基于HYDRUS的黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤水分入滲模擬

董 起 廣

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安 710075；3.國(guó)土資源部退化及未利用土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，西安 710075)

0 引 言

當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)村可利用耕地面積減少、城市建設(shè)用地供給不足，而在黃土高原丘陵溝壑地區(qū)長(zhǎng)期水土流失所形成的積水溝道又蘊(yùn)藏了十分豐富的潛在耕地資源[1,2]。通過治溝造地工程的實(shí)施，對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)溝道資源進(jìn)行開發(fā)和保護(hù)，可增加大面積高質(zhì)量耕地資源，并有效改善當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境[3,4]。在治溝造地實(shí)施過程中，必須充分了解區(qū)域水資源狀況，以達(dá)到減少自然災(zāi)害、增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、改善生態(tài)條件的目的[5]。作為水資源的重要組成部分，土壤水分對(duì)于研究地表徑流、水分轉(zhuǎn)化、土壤侵蝕、溶質(zhì)運(yùn)移等過程起到了非常重要的作用，也是流域水文過程研究的重要內(nèi)容之一[6,7]。在黃土高原丘陵溝壑區(qū)水源相對(duì)豐富的小流域內(nèi)，土壤水分的運(yùn)移常常會(huì)產(chǎn)生壤中流現(xiàn)象，該現(xiàn)象在流域溝道實(shí)施治溝造地后較為普遍，且容易造成土壤次生鹽漬化[8]。通過研究土壤水分的入滲及運(yùn)移過程，為黃土高原丘陵溝壑區(qū)治溝造地工程提供依據(jù)。

關(guān)于土壤水分入滲的基本公式包括：Kostiakov公式、Horton公式、Philip公式、Smith公式及蔣定生公式等[9]。而隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，土壤水分入滲的數(shù)值模擬也愈加成熟，常見模型有SWAP、SWAT、WAVE及HYDRUS模型等[10]。其中，HYDRUS模型在我國(guó)關(guān)于土壤水分運(yùn)移、補(bǔ)給等方面的研究應(yīng)用較為廣泛。HYDRUS模型也被應(yīng)用于分析水流和溶質(zhì)在非飽和多孔隙媒介中的運(yùn)移過程。當(dāng)前，以三舟溪滑坡為例，運(yùn)用HYDRUS-1D模擬軟件，對(duì)自然條件下三舟溪滑坡土壤入滲規(guī)律進(jìn)行模擬與分析[11]；王水獻(xiàn)等[12]應(yīng)用 HYDRUS-1D模型在焉耆盆地結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)資料計(jì)算了土壤水資源量；余根堅(jiān)等[13]對(duì)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)節(jié)水灌溉條件下農(nóng)田土壤的水鹽運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究。這些研究表明，HYDRUS能夠較好的模擬土壤水分入滲過程。

在黃土高原丘陵溝壑區(qū)治溝造地實(shí)施過程中，降雨后產(chǎn)生引起的土壤水分入滲過程往往產(chǎn)生地表徑流及壤中流，若不能對(duì)其進(jìn)行有效調(diào)控將會(huì)引起滑坡、洪澇、土壤鹽漬化等問題，使溝道整治效果大打折扣。本文本以黃土高原丘陵溝壑區(qū)一典型治溝造地區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用 Hydrus模型,研究在降雨條件下溝道土壤水分的入滲過程,通過分析該地區(qū)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化過程,為闡明溝道農(nóng)田壤中流的形成及治溝造地工程的實(shí)施提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于陜北黃土丘陵溝壑區(qū)，地處陜西省延安市寶塔區(qū)南泥灣鎮(zhèn)，是黃河中游水土流失重點(diǎn)區(qū)域之一。屬溫帶季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，降水較少；夏季炎熱多雨，降雨集中全。年平均氣溫9 ℃，平均無(wú)霜期179 d，多年平均水面蒸發(fā)量在1 000 mm左右，陸地蒸發(fā)量為550 mm，干旱指數(shù)1.75。降雨時(shí)空分布不均，全年平均降水量約550 mm，冬季降水最少，占年降水量的3%，夏季最多，占年降水量的47%。研究區(qū)境內(nèi)土壤主要有黃棉土、黑壚土、紅土等，其中以黃棉土面積最大，占全區(qū)土壤總面積的63.87%。區(qū)內(nèi)自然災(zāi)害多發(fā)，主要災(zāi)害包括旱災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、暴雨洪災(zāi)、冰雹災(zāi)害、霜凍災(zāi)害和嚴(yán)重的水土流失災(zāi)害等。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

本研究采用Hydrus模型對(duì)研究區(qū)溝道農(nóng)田土壤水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。該模型是由美國(guó)國(guó)家鹽改中心(US Salinity laboratory)于1991年開發(fā)的，主要用于模擬非飽和帶多孔介質(zhì)中的水分、熱量和溶質(zhì)運(yùn)移[14]。研究區(qū)地下水位埋深在1～5 m之間，屬淺埋區(qū)，土壤質(zhì)地以粉壤土為主。在區(qū)域內(nèi)設(shè)置了雨量筒、土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)用以監(jiān)測(cè)該區(qū)域降水及土壤水分變化。監(jiān)測(cè)時(shí)間為2017年8月20日至9月30日，共計(jì)40 d。研究區(qū)土壤層次劃分為2層，第1層為耕作層土壤，主要為新黃土，質(zhì)地為粉壤土，厚約50 cm；第2層土壤位于耕作層以下，以老黃土或古土壤居多，質(zhì)地為黏壤土，厚約30 cm，土壤層以下為卵石層。

3 模型的建立

3.1 基本方程

研究區(qū)包氣帶中的土壤水分運(yùn)移以垂向運(yùn)動(dòng)為主。本文選用Richards方程對(duì)非飽和多孔介質(zhì)中的土壤水運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述：

式中：θ為土壤含水率，cm3·cm-3；t為時(shí)間；z為空間坐標(biāo)，向上為正，cm；K為土壤導(dǎo)水率，cm/d；h為土壤水勢(shì)，cm。

模型中的土壤水分特征方程采用vanGenuchten方程表示如下：

式中：θs為土壤飽和含水量，cm3/cm-3；θr為土壤殘余含水量，cm3/cm-3；Ks為飽和水力傳導(dǎo)度，cm/d；α為與進(jìn)氣吸力有關(guān)的參數(shù)；n為孔隙體積大小分布的指數(shù)；h為壓力水頭，cm；l為彎曲度參數(shù)，通常取值0.5，可反映反映了土壤孔隙的連通性；Se為無(wú)量綱的有效水分含量。

3.2 模型參數(shù)

以研究區(qū)土壤剖面不同深度的含水量作為初始含水量。模型的上邊界選取為“大氣”邊界條件，接受降雨補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄。模型模擬時(shí)間段為2017年8月20日至9月30日，期間日降雨量最大為50.5mm，該時(shí)間段內(nèi)降水及平均地下水位埋深變化如圖1所示，根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤晏卣?，選取1d作為模擬的時(shí)間步長(zhǎng)。同時(shí)在剖面上設(shè)置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別位于溝道上游和下游距離地表20、40cm處，以驗(yàn)證土壤剖面水分的模擬結(jié)果。土壤表面蒸發(fā)量根據(jù)HYDRUS軟件自帶的PenmanMonteith公式計(jì)算得到。

地層巖性信息將模擬土層劃分為3層。第1層為粉壤土,厚約50cm；第2層為黏壤土，厚約30cm。第3層為卵石層，厚約100cm。根據(jù)土壤機(jī)械組成分析得出砂粒、粉粒、黏粒的百分?jǐn)?shù)，利用軟件自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)并計(jì)算得到各剖面的土壤特性參數(shù)，包括：飽和含水量Qs、殘余含水量Qr、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)α、曲線形狀參數(shù)n、飽和導(dǎo)水率Ks、曲率系數(shù)l(表1)。

圖1 地下水水位與降雨變化關(guān)系

表1 模型參數(shù)設(shè)置

4 模型驗(yàn)證與效果評(píng)價(jià)

根據(jù)研究區(qū)模擬時(shí)間段內(nèi)土壤水分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，如圖2、圖3所示，通過對(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證所建立的數(shù)值模型的合理性。對(duì)溝道上游和下游兩點(diǎn)處不同深度處土壤含水率模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行兩配對(duì)樣本T檢驗(yàn)(表2)驗(yàn)證模型精度。計(jì)算結(jié)果表明：各點(diǎn)位處土壤含水率實(shí)測(cè)值和模擬值的配對(duì)T檢驗(yàn)顯著性水平P值均不在置信區(qū)間(α=0.05)，說明兩者無(wú)顯著差異，該模型用于實(shí)際模擬應(yīng)用。

圖2 上游土壤含水率觀測(cè)值與模擬值

圖3 下游土壤含水率觀測(cè)值與模擬值

表2 模擬結(jié)果評(píng)價(jià)

5 模型應(yīng)用分析

根據(jù)建立的土壤水分模型，在以上各個(gè)參數(shù)條件下，對(duì)80mm日降水量(暴雨)下的土壤水分運(yùn)移進(jìn)行模擬，模擬時(shí)間共10d，降雨發(fā)生在模擬時(shí)間段的第2d。通過模擬結(jié)果可以看出，在暴雨條件或連續(xù)降雨條件下，土壤含水率增大較快，降雨后的第一天上游處含水率增加較下游處明顯，之后幾天下游處含水率降低較上游處緩慢。整體上，20cm處土壤含水率較小且變化較大，40cm處土壤含水率較大且相對(duì)穩(wěn)定(圖4、圖5)。

圖4 上游觀測(cè)點(diǎn)不同深度土壤含水率

圖5 下游觀測(cè)點(diǎn)不同深度土壤含水率

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)應(yīng)用HYDRUS軟件構(gòu)建了黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤水分運(yùn)移模型，并通過實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果和模擬結(jié)果的對(duì)比分析驗(yàn)證了模型的合理性，為后期進(jìn)一步分析該區(qū)域土壤水分狀況及徑流發(fā)生規(guī)律提供數(shù)據(jù)支持，為提高治溝造地實(shí)施效果提供參考。

(2)通過模擬分析了暴雨條件下黃土高原丘陵溝壑區(qū)溝道不同位置及不同深度處土壤含水率的變化特征。一般的，上游土壤含水率小于下游處土壤含水率，降雨過后，深處土壤含水率要大于淺層且其變化程度較小。