新疆恰拉水庫下游土壤水鹽運移數(shù)值模擬

王芹芹

（新疆昌源水務(wù)集團(tuán)阜源有限公司，新疆 阜康 831500）

新疆恰拉水庫下游土壤水鹽運移數(shù)值模擬

王芹芹

（新疆昌源水務(wù)集團(tuán)阜源有限公司，新疆 阜康 831500）

以新疆尉犁縣恰拉水庫下游荒地為研究對象，分析荒地土壤水鹽的運移機(jī)理。根據(jù)野外監(jiān)測資料和室內(nèi)數(shù)據(jù)的機(jī)理分析，選取典型剖面進(jìn)行土壤水鹽運移規(guī)律模擬，并在此基礎(chǔ)上運用數(shù)值模擬對土壤剖面水鹽分布及不同地下水因素進(jìn)行了預(yù)測。模擬結(jié)果表明：在強(qiáng)烈的蒸發(fā)條件下，土壤鹽分在0～20cm表土層內(nèi)積累最為明顯；在不同地下水環(huán)境值預(yù)測中，地下水埋深在1.8m時全年積鹽期0～40cm土層平均含鹽量17.03g/L，較3.5m地下水埋深14.78g/L高15.22%；40g/L的地下水礦化度水在全年的積鹽期0～80cm土層平均含鹽量6.35g/L，比 5g/L處理5.86g/L高8.36%。增大地下水埋深和降低地下水礦化度值，以減少土壤中的積鹽量。

荒地；水鹽運移；生態(tài)環(huán)境；HYDRUS-1D模型

平原水庫蓄水后，隨著庫水位的上升，回水面積增大，庫水充滿庫底和庫邊巖土體的空隙，庫周地下水位隨之壅高。當(dāng)庫水位上升到高于庫周地下水分水嶺高程時，庫水往往將通過松散巖土層的空隙，產(chǎn)生壩基滲漏，向鄰谷洼地或壩下游等低地排泄［1］。

隨著滲漏量的增加，庫區(qū)周圍的地下水水位也隨著上升，造成水庫周圍及下游土壤浸沒、濕陷、沼澤化、鹽堿化和地下水咸化等生態(tài)環(huán)境問題，導(dǎo)致庫區(qū)周圍植被破壞或耕地減產(chǎn)甚至荒漠化，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)浪費。

水庫附近地下水位上升引起的小區(qū)域土壤水鹽動態(tài)變化的研究，對于區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的實踐意義。

國內(nèi)外關(guān)于干旱區(qū)土壤水鹽運移和鹽漬化的研究已有很多成果，但多集中于耕地中［2-8］，而針對無灌溉和植被稀疏的荒地研究并不多見。

本文將HYDRUS-1D模型應(yīng)用于恰拉水庫周邊鹽漬化荒地土壤，研究荒地土壤鹽分變化特征，模擬荒地土壤與地下水之間水分及鹽分的交換運移規(guī)律，研究結(jié)果可用于干旱、半干旱地區(qū)鹽漬化發(fā)生的區(qū)域，對進(jìn)一步探討合理土地防治鹽堿化技術(shù)具有實際應(yīng)用意義。通過HYDRUS-1D軟件數(shù)值模擬確定出該地區(qū)水鹽運移的參數(shù)，為該地區(qū)土壤鹽堿地的改良提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆天山南麓、塔里木盆地東北邊緣，塔河下游“綠色走廊”上段恰拉區(qū)域，巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣境內(nèi)的恰拉水庫，距尉犁縣城50km，距庫爾勒市120km。荒地水鹽運移屬于垂向蒸發(fā)型。強(qiáng)烈的蒸發(fā)是土壤中水鹽向上運動的驅(qū)動力，荒地中的鹽分隨水分不斷向上運動，當(dāng)水分蒸發(fā)后，其所攜帶的鹽分便積聚在土壤表層形成土壤積鹽。

研究區(qū)以垂直大壩20+450處方向上布設(shè)一條監(jiān)測斷面，在該斷面上設(shè)置5眼監(jiān)測井，距大壩距離分別為 50m（編號 QL1）、100m（編號 QL2）、300m（編號 QL3）、500m（編號 QL4）和 1000m（編號 QL5），用以監(jiān)測地下水埋深、地下水礦化度、剖面分層土壤含鹽量和含水量。監(jiān)測時間為2011年8～11月、2012年5～11月，共計11個月?；牡貎?nèi)年平均地下水埋深0.37～1.29m，最深 1.54m（2012年 9月 QL5點）、最淺0.25m（2012年11月QL1點）。地下水埋深淺，蒸發(fā)強(qiáng)烈，是土壤鹽漬化發(fā)育的典型地區(qū)。

1.2 模型的建立

1.2.1 水分運動基本方程

HYDRUS-1D模型中水流運動的控制方程為一維垂向飽和—非飽和土壤中水分運動方程（Richards方程）描述，其數(shù)學(xué)模型為：

式中 θ為土壤體積含水率（%）；h為土壤水分負(fù)壓（cm）；z為垂直坐標(biāo)，取向下為正，表示土壤深度（cm）；K 為非飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)（cm/d）。

1.2.2 鹽分運動基本方程

模型中飽和—非飽和多孔介質(zhì)中非穩(wěn)定流溶質(zhì)運移的一維對流—彌散方程為［9］：

式中 c為土壤溶液中溶質(zhì)濃度（mg/cm3）；s為吸附在土壤顆粒上的固態(tài)溶質(zhì)濃度（mg/cm3）；ρ為土壤干容重（g/cm3）；q 為流速（cm/d）；μw和 μs分別為液態(tài)和固態(tài)溶質(zhì)的一階反應(yīng)速率常數(shù)；γw和γs分別為液態(tài)和固態(tài)溶質(zhì)的零階反應(yīng)速率常數(shù)；S為水流方程的源匯項（d-1）；cs為源匯項的溶質(zhì)濃度（mg/cm3）；D 為飽和—非飽和水動力彌散系數(shù)（cm2/d）。

1.2.3 土壤水分運移的初始條件與邊界條件

土壤水分運移方程為：

式中 h0為初始土壤剖面負(fù)壓水頭 （cm）；ε為垂向水流交換強(qiáng)度（cm/d）［10］。

1.2.4 土壤鹽分運移的初始條件與邊界條件

土壤鹽分運移方程為：

式中 ε1為蒸發(fā)強(qiáng)度（cm/d）；c0為初始土壤剖面溶質(zhì)質(zhì)量濃度分布（mg/cm3）；cm為土壤溶液溶質(zhì)飽和質(zhì)量濃度（mg/cm3）；cd為地下水礦化度（mg/cm3）。

1.3 單元劃分

研究區(qū)地下水埋深均較淺，選取模擬深度地面以下200cm，按1cm等間隔劃分201個單元。觀測點分別設(shè)置在30，50，70，100cm深度。時間離散單位為d，允許最小時間步長1.44min，最大時間步長1d，模擬時段為2012年5~11月，共計183d，采用變剖分時間剖分方式，根據(jù)收斂的迭代次數(shù)調(diào)整時間間隔。

1.4 土壤水力參數(shù)率定

研究區(qū)土壤巖性單一，根據(jù)室內(nèi)測定土壤含水率、土壤顆粒分析結(jié)果和干容重 （砂粒42%，粉粒36%，黏粒22%，干容重 1.44g/cm3），以黏質(zhì)壤土為主，利用HYDRUS-1D自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊對土壤參數(shù)進(jìn)行識別。

參數(shù)靈敏度分析表明：殘余含水率與飽和含水率對土壤水分特性的變化影響不大，形狀系數(shù)α、n和滲透系數(shù)Ks對土壤含水率的變化較為敏感。因此，在參數(shù)的識別過程中主要對α、n和Ks進(jìn)行調(diào)整。把模擬值接近實測值變化規(guī)律且誤差滿足精度要求的參數(shù)，作為模型認(rèn)可的土壤水力參數(shù)。

1.5 氣象與土壤蒸發(fā)

氣溫、降水及水面蒸發(fā)資料由恰拉水庫簡易氣象站實測。研究區(qū)氣候常年干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，全年幾乎無降水。根據(jù)尚松浩等［11］在新疆葉爾羌河綠洲的研究，采用以下潛在蒸發(fā)量ET0與水面蒸發(fā)EΦ20關(guān)系式：

式中 KET為潛在騰發(fā)系數(shù)，取0.54。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型參數(shù)率定

利用2012年5月3日～11月1日恰拉水庫下游荒地QL5點剖面土壤含水率、含鹽量實測值驗證模型。土壤含水率和含鹽量模擬值與實測結(jié)果對比圖如圖1~圖2。

圖1 模型參數(shù)率定期土壤含水率模擬值與實測值對比

圖2 模型參數(shù)率定期土壤含鹽量模擬值與實測值對比

由圖1可以看出，土壤含水率模擬值與實測值擬合曲線較好；由圖2可知，土壤含鹽量模擬值與實測值擬合曲線稍差，主要表現(xiàn)在0~30cm土壤，這是由于表層土壤含鹽量較高，鹽分運動比較活躍，造成模型模擬結(jié)果較低。其余土層模型擬合基本能夠反映土壤含鹽量的變化趨勢，但是和含水率比較稍差，主要原因是鹽分的時空變異性要大于水分的時空變異性。

根據(jù)試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)需對模型中的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行率定，率定的總體思路為：首先利用試估的方法，結(jié)合實際測定的參數(shù)初步估算，根據(jù)實測點的土壤含水率或含鹽量與模擬值擬合情況進(jìn)行粗調(diào)，縮小參數(shù)取值的范圍；然后利用最優(yōu)化的方法，對率定參數(shù)進(jìn)行精調(diào)，使得土壤含水率或含鹽量模擬值與實測值在一定約束條件下達(dá)到最小。

本次模型最終參數(shù)結(jié)果如表1。

表1 土壤水力參數(shù)

2.2 模型檢驗

利用2011年7月29日～11月9日期間監(jiān)測資料對HYDRUS-1D模型進(jìn)行檢驗。模型檢驗?zāi)M值與實測值如圖3～圖4所示。

圖3 模型檢驗期土壤含水率模擬值與實測值對比

圖4 模型檢驗期土壤含鹽量模擬值與實測值對比

圖3說明模型檢驗期土壤含水率實測值與模擬值相差不大，擬合較好；圖4說明模型檢驗期土壤含鹽量的實測值與模擬值擬合較差（尤其是30cm土壤深度），這是因為土壤表層中鹽分最活躍、鹽分的時空變異性較大所致。

模擬值與實測值的吻合程度采用均方根誤差σ定量表示：

式中 Yi為樣本模擬值；Y^i為樣本實測值；N為觀測樣本數(shù)；i為樣本號。

2011年各土層深度土壤含水率和含鹽量的模擬值與實測值的σ如表2。

表2 模型檢驗期模擬值與實測值

2.3 模型預(yù)測

2.3.1 地下水埋深

地下水埋深的不同對土壤含鹽量的影響如圖5所示。當(dāng)蒸發(fā)強(qiáng)度、地下水的含鹽量基本相同的情況下，地下水埋深越小，地表積鹽量越大。地下水埋深在1.8m時全年積鹽期0～40cm土層平均含鹽量17.03mg/cm3，比 3.5m地下水埋深 14.78mg/cm3高15.2%。

圖5 地下水埋深不同土壤含鹽量

2.3.2 地下水礦化度

地下水礦化度的不同對土壤含鹽量的影響如圖6。當(dāng)蒸發(fā)強(qiáng)度、地下水埋深基本不變的情況下，地下水礦化度越高，帶入土壤的鹽分就越多，地表積鹽量越大。地下水礦化度40g/L時在全年積鹽期0～80cm土層平均含鹽量（6.35mg/cm3）比地下水礦化度5g/L時土層平均（5.86mg/cm3）高 8.36%。

圖6 地下水礦化度不同土壤含鹽量

3 結(jié)語

（1）在野外采樣的過程中，由于人為因素和自然因素的影響下，樣品的采集過程中不可避免地產(chǎn)生一定土壤質(zhì)量分布的不均勻性和水分損失，導(dǎo)致模擬過程中實測值與模擬值的偏差。

（2）恰拉水庫下游荒地在沒有灌溉淋洗的情況下始終處于鹽分積累的過程，尤其在表土層內(nèi)，土壤含鹽量達(dá)20mg/cm3。

（3）在HYDRUS-1D模型對典型剖面的模擬預(yù)測中，1.8m地下水埋深在全年的積鹽期0～40cm土層平均含鹽量（17.03g/L）比 3.5m 處理（14.78g/L）高15.22%，40g/L的地下水礦化度水在全年的積鹽期0～80cm土層平均含鹽量（6.35g/L）比 5g/L處理（5.86g/L）高8.36%。可見，增大地下水埋深和降低地下水礦化度值可以減少土壤中的含鹽量，防止土地的次生鹽漬化。

（4）HYDRUS-1D模型模擬表層土壤易受到外界多方面因素的干擾，使得含鹽量較大的土層模擬精度偏低，模型模擬中達(dá)不到鹽分積聚的程度，在今后的研究中需要重點考慮。

（5）利用HYDRUS-1D模型對平原水庫下游荒地土壤含水量和含鹽量在垂直剖面上進(jìn)行了模擬，模型較好地模擬了水分和鹽分在土壤中的分布和隨時間的變化規(guī)律，對治理恰拉水庫下游荒地土壤鹽漬化具有重要意義。

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Numerical Simulation of Qiala Reservoir on Typical Profile Soil Water—Groundwater Water-Salt Transport of Downstream in Xinjiang

WANG Qin-qin
（Xinjiang Chang Yuan Water Group Fu Yuan CO.,LTD,Fukang 831500，China）

In this paper we studied the downstream barren land of plain reservoir in the Qiala county of Xinjiang.Choose the typical profile with simulate soil water-salt transport law and on this basis of numerical simulation of soil water-salt distribution profiles and different groundwater environmental values were predicted.The results show that:in the intense evaporation conditions， soil salt in 0～20cm layer accumulated more obvious;in different groundwater environment values，groundwater depth in 1.8m soil salt accumulation in 0～40cm layer salt content （17.03g/L） than 3.5m soil salt content（14.78g/L） high 15.22%in a year；groundwater total dissolved solids value with 40g/L salt accumulation in 0～80cm layer salt content （6.35g/L）than 5g/L treatment soil content （5.86g/L）high 8.36%.Increase groundwater depth and lower the groundwater total dissolved solids can reduce the salt content，prevent soil secondary salinization and does serious harm to soil-water environment seriously.

uncultivated land；water and salt transport；ecological environment；HYDRUS-1D model

S152

A

1672-9900（2014）04-0048-05

2014-04-21

王芹芹（1987-），女（漢族），新疆沙灣人，碩士，主要從事水文學(xué)及水資源管理，（Tel）15909915289。