該方法通過將降雨及灌溉水匯入布設(shè)于地下帶空隙的管道直接排走，從而實(shí)現(xiàn)脫鹽的目的。排水暗管一般布設(shè)深度為1.5～2.5m之間，具體數(shù)值需依據(jù)項(xiàng)目區(qū)域地下水位臨界埋深確定。豎井排水為利用豎井匯集雨水、灌溉水及礦化地下水，再利用機(jī)械抽水，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)排水脫鹽的目的。該方法成本低、占地空間小，水量大，便于靈活控制地下水位。

1.3 蓄水壓鹽

蓄水壓鹽為在鹽堿地上攔蓄淡水，通過淋洗壓鹽。通常采用在地表修建蓄水池或水庫的方式，在地表保持一定深度的靜止水體，借助土壤入滲過程將土壤中的鹽分排入地下水，同時(shí)，地表保持一定深度靜止水頭還可以借助水體重力對(duì)土壤鹽分起到壓制作用，改變土壤中垂向鹽分分布。與排水脫鹽相比，該方法可減小工程量，避免了由于排出水體所含鹽分較高，會(huì)加重下游區(qū)域鹽堿化的問題。

2 水動(dòng)力學(xué)模擬模型

模擬模型得到了長足發(fā)展。通過水利工程措施改良土壤鹽堿化時(shí)涉及以下過程，渠系輸配水過程、地面灌溉過程、排水溝/排水井蓄水排水過程、土壤入滲過程和水池/水庫蓄水過程等。采用淡水灌溉時(shí)，分別對(duì)應(yīng)水動(dòng)力學(xué)模擬模型為一維渠系輸配水水動(dòng)力學(xué)模擬模型、二維地表水流運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力學(xué)模擬模型和土壤水鹽運(yùn)移水動(dòng)力學(xué)模擬模型，采用微咸水進(jìn)行灌溉時(shí)，分別對(duì)應(yīng)二維地表水鹽運(yùn)移水動(dòng)力學(xué)模擬模型和土壤水鹽運(yùn)移水動(dòng)力學(xué)模擬模型。

2.1 一維渠系輸配水水動(dòng)力學(xué)模擬模型

常采用Saint-Venant equations來描述一維渠系水流運(yùn)動(dòng)，Saint-Venant equations由連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程組成：

連續(xù)方程

(1)

運(yùn)動(dòng)方程

(2)

式中，t—時(shí)間，s，s—沿水流運(yùn)動(dòng)方向距離，m；h—水深；m，v—斷面平均流速，m/s；A—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q—斷面流量，m3/s，i—水力坡度；g—重力加速度，m/s；Jf—摩擦力作用下的能量損失比降。

2.2 二維地表水流運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力學(xué)模擬模型

采用二維擴(kuò)散波方程模擬二維地表水流運(yùn)動(dòng)：

(3)

式中，H—水流自由表面高程，m；H=h+z0，h—水深，m；z0—地面高程，m；t—時(shí)間，s；x—水流運(yùn)動(dòng)方向距離，m；y—水平面上，垂直于水流運(yùn)動(dòng)方向距離，m；i—源匯項(xiàng)；Dw—水流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

(4)

式中，n—曼寧糙率系數(shù)，s/m-1/3，其余各參數(shù)含義同上。

2.3 二維地表水鹽運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力學(xué)模擬模型

二維擴(kuò)散波方程常用于描述二維水鹽運(yùn)動(dòng)：

(5)

式中，φ—溶質(zhì)量，g/m2；φ=hc；h—水深，m；c—溶質(zhì)濃度，g/m3；D—溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，；ic為源匯項(xiàng)。

(6)

式中，Dl—溶質(zhì)擴(kuò)散度，m；u—x方向水流速度分量，m/s；v—y方向水流速度分量，m/s。

2.4 土壤溶質(zhì)運(yùn)移水動(dòng)力學(xué)模擬模型

將土體試為均值且各項(xiàng)同性，通過一維對(duì)流-彌散方程來描述：

(7)

式中，各參數(shù)意義同上。

不同的水動(dòng)力學(xué)模擬模型對(duì)應(yīng)不同的水流運(yùn)動(dòng)過程，描述上節(jié)所述不同的水利工程措施時(shí)，需要組合不同的水動(dòng)力學(xué)模擬模型。

3 不同水利工程措施水動(dòng)力學(xué)模擬模型

因?yàn)樗鬟\(yùn)動(dòng)過程的復(fù)雜性，在驗(yàn)證不同水利工程措施是否能達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，需要組合不同的水動(dòng)力學(xué)模擬模型，依據(jù)各水力學(xué)過程先后順序，依次求解各模型，將上一模型結(jié)果作為下一模型輸入項(xiàng)，以此來建立不同水利工程措施水動(dòng)力學(xué)模擬模型。

3.1 灌水洗鹽

該方法與傳統(tǒng)的地面灌溉方法相類似，涉及過程為渠系輸配水、地表水流及土壤入滲，對(duì)應(yīng)水動(dòng)力學(xué)模擬模型為一維渠系輸配水模型、二維地表水流水動(dòng)力學(xué)模擬模型和土壤溶質(zhì)運(yùn)移水動(dòng)力學(xué)模擬模型。最主要過程為地表水流運(yùn)動(dòng)模擬及土壤溶質(zhì)運(yùn)移模擬，如圖1所示。

圖1 灌水洗鹽措施模擬過程

在采該水利工程措施時(shí)，需控制灌溉水量，通過水動(dòng)力學(xué)模擬模型提供最合理的灌溉方式，以防止大水滿灌引起的地下水位上升，將淺層地下水中的鹽分帶入土壤，反而加重土地鹽堿化。

3.2 排水脫鹽

與灌水洗鹽想比，排水脫鹽多了通過垂向和水平向排水來排出鹽分的過程，涉及過程為渠系輸配水、地表水流、土壤入滲及排水溝排水，對(duì)應(yīng)水動(dòng)力學(xué)模擬模型為一維渠系輸配水模型、二維地表水流水動(dòng)力學(xué)模擬模型和土壤溶質(zhì)運(yùn)移水動(dòng)力學(xué)模擬模型。最主要過程為土壤溶質(zhì)運(yùn)移模擬及排水溝排水模擬，如圖2所示。

圖2 排水脫鹽措施模擬過程

排水脫鹽關(guān)鍵在與模擬土壤中鹽分隨土壤水運(yùn)動(dòng)匯集到豎井或排水溝中的過程，且為了保證排鹽效果，應(yīng)盡可能防止排水溝淤積，可通過建立水動(dòng)力學(xué)模擬模型來模擬鹽分隨土壤水運(yùn)動(dòng)過程及論證排水溝發(fā)生淤積的可能性，通過模擬來尋找排鹽效果好及排水溝淤積可能性小的調(diào)度運(yùn)行方案，以發(fā)揮水利工程措施最大效果，提高鹽堿地改善效率。

3.3 蓄水壓鹽

蓄水壓鹽類似于水庫蓄水及入滲過程，涉及過程為渠系輸配水、地表水流及土壤入滲等過程，對(duì)應(yīng)水動(dòng)力學(xué)模擬模型為一維渠系輸配水模型、二維地表水流水動(dòng)力學(xué)模擬模型和土壤溶質(zhì)運(yùn)移水動(dòng)力學(xué)模擬模型，如圖3所示。最主要過程為土壤溶質(zhì)運(yùn)移過程。蓄水壓鹽的關(guān)鍵在于地表靜止水體面積及高度。

圖3 蓄水壓鹽措施模擬過程

運(yùn)用建立的水動(dòng)力學(xué)模擬模型可對(duì)所選水利工程運(yùn)行效果進(jìn)行驗(yàn)證，亦可通過水動(dòng)力學(xué)模擬模型來獲取最優(yōu)調(diào)度運(yùn)行方案。

4 結(jié)語

水動(dòng)力學(xué)模擬模型與水利工程措施相結(jié)合，在流域及城市防洪、水庫調(diào)度、灌溉水資源優(yōu)化配置和精細(xì)地面灌溉等方面已有廣泛應(yīng)用，通過模型模擬能更好地發(fā)揮水利工程措施效用。水動(dòng)力學(xué)模型模擬與水利工程措施相結(jié)合，改良土地鹽堿化的方法在實(shí)際應(yīng)用中較少。隨著水動(dòng)力學(xué)模型的不斷發(fā)展以及計(jì)算機(jī)計(jì)算效率的不斷增強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)通過水動(dòng)力學(xué)模擬模型模擬及優(yōu)化水利工程措施運(yùn)行效果，以最大化的發(fā)揮水利工程措施潛力，實(shí)現(xiàn)改良土地鹽堿化目的。

在以后的工作中應(yīng)積極探索水動(dòng)力學(xué)模擬模型在土地鹽堿化改良中的應(yīng)用，通過工程實(shí)力來驗(yàn)證模型模擬效果。促進(jìn)模擬模型的不斷完善，提高模型模擬精度及效率，以確保模擬模型能更好的與工程實(shí)際相結(jié)合。