暗管間距和埋深對田間水鹽運(yùn)移變化的影響

張麗，焦平金，董勤各,4，陶園

暗管間距和埋深對田間水鹽運(yùn)移變化的影響

張麗1,3，焦平金2，董勤各1,3,4*，陶園2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國水利水電科學(xué)研究院 水利研究所，北京 100048；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

【目的】研究河套灌區(qū)漫灌模式下田間尺度不同暗管間距和埋深對土壤水鹽運(yùn)移特征的影響?！痉椒ā炕谔镩g監(jiān)測數(shù)據(jù)率定驗(yàn)證HYDRUS-2D模型，并模擬暗管埋深1.5 m下5種間距（5、15、25、50、100 m）與暗管間距25 m下5種埋深（0.6、1.0、1.5、2.0、2.5 m）下的排水排鹽量和土壤剖面水鹽時(shí)空分布特征?！窘Y(jié)果】①模型模擬水鹽變化的精度較高，土壤剖面水分和鹽分模擬結(jié)果的決定系數(shù)2分別為0.81和0.71，均方根誤差分別為0.038和0.026，納什系數(shù)分別為0.93和0.86。②累積排水量和排鹽量隨暗管間距減小和暗管埋深增加而增加，埋深1.5 m下暗管間距從100 m減至5 m排水總量增長了4.96倍，排鹽總量增長了5.06倍；暗管間距25 m下埋深從0.6 m增至2.5 m排水總量增長了64.24倍，排鹽總量增長了60.08倍。③土壤剖面含水率在排水期隨暗管間距減小和埋深增加而降低，土壤剖面含水率降幅隨時(shí)間增加而減??；土壤剖面含鹽量在非排水期隨暗管間距減小和埋深增加而降低，土壤剖面含鹽量降幅隨時(shí)間增加而增大。④水平方向，土壤含鹽量在非排水期隨水平距離的增加而增大，增幅隨暗管間距減小和埋深增大而減小。埋深1.5 m下暗管間距5 m與暗管間距100 m土壤含鹽量差異從暗管處的26.67%增加到暗管中間的39.88%，暗管間距25 m下埋深0.6 m與埋深2.5 m土壤含鹽量差異從暗管處的30.56%增加到暗管中間的50.39%；垂直方向，土壤含水率隨土層深度增加呈先增大后減小的“鐮刀”狀變化；排水初期土壤含鹽量隨土層深度的增加而增大，非排水期隨土層深度的增加而減小?！窘Y(jié)論】減少暗管間距和增加暗管埋深可有效提高暗管排水排鹽量并降低排水期的土壤剖面蓄水量和非排水期的土壤剖面積鹽量，初步認(rèn)為暗管間距在15～50 m，暗管埋深在1.0～2.0 m范圍內(nèi)作為河套灌區(qū)的暗管排水布設(shè)參數(shù)較為合適。

暗管排水；水鹽運(yùn)移；暗管間距；暗管埋深；HYDRUS-2D

0 引言

【研究意義】河套灌區(qū)是黃河中游的特大型灌區(qū)，也是我國重要的產(chǎn)糧基地[1]。由于降雨稀少和蒸發(fā)強(qiáng)烈[2]，河套灌區(qū)主要通過引黃灌溉來滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的用水和洗鹽需求，但年均47.03億m3的引水量顯著抬高了地下水位并加重了土壤次生鹽漬化程度[3]。通過加大春灌或秋澆灌水量淋洗土壤鹽分可緩解鹽害，卻進(jìn)一步抬升了地下水位，不僅造成水資源浪費(fèi)，又使土壤返鹽嚴(yán)重。隨著灌區(qū)一系列節(jié)水工程的實(shí)施，農(nóng)田地下水位有所下降，然而由于排水效果不佳，根區(qū)土壤仍處于積鹽狀態(tài)，發(fā)生土壤次生鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)仍然很大。因此加強(qiáng)排水、健全排灌配套體系是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)節(jié)水控鹽及可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。

【研究進(jìn)展】暗管排水是調(diào)控土壤水鹽、保證灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施，可排出土壤剖面中過多水分和鹽分，維持土壤透氣性。暗管間距和埋深是暗管布設(shè)的2個(gè)重要參數(shù)，暗管布設(shè)對土壤剖面水鹽的運(yùn)移具有顯著影響[5-6]。暗管間距對土壤鹽分淋洗的影響隨暗管間距減小而增大[7-8]。張潔等[9]研究發(fā)現(xiàn)，大棚土壤次生鹽漬化土壤中暗管埋深70 cm的土壤改良效果優(yōu)于埋深40 cm。水鹽運(yùn)移是指土壤中水鹽隨時(shí)空變化的過程，了解水分和鹽分在土壤中的分布和變化對灌區(qū)水管理和鹽漬化治理具有重要作用[10]。王振華等[8]研究表明，暗管中點(diǎn)位置處土壤脫鹽率最小。Moreno等[5]研究發(fā)現(xiàn)，暗管下方土壤脫鹽效果較好。在蒸發(fā)作用下土壤含水率整體呈緩慢降低趨勢[11]，土壤含鹽量整體上呈逐年加重趨勢[12]?！厩腥朦c(diǎn)】然而，上述研究僅從暗管間距或埋深方面分析暗管排水對土壤鹽分淋洗的影響，探討了土壤含水率和含鹽量的空間分布規(guī)律，但缺乏對多水平暗管間距和埋深共同作用下土壤水鹽時(shí)空運(yùn)移特征的系統(tǒng)研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，基于田間試驗(yàn)率定和驗(yàn)證模擬模型，構(gòu)建了多種暗管間距和埋深模擬情景，分析暗管排水驅(qū)動下向日葵田土壤水鹽運(yùn)移特征，并從時(shí)間與空間2個(gè)角度進(jìn)一步揭示不同暗管間距和埋深條件下土壤水鹽運(yùn)移機(jī)制，以豐富干旱半干旱地區(qū)農(nóng)田節(jié)水控鹽的技術(shù)體系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市五原縣義長試驗(yàn)站（107°37′19″—108°51′04″E，40°45′57″—41°17′58″N），平均海拔為1 092 m。該區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，降水稀少（年均降水量139～222 mm），蒸發(fā)強(qiáng)烈（年均蒸發(fā)量2 200～2 400 mm），凍融期較長，達(dá)180 d，平均凍土深度為1.1 m。年平均風(fēng)速為2.7 m/s；年平均氣溫為6.6～7.7 ℃；年平均日照時(shí)間為3 200 h，太陽輻射量多達(dá)6 200 MJ/m2。試驗(yàn)區(qū)的灌溉方式主要為大水漫灌，主要排水方式為明溝排水和暗管排水；主要種植作物有玉米和向日葵，作物生育期內(nèi)地下水埋深為0.52～2.20 m，地下水礦化度約為0.65 g/L。試驗(yàn)田土壤質(zhì)地為粉壤土，平均干體積質(zhì)量為1.50 g/cm3，田間持水率為0.23～0.29 cm3/cm3，土壤表層含鹽量高達(dá)15 g/kg左右，土壤屬于中度鹽漬土[10]。

試驗(yàn)區(qū)面積為3 000 m2，小區(qū)內(nèi)布設(shè)3根平行暗管，暗管間距50 m，暗管長均為20 m，埋深1.6 m，管徑75 mm的外包土工布透水管，坡降為0.002。試驗(yàn)進(jìn)行2 a，2019年試驗(yàn)區(qū)內(nèi)種植玉米，生育期內(nèi)進(jìn)行3次灌水，每次的灌水定額為2 000 m3/hm2；2020年試驗(yàn)區(qū)內(nèi)種植向日葵，生育期內(nèi)不灌水，在播種前進(jìn)行春灌，春灌定額2 300 m3/hm2，灌溉水電導(dǎo)率范圍為550～700 μS/cm。在生育期及各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采集土樣，測定土層深度為120 cm，測定土層為0～10、10～30、30～50、50～70、70～100、100～120 cm土樣，共6層。土壤含水率采用烘干法測量，先用電導(dǎo)率儀測定土壤標(biāo)準(zhǔn)液電導(dǎo)率再轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量，計(jì)算式為[13]：

1:5×0.003 2， （1）

式中：為全鹽量（g/kg）；1:5為土壤電導(dǎo)率（μS/cm）。

圖1 試驗(yàn)區(qū)降水量與蒸發(fā)量

1.2 二維土壤水鹽運(yùn)移模擬模型構(gòu)建

HYDRUS-2D是一種可用來模擬水流和溶質(zhì)在非飽和多孔隙介質(zhì)中運(yùn)移的數(shù)值模型[14]，輸入氣象、含水率和含鹽量等基本數(shù)據(jù)，可模擬土壤水鹽的時(shí)空變化特征。土壤水分運(yùn)移通過Richards方程來描述，土壤水力特性通過van Genuchten公式來描述，土壤鹽分運(yùn)移通過對流-彌散方程來描述。

2019年從第1次灌水前取土?xí)r（6月22日）開始模擬，模擬時(shí)長為玉米整個(gè)生育期共137 d，2020年從春灌前取土?xí)r（5月13日）開始模擬，模擬時(shí)長為向日葵整個(gè)生育期共166 d。模型模擬區(qū)域以及邊界條件見圖2，模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L50 m，寬30 m的矩形，模型實(shí)際模擬0～120 cm土層土壤水鹽變化特征。暗管位于區(qū)域中間，埋深1.6 m處，控制兩邊各25 m。由于需考慮降水、蒸發(fā)等影響土壤水分運(yùn)動的氣象因素，將土壤水分上邊界條件設(shè)為大氣邊界或變水頭邊界。當(dāng)灌水時(shí)，上邊界為變水頭邊界，當(dāng)灌水完全入滲，地表沒有積水后，上邊界變?yōu)榇髿膺吔纾话倒芴幵O(shè)為滲透面邊界；左、右邊界設(shè)為零通量邊界；下邊界遠(yuǎn)低于地下水位，視下邊界基本不與地下水發(fā)生水分運(yùn)移和溶質(zhì)運(yùn)移，視為具有不透水性，因此將下邊界也視為零通量邊界。土壤溶質(zhì)運(yùn)移邊界條件與水分運(yùn)移邊界條件相對應(yīng)，左、右邊界及下邊界為零通量邊界，上邊界和暗管處為第三類邊界條件。

圖2 試驗(yàn)區(qū)模型邊界條件

表1 土壤類型及水力特性參數(shù)

注r為殘余土壤含水率（cm3/cm3）；s為飽和土壤含水率（cm3/cm3）；為土壤水分特征曲線擬合參數(shù)；s為飽和導(dǎo)水率（cm/d）；為孔隙連通性參數(shù)。

1.3 模型率定與驗(yàn)證

采用決定系數(shù)（2）、均方根誤差（）和納什系數(shù)（）3個(gè)指標(biāo)來評價(jià)模型的模擬結(jié)果。2和越接近于1，越接近于0，模擬精度越高，一般認(rèn)為2在0.5以上達(dá)到率定要求[15]。

本研究利用2019年玉米整個(gè)生育期土壤水鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的率定，將模擬值與實(shí)測值進(jìn)行擬合，調(diào)整參數(shù)，土壤物理參數(shù)見表1，土壤溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)參考文獻(xiàn)[16]確定，縱向彌散度（L）為79 cm，橫向彌散度（T）為2 cm，并用2020年的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。2019年生育期土壤水分和鹽分的模擬值與實(shí)測值的2分別為0.78、0.70，分別為0.03、0.03，分別為0.93、0.85；2020年生育期土壤水分和鹽分模擬值與實(shí)測值的2分別為0.81、0.71，分別為0.04、0.03，分別為0.93、0.86。2019年和2020年土壤水鹽模擬值與實(shí)測值的2和均較大（接近1）均較?。ń咏?）。表明二者之間一致性較好，模型可靠，滿足模擬精度要求。上述結(jié)果表明，HYDRUS-2D模型可以較好地模擬土壤水分和鹽分運(yùn)動，反映田間土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律。

1.4 模擬方案

為探索不同暗管間距和埋深下土壤水鹽的動態(tài)變化規(guī)律，本研究設(shè)置了暗管埋深1.5 m下5種暗管間距（5、15、25、50、100 m），以及暗管間距25 m下5種暗管埋深（0.6、1.0、1.5、2.0、2.5 m）。采用2020年數(shù)據(jù)來進(jìn)行情景模擬。模型輸入?yún)?shù)與率定的水分和鹽分參數(shù)相同，初始含水率采用原先各土層土壤含水率平均值，初始含鹽量采用原先各土層土壤含鹽量平均值，邊界條件不變。種植作物、灌溉制度和氣象參數(shù)等均與2020年保持一致。

2 結(jié)果與分析

2.1 暗管間距對排水排鹽的影響

暗管埋深1.5 m下不同暗管間距對土壤累積排水量、累積排鹽量和累積灌水量的影響如圖3所示。由圖3可見，累積排水量和累積排鹽量均隨暗管間距的增大而減小。間距5 m暗管單位面積累積排水量最大為60.80 mm，分別是間距15、25、50、100 m暗管累積排水量的1.42、1.87、3.18、5.96倍；間距5 m暗管單位面積累積排鹽量最大為273.7g/m2，分別是間距15、25、50、100 m暗管的1.43、1.88、3.22、6.06倍。不同暗管間距處理均從第3天（灌水當(dāng)天）開始排水排鹽，初始排水階段排水量和排鹽量均呈爆發(fā)式增長，尤其暗管間距5、15 m更為明顯。經(jīng)歷一段時(shí)間后，排水速率、排鹽速率逐漸減小，最終達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)停止排水和排鹽。暗管間距5、15、25、50、100 m處理灌后農(nóng)田爆發(fā)式排水排鹽持續(xù)時(shí)間分別為11、15、18、20、22 d。

圖3 模型率定與驗(yàn)證結(jié)果

2.2 暗管埋深對排水排鹽的影響

暗管間距25 m下不同暗管埋深對土壤累積排水量、累積排鹽量和累積灌水量的影響如圖4所示。由圖4可知，累積排水量和累積排鹽量隨暗管埋深的增大而增加。埋深2.5 m暗管累積排水量最大為163.10 mm，分別是埋深0.6、1.0、1.5、2.0 m暗管的65.24、16.47、5.00、1.96倍；埋深2.5 m暗管單位面積累積排鹽量最大為710.72 g/m2，分別是埋深0.6、1.0、1.5、2.0 m暗管單位面積累積排鹽量的61.80、15.62、4.89、1.94倍。不同暗管埋深處理開始排水時(shí)間不同，埋深2.0 m以下暗管從第3天（灌水當(dāng)天）開始排水排鹽，排水歷時(shí)均在25 d以內(nèi)，而埋深2.0、2.5 m暗管從第1天就開始排水排鹽，排水歷時(shí)高達(dá)43、79 d?？梢?，與暗管間距相比，排水時(shí)間受暗管埋深和地下水位影響更大。因此以暗管埋深為1.5 m時(shí)各暗管間距處理下最長排水時(shí)間為臨界時(shí)間，灌水后開始排水至排水結(jié)束期間（第3～第25天）稱為排水期，排水結(jié)束后至生育期結(jié)束期間（第25～第166天）稱為非排水期。

圖4 不同暗管間距對累積排水量、累積排鹽量、累積灌水量的影響

圖5 不同暗管埋深對累積排水量、累積排鹽量、累積灌水量的影響

2.3 暗管間距對土壤剖面水鹽時(shí)空分布的影響

2.3.1 土壤剖面含水率

暗管埋深1.5 m時(shí)，不同時(shí)期不同暗管間距下0～120 cm土層土壤含水率變化如圖6和圖7所示。從時(shí)間上看，整個(gè)生育期內(nèi)，不同處理的土壤剖面含水率整體均呈下降趨勢，土壤整個(gè)剖面含水率在不同暗管間距下的差異也隨時(shí)間推進(jìn)逐漸縮小，暗管間距5 m與暗管間距100 m之間的土壤整個(gè)剖面含水率，差異在生育期開始時(shí)為9.16%，生育期結(jié)束時(shí)為0。

從空間上看，不同暗管間距下排水期（第3～第25天）土壤剖面含水率空間分布差異明顯，土壤剖面含水率與暗管間距正相關(guān)。水平方向，排水初期（第5天），雖然不同暗管間距下土壤剖面含水率上層差異較大，但其差異基本上不隨距暗管距離變化而變化（除暗管處），與暗管間距5 m相比，暗管間距100 m表層土壤含水率增加9.16%。排水末期（第25天），不同暗管間距間下層土壤含水率差異較大，與暗管間距5 m相比，暗管間距100 m下層土壤含水率增加4.57%。非排水期（第25～第127天），不同暗管間距下土壤含水率無顯著差異，其根區(qū)平均土壤含水率約為0.23cm3/cm3。垂直方向，隨著土層深度的增加，土壤剖面含水率均呈先增大后減小的變化趨勢，排水初期土壤含水率在50 cm土層深度處最大，為0.45 cm3/cm3，之后土壤含水率在70 cm土層深度最大，為0.39 cm3/cm3。

圖6 不同暗管間距各土層土壤含水率隨時(shí)間變化

圖7 第5天不同暗管間距下土壤含水率隨距暗管水平距離變化（L指2根暗管之間的距離）

2.3.2 土壤剖面含鹽量

暗管埋深1.5 m時(shí)，不同時(shí)期不同暗管間距下0～120 cm土層土壤含鹽量變化如圖8和圖9所示。從時(shí)間上看，整個(gè)生育期內(nèi)，不同處理下的土壤剖面含鹽量整體呈上升趨勢，土壤整個(gè)剖面含鹽量在不同暗管間距處理間的差異也隨時(shí)間推進(jìn)逐漸增大；隨生育進(jìn)程推進(jìn)，暗管間距5 m與暗管間距100 m處理之間的土壤剖面含鹽量差異最大達(dá)到55.16%。各暗管間距下土壤含鹽量差異先在土壤表層顯現(xiàn)，而后逐漸轉(zhuǎn)移至下層。

從空間上看，不同暗管間距下土壤含鹽量空間分布在非排水期差異明顯，土壤剖面含鹽量與暗管間距正相關(guān)。第127天成熟時(shí)，與暗管間距5 m相比，暗管間距100 m土壤整個(gè)剖面平均含鹽量增加39.88%。水平方向上，隨著距暗管水平距離的增加不同暗管間距間土壤含鹽量差異增大，土壤剖面含鹽量也增大，暗管間距5 m與暗管間距100 m土壤含鹽量差異從暗管處的26.67%增加到距暗管/2處的39.88%。垂直方向，隨著土層深度增加，土壤剖面含鹽量在非排水期均呈逐漸降低的趨勢，且土壤含鹽量在不同暗管間距間的差異也隨土層深度的增加逐漸減小，0～10 cm土層土壤含鹽量差異最大，100～120 cm差異最小。

圖8 不同暗管間距各土層土壤含鹽量隨時(shí)間變化

2.4 暗管埋深對土壤剖面水鹽時(shí)空分布的影響

2.4.1 土壤剖面含水率

暗管間距25 m時(shí)，不同時(shí)期不同暗管埋深下0～120 cm土層土壤含水率變化如圖10和圖11所示。從時(shí)間上看，整個(gè)生育期內(nèi)，不同處理的土壤剖面含水率整體呈下降趨勢，整個(gè)土壤剖面含水率在不同暗管埋深處理間的差異也隨時(shí)間推進(jìn)逐漸減小，暗管埋深0.6 m處理與暗管埋深2.5 m處理的土壤剖面含水率差異在生育期開始時(shí)為7.69%，生育期結(jié)束時(shí)為0.12%。排水初期上層差異較大，與暗管埋深0.6 m處理相比，暗管埋深2.5 m處理表層含水率降低7.69%。排水第25～第127天，不同暗管埋深處理間土壤剖面含水率差異主要在70～120 cm處顯現(xiàn)，與暗管埋深0.6 m處理相比，暗管埋深2.5 m處理的下層土壤平均含水率降低4.35%。

從空間上看，不同暗管埋深下土壤含水率空間分布差異明顯，土壤剖面含水率與暗管埋深負(fù)相關(guān)。第5天，與暗管埋深0.6 m處理相比，暗管埋深2.5 m處理土壤剖面平均含水率降低4.55%。在水平方向，排水初期隨距暗管水平距離的增加不同暗管埋深處理間土壤含水率差異逐漸減小，暗管埋深0.6 m處理與埋深2.5 m處理土壤剖面平均含水率差異從暗管處的7.69%減小到距暗管/2處的4.95%。垂直方向，隨著土層深度的增加，土壤剖面含水率均呈先增大后減小的規(guī)律，排水初期50 cm土層土壤含水率最大，達(dá)到0.45 cm3/cm3，之后土壤含水率在70 cm土層最大，達(dá)到0.39 cm3/cm3。

圖11 第5天不同暗管埋深下土壤含水率隨距暗管水平距離變化

2.4.2 土壤剖面含鹽量

暗管間距25 m時(shí)，不同時(shí)期不同暗管埋深下0～120 cm土層土壤含鹽量變化如圖12和圖13所示。從時(shí)間上看，整個(gè)生育期內(nèi)，不同暗管埋深處理土壤剖面含鹽量整體呈上升趨勢，不同土層土壤含鹽量在不同暗管埋深間的差異也隨時(shí)間推進(jìn)逐漸增加；隨著作物生育進(jìn)程推進(jìn)，暗管埋深0.6 m處理與暗管埋深2.5 m處理土壤剖面平均含鹽量差異最大達(dá)到50.39%，且各暗管埋深處理間土壤含鹽量差異均呈上層大于下層的規(guī)律。第127天成熟時(shí)，距暗管/2處埋深2.5、0.6 m處理暗管的上層土壤含鹽量差異比下層大33.92%。

從空間上看，不同暗管埋深下土壤含鹽量空間分布在非排水期差異明顯。土壤剖面含鹽量與暗管埋深負(fù)相關(guān)，第127天，與暗管埋深0.6 m處理相比，暗管埋深2.5 m處理土壤剖面平均含鹽量降低23.53%。非排水期，水平方向上，隨著距暗管水平距離的增加土壤剖面含鹽量均值增加，不同暗管埋深處理間土壤剖面含鹽量差異越大。第127天，暗管埋深0.6 m處理與暗管埋深2.5 m處理土壤剖面平均含鹽量差異從暗管處的30.56%增加到距暗管/2處的50.39%。垂直方向上，土壤剖面含鹽量隨土層深度的增加而減小，且不同暗管埋深下土壤上層（0～50 cm）含鹽量之間的差異大于土壤下層（50～120 cm）。

圖12 不同暗管埋深下各土層土壤含鹽量隨時(shí)間變化

圖13 第127天不同暗管埋深下土壤含鹽量隨距暗管水平距離變化

3 討論

3.1 暗管間距和暗管埋深對排水排鹽的影響

暗管排水可以排出農(nóng)田多余的水分，抑制地下水位的抬升[17]，也可以排出土壤中過高的鹽分，改良鹽漬化土壤[18]。暗管間距和暗管埋深作為暗管排水2個(gè)重要的布設(shè)參數(shù)，對農(nóng)田排水和排鹽具有顯著影響[6]。本研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田排水量和排鹽量與暗管間距成反比，暗管埋深1.5 m下暗管間距從100 m減至5 m但排水總量增長了4.96倍，排鹽總量增長了5.06倍；農(nóng)田排水量和排鹽量與暗管埋深成正比，暗管間距25 m下埋深從0.6 m增至2.5 m排水總量增長了64.24倍，排鹽總量增長了60.08倍。這與張金龍等[19]的研究結(jié)論相一致。暗管間距較小時(shí)，灌溉水入滲強(qiáng)度較大，排水排鹽效率也較高；另一方面暗管間距較小時(shí)土壤水鹽的運(yùn)移距離縮短，更易隨暗管排出[7]，所以暗管間距越小，排水量和排鹽量越大。暗管埋深較大時(shí)，水分在土壤中運(yùn)移時(shí)間較長，經(jīng)暗管排出時(shí)帶出較多的鹽分，所以排水排鹽量大。王振華等[8]通過滴灌淋洗試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，排水時(shí)間與暗管間距成正比，土壤脫鹽淋洗效率與暗管間距成反比，暗管間距15、20、25 m小區(qū)分別持續(xù)排水76、78、84 h。與王振華等[8]研究相比，本試驗(yàn)排水歷時(shí)較長，一方面可能是因?yàn)楸疚牡耐寥蕾|(zhì)地和灌溉方式與其不同，且本文灌溉量較大；另一方面在相同暗管間距下，本研究暗管埋深較深，排水排鹽量較多，所以排水持續(xù)時(shí)間較長。因此，進(jìn)行農(nóng)田暗管排水試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用較小的暗管間距和較大的暗管布設(shè)深度。

3.2 暗管間距和暗管埋深對土壤水鹽空間變化的影響

在空間上不同暗管間距和暗管埋深下土壤剖面含水率和含鹽量均有明顯差異。在水平方向上，排水初期（第5天）暗管處土壤剖面含水率較小，在0.38～0.44 cm3/cm3之間。這可能是因?yàn)榘倒芴幩畡恿^強(qiáng)，水分向暗管處運(yùn)移速度較快，造成了土壤剖面含水率較小[20]。非排水期土壤剖面含鹽量與暗管水平距離成正比，且隨著水平距離的增加，不同暗管間距和暗管埋深處理間土壤剖面含鹽量差異也越大，土壤剖面含鹽量差異隨暗管間距減小和暗管埋深增大而減小。距暗管水平距離越遠(yuǎn)，暗管控制效果越差，土壤水分入滲速度慢，鹽分淋洗效果差，鹽分向暗管處運(yùn)移的時(shí)間也較長[21]。

從垂直方向上看，土壤含水率隨土層深度增加呈先增大后減小的“鐮刀”狀變化。排水初期土壤含水率在50 cm土層深度處最大，排水末期及之后最大值下移至70 cm土層深度處。與本研究結(jié)果不同，石培君等[22]通過滴灌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同暗管間距下的土壤含水率均隨土層深度增加而增大，在80 cm土層內(nèi)土壤含水率幾乎接近飽和狀態(tài)。造成這種差異的原因可能是漫灌與滴灌模式下濕潤鋒的運(yùn)移不同，漫灌易產(chǎn)生某土層含水率較高的濕潤峰。灌水后上層水分向下層土壤運(yùn)移，而下層水分又向暗管處運(yùn)移導(dǎo)致土層50～70 cm處土壤含水率較大。排水初期土壤含鹽量隨土層深度的增加而增大且不受暗管間距和暗管埋深的變化影響，非排水期土壤含鹽量隨土層深度的增加而減小，土壤含鹽量降幅隨暗管間距減小和暗管埋深增加而減小。排水初期由于剛灌溉完土壤剖面鹽分得到了充分淋洗導(dǎo)致土壤含鹽量較小，在0.6～1.2 g/kg之間；而非排水期間灌溉水分入滲完畢后，在蒸發(fā)的作用下土壤剖面鹽分逐漸向表層聚集出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象[23]，導(dǎo)致土壤含鹽量較大，土壤表層含鹽量高達(dá)4.0 g/kg。

3.3 暗管間距和暗管埋深對土壤水鹽時(shí)間變化的影響

眾多學(xué)者研究反映了不同暗管間距和暗管埋深對土壤水鹽空間分布的影響[20-23]，但土壤水鹽在不同暗管間距和暗管埋深下時(shí)間上的差異研究鮮有涉及。而本研究發(fā)現(xiàn)，不同暗管間距和暗管埋深下土壤剖面水鹽分布隨時(shí)間變化差異顯著。不同暗管間距和暗管埋深下的土壤含水率差異在排水期隨暗管間距減小和暗管埋深增大而減小，土壤含水率降幅隨時(shí)間推進(jìn)而減小，排水初期上層土壤含水率降幅較大，排水末期下層土壤含水率降幅較大，非排水期間無明顯差異。排水初期土壤剖面含水率迅速增大，不同暗管間距和暗管埋深下土壤水動力強(qiáng)度不同造成了上層土壤含水率差異大[20]，排水末期水分已完全入滲，此時(shí)水分均向暗管處運(yùn)移造成了下層的土壤含水率差異較大[24]，隨時(shí)間推進(jìn)蒸發(fā)蒸騰作用效果增強(qiáng)，土壤剖面含水率逐漸下降，不同暗管間距和暗管埋深處理間的含水率差異也逐漸減小。與土壤剖面含水率的時(shí)間變化相反，土壤剖面含鹽量在整個(gè)生育期內(nèi)隨時(shí)間的增加而增大，不同暗管間距和暗管埋深下的土壤含鹽量差異在非排水期隨暗管間距減小和暗管埋深增大而減小，土壤含鹽量降幅隨時(shí)間增加而增大，且上層降幅大于下層，排水期間差異不明顯。這是由于本試驗(yàn)采用大水漫灌灌水量較大，灌溉后土壤鹽分得到了充分淋洗導(dǎo)致排水期間不同暗管間距和暗管埋深處理間的土壤含鹽量之間無明顯差異且數(shù)值較小，而隨著時(shí)間推進(jìn)蒸發(fā)強(qiáng)度也增大，土壤下層鹽分在毛管力的作用下向上遷移導(dǎo)致土壤含鹽量逐漸增大且上層含鹽量之間的差異也逐漸增大[25]。

綜上可知，不同暗管間距和暗管埋深處理間的土壤含水率和含鹽量差異變幅均隨暗管間距增大和暗管埋深減小而增大，暗管間距越大，排水排鹽效果相對較差，暗管排出的水鹽較少，更多的水分保留在田間，所以導(dǎo)致暗管間距越大土壤剖面含水率和含鹽量越大[20]，土壤含水率和含鹽量的變幅也與暗管間距成正比。因此，減小暗管間距可以提高淋洗效果，降低土壤剖面含鹽量。暗管埋深較大時(shí)，水分在土壤剖面滯留的時(shí)間較長，土壤鹽分得到了充分淋洗；土壤排水量較大，導(dǎo)致暗管埋深大時(shí)土壤剖面含水率和含鹽量較小。另一方面是因?yàn)榘倒苈裆畲髸r(shí)，地下水位較高，導(dǎo)致蒸發(fā)作用減弱，土壤剖面含鹽量減小[26]，所以不同暗管埋深處理間的土壤含水率和含鹽量變幅隨暗管埋深增大而減小[27]。本文通過情景模擬還發(fā)現(xiàn)，暗管間距50 m處理與暗管間距100 m處理之間的土壤含水率差異變幅較小，僅為0.23%，說明暗管間距超過一定閾值時(shí)，對土壤含水率的影響并不明顯。暗管埋深0.6 m處理與暗管埋深1.0 m處理之間土壤含水率差異變幅較小，僅為0.29%，說明暗管埋深小于一定深度時(shí)，對土壤含水率影響也不顯著。因此，綜合考慮不同暗管間距和暗管埋深對土壤剖面水鹽分布情況及排水排鹽情況的影響，結(jié)合田間實(shí)際施工成本，初步認(rèn)為暗管間距在15～50 m，埋深在1.0～2.0 m范圍內(nèi)作為河套灌區(qū)的暗管排水布設(shè)參數(shù)較為合適。

4 結(jié)論

1）累積排水量、累積排鹽量與暗管間距成反比，與暗管埋深成正比。各暗管間距和暗管埋深下的累積排水排鹽量在排水初期均呈爆發(fā)式增長，隨后達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)直至排水停止。

2）土壤剖面含水率在排水期隨暗管間距減小和暗管埋深增大而減小，土壤剖面含水率降幅隨時(shí)間增加而減小。排水初期上層土壤含水率降幅大，排水末期下層土壤含水率降幅大。土壤含鹽量在非排水期隨暗管間距減小和暗管埋深增大而減小，土壤含鹽量降幅隨時(shí)間增加而增大，上層土壤含鹽量降幅大于下層。

3）水平方向土壤含水率差異不明顯，土壤含鹽量在非排水期隨距暗管水平距離的增加而增大。垂直方向，排水初期土壤含水率隨土層深度增加呈先增大后減小的趨勢，土壤含水率變幅隨暗管間距減小和暗管埋深增大而減小，排水末期及之后土壤含水率最大值下移且變幅減?。慌潘跗谕寥篮}量隨土層深度的增加而增大且不受暗管間距和暗管埋深影響，非排水期隨土層深度的增加而減小，土壤含鹽量變幅隨暗管間距減小和暗管埋深增大而減小。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突）

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Effects of Spacing and Depth of Subsurface Drain on Water and Salt Transport in the Field

ZHANG Li1,3, JIAO Pingjin2, DONG Qin’ge1,3,4*, TAO Yuan2

(1. College of Water Resource and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2. Institute of Water Conservancy, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 3. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid Areas, Ministry of Education, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 4. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

【Objective】Subsurface drains are commonly used in drainage system. This paper investigates the effect of their spacing and depth on water movement and salt transport in field soil under flood irrigation in Hetao Irrigation District.【Method】The study was based on data measured from a field, which were used to calibrate the HYDRAS-2D model. The validated model was then used to predict spatiotemporal changes in water flow and salt transport when the drain depth was 1.5m by varying the drain spacing from 5 to 100 m, and when the drain spacing was 25 m by varying the drain depth from 0.6 to 2.5 m.【Result】①The model is accurate for simulating both water flow and salt transport, with the coefficient of determination2for soil profile moisture and salinity being 0.81 and 0.71, theerror being 0.038 and 0.026, and the Nash coefficientbeing 0.93 and 0.86, respectively. ②The cumulative displacement and salt discharge increased with the decrease in drain spacing and the increase in drain depth. When the drain depth was 1.5 m, decreasing drain spacing from 100m to 5m increased total drainage by 4.96 times and increased the salt discharge by 5.06 times. When drain spacing was 25 m, increasing drain depth from 0.6 m to 2.5 m increased the total drainage by 64.24 times, and the total salt discharge by 60.08 times. ③The water content in the soil profile decreased with the decrease in drain spacing and drain depth during the drainage period, and the decrease decreased as time elapsed. The salt content in the soil profile decreased with the decrease in drain spacing and depth in non-drainage period, and the decrease increased as time elapsed. ④Horizontally, salt content in the soil increased with the increase in the distance from the drain in non-drainage period, and the increase decreased with an decrease in drain spacing and an increase in drain depth. When drain depth was 1.5 m, the difference in soil salinity between the drain spacing 5 m and 100 m increased from 26.67% in the region proximal to the drains to 39.88% in the middle of the drains. When the drain spacing was 25 m, the difference in soil salinity between the drain depth 0.6 m and 2.5 m increased from 30.56% in the region adjacent to the drain to 50.39% in the middle of the drains. Vertically, soil water content varied in a “sickle” shape with the increase in soil depth. The initial drainage of salt increased with the increase in drain depth, while in non-drainage period it decreased with the increase in drain depth.【Conclusion】Reducing drain spacing or increasing drain depth can improve the drainage and salt discharge, thereby reducing water storage in soil profile during drainage period and soil salt content during non-drainage period. Our results suggested that the optimal drain spacing was 15～50 m and the drain depth was 1.0～2.0 m for Hetao irrigation district.

subsurface pipe drainage; water and salt transport; subsurface pipe spacing; subsurface pipe buried deep; HYDRUS-2D

1672 - 3317（2023）09 - 0092 - 10

S276

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022681

張麗, 焦平金, 董勤各, 等. 暗管間距和埋深對田間水鹽運(yùn)移變化的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(9): 92-101.

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2022-12-08

2023-05-09

2023-09-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52179054）

張麗（1997-），女。碩士研究生，主要從事農(nóng)田排水與鹽堿地治理研究。E-mail: 1430519575@qq.com

董勤各（1982-），男。副研究員，主要從事節(jié)水灌溉方法與技術(shù)、土壤水鹽運(yùn)移調(diào)控與模擬研究。E-mail:qgdong2011@163.com

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：白芳芳