自然和工程措施條件下吹填土壤脫鹽過程模擬

李 山，王 倩，仵 苗，方 偉，張虎平，楊冠川，李靜思

自然和工程措施條件下吹填土壤脫鹽過程模擬

李 山1，王 倩1，仵 苗1，方 偉2，張虎平2，楊冠川2，李靜思1

（1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；2. 中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

為探明灘涂圍墾區(qū)吹填土壤在自然和工程措施條件下的脫鹽過程、脫鹽速率及脫鹽歷時(shí)，該研究以浙江臺(tái)州東部新區(qū)涂面整理區(qū)為例，采用在田間水文模型DRAINMOD基礎(chǔ)上開發(fā)的DRAINMOD-S模型研究了該區(qū)域吹填土自然和不同工程措施（集雨措施、生物措施及不同暗管排水措施組合）條件下的脫鹽過程。結(jié)果表明DRAINMOD-S模型能夠較好的模擬出吹填土的水文變化過程和鹽分淋洗過程：預(yù)測(cè)的地下水位埋深變化與實(shí)測(cè)值變化范圍與趨勢(shì)基本一致，其平均偏差為-3.40 cm，平均絕對(duì)偏差為6.90 cm，均方根誤差為8.60 cm，相關(guān)系數(shù)為0.79；土壤鹽分模擬值與實(shí)測(cè)值的平均偏差為-0.08 g/L，平均絕對(duì)偏差為0.20 g/L，均方根誤差為0.24g/L，相關(guān)系數(shù)為0.91；吹填土鹽分在自然降雨和現(xiàn)狀規(guī)劃河道排水的作用下整體呈緩慢下降的趨勢(shì)，年平均脫鹽速率為0.45 g/L左右，土壤達(dá)到脫鹽標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間約為27 a；該研究提出的工程措施能夠極大縮短吹填土的脫鹽進(jìn)程，可將年平均脫鹽速率提高至0.73～1.80 g/L，脫鹽歷時(shí)縮短到3～13 a。結(jié)果可為類似圍海造陸工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、鹽分治理、土地利用規(guī)劃管理、生態(tài)環(huán)境重構(gòu)等前期預(yù)測(cè)分析工作提供支持。

模型；土壤；DRAINMOD-S；脫鹽速率；脫鹽歷時(shí)；鹽分控制措施

0 引 言

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的背景下，城市化進(jìn)程不斷加快[1]，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地逐年增長(zhǎng)，耕地面積日益減少[2-3]，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地資源的矛盾日益突出，土地資源的緊缺已成為制約中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。沿海地區(qū)因經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集、城市化程度高，采用圍填海造地方式將原有的濱海灘涂轉(zhuǎn)變?yōu)殛懙?，已成為解決用地矛盾，拓展生產(chǎn)和生活空間，打破土地瓶頸的重要手段。因此，填海造陸工程對(duì)緩解沿海地區(qū)人地矛盾、推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。但吹填土初始含鹽量普遍較高[6]，填海造陸工程使陸地地下水向海水排泄途徑被延長(zhǎng)[7-8]，改變了原有的水動(dòng)力條件[9-10]等原因，導(dǎo)致圍海造陸區(qū)因土壤和水環(huán)境鹽分釋放緩慢，海岸生態(tài)系統(tǒng)不能快速重構(gòu)[6,11]，圍海造陸區(qū)往往需要閑置拋荒多年后才能用于耕作或建設(shè)，降低了投資回收效率和生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)速度，加大了投資成本。因此國(guó)家在加強(qiáng)圍填海工程管控的同時(shí)，需要在掌握圍海造陸區(qū)開發(fā)利用的主要限制因子——土壤鹽分[6]變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，加快盤活已完成的圍填土地，使其盡快發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，提高土地利用率。

但完全依靠自然脫鹽，其歷時(shí)往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年[12-13]。因此，往往需要采取一定的工程措施以加快自然脫鹽過程。鹽堿地改良的工程措施往往有利用雨洪淡水資源以促進(jìn)脫鹽的集雨措施[14-15]、通過增強(qiáng)排水能力的暗管排水排鹽措施[16-18]、物理-化學(xué)-生態(tài)綜合改良及植被構(gòu)建技術(shù)措施[19]和通過改善土壤特性以促進(jìn)脫鹽效率的土壤調(diào)理劑與水力淋洗結(jié)合的措施等，但填海造陸區(qū)的水鹽環(huán)境復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，選擇治理方法應(yīng)十分慎重。此外治理措施往往涉及到治理效果和投資之間的平衡，關(guān)系到工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和投資估算。因此，對(duì)不同工程措施進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)和方案比選是吹填工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。

目前通過長(zhǎng)期定位觀測(cè)[12]、土壤調(diào)查[13]或高密度電法儀監(jiān)測(cè)[20]等獲取圍海造陸區(qū)土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法[12-13，21]是圍海造陸區(qū)土壤脫鹽過程預(yù)測(cè)的主要方法之一。統(tǒng)計(jì)分析法往往對(duì)數(shù)據(jù)樣本數(shù)量有一定要求[13]，需要投入較大的人力和物力及時(shí)間成本，同時(shí)還存在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表性差、數(shù)據(jù)不連續(xù)、時(shí)間跨度大，受研究區(qū)氣象、地形地質(zhì)等因素影響大，且不能揭示吹填土脫鹽的機(jī)理等缺點(diǎn)，使研究結(jié)果具有一定的局限性和滯后性。劉虎等[22]通過室內(nèi)土柱試驗(yàn)研究了曹妃甸地區(qū)擾動(dòng)吹填土在穩(wěn)定流條件下的脫鹽過程，克服了統(tǒng)計(jì)分析方法的部分不足，但因試驗(yàn)忽略了降雨的隨機(jī)性，使結(jié)果與實(shí)際具有較大差異，仍然不能夠明晰實(shí)際吹填土脫鹽過程和脫鹽歷時(shí)。但無(wú)論是統(tǒng)計(jì)分析還是室內(nèi)試驗(yàn)，都缺乏不同方案預(yù)測(cè)分析和方案比選的功能。因此，采用具有明確物理含義，并且能夠?qū)Σ煌桨高M(jìn)行分析的數(shù)值模型來研究吹填土自然條件和不同治理措施下的脫鹽過程，預(yù)測(cè)其脫鹽速率和脫鹽歷時(shí)，是論證實(shí)施工程措施的必要性的前提，也是圍海造陸區(qū)開展土地利用規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)效益分析和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的基礎(chǔ)。

但吹填土脫鹽過程與氣象因素、地下水位、地下水礦化度、排水條件、土壤質(zhì)地、植被等密切相關(guān)，因此，在綜合考慮以上因素下對(duì)吹填土脫鹽過程進(jìn)行預(yù)測(cè)是目前迫切需要解決的關(guān)鍵問題。根據(jù)吹填土脫鹽特點(diǎn)和影響因素，美國(guó)農(nóng)業(yè)部所推薦的田間水文模型DRAINMOD基礎(chǔ)上開發(fā)的農(nóng)田水鹽管理模型DRAINMOD-S具有較好的適用性[23-24]。DRAINMOD-S是以DRAINMOD模型的水平衡計(jì)算結(jié)果作為己知輸入，充分利用了DRAINMOD模型所需參數(shù)少、排水模擬精度高、能夠進(jìn)行排水設(shè)計(jì)方案比選等優(yōu)點(diǎn)[25-27]，但DRAINMOD-S以往的研究和應(yīng)用，主要集中在農(nóng)田水鹽預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)和管理中[28-29]，在吹填工程中還鮮有研究報(bào)道。因此，本文以已建工程——臺(tái)州東部新區(qū)涂面整理及軟基處理工程為例，基于DRAINMOD-S模型模擬研究區(qū)吹填土自然和不同排鹽工程措施條件下吹填土壤脫鹽過程，量化自然和工程措施條件下淋洗至滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或城市綠化的耐鹽閾值的脫鹽歷時(shí)，以及自然和工程措施條件下吹填土的脫鹽速率；以期為圍海造陸工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、鹽分治理、可行性分析、土地利用規(guī)劃管理、生態(tài)環(huán)境重構(gòu)等提供依據(jù)，以提高土地利用效率，加快資金周轉(zhuǎn)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省臺(tái)州市中部沿海（121?32'24"E～121?35'56"E，28?34'5"N～28?39'25"N），為2014年開工建設(shè)，利用海底淤泥吹填并經(jīng)地基處理后陸續(xù)形成的陸域，其吹填土壤初始平均含鹽量達(dá)到了10 g/kg[30]，吹填土高含鹽量成為了研究區(qū)土地開發(fā)利用的主要限制因子，因此，為了提高土地利用率、加快資金的回收和后期生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重構(gòu)，亟待確定吹填區(qū)的排鹽量、排鹽速率和淋洗至滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或城市綠化的耐鹽閾值的時(shí)長(zhǎng)。

研究區(qū)位于區(qū)域性構(gòu)造單元泰順-黃巖大斷裂的東南方向，地質(zhì)構(gòu)造完整，褶皺不發(fā)育，原始地貌屬于河口近潮坪地貌類型，涂面平坦寬闊，以沖積平原、灘涂為主，研究區(qū)埋深80m以內(nèi)的區(qū)域大致可分為：淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、粗砂和礫石等。吹填完成后區(qū)域高程在3.0～4.0m之間，地形較為平坦。吹填后地表及以下4 m左右以內(nèi)為人工堆填的閉氣土和吹填土，土質(zhì)均勻。

研究區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，最高氣溫為40.3 ℃，最低氣溫為-7.1 ℃，年平均氣溫16.8～17.2 ℃，多年平均水面蒸發(fā)量900 mm左右；但雨量充沛，年降水量介于1 100～2 200 mm之間，多年平均降水量1 600 mm左右，年降水日數(shù)132～171 d。年內(nèi)降水集中在兩個(gè)明顯的雨期：6月下旬至7月下旬的“梅雨期”，降水量約為146 mm，約占全年降水量的10%；8月上旬至9月中旬的“臺(tái)風(fēng)雨期”，降水量約為350 mm，占全年降水量的23%。多年平均6～9月降水量占全年總量的54.8%。年較大暴雨大部分為臺(tái)風(fēng)影響所致的臺(tái)風(fēng)雨，日暴雨量能達(dá)50～100 mm，特大暴雨量能達(dá)300 mm以上。因此，相對(duì)集中的降雨可能具有較好的淋洗脫鹽潛力。

研究區(qū)規(guī)劃的水系格局為“四橫四縱、一湖、兩濕地”；其中“四橫”指與上游河網(wǎng)連通并最終穿過研究區(qū)及海堤，進(jìn)入大海的洪家場(chǎng)浦、鮑浦、長(zhǎng)浦、青龍浦；“四縱”指圍一至圍四河；“一湖”指位于研究區(qū)中部的月湖；“兩濕地”指位于月湖南、北兩側(cè)的人工濕地。連通的水系將研究區(qū)分割為多個(gè)區(qū)域，為土壤脫鹽和脫鹽尾水提供了水鹽輸出通道。根據(jù)工程建設(shè)進(jìn)度，截止2019年4月，已經(jīng)挖通的河道有東長(zhǎng)埔河、圍一河，月湖南側(cè)的南圍二河和南圍三河，月湖西側(cè)的東鮑浦河，但月湖以東、東長(zhǎng)浦河以西的河道，圍四河和南濕地工程還未實(shí)施。

1.2 DRAINMOD-S模型基本原理

本研究中擬基于DRAINMOD模型，首先對(duì)研究區(qū)的排水過程進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)DRAINMOD-S模型對(duì)鹽分運(yùn)移的模擬來分析吹填土自然條件和不同工程措施下的脫鹽過程。其基本原理如下：

1）DRAINMOD模型基本原理

吹填區(qū)排水過程的模擬是自然脫鹽計(jì)算的基礎(chǔ)，DRAINMOD模型的基本原理為地表及土壤剖面水量平衡方程。在某時(shí)段內(nèi)，農(nóng)田地表水量平衡方程可表達(dá)為

土壤剖面水量平衡可表達(dá)為

2）DRAINMOD-S模型基本原理

在DRAINMOD-S模型中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)鹽分為最簡(jiǎn)單的惰性、非吸附性溶質(zhì)遷移，且以垂向遷移為主，鹽分在土壤中主要運(yùn)動(dòng)形式為一維垂向?qū)α骱退畡?dòng)力彌散。根據(jù)Fick定律和質(zhì)量守恒定理，土壤鹽分遷移方程可表示為

式中為水動(dòng)力彌散系數(shù)，cm2/h；為溶液濃度，g/L；為土壤含水率，%；為土壤深度坐標(biāo)，cm；為淋洗時(shí)間，h；為土壤水分通量，mm/d；其中水動(dòng)力彌散系數(shù)計(jì)算公式為

式中為縱向彌散度，cm；為土壤孔隙水流速，cm/d；0為鹽分在自由水中的分子擴(kuò)散系數(shù)，cm2/d；為孔隙彎曲率，=7/3/θ2，其中為土壤飽和含水率，%。

1.3 DRAINMOD-S模型的輸入數(shù)據(jù)及計(jì)算方法

DRAINMOD-S的輸入數(shù)據(jù)主要包括氣象數(shù)據(jù)，土壤特性，作物變量，灌溉和排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。

氣象數(shù)據(jù)：因DRAINMOD-S模型需要輸入每日的ET、最高氣溫、最低氣溫和每小時(shí)的降水等氣象數(shù)據(jù)。由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn）獲取了研究區(qū)附近洪家氣象站的降雨、氣溫、風(fēng)速、氣壓、輻射等氣象因子日數(shù)據(jù)（1999年1月1日—2019年4月1日）；因?yàn)檠芯繀^(qū)沒有作物，其蒸發(fā)為裸地潛水蒸發(fā)，但由于裸地潛水蒸發(fā)觀測(cè)困難，代價(jià)較高，直接獲取難度較大，因此根據(jù)水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)和2019年1月—2019年4月的研究區(qū)地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用阿維里揚(yáng)諾夫潛水蒸發(fā)公式計(jì)算了研究區(qū)的裸地潛水蒸發(fā)，用于DRAINMOD-S模型率定過程中的潛在蒸發(fā)量（Potential Evapotranspiration，即PET）輸入。阿維里揚(yáng)諾夫潛水蒸發(fā)表達(dá)式如下：

式中為裸地潛水蒸發(fā)量，mm；0為水面蒸發(fā)量，mm/d；為極限蒸發(fā)深度，根據(jù)室內(nèi)多組土壤顆粒分析結(jié)果表明，研究區(qū)土壤質(zhì)地多為黏土和粉質(zhì)黏土，在無(wú)作物條件下，參照有關(guān)研究[31]黏土極限蒸發(fā)深度可取3 m；為地下水位埋深，m；為與土壤質(zhì)地和植被情況有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1～3；輕質(zhì)地土壤或植被根系吸水深度大、蒸騰旺盛時(shí)，值較小；土壤質(zhì)地黏重時(shí)，值較大，因研究區(qū)土壤質(zhì)地黏重，因此值取3。

但因吹填工程已經(jīng)改變了原始地形地貌，缺乏長(zhǎng)序列的地下水位數(shù)據(jù)，因此在利用歷史氣象資料模擬分析長(zhǎng)序列降雨脫鹽過程中無(wú)法采用阿維里揚(yáng)諾夫潛水蒸發(fā)計(jì)算公式計(jì)算研究區(qū)的裸地潛水蒸發(fā)；有研究認(rèn)為，有作物生長(zhǎng)時(shí)的潛水蒸發(fā)強(qiáng)度與裸地潛水蒸發(fā)強(qiáng)度的比值有良好的規(guī)律性[31]，因此可根據(jù)有作物時(shí)的潛水蒸發(fā)來確定無(wú)作物時(shí)的潛水蒸發(fā)，即

式中為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度作物影響系數(shù)（簡(jiǎn)稱作物影響系數(shù)），無(wú)量綱；ET0為參考作物蒸散發(fā)，mm/d。基于此，可以對(duì)比2019年1月—2019年4月采用阿維里揚(yáng)諾夫潛水蒸發(fā)計(jì)算公式計(jì)算研究區(qū)的裸地潛水蒸發(fā)和采用Penman-Monteith法計(jì)算的ET0，即可獲得，從而可以通過長(zhǎng)序列氣象資料計(jì)算的ET0反推出長(zhǎng)序列的。

土壤數(shù)據(jù)：采用離心機(jī)法對(duì)土壤水分特征曲線進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明吹填區(qū)土壤在3 m以內(nèi)土質(zhì)較均勻，沒有明顯分層，區(qū)域內(nèi)不同點(diǎn)位的土壤差別不明顯，因此在模型中假設(shè)研究區(qū)為均勻土質(zhì)，土壤水分特征曲線采用平均值。通過現(xiàn)場(chǎng)豎管試驗(yàn)和振蕩試驗(yàn)，獲取了現(xiàn)場(chǎng)尺度淺部土層垂向滲透系數(shù)在0.73×10-6～2.33×10-6cm/s之間，水平滲透系數(shù)在0.88×10-6～2.80×10-6cm/s之間[30,32]，且吹填土層滲透系數(shù)大于原始土層（淤泥質(zhì)黏土），均為微-極微透水層，因此相對(duì)不透水層深度取4 m。

鹽分?jǐn)?shù)據(jù)：研究區(qū)土壤可溶鹽成分主要是NaCl，2019年1月1日對(duì)吹填完成4、2、1和0.5 a的土壤取土（12個(gè)鉆孔，鉆孔深度為3 m左右，分0～30、>30～60、>60～90、>90～120、>120～150、180～210、240～270和290～320 cm共8層取樣，共計(jì)96個(gè)土壤鹽分樣品）測(cè)試發(fā)現(xiàn)：新鮮吹填土剖面平均鹽分濃度為18 g/L，吹填完成4、2、1和0.5 a的區(qū)域土壤鹽分平均濃度分別為15.00、15.30、16.00和16.50 g/L左右；水動(dòng)力彌散系數(shù)為1.18×10-6～1.47×10-6cm2/s，彌散度為0.77 cm[30]。

排水系統(tǒng)概化：模型所需的排水系統(tǒng)輸入?yún)?shù)包括從土壤表面到排水溝的深度，排水溝間距，排水模數(shù)，排水溝的有效半徑和相對(duì)不透水層厚度。但因?yàn)檠芯繀^(qū)主要為建設(shè)用地，規(guī)劃了“四橫四縱，一湖、兩濕地”的水系格局，無(wú)田間排水系統(tǒng)。因此，需要根據(jù)研究區(qū)實(shí)際，以及土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律和水力特性，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行概化，降雨產(chǎn)生的地下排水會(huì)首先進(jìn)入與其相鄰的規(guī)劃河道、月湖或濕地內(nèi)。

1.4 擬采取的鹽分治理工程措施

雖然研究區(qū)規(guī)劃了“四橫四縱、一湖、兩濕地”的水系格局，為土壤脫鹽和脫鹽尾水提供了水鹽輸出通道。但因土壤質(zhì)地黏重，排水間距較大，依靠現(xiàn)狀排水條件，在自然降雨的作用下，吹填土壤脫鹽過程可能仍然十分緩慢。勢(shì)必會(huì)影響土地利用率、延長(zhǎng)資金的回收和后期生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重構(gòu)，因此，需要采取一定的鹽分治理措施以加快吹填土壤的脫鹽速率，縮短脫鹽歷時(shí)。

本研究擬選擇以水利為主，生物為輔的工程措施，以加快研究區(qū)的鹽分輸出。工程措施具體如下：1）生物措施：種植堿蓬、蘆葦?shù)塞}生植物，通過對(duì)植物收割使部分鹽分帶出土壤；以具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的堿蓬為例，收割后可帶走鹽分總量約1 200 kg/hm2[33]；2）集雨措施：通過修筑10 cm土埂以抬高排水匯流區(qū)四周的高程，收集自然降雨，從而減少降雨地表徑流損失，增加雨水入滲，加大降雨淋洗作用，促進(jìn)吹填土的鹽分輸出；具體在模型中的體現(xiàn)為增加最大平均坑洼深度S值；3） 暗管排水措施：在生物措施和集雨措施的基礎(chǔ)上，采用不占地的暗管排水工程加大地下排水效率，以促進(jìn)土壤鹽分輸出；暗管排水措施在模型中的體現(xiàn)為不同排水管間距和排水管深度組合，共設(shè)置了5個(gè)排水間距（20、40、60、80和100m）和5個(gè)排水埋深（0.6、0.8、1.0、1.2和1.5m），共計(jì)25個(gè)暗管排水組合以分析其脫鹽效果。

1.5 模型參數(shù)率定、驗(yàn)證與評(píng)價(jià)

采用吹填完成1a的區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)對(duì)模型的水文過程進(jìn)行率定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要排泄渠道為“四縱”中的圍二河。根據(jù)圍二河設(shè)計(jì)尺寸和水位監(jiān)測(cè)結(jié)果，排水系統(tǒng)可概化為：排水埋深為1 m，排水間距為360 m，排水系統(tǒng)有效半徑約為2 m，排水模數(shù)因現(xiàn)場(chǎng)條件無(wú)法實(shí)測(cè)獲得，根據(jù)土壤性質(zhì)和土壤滲透系數(shù)設(shè)排水模數(shù)的初值為0.10 cm/d，進(jìn)行率定調(diào)整；因該點(diǎn)鹽分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少，但研究區(qū)均為吹填形成，吹填工藝、吹填泥沙來源相同；吹填形成的區(qū)域地形平坦，排水條件接近；在此基礎(chǔ)上以新鮮吹填土鹽分作為該點(diǎn)初始值，吹填完成0.5、1、2、和4 a的區(qū)域內(nèi)排水條件相近的點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為該點(diǎn)不同脫鹽歷時(shí)的鹽分?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)鹽分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了延長(zhǎng)，并以年降雨量和降雨規(guī)律相近、氣候無(wú)明顯變化的2015—2018年作為模擬率定時(shí)段，對(duì)土壤脫鹽過程進(jìn)行了率定。

模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的判斷，主要根據(jù)徑流過程模擬值與實(shí)測(cè)值圖形直觀比較和統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)模擬結(jié)果評(píng)價(jià)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有平均偏差、平均絕對(duì)偏差、均方根誤差及相關(guān)系數(shù)等。

2 結(jié)果與分析

2.1 DRAINMOD-S模型的率定與驗(yàn)證

根據(jù)吹填完成1 a的區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)和鹽分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)模型的水文過程和鹽分淋洗過程進(jìn)行率定，經(jīng)模型計(jì)算，地下水水位實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬結(jié)果如圖1a所示；由圖1a可知，DRAINMOD-S模型預(yù)測(cè)的地下水位埋深變化與實(shí)測(cè)值變化范圍與趨勢(shì)基本一致；且與降雨密切相關(guān)，當(dāng)降雨量較大時(shí)水位上升，沒有降雨時(shí)，水位逐漸下降；模擬值與觀測(cè)值的平均偏差為-3.40 cm，說明模型整體低估了地下水埋深；平均絕對(duì)偏差為6.90 cm，均方根誤差為8.60 cm，說明觀測(cè)值和模擬值之間的偏離程度較??；相關(guān)系數(shù)為0.79，說明觀測(cè)值與模擬值有很好的相關(guān)性。對(duì)DRAINMOD-S模擬預(yù)測(cè)的降雨脫鹽過程進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1b；土壤脫鹽過程在短期內(nèi)受降雨的影響和蒸發(fā)的影響，在夏季無(wú)降雨間隔時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，鹽分會(huì)在蒸發(fā)的作用下，有所上升，但在隨后的降雨作用下又會(huì)降低；整體呈下降趨勢(shì)，但因土壤質(zhì)地黏重，滲透系數(shù)較小，脫鹽效率較低；模擬值與實(shí)測(cè)值的平均偏差為?0.08 g/L，說明模型整體低估了土壤鹽分；但平均絕對(duì)偏差為0.20 g/L，均方根誤差為0.24 g/L，說明觀測(cè)值和模擬值之間的偏離程度非常??；相關(guān)系數(shù)為0.91，說明觀測(cè)值與模擬值有很好的相關(guān)性。

綜上所述，DRAINMOD-S模型能夠較好的模擬出研究區(qū)的水文變化過程和鹽分淋洗過程。偏離程度均在可接受的范圍內(nèi)，滿足誤差小于20%的要求。經(jīng)率定得到的排水模數(shù)為0.05 cm/d，地表最大平均坑洼深度為3 cm，最小平均坑洼深度為0.50 cm，可作為研究區(qū)土壤脫鹽過程模擬的基本參數(shù)。

2.2 研究區(qū)自然脫鹽過程模擬與分析

在自然降雨的作用下，吹填土鹽分將隨著排水排出土體，進(jìn)入臨近的河道、月湖或濕地內(nèi)，從而使土體鹽分降低，但在無(wú)降雨的時(shí)段，地下水中的鹽分將在蒸發(fā)的作用下上升至上層土壤中。為了分析研究區(qū)的自然脫鹽過程，以已開挖的“四橫”規(guī)劃河道之一的東長(zhǎng)埔河以南，南濕地以北，圍二河兩側(cè)的區(qū)域?yàn)槔搮^(qū)域排水面積共1.40 km2，采用經(jīng)率定驗(yàn)證后的DRAINMOD-S模型模擬分析了該區(qū)域的自然脫鹽過程。根據(jù)排水的基本規(guī)律可知，該區(qū)域降雨產(chǎn)生的地下排水首先會(huì)向圍二河南段快速排泄，從而使土壤地下水較為迅速的降低，當(dāng)沒有降雨且土壤地下水位和河水位相當(dāng)時(shí)，土壤地下水和鄰近河流的部分水流以深層滲漏的方式向更低更遠(yuǎn)處排泄，但因吹填土導(dǎo)水性能差，區(qū)域水力坡度小，該過程歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，因此可以忽略不計(jì)。在以上假設(shè)條件下，該區(qū)域的排水系統(tǒng)基本參數(shù)可以概化為排水間距約250 m，平均排水埋深約為1.5 m。需要說明的是，截至2019年4月南濕地還未施工，因此，未考慮南濕地對(duì)排水系統(tǒng)概化的影響。

在此基礎(chǔ)上，利用歷史氣象資料（1999—2018年），采用DRAINMOD-S模型對(duì)該區(qū)域自然脫鹽過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，自然脫鹽過程如圖2所示。結(jié)果表明：在現(xiàn)狀條件下，經(jīng)20 a土壤鹽分濃度由18.0 g/L下降至9.05 g/L，年平均脫鹽速率為0.45 g/L左右，在蒸發(fā)的作用下還會(huì)出現(xiàn)鹽分向地表聚集的情況，從而引起土壤溶液鹽分濃度出現(xiàn)一定的波動(dòng)。因此，在規(guī)劃水系和降雨的作用下，自然脫鹽過程緩慢。但研究區(qū)土地利用規(guī)劃涉及到濕地、綠地等城市建設(shè)內(nèi)容，需要滿足植被耐鹽要求；研究表明一般植物可承受的土壤鹽分要小于3 g/kg，約為6 g/L[16,34]；根據(jù)圖2和年平均脫鹽速率可知，預(yù)計(jì)達(dá)到植物適宜生長(zhǎng)的土壤鹽分閾值的時(shí)間約為27 a，脫鹽歷時(shí)較長(zhǎng)。因此，降雨雖然對(duì)土壤鹽分有一定的淋洗作用，土壤溶液鹽分濃度也逐年降低，但由于土壤導(dǎo)水性能較差，土壤顆粒細(xì)小，多為淤泥質(zhì)黏土，導(dǎo)致降雨的淋洗作用有限。依靠自然脫鹽，過程緩慢。其他區(qū)域也得到了類似結(jié)論。

對(duì)該區(qū)域內(nèi)的水鹽輸出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：多年平均年降雨量為1 596 mm、年蒸發(fā)量為822 mm、年地下排水深度僅為8 mm，年地表排水深度為764 mm；因此，該區(qū)域年平均地下排水量為1.1萬(wàn)m3，年平均地表排水量為106.9萬(wàn)m3；這說明該區(qū)域內(nèi)主要以地表排水為主，地下排水十分有限。其原因一方面是因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)僅有一條人工溝道圍二河，且排水間距較大；另一方面是因?yàn)橥寥纻?cè)向?qū)瘦^小，水平方向上排水量較小?；谝陨蟽蓚€(gè)原因?qū)е碌叵屡潘亢苄。瑥亩乖搮^(qū)以地表排水為主。年均總鹽分輸出量約為187 814.7 kg。

2.3 不同工程措施下研究區(qū)脫鹽過程模擬與分析

為了盡快滿足土壤鹽分控制指標(biāo)，迅速將吹填區(qū)內(nèi)土壤鹽分排出是重要的基礎(chǔ)。因此，為了使規(guī)劃用地能夠盡快投入使用，加快資金回收，提高土地利用效率，需要采取一定的治理措施加快研究區(qū)的土壤脫鹽過程。

本研究在生物措施和集雨措施的基礎(chǔ)上，模擬分析了共計(jì)25組不同排水管間距和排水管深度組合下研究區(qū)土壤的脫鹽過程；本研究選取了以水利為主，生物為輔的治理措施，以加快研究區(qū)的鹽分輸出。以暗管埋深為1.5 m，暗管布置間距為100 m為例，土壤脫鹽過程如圖 3所示。由圖3可知，研究區(qū)土壤鹽分隨著時(shí)間的推移逐漸減小，約為10 a，鹽分濃度將下降至6 g/L左右，能夠滿足一般植物的生長(zhǎng)；經(jīng)過20 a運(yùn)行，鹽分濃度將小于2 g/L，年平均淋洗速率約為0.84 g/L，脫鹽效果明顯。其他暗管排水系統(tǒng)組合條件下，鹽分淋洗過程也得到了類似結(jié)論，脫鹽速率和達(dá)到土壤鹽分標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間如表1。

由表1可知埋深越大、排水間距越小，淋洗效果越好，達(dá)到植物可承受的土壤鹽分標(biāo)準(zhǔn)所需的時(shí)間越短，年平均脫鹽速率在0.73～1.80 g/L之間，脫鹽歷時(shí)在3～13 a之間。本文提出的生物措施、集雨措施和暗管排水結(jié)合的工程治理措施，能夠較為快速的將鹽分淋洗排出，從理論和技術(shù)上是可行的；工程措施使脫鹽速率提高了1.6～4.0倍，脫鹽歷時(shí)縮短了14～24 a；但一般情況下，埋深越大、排水間距越小，投資也相對(duì)越大。因此，還需要進(jìn)一步根據(jù)工程實(shí)際需要以及投資預(yù)算等多因素綜合分析，選擇合適的方案。

表1 25種暗管排水工程措施下土壤脫鹽效果模擬統(tǒng)計(jì)

3 討 論

DRAINMOD-S模型作為農(nóng)田水鹽管理的專有模型，以往的研究和應(yīng)用，主要集中在農(nóng)田水鹽預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)和管理中[23-24，28-29]。雖然該模型具有所需參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)[25-27]，但仍需要獲取氣象、土壤和水鹽等必要的數(shù)據(jù)，在某些客觀因素的影響下，持續(xù)觀測(cè)仍然存在一定的困難。因此，俞雙恩等[28]研究了DRAINMOD-S模型參數(shù)的靈敏度，結(jié)果表明在模擬土壤剖面含鹽量時(shí)側(cè)向飽和導(dǎo)水率是敏感性參數(shù)，為提高模型模擬精度和擴(kuò)展模型適用性提供了參考；張展羽等[29]利用山東萊州濱海鹽堿地的暗管排水研究資料，通過觀測(cè)和預(yù)測(cè)的地下水埋深和土壤剖面鹽分，模擬驗(yàn)證了DRAINMOD-S模型的可靠性和實(shí)用性，為分析暗管排水條件下濱海鹽堿地農(nóng)田水鹽運(yùn)移規(guī)律提供了重要參考；本研究在收集了氣象、土壤特性、地下水位、鹽分等資料的基礎(chǔ)上，采用DRAINMOD-S模型預(yù)測(cè)分析了吹填工程自然和工程措施下的脫鹽過程，但需要說明的是因鹽分?jǐn)?shù)據(jù)序列有限，本研究通過對(duì)吹填工藝、吹填泥沙來源、地形條件、降雨和排水條件分析，根據(jù)研究區(qū)不同吹填完成年限內(nèi)脫鹽后的土壤鹽分結(jié)果，對(duì)率定點(diǎn)的鹽分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了合理延長(zhǎng)，取得了較好的率定結(jié)果。充分說明了DRAINMOD-S模型具有較好的適用性[28]，能夠用于濱海鹽堿地等沿海近似區(qū)域土壤的水鹽管理研究[29]。研究結(jié)果為圍海造陸區(qū)開展土地利用規(guī)劃、鹽分治理和經(jīng)濟(jì)效益分析等工作提供了支持，拓展了該模型的應(yīng)用研究范圍。因DRAINMOD-S模型綜合考慮了排水條件、土壤特性、植物特征和氣象因素等對(duì)自然脫鹽的影響，在實(shí)測(cè)吹填土壤側(cè)向飽和導(dǎo)水率、土壤水分特征曲線、地下水位埋深等基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)上，該模型在模擬吹填工程自然脫鹽過程方面具有較強(qiáng)的適用性和較高的精度，與統(tǒng)計(jì)分析方法相比具有預(yù)測(cè)能力強(qiáng)、工作效率高、精度高等特點(diǎn)，克服了統(tǒng)計(jì)分析方法存在的數(shù)據(jù)需求量大，數(shù)據(jù)不連續(xù)、時(shí)間跨度大、無(wú)法揭示自然脫鹽機(jī)理等缺點(diǎn)。因此，DRAINMOD-S模型可為圍海造陸工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、土地利用規(guī)劃管理、生態(tài)環(huán)境重構(gòu)等前期預(yù)測(cè)分析工作提供支持。

在現(xiàn)狀條件下，該研究區(qū)吹填土鹽分在自然降雨的作用下緩慢釋放，年平均脫鹽速率為0.45 g/L左右；這與林云[12]、張濛等[13]、Xu等[21]研究結(jié)果一致，圍墾后的土壤鹽分呈現(xiàn)隨著時(shí)間的推移逐漸下降的規(guī)律，但脫鹽速率略有不同；其原因首先是因?yàn)榕潘畻l件和土壤質(zhì)地不同，其次是因?yàn)楸狙芯繀^(qū)土地利用規(guī)劃主要是建設(shè)用地，因此未考慮如灌溉、堵港蓄淡等人類活動(dòng)對(duì)吹填土脫鹽的積極作用；最后是與模型所考慮的影響因素有關(guān)，DRAINMOD-S模型考慮了蒸發(fā)、土壤、地下水、降雨、植被等因素來預(yù)測(cè)土壤脫鹽過程，而統(tǒng)計(jì)分析方法主要在歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤脫鹽過程的預(yù)測(cè)。

采用生物措施、集雨措施和暗管排水結(jié)合的工程治理措施加速了研究區(qū)的脫鹽進(jìn)程，使土壤達(dá)到滿足植物生長(zhǎng)的鹽分標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間由27 a左右降至3～13 a，充分的說明了生物措施、集雨措施和暗管排水結(jié)合的工程治理措施在促進(jìn)自然脫鹽過程中的作用。這與張萬(wàn)均等[16]和毛建華等[19]提出的構(gòu)建“淺密式”暗管排水管網(wǎng)或物理-化學(xué)-生態(tài)綜合改良及植被構(gòu)建技術(shù)能夠加快脫鹽速率的結(jié)論一致，但以往研究是基于治理工程實(shí)際，并進(jìn)行土壤鹽分調(diào)查來說明治理措施的有效性，本研究通過數(shù)值模擬，從機(jī)理上揭示了治理措施促進(jìn)脫鹽的內(nèi)在原理，并充分的證明和量化了構(gòu)建完善的排水管網(wǎng)、增加雨水入滲和耐鹽植被在吹填工程脫鹽中的積極作用，能夠?yàn)楣こ桃?guī)劃設(shè)計(jì)提供更好的預(yù)測(cè)和分析支持。

4 結(jié) 論

圍海造陸區(qū)鹽分治理一直是中國(guó)填海造陸工程面臨的最普遍和最突出的問題之一，對(duì)其自然脫鹽過程、脫鹽速率及脫鹽歷時(shí)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)并采取有效措施進(jìn)行防控與治理，是圍海造陸區(qū)開展土地利用規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)效益分析和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的基礎(chǔ)。本文以臺(tái)州東部新區(qū)涂面整理工程為例，研究了該區(qū)域吹填土自然脫鹽過程和工程措施下的脫鹽過程，得到了以下主要結(jié)論：

1）DRAINMOD-S模型能夠較好的模擬出吹填土的水文變化過程和鹽分淋洗過程，可為圍海造陸工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、土地利用規(guī)劃管理、生態(tài)環(huán)境重構(gòu)等前期預(yù)測(cè)分析工作提供支持。

2）吹填土鹽分在自然降雨和規(guī)劃河道排水的綜合作用下整體呈緩慢下降的規(guī)律，年平均脫鹽速率為0.45 g/L左右，土壤達(dá)到滿足植物生長(zhǎng)的鹽分標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間約為27 a。

3）工程措施能夠極大縮短吹填土的脫鹽進(jìn)程，在生物措施和集雨措施的基礎(chǔ)上，采用本研究提出的25種排水系統(tǒng)組合，可將年平均脫鹽速率提高至0.73～1.8 g/L，脫鹽歷時(shí)縮短到3～13 a。工程措施使脫鹽速率提高了1.6～4.0倍，脫鹽歷時(shí)縮短了14～24 a。

本文主要研究了研究區(qū)土壤在自然和工程措施下的脫鹽過程，結(jié)果表明工程措施對(duì)吹填土壤脫鹽具有較大的促進(jìn)作用，但最佳的暗管排水組合的確定，還需要進(jìn)一步根據(jù)工程實(shí)際需要、投資回收期以及投資預(yù)算等多因素綜合分析；此外，區(qū)域地下水環(huán)境的淡化往往會(huì)對(duì)土壤的脫鹽過程有著深遠(yuǎn)的影響，因此，未來還需要進(jìn)一步明確區(qū)域地下水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有助于防止研究區(qū)土壤返鹽。

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Simulation of desalination process in dredger fill soil under natural and engineering measures

Li Shan1, Wang Qian1, Wu Miao1, Fang Wei2, Zhang Huping2, Yang Guanchuan2, Li Jingsi1

(1.-,,710048,; 2..,.,200120,)

Land reclamation has become an important way to take land from the sea or wetlands, in order to create much more living space in over-crowded coastal areas. However, there is serious soil salinization of hydraulic fill, where most offshore sediments are added into the surrounding seawater with a generally high salt content. The hydraulic fill project also causes the groundwater discharge path to be extended. These impacts have posed a great challenge on the efficiency of investment and the speed of ecological environmental recovery. Therefore, it is very necessary to accurately predict the desalination process, rate and duration for land use planning and ecological environment restoration in reclaiming coastal areas. Taking the coating finishing project in the eastern new area of Taizhou in Eastern China as a research area, a DRAINMOD-S model was extended to the simulation and prediction of natural desalination process in hydraulic reclamation. The hydrological and desalination process in the model were calibrated using the hydrological and salt data from the regional monitoring points after one year of reclamation. Two modes were selected to implement the field test, including the natural desalination and the specific desalination process under comprehensive control measures. In natural desalination, the salt of dredger fill under the rainfall was discharged from the soil along the drainage into the nearby river. In specific desalination, the comprehensive treatments were mainly composed of the water conservancy, supplemented by biological control measures, thereby to speed up the output of salt. The results show that the DRAINMOD-S model better simulated the hydrological process and the salt leaching of hydraulic fill. The variation of groundwater level was basically consistent with the measured value. Specifically, the average deviation was -3.40 cm, while the average absolute deviation was 6.90 cm, and the root mean square error was 8.60 cm and the correlation coefficient was 0.79, as well as, the average deviation of soil salt concentration was -0.08 g/L, while the average absolute deviation was 0.20 g/L, and the root mean square error was 0.24 g/L and the correlation coefficient was 0.91. The soil salt of hydraulic fill was slowly decreasing under the natural rainfall and river drainage, where the annual average desalination rate was 0.45 g/L, while, the duration for the soil to reach the desalination standard was about 27 a. In contrast, the comprehensive treatments greatly shortened the desalination of dredger fill, where the average annual desalination rate increased to 0.73-1.80 g/L, while the desalination time reduced to 3-13 a. As such, the comprehensive treatments can be technically feasible to rapidly leach and drain the salt. In theoretical case, the better leaching can be achieved in the deeper buried depth and the smaller distance between underground pipelines, but the investment cost would be relatively high. Therefore, an optimal strategy can be further selected to balance multiple factors, such as the actual needs of project and investment budgets. The proposed model can be expected to serve the preliminary prediction for the land-building projects, land use management, and ecological environment reconstruction.

models; soils; DRAINMOD-S; desalination rate; desalination time; salt control measures

李山，王倩，仵苗，等. 自然和工程措施條件下吹填土壤脫鹽過程模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(6)：91-98. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.012 http://www.tcsae.org

Li Shan, Wang Qian, Wu Miao, et al. Simulation of desalination process in dredger fill soil under natural and engineering measures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 91-98. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.012 http://www.tcsae.org

2020-11-10

2021-02-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51909209）；西安理工大學(xué)博士啟動(dòng)金（104/256081803）；臺(tái)州東部新區(qū)月湖壓鹽排堿工程吹填區(qū)排鹽技術(shù)研究（104/441219039）

李山，博士，講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水資源管理與環(huán)境保護(hù)。Email：shanli@xaut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.012

S278

A

1002-6819(2021)-06-0091-08