基于不同灌水模式下HYDRUS模型土壤水鹽運(yùn)移模擬研究

王志坤

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

在我國(guó)東北部地區(qū)以遼寧省遼河流域?yàn)槔?，灌溉?duì)于改善該區(qū)域生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展具有重要作用[1]。但是，灌溉可造成一系列的負(fù)面作用，如土壤出現(xiàn)次生鹽漬化、地下水位顯著升高等危害。遼河流域?yàn)榻鉀Q以上問(wèn)題分別采取了加大灌溉定額、建設(shè)排水系統(tǒng)以及利用秋澆淋洗鹽分等措施并取得了良好的效果[2]。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的急劇增加水資源短缺日益加劇，為此，遼河流域開(kāi)始大規(guī)模地改造和實(shí)施節(jié)水灌溉工程。在干旱半干旱條件下遼河流域原有的地表水、地下水與土壤水之間的變化規(guī)律隨著節(jié)水灌溉的推廣而發(fā)生顯著改變，并使生態(tài)環(huán)境各要素之間發(fā)生連鎖反應(yīng)直至達(dá)到新的平衡，而且新的平衡狀態(tài)下也可能引發(fā)自然生態(tài)一系列問(wèn)題的出現(xiàn)[3]。據(jù)此，研究節(jié)水灌溉可能造成的生態(tài)環(huán)境影響以及節(jié)水灌溉條件下區(qū)域水鹽運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律對(duì)于保障區(qū)域節(jié)水灌溉的持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義，本文利用所構(gòu)建的HYDRUS模型分別對(duì)不同灌水定額下溝灌和畦灌2種模式的土壤水鹽變化規(guī)律進(jìn)行模擬研究[4]。

1 區(qū)域概況及試驗(yàn)方法

1.1 自然概況

選取遼寧省遼河流域某試驗(yàn)站為試驗(yàn)地進(jìn)行研究，試驗(yàn)區(qū)屬于半干旱半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)季候區(qū)，區(qū)域內(nèi)雨熱同季、冬季寒冷干燥、夏季高溫多雨，年際降水量較少而蒸發(fā)量較大，全年無(wú)霜期較短，土壤處于較長(zhǎng)的封凍期屬于典型的季節(jié)性凍土區(qū)。多年平均降水量和蒸發(fā)量分別為350～450mm、700～900mm，其土壤主要以沙土壤和粉黏土為主，其中鹽漬化土和遼河淤灌土為該區(qū)域主要土質(zhì)類型，沙壤土主要位于淺水位以上屬于非飽和帶的土壤質(zhì)地，而粉黏土主要位于不同厚度的夾層中[5]。試驗(yàn)區(qū)不同夾層土壤的主要理化性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)區(qū)布置

試驗(yàn)區(qū)域農(nóng)作物主要以玉米、水稻和葵花為主，傳統(tǒng)的地面灌溉模式是該區(qū)域田間灌水主要方式并以大規(guī)格的畦田灌溉為常用的地面灌溉方式[6]。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)條件和作物種植下溝灌和小畦灌為遼河流域試驗(yàn)區(qū)主要田間節(jié)水灌溉方式。本文選擇畦灌和溝灌2種灌水模式并以玉米作物為例分別采用3種灌水定額進(jìn)行試驗(yàn)研究，其中畦灌和溝灌灌水定額分別為3.6、4.3、5.2m3/hm2和2.4、3.2、3.8m3/hm2，試驗(yàn)編號(hào)及處理結(jié)果見(jiàn)表2。灌水溝長(zhǎng)約35m，玉米株距為20cm，大行和小行的行距分別為60、40cm，玉米作物的行列排序?yàn)榇笮泻托⌒薪徊媾帕校瑢?duì)大行開(kāi)溝而不對(duì)小行開(kāi)溝，兩行玉米同時(shí)由一條溝控制，溝的尺寸如開(kāi)口、深、收底分別50、30、20cm。依據(jù)遼河來(lái)水時(shí)間和實(shí)際狀況對(duì)玉米試驗(yàn)田進(jìn)行灌溉。分別對(duì)灌溉前、后進(jìn)行土樣信息采集，將溝尾30m、溝中15m和溝首5m處3個(gè)斷面作為溝灌的取樣斷面，溝頂和溝底作為土壤取樣具體位置。以40m×1.5m的尺寸設(shè)定畦灌的畦田規(guī)格，畦灌的取樣斷面位置分別與溝灌斷面相對(duì)應(yīng)并以此提高試驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性[7]。為了對(duì)畦灌MB- 2位置的首部、中部和尾部進(jìn)行土壤含水測(cè)定，分別在此3個(gè)部位設(shè)立TDR觀測(cè)管進(jìn)行測(cè)定，其他各取樣點(diǎn)的深度分別與表1中土層深度一一對(duì)應(yīng)，并進(jìn)行土壤鹽分和含水量的測(cè)定。

表1 遼河流域某試驗(yàn)站土壤理化性質(zhì)主要指標(biāo)

表2 玉米試驗(yàn)田灌溉試驗(yàn)處理

1.3 觀測(cè)指標(biāo)

8大離子、土壤pH值、土壤EC值以及土壤含水率等參數(shù)為土壤主要的觀測(cè)指標(biāo)，其中畦灌模式中各條溝的面積為40m×1.5m=60m2。

2 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

土壤水分運(yùn)動(dòng)在采用畦灌模式時(shí)其有水層的水分入滲符合一維垂直運(yùn)動(dòng)；而土壤水分在采用溝灌模式時(shí)沿垂直和水平2個(gè)方向的入滲屬于二維土壤水分運(yùn)動(dòng)[8]。對(duì)溝灌和畦灌的土壤水分運(yùn)動(dòng)模型方程可利用修正的Richards方程進(jìn)行描述，其中畦灌土壤水分運(yùn)動(dòng)模型可采用下式表征：

(1)

可采用下述公式代表溝灌模式下的土壤水分運(yùn)動(dòng)模型：

(2)

式中，θ—土壤體積含水量，%；t—時(shí)間，d；x、z—空間坐標(biāo)，其中z以向下為正，cm；K(θ)—非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/d。

對(duì)模型的初始條件、邊界條件以及土壤水力函數(shù)等基本問(wèn)題可通過(guò)對(duì)上述方程的求解確定。選擇V G-Mualem公式作為土壤水力函數(shù)方程，函數(shù)方程表達(dá)式如下：

(3)

(4)

式中，Ks—土壤飽和導(dǎo)水率，cm/d；θe、θr、θs—土壤相對(duì)飽和度、剩余體積含水率和飽和體積含水率；α、n—經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)，并滿足m=1-1/n，且α值與土壤物理性質(zhì)相關(guān)；l—經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)，一般條件l值為0.5。

本研究選取可隨水流移動(dòng)的土壤可溶鹽為研究對(duì)象，其主要參數(shù)指標(biāo)為土壤水礦化度，然后利用多孔介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移理論分別建立畦灌和溝灌模式下的非飽和-飽和土壤溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，其中畦灌溶質(zhì)模型可采用下式進(jìn)行表征：

(5)

溝灌溶質(zhì)模型的表達(dá)式如下所示：

(6)

式中，Dij—彌散系數(shù)，cm2/d；qi—水流通量，cm/d；c—溶液質(zhì)量濃度，g/cm3；xi—空間坐標(biāo),i=1,2,其中x1=x;x2=z;D11=Dxx,D12=Dxz。

2.2 初始與邊界條件

畦灌模式的土壤水分運(yùn)動(dòng)初始條件可采用θ(z,0)=θ0(z);Z≤z≤0進(jìn)行表征，其上、下邊界條件分別為θ(0,t)=θs;z=0和θ(Z,t)=θ0(t)。

上述初始條件和邊界條件表達(dá)式中，θ0、θs—土壤初始含水率和飽和含水率，%；qs—地表水分通量，cm/d，降水與灌溉入滲值為負(fù)而蒸散發(fā)為正；c0—初始剖面土壤水礦化度，g/cm3；cs、cb—上邊界流量的礦化度和下邊界淺水礦化度，g/cm3。若降水量或土壤水蒸散量作為邊界流量則cs值為0；若灌溉水量作為邊界流量則cs為灌水礦化度，g/cm3。

3 數(shù)值模擬與參數(shù)識(shí)別

3.1 HYDRUS模型簡(jiǎn)介

HYDRUS軟件可對(duì)非飽和多孔隙媒介中水流和溶質(zhì)的運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，它是一種對(duì)非飽和土壤中水、熱及溶質(zhì)的一維或二維運(yùn)動(dòng)利用土壤物理參數(shù)進(jìn)行模擬的有限元計(jì)算機(jī)模型。模型選擇飽和-非飽和達(dá)西水流為其水流狀態(tài)，并且不考慮土壤水流運(yùn)動(dòng)受空氣的作用影響，采用修改后的Richards方程作為水流控制方恒。軟件程序可對(duì)各類水流邊界進(jìn)行靈活處理，主要包括排水溝、自由排水邊界、大氣邊界、變水頭和定水頭邊界等。不規(guī)則的水流邊界可作為水流區(qū)域本身的邊界條件，特殊情況下還可以由非均質(zhì)各向異性的土壤組成其邊界[9]。

3.2 模型模擬

將地下0～100cm范圍的土壤按照一定標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個(gè)層次并利用模型進(jìn)行模擬分析，其模擬時(shí)長(zhǎng)共98h并按照剖分方式劃分變時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)依據(jù)收斂迭代次數(shù)進(jìn)行調(diào)整。設(shè)定的最小、最大步長(zhǎng)以及初始時(shí)間步長(zhǎng)分別為5、0.01和0.1d，其中壓力水頭和土壤含水量容許偏差分別為1cm和0.0005。

采用單孔隙模型中的V G-Mualen模型作為土壤水流模型，利用逆向求解法且不考慮水分滯后效應(yīng)對(duì)水鹽運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行確定。選取開(kāi)發(fā)大氣邊界作為鹽分和水流模擬的熵邊界條件，對(duì)土壤蒸發(fā)、降水、灌溉補(bǔ)給以及HYDRUS水流模擬分別賦值實(shí)測(cè)的蒸發(fā)量、灌溉量和降水量；對(duì)實(shí)測(cè)灌溉水礦化度賦值鹽分模擬參數(shù)。選擇已知變水頭邊界作為水流模擬的下邊界條件，其壓力水頭賦于HYDRUS內(nèi)并依據(jù)實(shí)測(cè)地下水埋深對(duì)其確定；選擇已知濃度邊界作為鹽分模擬的下邊界條件并賦值實(shí)測(cè)潛水礦化度[10]。

3.3 模型參數(shù)

依據(jù)實(shí)測(cè)土壤粒徑構(gòu)成土壤水力參數(shù)，參數(shù)初始值為Rosetta模型的初始值，然后利用2015年生育期試驗(yàn)區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用模型進(jìn)行擬合，對(duì)主要特征參數(shù)數(shù)值進(jìn)行求解和確定，V G-Mualem公式各參數(shù)值經(jīng)調(diào)整后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 土壤水力特征各參數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.4 模型驗(yàn)證與效果評(píng)價(jià)

選取2015年試驗(yàn)區(qū)生育期土壤導(dǎo)電率(EC)和含水率實(shí)測(cè)值對(duì)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，對(duì)所構(gòu)建數(shù)值模型的合理性利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析[11]。為驗(yàn)證模型的精度分別選取實(shí)測(cè)值、電導(dǎo)率模擬值和土壤含水率進(jìn)行兩配對(duì)樣本T檢驗(yàn)見(jiàn)表4，其中畦灌和溝灌模式下參與檢驗(yàn)的樣本數(shù)分別為57和43。研究表明，在置信區(qū)間為0.05時(shí)顯著性水平P值范圍內(nèi)未出現(xiàn)導(dǎo)電率和土壤含水率配對(duì)T檢驗(yàn)結(jié)果，由此表明上述2參數(shù)實(shí)測(cè)值與模擬值無(wú)顯著性差異，模型參數(shù)較為可靠，其模擬精度滿足有關(guān)要求，相關(guān)參數(shù)的設(shè)定可應(yīng)用于實(shí)際模型。

表4 模型模擬效果評(píng)價(jià)

4 模型應(yīng)用與分析

分別對(duì)畦灌和溝灌模式下的3種灌水定額下的土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律利用識(shí)別的田間水鹽運(yùn)移模型進(jìn)行研究分析，對(duì)田間灌溉最佳模式進(jìn)行確定，其中灌水等額分別為3.6、4.3、5.2m3/hm2和2.4、3.2、3.8m3/hm2。

4.1 土壤含水率影響分析

在溝灌和畦灌模式下的土壤含水率變化狀況如圖1所示，由圖可知不同灌溉處理?xiàng)l件下的土壤含水率在玉米的整個(gè)生育期內(nèi)均保持大致相同的變化趨勢(shì)。根據(jù)不同土層深度的含水率變化可知，土壤含水率隨土壤深度的增加而逐漸表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，土壤含水率在0～20cm和60cm以下土層深度時(shí)約為30%和35%，土壤含水量在80～100cm處相對(duì)于0～20cm處有明顯的提高約為30%，在80～100cm深度的土壤含水量相對(duì)于其上層土壤基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，深處土壤含水量受灌溉作用的影響相對(duì)較低。

4.2 土壤鹽分影響分析

不同時(shí)期不同灌溉模式下的各層土壤的鹽分EC值分布狀況如圖2所示，由圖可知土壤平均含鹽量與灌水定額和灌水模式影響顯著，而且土壤鹽分含量降低的趨勢(shì)可隨灌水定額的增大而逐漸增加[12]。在相同灌水定額條件下溝灌模式相對(duì)于畦灌模式土壤平均含鹽有所降低，在玉米作物生育期1m土體內(nèi)的土壤鹽分均值在溝灌模式下低于畦灌模式下，其原因主要為溝灌模式的入滲作用優(yōu)于畦灌模式的入滲作用，特別是表層土壤水分入滲作用的增大可使得土壤鹽分隨水分運(yùn)動(dòng)的效果明顯降低，并且鹽分的減少幅度在0～40cm的表層土壤處更為明顯，由此表明溝灌模式可有效降低土壤鹽分[13]。

5 結(jié)論

(1)對(duì)不同灌水模式下土壤水鹽運(yùn)移時(shí)空變化規(guī)律以及土壤剖面水鹽分布特征利用HYDRUS模型進(jìn)行模擬分析，并將其模擬結(jié)果與田間試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析。研究表明，土壤中水鹽的分布隨時(shí)間的變化規(guī)律可利用模型進(jìn)行很好的模擬分析，所構(gòu)建的模型表現(xiàn)出較好的適用性與可靠性，能較好地反映試驗(yàn)區(qū)水鹽運(yùn)移變化的實(shí)際狀況。

(2)土壤含水率隨土壤深度的增加而逐漸表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，土壤含水率在0～20cm和60cm以下土層深度時(shí)約為30%和35%，土壤含水量在80～100cm處相對(duì)于0～20cm處有明顯的提高約為30%，在80～100cm深度的土壤含水量相對(duì)于其上層土壤基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，深處土壤含水量受灌溉作用的影響相對(duì)較低。

圖1 不同灌溉模式下各層土壤含水量變化

圖2 不同灌溉模式下各層土壤的EC值變化

(3)土壤平均含鹽量與灌水定額和灌水模式影響顯著，而且土壤鹽分含量降低的趨勢(shì)可隨灌水定額的增大而逐漸增加，在相同灌水定額條件下溝灌模式相對(duì)于畦灌模式其土壤平均含鹽有所降低。1m土體內(nèi)畦灌和溝灌模式下的鹽分變化量分別為70.66%、80.27%、58.42%、42.18%、45.45%、62.47%和52.88%、57.16%、47.62%、6.48%、21.65%、38.42%。

(4)對(duì)于表層土壤其水分入滲作用的增大可使得土壤鹽分隨水分運(yùn)動(dòng)的效果明顯降低，并且鹽分的減少幅度在0～40cm的表層土壤處更為明顯，研究表明溝灌模式可有效降低土壤鹽分；土壤鹽分可通過(guò)采取合理的灌水定額以及灌溉模式進(jìn)行控制，依據(jù)節(jié)水控鹽綜合標(biāo)準(zhǔn)可將其對(duì)應(yīng)的灌溉制度和溝灌模式進(jìn)行推廣和應(yīng)用。