基于HYDRUS-2D模擬排水暗管布設(shè)參數(shù)對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響

劉璐瑤，張金龍，張 凱，賈 林，張 迪，聶阿秀

(1.天津泰達(dá)鹽堿地綠化研究中心有限公司，天津 300450；2.天津泰達(dá)綠化集團(tuán)有限公司，天津 300450)

土壤鹽漬化已經(jīng)成為嚴(yán)重的全球性環(huán)境問(wèn)題[1-2]，尤其在中國(guó)北方沿海地區(qū)，受土壤質(zhì)地與區(qū)域環(huán)境的雙重影響，土壤母質(zhì)含鹽量高、物理性質(zhì)差，加之沿海地區(qū)地下水埋深淺、礦化度高，低降雨高蒸發(fā)，土壤鹽堿化問(wèn)題十分嚴(yán)重[3-5]。近年來(lái)，排水暗管技術(shù)在鹽堿地的治理方面得到了廣泛應(yīng)用[6-7]。鹽堿地的改良效果取決于暗管的布設(shè)參數(shù)，因此確定合理的暗管布設(shè)參數(shù)對(duì)鹽堿地的改良效果、水資源的利用以及對(duì)工程成本控制至關(guān)重要[8-10]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)鹽堿地實(shí)驗(yàn)室(U.S.Salinity Laboratory)研發(fā)了CHAIN 2D、STANMOD、SWMS-3D、HYDRUS等一系列模型用以模擬飽和-非飽和多孔介質(zhì)中水分、溶質(zhì)及能量運(yùn)移[11-13]。其中HYDRUS模型以模擬范圍廣、精度高被廣泛應(yīng)用于水鹽運(yùn)移的模擬研究[14]。李亮等[15]利用野外實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證了HYDRUS模型在模擬土壤水分與鹽分空間運(yùn)移時(shí)具有較高的精度，并確定了鹽分積累和土壤水分運(yùn)移規(guī)律。Shaygan等[16]利用有機(jī)和無(wú)機(jī)改良劑改良了河套灌區(qū)鹽堿地，并驗(yàn)證了HYDRUS可以準(zhǔn)確模擬添加改良劑后土體的水鹽運(yùn)移規(guī)律。Selim等[17]采用HYDRUS模型研究了在微咸水滴灌條件下，初始土壤含水量和灌溉方式對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響。Karandish等[18]通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證了HYDRUS模型，并利用驗(yàn)證后的模型確定了珠江三角洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在不同情況下的最佳灌水量。Wang等[19]在HYDRUS和EPIC模型的基礎(chǔ)上建立了耦合模型，運(yùn)用耦合模型研究了鹽脅迫對(duì)蒸發(fā)量、蒸騰量、籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的影響。李顯溦等[20-21]利用HYDRUS建立了暗管排鹽數(shù)值模擬模型，并利用田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型可以較好地模擬暗管排水、排鹽過(guò)程。

眾多學(xué)者都利用HYDRUS模擬了不同條件下的土壤水鹽運(yùn)移，形成了諸多成果。但是針對(duì)中國(guó)北方沿海鹽堿地區(qū)暗管布設(shè)參數(shù)對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響研究還相對(duì)較少，暗管布設(shè)參數(shù)包括間距和埋深2個(gè)重要參數(shù)，不同參數(shù)組合下土壤的淋洗排鹽有所差異，因此，本文通過(guò)利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，研究了排水暗管布設(shè)參數(shù)對(duì)水鹽運(yùn)移的影響，為確定合理的暗管布設(shè)參數(shù)墊定了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于天津?yàn)I海新區(qū)臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)，地處海河入?？谀蟼?cè)的灘涂淺海區(qū)上。試驗(yàn)區(qū)位置為北緯38°55′10″、東經(jīng)117°42′24″(圖1)，暖溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)性氣候，年平均降水量為522.2 mm，年平均蒸發(fā)量為2 070.2 mm，蒸降比3.96，夏季降水量約占全年降水量的80%[22-23]。試驗(yàn)區(qū)由濱海潮灘鹽土經(jīng)吹填而成，土壤母質(zhì)含鹽量較高，土壤含有較多的貝殼侵入體，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土，試驗(yàn)區(qū)地下水埋深1.8 m。

圖1 試驗(yàn)區(qū)地理位置

1.1.2試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)區(qū)總面積4 500 m2，區(qū)域內(nèi)共設(shè)3個(gè)小區(qū)。小區(qū)1布設(shè)13根排水暗管，參數(shù)為H120、L300(H與L分別表示埋深與間距，右下角數(shù)值代表埋深與間距數(shù)值，單位cm)，坡降2‰；小區(qū)2布設(shè)7根排水暗管，參數(shù)為H120、L300，坡降2‰；小區(qū)3布設(shè)5根排水暗管，參數(shù)為H120、L900，坡降2‰。排水暗管采用管徑6 cm的帶孔PVC波紋管。集水管采用管徑20 cm的無(wú)孔PVC波紋管。滲透水流通過(guò)排水暗管收集后流入集水管，由集水管排至市政雨水管網(wǎng)。在暗管外圍鋪設(shè)一周碎石，防止暗管進(jìn)水孔被土壤小顆粒堵塞。試驗(yàn)區(qū)四周壘土墻高約15 cm，防止淋洗水發(fā)生地表徑流。試驗(yàn)區(qū)平面布置見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)區(qū)平面布置

淋洗水采用當(dāng)?shù)刂兴?，其礦化度為1 700 mg/L，灌水端安裝流量計(jì)進(jìn)行灌水量統(tǒng)計(jì)與控制。試驗(yàn)期為2010年6月1日至8月31日，灌水分三階段進(jìn)行，灌水日期分別為2010年6月1—7日、7月1—12日、8月1—9日，三階段灌水強(qiáng)度分別為4.314、3.316、3.940 cm/d。

1.1.3土壤取樣與物理參數(shù)確定

2010年5月20日進(jìn)行第一次取樣，確定試驗(yàn)初始條件，每個(gè)小區(qū)內(nèi)進(jìn)行3個(gè)重復(fù)的隨機(jī)取樣。2010年8月31日進(jìn)行第二次取樣，確定試驗(yàn)結(jié)果，取樣點(diǎn)見(jiàn)圖1。取樣利用土鉆進(jìn)行，單次取樣深度20 cm。

土壤粒徑采用激光粒度分析儀(LS230型激光粒度儀，美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特公司)測(cè)定；土壤容重利用環(huán)刀法測(cè)定；土壤含鹽量由電導(dǎo)率法測(cè)得數(shù)據(jù)按照式(1)計(jì)算獲得；土壤含水量采用烘干法測(cè)定。試驗(yàn)區(qū)含水率和含鹽量初始值見(jiàn)表1，土壤物理參數(shù)見(jiàn)表2。

(1)

表1 試驗(yàn)區(qū)初始含水率與含鹽量數(shù)據(jù)

表2 試驗(yàn)區(qū)土壤物理參數(shù)

式中Q——土壤含鹽量，g/kg；EC——土壤電導(dǎo)率，mS/cm。

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程

以質(zhì)量守恒定律及達(dá)西定律為基礎(chǔ)，認(rèn)為土壤為二維各向同性介質(zhì)，且不考慮土壤中水分的滯后效應(yīng)、溫度及空氣對(duì)水分運(yùn)動(dòng)造成的影響，故土壤水分運(yùn)動(dòng)采用二維飽和-非飽和水流模型進(jìn)行模擬。水流控制方程為二維Richards方程[24-25]：

(2)

式中x——橫向坐標(biāo)；z——垂向坐標(biāo)，規(guī)定z向下為正；θ——土壤含水率，cm3/cm3；φ——基質(zhì)勢(shì)，cm；t——入滲時(shí)間，min；K(θ)——非飽和導(dǎo)水率，cm/min。

對(duì)于式(1)中的θ、φ與K(θ)的求解使用van Genuchten-Mualem方程[24-26]：

(3)

(4)

(5)

式中θr——?dú)堄嗪剩琧m3/cm3；θs——飽和含水率，cm3/cm3；α、n和m——經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，m=1-1/n，n>1；Ks——飽和導(dǎo)水率，cm/min；Se——有效飽和度。

1.2.2土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型

溶質(zhì)運(yùn)移采用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)流彌散方程[24-25]：

(6)

式中i、j——x、z軸坐標(biāo)；C——溶液濃度，g/cm3；Dij——水動(dòng)力彌散系數(shù)，cm2/min；qi——水流流速，cm/min。

1.2.3定解條件

土壤水分運(yùn)動(dòng)方程的初始條件：

θ(x,z,t)=θ0(x,z),t=0

(7)

式中θ0(x，z)——土壤初始含水量分布，根據(jù)初始實(shí)測(cè)值設(shè)置。

土壤溶質(zhì)運(yùn)移方程的初始條件：

C(z,0)=C0(z)，0≤z≤Z

(8)

式中C0——土壤初始含鹽量，g /kg；z——土壤空間坐標(biāo)，取向上為正，根據(jù)初始實(shí)測(cè)值設(shè)置。

水分邊界條件見(jiàn)圖3，上邊界為隨時(shí)間變化邊界，淋洗時(shí)為變水頭邊界，其余時(shí)刻為大氣邊界，蒸發(fā)和降雨量見(jiàn)圖4，由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載獲得；左右邊界正負(fù)通量近似相等，設(shè)為零通量邊界；暗管為滲出面邊界；在暗管排水作用下，距暗管150 cm以下地下水流線近似水平，垂直通量可忽略，故下邊界設(shè)置為零通量邊界[8,27-28]。溶質(zhì)邊界條件為第三類邊界條件。

圖3 水分邊界條件

圖4 降雨-蒸發(fā)曲線

1.2.4模型率定與驗(yàn)證方法

土壤水力特性參數(shù)由HYDRUS-2D中內(nèi)嵌的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算工具根據(jù)測(cè)量的土壤的容重和粒徑分布來(lái)計(jì)算。選取中間參數(shù)小區(qū)2的暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L600)試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于模型的率定，通過(guò)PEST的多目標(biāo)校正法將實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)模擬值與實(shí)測(cè)值接近時(shí)，取率定參數(shù)值作為模型最終的參數(shù)值。選取小區(qū)1暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L300)與小區(qū)3暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L900)用于模型的驗(yàn)證，采用均方根誤差(RMSE)、決定系數(shù)(R2)和納什效率系數(shù)(NSE)對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)價(jià)[8,29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定及驗(yàn)證結(jié)果

模擬采用二維模擬，模擬時(shí)間等于試驗(yàn)時(shí)間，共92 d。利用小區(qū)2的暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L600)試驗(yàn)含水率與含鹽量數(shù)據(jù)率定后的模型參數(shù)見(jiàn)表3。將率定后的參數(shù)用于小區(qū)1暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L300)與小區(qū)3暗管布設(shè)參數(shù)(H120，L900)的數(shù)值模擬，模型驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖5、6。

表3 模型參數(shù)

由圖5、6可知，土壤含水率R2在0.843 0～0.957 6之間，NSE為0.546 3～0.788 2，RMSE為0.006 8～0.020 4 cm3/cm3；土壤含鹽量R2為0.956 7～0.985 0，NSE為0.642 8～0.932 8，RMSE為0.725 5～1.246 3 g/kg?？梢?jiàn)，模型模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為吻合，采用數(shù)值模擬進(jìn)行暗管布設(shè)下水鹽運(yùn)移的模擬是可靠的。

a)距離暗管0 cm土壤含水率

a)距離暗管0 cm土壤含水率

2.2 模型應(yīng)用

2.2.1模擬暗管參數(shù)選取

參照中華人民共和國(guó)土地管理行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合文獻(xiàn)研究成果與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定了12種模擬情景，具體模擬情景與暗管布設(shè)參數(shù)對(duì)應(yīng)情況見(jiàn)表4。

表4 模擬情景與暗管布設(shè)參數(shù)情況對(duì)照

2.2.2暗管布設(shè)對(duì)土壤剖面水鹽運(yùn)移的影響

模擬時(shí)段末土壤剖面的水鹽分布情況可以直觀地反映出不同暗管布設(shè)下水鹽運(yùn)移的結(jié)果，距離暗管L/2的剖面為暗管控制區(qū)域排水和排鹽效果最差的剖面，該剖面可以反映出整個(gè)區(qū)域的脫鹽下限，因此選擇距離暗管L/2的剖面分析不同暗管布設(shè)下水鹽運(yùn)移的結(jié)果。圖7為土壤剖面含水率，圖8為土壤剖面含鹽量，圖8a—8d表示暗管深度固定時(shí)不同間距的土壤含鹽量，圖8e—8g表示暗管間距固定時(shí)不同埋深的土壤含鹽量。

a)H80含水率

a)H80含鹽量

由圖7可知，當(dāng)暗管埋深為80 cm時(shí)A1、B1、C1模擬情景的土壤剖面整體含水率分布情況基本相同，表明暗管埋深為80 cm時(shí)暗管的間距對(duì)土壤剖面整體含水率的分布幾乎不產(chǎn)生影響；H100時(shí)土壤剖面整體含水率有θA2=θB2<θC2，表明暗管埋深為100 cm時(shí)，間距超過(guò)一定值后土壤含水率會(huì)隨間距的增大而增大；H120時(shí)土壤剖面整體含水率有θC3>θB3>θA3，表明暗管埋深為120 cm時(shí)暗管的間距越大土壤含水率越高。當(dāng)暗管間距為300、600 cm時(shí)，土壤剖面整體含水率有θA1>θA2>θA3>θA4，表明暗管間距為300、600 cm時(shí)含水率隨深度增加而降低；當(dāng)暗管L900時(shí)土壤剖面整體含水率有θC2>θC1>θC3>θC4，表明暗管間距為900 cm時(shí)100 cm暗管埋深含水率最高，暗管埋深增大或減小含水率都會(huì)降低。12種暗管模擬情景中C2模擬情景土壤剖面整體含水量最高，土壤表層至底層含水率為0.350 8～0.407 1 cm3/cm3，A4模擬情景含水率最低，土壤表層至底層含水率為0.326 4～0.407 1 cm3/cm3。

由圖8可知，當(dāng)暗管埋深固定時(shí)土壤含鹽量隨暗管間距增加而增加，暗管埋深越大間距的變化對(duì)土壤含鹽量的影響減弱。當(dāng)暗管間距固定時(shí)土壤含鹽量隨暗管埋深的增加而降低，暗管L900時(shí)，H對(duì)土壤含鹽量的影響顯著增加。12種暗管模擬情景土壤剖面含鹽量區(qū)間分別為0.61～7.95 g/kg(A1)、1.25～7.81 g/kg(B1)、3.37～7.84 g/kg(C1)、0.55～7.95 g/kg(A2)、0.86～7.94 g/kg(B2)、2.21～7.95 g/kg(C2)、0.51～7.93 g/kg(A3)、0.70～7.93 g/kg(B3)、1.37～7.93 g/kg(C3)、0.47～7.81 g/kg(A4)、0.60～7.81 g/kg(B4)、0.96～7.81 g/kg(C4)，其中A4模擬情景的土壤剖面含鹽量最低，其變化區(qū)間值為0.47～7.81 g/kg，C1模擬情景的土壤剖面含鹽量最高，其變化區(qū)間值為3.44～7.81 g/kg。

3 討論

在不同暗管埋深和間距的組合下，水鹽運(yùn)移的結(jié)果差異較大，通過(guò)分析距離暗管L/2剖面的水鹽運(yùn)移結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模擬時(shí)段末土壤剖面含水率都呈現(xiàn)由表層至底層逐漸增大現(xiàn)象，剖面含鹽量呈現(xiàn)自上而下先減小再增大的規(guī)律，分析原因?yàn)樵诹芟醋饔孟拢寥篮收w增加，鹽分隨淋洗水向下遷移，之后在蒸發(fā)作用下，土壤表層含水率快速下降，鹽分出現(xiàn)表聚現(xiàn)象。暗管埋深相同時(shí)，間距越大土壤剖面含水率越大，其原因?yàn)榘倒躄越大暗管控制范圍越大，淋洗時(shí)排走水分所需時(shí)間更多，時(shí)間相同的情況下暗管L越大土壤水分殘留也就更多；當(dāng)暗管H越小時(shí)L改變對(duì)土壤剖面含水率的影響越小，其原因?yàn)榘倒蹾減小，暗管控制范圍減小，暗管對(duì)距暗管最遠(yuǎn)端土壤剖面影響減小。暗管H相同時(shí)L越大土壤剖面含鹽量越高，說(shuō)明減小暗管L利于土壤鹽分淋洗，暗管L相同時(shí)H越大土壤剖面含鹽量越低，說(shuō)明加大暗管H有利于土壤鹽分淋洗。12種暗管模擬情景中C2模擬情景土壤剖面含水率最高，由表層到底層為0.350 8～0.407 1 cm3/cm3，A4模擬情景土壤剖面含鹽量最低，含鹽量區(qū)間為0.47～7.81 g/kg。

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定并驗(yàn)證了HYDRUS-2D模型表明該模型模擬暗管布設(shè)下土壤水鹽運(yùn)移是可靠的。利用驗(yàn)證后的模型探究了多種暗管布設(shè)參數(shù)下土壤水鹽運(yùn)移的結(jié)果，表明暗管L越大，可以保證模擬時(shí)段末土壤具有較高的土壤含水率，但其含鹽量也相對(duì)較高，減小暗管L可以提高淋洗效果，降低土壤含鹽量。暗管H越大，土壤淋洗效果越好，但模擬時(shí)段末土壤含水率也相對(duì)較低。從淋洗改良鹽堿地和水資源高效利用的角度，在暗管H固定時(shí)，建議暗管L不宜過(guò)大，通過(guò)對(duì)12種暗管布設(shè)參數(shù)進(jìn)行模擬，確定12種模擬情景中排鹽效果最好的是A4(H140，L300)模擬情景。