明溝排水洗鹽條件下土壤水鹽動(dòng)態(tài)模擬研究*

陳麗娟,馮起,張新民,劉蔚,蘇永紅,郭瑞,席海洋

(1.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,蘭州730000;2.甘肅省水利科學(xué)研究院,蘭州730000;3.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)

我國(guó)有鹽漬土面積約9 913萬(wàn)hm2,涉及范圍多達(dá)23個(gè)省、市、自治區(qū),具有分布范圍廣、含鹽成分復(fù)雜、含鹽量高、危害嚴(yán)重等特點(diǎn)[1]。研究土壤水鹽運(yùn)移對(duì)鹽漬土的改良有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。要想使農(nóng)作物生長(zhǎng)的土層中含鹽量保持在一定的限度內(nèi),就需要研究土壤水鹽在入滲、蒸發(fā)條件下的運(yùn)移過(guò)程及分布規(guī)律。目前對(duì)于鹽分在非飽和土層中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究,還少有涉及鹽分在明溝排水沖洗改良過(guò)程中的運(yùn)移規(guī)律及水鹽動(dòng)態(tài)的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)方法,無(wú)法用來(lái)指導(dǎo)鹽漬土改良過(guò)程中遇到的問(wèn)題[2-5],因此,必須在已有研究成果和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,緊密結(jié)合土壤鹽漬化的防治,對(duì)洗鹽過(guò)程中鹽分運(yùn)移理論作進(jìn)一步的探討和研究,為合理地確定土壤鹽堿化防治措施和田間水分管理提供科學(xué)依據(jù)。本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法,對(duì)明溝排水洗鹽條件下溝距一半處的土壤水鹽運(yùn)移動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究,并建立了區(qū)域洗鹽制度,其結(jié)論可以為鹽漬土的改良治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 土壤水鹽運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

明溝排水洗鹽多選擇農(nóng)田休閑期進(jìn)行,如忽略土壤溫度及溶質(zhì)對(duì)水輸運(yùn)過(guò)程的影響,不考慮作物根系吸水因素,以θ、h為變量的混合型土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型為

式中：θ——體積含水率;h——壓力水頭;h0(z)——初始?jí)毫λ^分布;K(h)——水力傳導(dǎo)度;Qp——供水強(qiáng)度或表土蒸發(fā)強(qiáng)度;ql(t)——凈排水通量,l——計(jì)算土層厚度。

作為土壤水分輸運(yùn)物質(zhì)的鹽分,忽略其在土壤中的化合與分解、溶解與沉淀及離子交換等影響,明溝排水洗鹽鹽分運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型為

式中：c——土壤溶質(zhì)濃度;D——水動(dòng)力彌散系數(shù);q——土壤水通量;J p——通過(guò)土壤表面的鹽分通量,入滲時(shí)為εcr,蒸發(fā)時(shí)為零;cl——下邊界土壤鹽分濃度。

2 模型驗(yàn)證

2.1 模擬方案的確定

2003年7月有關(guān)部門在疏勒河昌馬灌區(qū)進(jìn)行了明溝排水洗鹽試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)計(jì)見參考文獻(xiàn)[6],為監(jiān)測(cè)沖洗脫鹽效果,試驗(yàn)以4#排水溝中心為起點(diǎn)每間隔20 m設(shè)置了一個(gè)土壤鹽分監(jiān)測(cè)剖面,從監(jiān)測(cè)所得沖洗后土壤脫鹽率及含鹽量等值線圖(圖1)可以看出,在同一條田中,距排水溝近的區(qū)域脫鹽率高,脫鹽層厚,反之,則脫鹽率低,脫鹽層淺。對(duì)于水平方向含鹽量均勻的土壤,沖洗后脫鹽率與脫鹽深度均在溝距一半處最小,形成一谷值點(diǎn),并沿這一位置形成對(duì)稱分布。由此可見,溝距一半處的土壤水鹽運(yùn)移動(dòng)態(tài)及分布規(guī)律對(duì)明溝排水洗鹽具有較大的影響,很大程度上影響著沖洗脫鹽的整體效果。

明溝排水洗鹽的過(guò)程中,水流攜帶鹽分向排水溝的運(yùn)移為二維飽和-非飽和運(yùn)動(dòng),但在一般情況下,兩排水溝溝距一半處的非飽和帶土壤水鹽運(yùn)移可以近似地視為一維運(yùn)動(dòng)[7]。鑒于此,本文確定運(yùn)用數(shù)值模擬方法,僅對(duì)溝距一半處非飽和帶的土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究,并制定相應(yīng)的洗鹽制度。

圖1 沖洗后脫鹽率及含鹽量等值線圖

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

采用美國(guó)國(guó)家鹽改中心開發(fā)的HYDRUS軟件,同時(shí)進(jìn)行水分和鹽分的非遲滯模擬,土壤水分運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)見表1。取昌馬灌區(qū)明溝排水洗鹽試驗(yàn)中3#和4#排水溝(間距141.8 m)之間各監(jiān)測(cè)剖面實(shí)測(cè)洗鹽前后土壤含鹽量值進(jìn)行模型的率定,沖洗水量采用3#和4#排水溝所在六號(hào)條田實(shí)際灌水量。根據(jù)洗鹽期間實(shí)測(cè)地下水位變化過(guò)程,地下水位最高時(shí)位于地面以下0.8 m處,因此取模擬最大土層深度距地面以下1.2 m。模擬階段劃分壓力入滲和蒸發(fā)兩個(gè)過(guò)程,以累積入滲量達(dá)到各次灌溉水深所對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為劃分依據(jù),模擬結(jié)果如圖2所示。

表1 土壤水分運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)

從圖中可以看出,距排水溝60～80 m處模擬得到的土壤鹽分動(dòng)態(tài)過(guò)程與實(shí)際觀測(cè)得到的土壤鹽分動(dòng)態(tài)過(guò)程基本吻合,表明此模擬方案能反映明溝排水洗鹽溝距一半處的土壤水鹽動(dòng)態(tài)分布。

圖2 距排水溝60 m(A)和80 m(B)處含鹽量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3 模型的應(yīng)用

3.1 沖洗后土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化

土壤含水率分布是研究土壤含鹽量分布的基礎(chǔ)和前提,第一次沖洗后,表層0-30 cm土壤平均含水率增大至0.25 cm3/cm3(圖3),較飽和含水率小,且無(wú)論是濕潤(rùn)鋒向下移動(dòng)的深度還是鹽分含量的遞減均比較緩慢,至第五次沖洗后,表層土壤平均含水率0.30 cm3/cm3,含鹽量6.77%,脫鹽率24.24%,脫鹽率低,脫鹽效果不明顯。第六次沖洗后因昌馬西干渠停水修渠,試驗(yàn)灌水間隔了8 d,在入滲和蒸發(fā)雙重作用影響下含水率變化較大,飽和含水層延伸至40 cm土層,濕潤(rùn)鋒至100 cm土層。入滲水溶解表土所含固態(tài)鹽分和原有土壤溶液一并形成濃度較高的土壤溶液向下移動(dòng),鹽峰形成于35-45 cm處,含鹽量5.25%。由此可見,較長(zhǎng)的沖洗間隔時(shí)間,潛水蒸發(fā)導(dǎo)致的水分損失增大了土壤孔隙度,加快了水分向下入滲的速度,因此更有利于鹽分向深層土壤運(yùn)移。第十次沖洗后,耕作層0-50 cm土壤平均含水率達(dá)到0.34 cm3/cm3,含鹽量0.86%,形成一個(gè)鹽分淡化區(qū)域,土壤含鹽量隨著土壤水分下滲而減少,耕作層土壤液相儲(chǔ)鹽量下降,土壤鹽漬化程度明顯降低。整個(gè)沖洗過(guò)程中,從整個(gè)剖面來(lái)看,含鹽量的變化總是稍滯后于含水率的變化,并且從上到下鹽峰的形成越來(lái)越晚,移動(dòng)的速度越來(lái)越慢,由此可見,土壤脫鹽實(shí)際上是一個(gè)從上到下鹽分逐層傳遞的動(dòng)態(tài)過(guò)程,具有明顯的層次分異特征,土層越深,脫鹽越慢,難度越大。

圖3 各次灌水土壤含水率與含鹽量分布模擬

3.2 土壤返鹽情況分析

圖4 為沖洗后30 d和150 d土壤含鹽量分布情況,可以看出,沖洗后30 d土壤含鹽量仍然保持下降趨勢(shì),但隨著入滲水分的減少,鹽分運(yùn)移量逐漸減小。至沖洗后150 d,出現(xiàn)了不同程度的返鹽,0-30 cm土層含鹽量由沖洗后的0.74%增大到1.35%,返鹽率為45.1%。究其原因,連續(xù)灌水洗鹽導(dǎo)致地下水位不斷上升,強(qiáng)烈的潛水蒸發(fā)造成土壤嚴(yán)重返鹽,另外,在地下水位恢復(fù)灌水前的高度后,土壤含水量仍然較高,土面蒸發(fā)也會(huì)使淋濾到下層土壤中的鹽分重新上移,造成返鹽。

分析不同含鹽量剖面的返鹽率發(fā)現(xiàn),含鹽量與返鹽率之間存在顯著的相關(guān)性(圖5),0-30 cm脫鹽層、0-100 cm脫鹽層的返鹽率與含鹽量均符合冪函數(shù)關(guān)系,含鹽量較低時(shí),返鹽率較高,隨著含鹽量增高,返鹽率急劇下降。

圖4 沖洗后土壤含鹽量分布

3.3 洗鹽制度的確定

采用明溝排水沖洗改良的鹽漬土多為中、重鹽土,0-30 cm土層積鹽嚴(yán)重,土壤平均含鹽量為0-100 cm土層土壤平均含鹽量的2倍以上,在沖洗過(guò)程中,溝距一半處往往是脫鹽效果較差的區(qū)域,故沖洗定額的確定應(yīng)首先滿足該區(qū)域的計(jì)劃脫鹽標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)該試驗(yàn)區(qū)鹽漬土沖洗改良后大麥苗期受鹽害程度試驗(yàn)分析[4],播種前0-30 cm土層土壤平均含鹽量應(yīng)控制在1.3%以下,故按0-30 cm設(shè)計(jì)脫鹽層,脫鹽標(biāo)準(zhǔn)確定為1.15%,針對(duì)不同初始含鹽量設(shè)計(jì)沖洗方案進(jìn)行溝距一半處水鹽動(dòng)態(tài)模擬,制定出適合該區(qū)域不同含鹽量情況下明溝排水洗鹽制度見表2。

表2 洗鹽制度設(shè)計(jì)表

4 結(jié)論

圖5 0-30 cm脫鹽層返鹽率與含鹽量關(guān)系曲線

通過(guò)明溝排水洗鹽過(guò)程中溝距與脫鹽率關(guān)系的分析,以溝距一半處土壤水鹽動(dòng)態(tài)作為模擬研究的重點(diǎn),對(duì)洗鹽條件下土壤水鹽運(yùn)移模型進(jìn)行了驗(yàn)證,并就沖洗后土壤水鹽動(dòng)態(tài)及返鹽情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在明溝排水洗鹽的過(guò)程中,溝距一半處的沖洗脫鹽率與脫鹽深度最小,并沿這一位置形成對(duì)稱分布,因此可將該處土壤水鹽運(yùn)移視為一維運(yùn)動(dòng);整個(gè)沖洗過(guò)程中,含鹽量的變化總是稍滯后于含水率的變化,說(shuō)明土壤脫鹽實(shí)際上是一個(gè)從上到下鹽分逐層傳遞的動(dòng)態(tài)過(guò)程,具有明顯的層次分異特征;分析沖洗后不同含鹽量剖面的返鹽率發(fā)現(xiàn),返鹽率與含鹽量符合冪函數(shù)關(guān)系,含鹽量較低時(shí),返鹽率較高,反之亦然。在此基礎(chǔ)上,本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法制定了區(qū)域明溝排水洗鹽制度,對(duì)以試驗(yàn)為主的鹽漬土改良研究進(jìn)行了有益的探索和補(bǔ)充。

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