基于Hydrus- 1D軟件的大洼灌區(qū)灌水方案優(yōu)選研究

肖素欣

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110166)

1 灌區(qū)簡介

大洼灌區(qū)位于遼寧省盤錦市南部，地處大遼河下游的右岸，東臨大遼河，西鄰遼河，南與營口市隔河相望，北與興隆臺區(qū)相接，總面積約1526km2[1]。灌區(qū)地勢低平，海拔高程為2～3.5m之間，總土地面積15.25萬hm2，設(shè)計灌溉面積6.8萬hm2。灌區(qū)屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降水量適中，年平均降水量為646.6mm，平均氣溫8.5℃，無霜期177d。大洼灌區(qū)由于地勢較低，歷史上曾有大面積的鹽堿地分布，由于潛水位高、土壤鹽度高，不利于農(nóng)作物的生長和發(fā)育。在大洼灌區(qū)建成之后，經(jīng)過多年的改良，土壤鹽堿化問題得到明顯改善，但是并沒有徹底解決。

2 土壤水鹽運移數(shù)值模擬模型

2.1 Hydrus- 1D軟件

隨著鹽堿地改良技術(shù)發(fā)展，土壤水溶質(zhì)運移研究也取得諸多研究成果。其中，Hydrus軟件是由美國國家鹽改中心開發(fā)的一款土壤水分、鹽分運移規(guī)律數(shù)值模擬軟件，主要由水流和溶質(zhì)運移等七大基本模塊組成。該軟件憑借其精確的模擬結(jié)果以及強(qiáng)大的功能，在該領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[2]。徐存東等利用該軟件進(jìn)行了漫灌條件下的土壤水鹽運移規(guī)律[3]，余根堅等學(xué)者則利用該軟件對灌區(qū)土壤的水分和鹽分進(jìn)行數(shù)值模擬[4]，均取得了良好的模擬效果。本次研究擬以上述研究成果為參考，利用Hydrus- 1D軟件對遼寧省大洼灌區(qū)的土壤水鹽運移規(guī)律進(jìn)行研究，并以此為基礎(chǔ)提出最佳灌水方案。

2.2 模型的構(gòu)建與參數(shù)率定

2.2.1 土壤水流模塊設(shè)置

在模型構(gòu)建中利用修正的Richarhs方程描述土壤水分運動的基本方程，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[5]：

(1)

式中，θ—土壤的含水率；t—時間，h；z—深度，m；K(θ)—土壤的導(dǎo)水率；S—農(nóng)作物根系吸水項。

采用V-G模型對土壤的水力特征進(jìn)行描述，根據(jù)研究區(qū)的土壤顆粒級配和容重的實測值，利用“Rosetta”模擬獲得土壤水力參數(shù)值，結(jié)果見表1。

表1 土壤水力參數(shù)模擬結(jié)果

模塊的上邊界設(shè)定為大氣邊界，考慮到大洼灌區(qū)地下水位較高，下邊界條件的確定必須要考慮地下水的影響。根據(jù)相關(guān)研究成果，如果將下邊界設(shè)定為變水頭與實際結(jié)果誤差較大，因此將下邊界確定為自由水頭。

2.2.2 溶質(zhì)運移模塊設(shè)置

由于大洼灌區(qū)部分地區(qū)土壤鹽堿化情況仍然比較嚴(yán)重，因此將研究對象選為土壤可溶巖類，以土壤的全鹽量為指標(biāo)，以多孔介質(zhì)運移理論為基礎(chǔ)，建立鹽堿化土壤溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型：

(2)

式中，D—彌散系數(shù)，cm；q—水流通量；c—溶質(zhì)的質(zhì)量濃度。

關(guān)于溶質(zhì)運移模塊的參數(shù)值，研究中結(jié)合李韻珠等人的研究成果[6]，結(jié)合大洼灌區(qū)的實測數(shù)據(jù)適當(dāng)調(diào)整確定。其中，彌散系數(shù)確定為39.5cm，擴(kuò)散系數(shù)確定為1.25cm2/d。該模塊的邊界條件設(shè)置要和土壤水流模塊相對應(yīng)，上邊界設(shè)定為濃度通量，下邊界設(shè)置為零濃度梯度。

2.2.3 作物根系生長和吸水

土壤水分會對農(nóng)作物根系吸水速率產(chǎn)生一定的影響，本次研究中利用Feddes模型對這一影響進(jìn)行計算，其參數(shù)由軟件的自帶系數(shù)確定，結(jié)果見表2。在需要輸入作物根系生長數(shù)據(jù)時，將初始根系深度設(shè)為0cm，最大根系深度設(shè)為60cm。

表2 Feddes模型自帶參數(shù)表

2.3 模型的檢驗

以播種前的土壤實測數(shù)據(jù)對構(gòu)建的模型進(jìn)行率定，以生育期的土壤實測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的合理性驗證。結(jié)果顯示，所選樣本的土壤含水率與全鹽量配對的T檢驗顯著性水平的P值均大于0.05，說明模型的模擬結(jié)果與大洼灌區(qū)的實測結(jié)果比較接近，存在的誤差在可接受的范圍內(nèi)，邊界條件與參數(shù)的確定比較科學(xué)、合理，可以用于下一步的研究。

3 灌區(qū)灌水方案的確定

3.1 灌水方案的確定

本次研究在進(jìn)行多次田間試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合路振廣、劉佳等學(xué)者的研究結(jié)論[7- 8]，擬定灌水方案，見表3。

3.2 不同方案的土壤水鹽運移數(shù)值模擬

利用上節(jié)構(gòu)建的Hydrus-ID數(shù)值模擬模型對14個不同灌水方案下的水分運移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示，不同方案具有大致相同的土壤含水率變化規(guī)律，也就是灌水后土壤含水率迅速增加，而后逐步降低，其中表層土壤含水率的變化最為明顯。不同方案下的玉米生育期土壤平均含水率計算結(jié)果見表4。

表3 灌水方案擬定表

表4 各方案土壤含水率計算結(jié)果

利用模型對不同灌水方案下的鹽分運移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示各方案的土壤含鹽率變化規(guī)律相似，也就是灌水后土壤含鹽率迅速降低，而后逐步增加，其中表層土壤含鹽率的變化最為明顯。不同方案下的玉米生育期土壤平均含鹽率計算結(jié)果見表5。

3.3 灌水方案的優(yōu)選

從土壤在不同灌溉方案下的含水率和全鹽量兩個方面對上節(jié)計算獲取的結(jié)果進(jìn)行對比分析，以獲得最佳灌水方案。

首先，從土壤含水率方面來看，當(dāng)灌水定額相同的情況下，畦灌方式的不同深度土壤含水量均小于噴灌，其差值在0.5%～0.6%。因此，對玉米種植而言，噴灌的方式效果好于畦灌，對農(nóng)作物的生長最為有利，因此應(yīng)結(jié)合農(nóng)田水利建設(shè)進(jìn)行推廣。

表5 各方案土壤含鹽率計算結(jié)果

對噴灌方式而言，隨著每hm2灌水定額的增加，土壤的平均含水率有逐漸增大的趨勢，在10cm土層深度下，各個灌水方案的土壤含水率均在25%以上，適宜農(nóng)作物生長發(fā)育。從變化比率來看，在方案5，也就是780m3/hm2灌水定額條件下，土壤含水率增量最大，而方案1～方案4的土壤含水率均低于25%，不能完全滿足作物生長發(fā)育需求，由此可見，方案5的灌溉用水具有最高的利用效率。

其次，從土壤的全鹽量總體情況來看，在灌水定額相同的條件下，噴灌的全鹽量要低于畦灌方式，主要原因是噴灌方式的下滲作用更強(qiáng)烈，同時還可以限制土壤深層鹽分上泛，可以使全鹽量相對下降較多。因此，從土壤的全鹽量角度來看，噴灌方式同樣要好于漫灌。從不同土層深度的全鹽量來看，所有方案的土壤全鹽量計算結(jié)果均小于0.3%，不會對作物生長造成明顯的不利影響。在方案5，也就是780m3/hm2灌水定額條件下，土壤全鹽量下降最多，因此該方案的灌溉水利用效率最高。

綜上所述，利用構(gòu)建的Hydrus- 1D模型對農(nóng)作物生長發(fā)育期的土壤水鹽運移情況進(jìn)行模擬，通過對模擬結(jié)果的對比分析，認(rèn)為方案5的灌溉用水具有最高的利用效率，經(jīng)濟(jì)適用，可以大面積推廣使用。

4 結(jié)語

大洼灌區(qū)是我國東北地區(qū)的重要糧食產(chǎn)區(qū)，但部分地區(qū)一直受到土壤鹽堿化問題的困擾。近年來，隨著氣候變遷和渾河、大遼河上游來水量的減少，水資源供需矛盾日漸突出。因此，文章通過數(shù)值模擬的方式，針對高含鹽量土壤的灌水定額進(jìn)行研究，并獲得如下結(jié)論：

(1)針對數(shù)值模擬計算的需要，構(gòu)建起基于Hydms- ID軟件的水鹽運移計算模型，實測數(shù)據(jù)檢驗結(jié)果顯示，模型具有較高的擬合度，可以用于相關(guān)研究。

(2)從土壤含水率方面來看，噴灌的方式效果好于畦灌，對農(nóng)作物的生長最為有利，在780m3/hm2灌水定額條件下，灌溉用水具有最高的利用效率。

(3)從土壤的全鹽量總體情況來看，噴灌方式同樣要好于漫灌，在780m3/hm2灌水定額條件下，土壤全鹽量下降最多，灌溉水利用效率最高。

(4)噴灌條件下780m3/hm2灌水定額灌溉用水效率最高，對土壤鹽分的淋洗效果最好，為大洼灌區(qū)的最優(yōu)灌水方案。