考慮排鹽和控鹽的干旱區(qū)暗管布局參數(shù)研究

錢穎志，朱 焱，伍靖?jìng)?，黃介生

考慮排鹽和控鹽的干旱區(qū)暗管布局參數(shù)研究

錢穎志，朱 焱，伍靖?jìng)ィS介生※

（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)室，武漢 430072）

為研究干旱鹽堿地區(qū)排鹽暗管工程布局參數(shù)的確定方法，該文利用新疆蓄水淋洗、暗管排水排鹽試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立并驗(yàn)證了HYDRUS-2D數(shù)學(xué)模型，土壤含水率均方根誤差范圍為0.038～0.043 cm3/cm3，決定系數(shù)為0.82～0.95；土壤含鹽量均方根誤差范圍為1.6～5.15 g/kg，決定系數(shù)為0.95～0.99，所建立的模型能夠模擬淋洗和暗管協(xié)同作用下的土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律?？紤]干旱區(qū)排鹽和控鹽的多重需要，提出了排淋比作為暗管排鹽的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合傳統(tǒng)的脫鹽率指標(biāo)，定量分析了不同暗管布局參數(shù)（埋深和間距）和土壤質(zhì)地條件對(duì)暗管排鹽的影響。結(jié)果表明：暗管埋深對(duì)脫鹽率影響不大，影響根系區(qū)脫鹽率的主要因素是暗管間距，脫鹽率與暗管間距近似呈指數(shù)關(guān)系；而暗管間距和埋深對(duì)于排淋比都有顯著影響；當(dāng)土壤飽和滲透系數(shù)較大時(shí)，土壤飽和滲透系數(shù)對(duì)脫鹽率沒(méi)有明顯影響，而排淋比與土壤飽和滲透系數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，可見，排淋比比脫鹽率更加適用于評(píng)價(jià)暗管排鹽效率。該文進(jìn)一步建立了排淋比與暗管布局（埋深和間距）以及土壤飽和滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)比較，在計(jì)算的壤土情況下，當(dāng)設(shè)計(jì)排淋比為500%時(shí)，該文擬合公式計(jì)算得到暗管間距與《規(guī)范》公式一致，當(dāng)設(shè)計(jì)要求較低時(shí)，擬合公式所得暗管布局較為經(jīng)濟(jì)。該經(jīng)驗(yàn)公式可用于指導(dǎo)確定干旱區(qū)暗管布局參數(shù)。

鹽分；脫鹽；含水率；暗管；間距；埋深；滲透系數(shù)；排淋比

0 引 言

暗管在治理鹽堿地方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，暗管排鹽起初用于濱海鹽堿地區(qū)[1-6]，研究者們針對(duì)濱海區(qū)水文地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)不同灌溉方式、不同暗管埋深、間距布置、不同反濾層材料、暗管材料的降漬排鹽效果開展了大量試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[7-12]，提出了一系列適用于濱海區(qū)暗管布置的工程技術(shù)及參數(shù)估算方法[13-16]。張展羽等[17]采用Drainmod-S模擬了濱海鹽堿地暗管排水條件下土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律；張金龍等綜合Vedernikov入滲公式和Vander Molen淋洗方程，提出了濱海區(qū)暗管埋深、間距和淋洗定額計(jì)算公式[18]，并研究了定埋深條件下不同暗管間距的鹽分淋洗效率[19]；陳誠(chéng)等提出了考慮多目標(biāo)的暗管埋深間距參數(shù)，并對(duì)比了濱海區(qū)暗管布置“淺密型”與“深寬型”的優(yōu)缺點(diǎn)[20]，提出針對(duì)濱海區(qū)快速排水宜采用淺密型布置模式。濱海地區(qū)暗管布置以降低降雨引起的地下水位上升為主要目的，通過(guò)控制地下水位控制耕作層鹽分不超過(guò)作物耐鹽閾值，主要考慮作物根系深度和作物耐淹耐漬時(shí)間[21]等因素的影響。

近年來(lái)，西北干旱半干旱地區(qū)開始嘗試采用暗管排水進(jìn)行鹽堿地治理，針對(duì)暗管排水對(duì)作物產(chǎn)量、土壤鹽分、土壤水分、灌溉水量、灌溉水質(zhì)、土壤理化性質(zhì)等的影響開展了大量試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[22-27]。干旱區(qū)對(duì)于暗管布置參數(shù)多借鑒濱海區(qū)經(jīng)驗(yàn)，尚未對(duì)暗管布局參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，也未能形成能夠指導(dǎo)實(shí)踐的暗管布局參數(shù)公式[28]。西北內(nèi)陸干旱區(qū)水文氣象、土壤質(zhì)地、水文地質(zhì)等特征與濱海地區(qū)有顯著差異，西北地區(qū)降雨少、蒸發(fā)量大，高強(qiáng)度蒸發(fā)導(dǎo)致地下水中鹽分上移，聚集在土壤表層，導(dǎo)致土壤鹽堿化[29-32]。西北旱區(qū)地下水埋深較深，暗管需配合淋洗對(duì)土壤鹽分進(jìn)行協(xié)同調(diào)控。因此，在西北干旱區(qū)布設(shè)暗管考慮因素與濱海地區(qū)存在差異，基于濱海地區(qū)的暗管布局經(jīng)驗(yàn)公式在西北干旱半干旱地區(qū)的適用性也值得探討。綜上，有必要研究干旱半干旱情況下，不同暗管布局的排鹽效果，并對(duì)暗管布局參數(shù)和土壤脫鹽之間的關(guān)系進(jìn)行定量表征，以指導(dǎo)西北旱區(qū)排鹽暗管工程布局。

本文針對(duì)西北干旱地區(qū)水文地質(zhì)條件，通過(guò)新疆瑪納斯河流域暗管排水條件土壤水鹽動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，率定和驗(yàn)證HYDRUS-2D模型的可靠性和實(shí)用性，利用建立的模型計(jì)算不同暗管布局和土壤質(zhì)地下暗管的淋洗排鹽效果；選取常用的脫鹽率及本文所定義的排淋比為指標(biāo)，分別表征以控鹽為目的和以排鹽為目的的2種鹽堿地治理思路，并利用前述計(jì)算結(jié)果擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式，定量表征脫鹽率、排淋比與暗管間距、埋深、土壤飽和滲透系數(shù)之間的關(guān)系；結(jié)合工程算例，比較本文提出的經(jīng)驗(yàn)公式與已有公式計(jì)算暗管間距結(jié)果，說(shuō)明本文提出公式的可行性及經(jīng)濟(jì)性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及試驗(yàn)設(shè)置

暗管排鹽淋洗試驗(yàn)于2012年5－8月在新疆農(nóng)科院棉花育種基地上進(jìn)行[25]。試驗(yàn)小區(qū)面積為15×10 m2，小區(qū)內(nèi)共鋪設(shè)3條暗管，埋深60 cm，坡度0.2 %，間距5 m，編號(hào)分別為1、2、3號(hào)，小區(qū)布置見圖1。試驗(yàn)小區(qū)從2012年7月8日（時(shí)間=0 d）開始蓄水淋洗壓鹽。每天早晚根據(jù)入滲情況及時(shí)補(bǔ)充水分，0～7 d（7月8－15日）保持水深在3～5 cm之間，8～16 d（7月16－24日）保持水深在5～10 cm之間。本試驗(yàn)中取中間2號(hào)暗管控制區(qū)域作為取樣區(qū)域（圖1陰影部分），試驗(yàn)前后在小區(qū)中心地帶距2號(hào)管水平方向上各0、50、150、250 cm處分層取土樣，垂向分層為自地表至90 cm，間隔為10 cm，具體位置如圖1中A、B、C、D點(diǎn)所示。

注：A1 ~D3為土壤取樣點(diǎn)。

1.2 數(shù)值模型

1.2.1 模型基本原理

本文采用HYDRUS-2D模型[28]進(jìn)行暗管排水條件下土壤水鹽動(dòng)態(tài)模擬，模型采用二維飽和-非飽和Richards方程描述土壤水分運(yùn)動(dòng)，如下所示：

模型采用van Genuchten方程的改進(jìn)模型來(lái)表示土壤體積含水率和土壤水力傳導(dǎo)度與土壤負(fù)壓的關(guān)系，模型包括5個(gè)重要參數(shù)，分別為殘余含水率θ、飽和含水率θ、飽和滲透系數(shù)K、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和[24]。

模型采用二維對(duì)流-彌散方程描述鹽分運(yùn)移，如下所示：

式中為土壤溶液中的溶質(zhì)濃度，M/L3；q為在x向的達(dá)西流速，L/T；D為飽和/非飽和水動(dòng)力彌散系數(shù)，L2/T。飽和/非飽和水動(dòng)力彌散系數(shù)D為1個(gè)張量，可以利用以下公式計(jì)算：

式中D為離子或者分子在靜水中的擴(kuò)散系數(shù)，L2/T；為土壤孔隙的曲率因子；||是達(dá)西流速的模，L/T；為Kronecker delta函數(shù)；D和D分別為縱向和橫向彌散度，L。當(dāng)模擬二維水鹽運(yùn)移時(shí)，式（1）～式（3）中，,=1, 2，分別表示,方向。

1.2.2 模擬區(qū)域

取2號(hào)暗管控制區(qū)域的一半作為模擬研究區(qū)域，模擬寬度為250 cm，為充分考慮地下水的頂托及返鹽作用，將模擬深度延伸到地下水以下，在地下水一定深度以下設(shè)置為不透水邊界。已有研究表明[33]，在暗管排水作用下，距離暗管150 cm以下位置地下水流線近似水平，垂直通量可忽略，故此處將地下500 cm處設(shè)為不透水邊界。根據(jù)模擬區(qū)域的水力特征，將左右邊界設(shè)置為不透水邊界，將暗管設(shè)置為滲流邊界，上邊界設(shè)置為定水頭邊界或大氣邊界，當(dāng)上邊界水勢(shì)下降到臨界值時(shí)，上邊界由定水頭邊界轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿膺吔?。上邊界水頭據(jù)文獻(xiàn)[25]中的淋洗水深簡(jiǎn)化而來(lái)，0～7 d水深為4 cm，8～16 d水深為7.5 cm，17～20 d為大氣邊界。上邊界蒸發(fā)強(qiáng)度取日平均為0.32 cm/d。初始地下水埋深設(shè)為480 cm。

土壤粒徑分布采用激光粒度分析儀（Mastersizer 2000，馬爾文儀器有限公司，英國(guó)）測(cè)得；容重采用環(huán)刀取原狀土測(cè)定；土壤水分特征曲線利用粒徑和容重?cái)?shù)據(jù)通過(guò)HYDRUS軟件中嵌入的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推算工具進(jìn)行推算獲得；飽和導(dǎo)水率利用滲透率儀在變水頭下測(cè)定。溶質(zhì)分子在靜水中的擴(kuò)散系數(shù)取1.632 cm2/d；縱向彌散度和橫向彌散度根據(jù)參考文獻(xiàn)中的取值進(jìn)行調(diào)試。試驗(yàn)區(qū)土壤物理參數(shù)如表1所示[25]。

1.3 模擬情景設(shè)置

1.3.1 暗管布局參數(shù)情景設(shè)置

暗管布局參數(shù)對(duì)于暗管排鹽效果具有顯著影響，其中暗管間距和埋深是2個(gè)重要因素。在現(xiàn)有工程布局下，考慮施工成本，暗管間距多在1 000 cm以上；考慮耕作因素及暗管施工機(jī)械施工能力，暗管埋深多在60 cm以下及200 cm以上。

表1 試驗(yàn)區(qū)域土壤物理參數(shù)

根據(jù)《暗管改良鹽堿地技術(shù)規(guī)程第2部分：規(guī)劃設(shè)計(jì)與施工》[34]（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）中的經(jīng)驗(yàn)公式，暗管設(shè)計(jì)間距應(yīng)滿足下式：

=·K·/100 （4）

式中K為飽和滲透系數(shù)，cm/d；為暗管埋深，m；暗管間距，m；為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)《規(guī)范》要求，黏土為40，壤土為30，砂土為20。

由于試驗(yàn)區(qū)域土壤導(dǎo)水性較差（K為7.2 cm/d）,當(dāng)埋深為0.6～2 m時(shí)，代入式（4），計(jì)算得到暗管間距為1.72～5.76 m。結(jié)合工程實(shí)際及研究目的，本文設(shè)置不同暗管間距（100、200、300、500、1 000、1 500 cm）和不同暗管埋深（60、100、150 cm）共18種暗管布局，另外設(shè)置1組無(wú)暗管空白對(duì)照組，累計(jì)19組方案。模擬區(qū)域?qū)挾葹榘倒荛g距一半，暗管直徑、模擬深度、邊界類型、淋洗制度、土壤參數(shù)、土壤水鹽初始值設(shè)置與前述一致。空白組模擬寬度為1 000 cm，不設(shè)暗管邊界，其余邊界條件及初始條件與前述一致。

1.3.2 土壤質(zhì)地情景設(shè)置

考慮到土壤滲透參數(shù)對(duì)暗管排水排鹽具有重要影響，本文選取飽和滲透系數(shù)差別較大的4種土壤進(jìn)行計(jì)算[35]，所選土壤種類及其參數(shù)見表2（溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)D和D取值與試驗(yàn)區(qū)域表層土壤相同，分別為10和1 cm）。本組模擬的暗管布局為間距1 000 cm、埋深100 cm、管徑11 cm，模擬區(qū)域、邊界類型、淋洗制度及土壤水鹽初始值設(shè)置與前述一致。

表2 選取土壤物理參數(shù)表

1.3.3 模擬時(shí)長(zhǎng)及鹽分均衡區(qū)域

干旱地區(qū)由于蒸發(fā)強(qiáng)度大，返鹽現(xiàn)象強(qiáng)烈，因此，選取的任何評(píng)價(jià)指標(biāo)需考慮時(shí)間和空間范圍。本次模擬針對(duì)新疆典型作物棉花播種前的春灌排水排鹽過(guò)程，已有研究表明膜下滴灌棉田在生育期存在積鹽現(xiàn)象，需要利用淋洗保證棉花出苗[4,36-37]。因此本文將模擬時(shí)長(zhǎng)定為暗管終止時(shí)間持續(xù)到棉花出苗期結(jié)束（10～15 d），累計(jì)40 d；由于出苗期棉花根系深度較淺，本文將各個(gè)指標(biāo)研究區(qū)域定為土壤表層40 cm。

1.4 暗管排鹽評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

為考慮控鹽和排鹽不同目的，本文選取脫鹽率和定義排淋比2個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)淋洗作用下暗管排鹽效果。脫鹽率是指研究區(qū)域土壤鹽分的減小值占初始值的比例，它可以評(píng)價(jià)淋洗和暗管協(xié)同作用下，土壤層的脫鹽效果，在已有研究中得到廣泛采用[2-3]。土壤脫鹽率的計(jì)算公式為

式中為脫鹽率，%；1為土壤鹽分初始值，g/kg；2為土壤鹽分終值，g/kg。

已有研究表明，脫鹽率不能將淋洗和暗管對(duì)脫鹽的貢獻(xiàn)區(qū)分開來(lái)[24-25]，且由于淋洗作用產(chǎn)生的脫鹽作用具有返鹽風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要將淋洗壓鹽與暗管排鹽作用進(jìn)行區(qū)分，以反映暗管土壤的真實(shí)脫鹽程度。本文定義排淋比作為評(píng)價(jià)暗管排鹽的第2個(gè)指標(biāo)。所謂排淋比是指暗管排出鹽分質(zhì)量與同樣淋洗制度下不埋設(shè)暗管時(shí)研究區(qū)域鹽分減小質(zhì)量的比值，定量反映暗管排鹽相對(duì)于淋洗作用對(duì)于剖面脫鹽貢獻(xiàn)程度的大小。當(dāng)排淋比為100%時(shí)，可認(rèn)為暗管排鹽與淋洗壓鹽作用相當(dāng)。暗管排淋比計(jì)算公式為

式中R為排淋比，%；1、2分別為空白組土壤鹽分初始值和終值，kg；M為暗管累積排鹽質(zhì)量，kg。

實(shí)際計(jì)算時(shí)，脫鹽率及排淋比R中的土壤鹽分初始值、終值通過(guò)Fortran語(yǔ)言將鹽分均衡區(qū)域各個(gè)節(jié)點(diǎn)含鹽量以節(jié)點(diǎn)控制面積為權(quán)重加權(quán)平均獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證結(jié)果

采用表1中土壤參數(shù)對(duì)試驗(yàn)區(qū)暗管排水條件下土壤水鹽進(jìn)行模擬，=20 d時(shí)距離暗管水平方向距離（=0, 50, 150, 250 cm）各剖面實(shí)測(cè)和模擬含水率、含鹽量對(duì)比如圖2所示。由各處（=0, 50, 150, 250 cm）剖面實(shí)測(cè)和模擬含水率對(duì)比圖2a～圖2d可知，在=20 d時(shí)，各個(gè)剖面含水率差異不大，土壤在深度50 cm以下已經(jīng)飽和。利用模型模擬得到的各個(gè)剖面含水率與土壤實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)一致，但在深度20～40 cm的土層中模擬值偏大，分析原因可能是暗管埋在60 cm處，加速了上層重力水的排出，導(dǎo)致該土層土壤參數(shù)與模型所給平均參數(shù)具有一定差異。由各處（=0, 50, 150, 250 cm）剖面實(shí)測(cè)和模擬含鹽量對(duì)比圖2e~圖2h可知，在=20 d時(shí)，除=0 cm剖面，其余剖面含鹽量差異不大，土壤表層含鹽量明顯減小，但隨著深度增加，土壤含鹽量變化值越來(lái)越小。利用模型模擬得到的各個(gè)剖面含鹽量與土壤實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)一致，在=50 cm處，模擬值較實(shí)測(cè)值偏大。為準(zhǔn)確判定模型模擬效果，采用均方根誤差（root mean square error, RMSE）和決定系數(shù)（2）作為模擬結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)[24]。不同剖面處含水率與含鹽量計(jì)算值與模擬值的RMSE和2見圖2。由計(jì)算結(jié)果可知，土壤含水率RMSE范圍為0.038～0.043 cm3/cm3，2為0.82～0.95；土壤含鹽量RMSE范圍為1.6～5.15 g/kg，2為0.95～0.99。可見，模型模擬的土壤水鹽與實(shí)測(cè)值較為吻合，能夠較好地模擬淋洗條件下的暗管排鹽過(guò)程。

注：R2是決定系數(shù)；RMSE是均方根誤差；**表示在0.01水平顯著；下同。

2.2 暗管布局對(duì)土壤剖面水鹽分布的影響

模擬時(shí)段末剖面水鹽分布情況可以直觀表示淋洗和暗管協(xié)同作用下剖面的水鹽分布規(guī)律及剖面脫鹽效果。此處選取埋深為100 cm，不同暗管間距條件下距離暗管/2（為暗管間距）剖面的水鹽分布情況，以研究暗管間距對(duì)剖面水鹽分布的影響，圖3a～圖3b表示模擬時(shí)段末不同暗管間距條件下距離暗管/2處剖面的水鹽分布情況。需要說(shuō)明的是，距離暗管/2的剖面為暗管控制區(qū)域排水排鹽效果最差的剖面，該剖面可以反映淋洗和暗管協(xié)同作用下，整個(gè)區(qū)域脫鹽的下限。由圖3a～圖3b可知，模擬時(shí)段末剖面含水率都呈現(xiàn)表層含水率低于初始含水率，底部含水率明顯增大的規(guī)律，剖面含鹽量呈現(xiàn)自上而下先減小再增大的規(guī)律，分析原因?yàn)樵诹芟醋饔孟?，土壤含水率整體上升，鹽分隨淋洗水整體向下遷移，在后續(xù)蒸發(fā)作用下，土壤表層含水率下降，鹽分出現(xiàn)表聚現(xiàn)象；暗管間距越大，其排鹽效果最差斷面距離暗管距離越遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)的剖面含鹽量越高，原因?yàn)榘倒芫哂幸欢ǖ目刂凭嚯x，暗管間距越大，中間斷面距暗管越遠(yuǎn)，其脫鹽效果越差。

同時(shí)選取間距為500 cm，不同暗管埋深（）條件下距離暗管/2（為暗管間距）剖面的水鹽分布情況，以研究暗管埋深對(duì)剖面水鹽分布的影響，對(duì)比結(jié)果如圖3c和圖3d所示。由圖可知，暗管埋深越深，剖面含鹽量越低，但并無(wú)顯著差別，說(shuō)明暗管間距對(duì)于剖面脫鹽的影響大于暗管埋深，分析原因?yàn)楝F(xiàn)有淋洗制度較大，地下水可以上升到足夠高度，使不同埋深的暗管都能充分排水。

2.3 暗管布局參數(shù)與脫鹽率的關(guān)系

不同暗管布局及空白組在=40 d后土壤耕作層（0～40 cm）的剖面脫鹽率計(jì)算結(jié)果及其與暗管埋深、間距的變化關(guān)系如圖4所示。由圖4a可見，對(duì)整體而言，不同暗管埋深情景下剖面脫鹽率之間無(wú)顯著性差異（>0.05）；當(dāng)暗管間距小于500 cm時(shí)，脫鹽率均在80%以上，無(wú)明顯變化規(guī)律，且變化幅度很小。分析原因?yàn)樵诹芟春桶倒軈f(xié)同作用下，耕作層水鹽運(yùn)移有2種途徑：淋洗到下層土壤、由暗管排出或停留在下層土壤，淋洗作用直接影響脫鹽率大小，但是暗管排水足夠大時(shí)，也會(huì)促進(jìn)淋洗進(jìn)而影響脫鹽率，在現(xiàn)有大額淋洗制度下，盡管增加暗管埋深可以增加排水流量，但不足以促進(jìn)淋洗水流向下推進(jìn)，故脫鹽率幾乎不變。

注：a圖和b圖，暗管埋深為100 cm；c圖和d圖，暗管間距為500 cm。

由表3和圖4b可知，在同樣的埋深條件下，不同間距情景下脫鹽率存在一定差異，且均呈現(xiàn)隨著間距增大，脫鹽率減小的變化趨勢(shì)，并逐漸趨于空白對(duì)照組的脫鹽率（66.42%），這是因?yàn)樵龃蟀倒荛g距，相當(dāng)于減少單位橫截面積土壤的水鹽出口和排水排鹽量，進(jìn)而減小暗管排水排鹽對(duì)淋洗推進(jìn)的促進(jìn)作用，當(dāng)暗管間距足夠大時(shí)，該促進(jìn)作用可以忽略不計(jì)，因此此時(shí)脫鹽率趨于空白對(duì)照組脫鹽率。

為確定脫鹽率與暗管間距之間的定量關(guān)系，對(duì)脫鹽率與暗管間距之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，如圖4b所示，擬合關(guān)系式為

=25.23exp(-0.14)+66.42 （7）

式中為脫鹽率，%；為暗管間距，m。

該擬合公式的均方根誤差及決定系數(shù)分別為1.88%、0.92，可見擬合得到的曲線能夠較好地反映該種土壤在特定淋洗條件下，脫鹽率與暗管間距之間的定量關(guān)系。從圖4及式（7）可以得出，暗管布局對(duì)于脫鹽率的影響很小，正常工程布局下（>1 000 cm），脫鹽率變化范圍為66.42%~74.76%，變化不足10%。這說(shuō)明用脫鹽率作為指標(biāo)不能客觀反映暗管在土壤脫鹽過(guò)程中的排鹽作用。

圖4 脫鹽率與暗管埋深和間距關(guān)系

2.4 暗管布局參數(shù)與排淋比的關(guān)系

不同暗管布局及空白組在=40 d后土壤耕作層（0～40 cm）的剖面排淋比計(jì)算結(jié)果及其與暗管埋深、間距變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可見，暗管埋深和間距均對(duì)排淋比有明顯影響，暗管埋深越大、間距越小，則排淋比越大。這是因?yàn)殡S著暗管加密，單位橫截面積土壤的水鹽出口增加；隨著暗管埋深增加，其排水水勢(shì)梯度增加，以上均會(huì)增加暗管總排水量和排鹽量，從而增大排淋比。當(dāng)暗管埋深較深、間距較?。ɡ缏裆顬?00 cm，間距100 cm）時(shí)，暗管排淋比會(huì)大于100%，這表明此時(shí)暗管的排鹽能力已經(jīng)與淋洗造成的脫鹽相當(dāng)，此時(shí)暗管具有較好地排出土壤剖面鹽分的作用。圖5還反映出，排淋比與暗管間距近似呈指數(shù)關(guān)系，與暗管埋深近似呈線性關(guān)系。

由以上分析可知，排淋比同時(shí)受到暗管埋深及間距的影響，為了定量表示排淋比與暗管布局參數(shù)的關(guān)系，本文采用曲面函數(shù)對(duì)排淋比進(jìn)行定量擬合，排淋比與暗管埋深、間距之間的擬合關(guān)系如圖5c所示，擬合關(guān)系式為

R=(91.03+8.35)×exp(-0.104) （8）

該擬合公式均方根誤差及決定系數(shù)分別為10.88 %、0.87?？梢姅M合得到的曲線均方根誤差較小，決定系數(shù)接近1，能夠較好地反映特定淋洗條件下排淋比與暗管布局參數(shù)（埋深與間距）之間的定量關(guān)系。

注：D為暗管埋深，L為暗管間距。下同。

2.5 土壤質(zhì)地與暗管脫鹽率及排淋比的關(guān)系

不同土壤質(zhì)地在=40 d后土壤耕作層（0～40 cm）的剖面脫鹽率及暗管排淋比如表3所示。由于飽和滲透系數(shù)K是影響土壤中水鹽運(yùn)移的重要因素，因此土壤質(zhì)地中影響脫鹽率、淋排比的主要因素是飽和滲透系數(shù)K，圖6表示脫鹽率、排淋比與K之間的關(guān)系。由表3及圖6可見，對(duì)于脫鹽率，除了本文模擬區(qū)域土壤以外均接近100%，主要原因是淋洗定額較大，可以將耕作層中的鹽分進(jìn)行充分淋洗進(jìn)入40 cm以下土壤，且在給定的模擬時(shí)間內(nèi)不至于大量返回土壤表面。因此，對(duì)于不同質(zhì)地的土壤，若是以控鹽為目的，在設(shè)計(jì)淋洗制度之前有必要對(duì)土壤K進(jìn)行詳細(xì)考察，防止由于淋洗水量過(guò)大造成浪費(fèi)。排淋比對(duì)K的敏感程度大于脫鹽率。相同淋洗制度下，不同土壤質(zhì)地的排淋比表現(xiàn)出很大差異，排淋比隨著K增大而增大，暗管的排鹽作用逐漸超過(guò)淋洗作用，這是因?yàn)榘倒芘潘披}能力與其周圍土壤性質(zhì)直接相關(guān)，土壤導(dǎo)水能力越強(qiáng)，暗管影響范圍和排水排鹽總量越大，最終暗管不僅能排出上層土壤淋洗鹽分，還能排出地下水所含鹽分。

為了定量研究排淋比與K之間的關(guān)系，采用指數(shù)函數(shù)對(duì)二者關(guān)系進(jìn)行擬合，同時(shí)，為保證當(dāng)K不變時(shí)，排淋比與暗管布局關(guān)系與式（8）一致，采用如下關(guān)系進(jìn)行擬合：

R=(91.03+8.35)×exp(-0.104+0.091K+0.131) （9）

表3 不同質(zhì)地土壤脫鹽率和排淋比計(jì)算結(jié)果

圖6 脫鹽率、排淋比與飽和滲透系數(shù)（Ks）關(guān)系

圖6b所示情景下，暗管間距和埋深分別為1 000、100 cm，此時(shí)得到的擬合公式均方根誤差和決定系數(shù)分別為13.64%和0.996。可見擬合公式能夠較好的反映該種土壤在特定淋洗條件下，排淋比與K及暗管布局參數(shù)之間的關(guān)系。需要說(shuō)明的是，上述擬合公式針對(duì)K區(qū)間為小于30 cm/d。由于排淋比不可能隨著K無(wú)限增大，因此不推薦對(duì)K外延，對(duì)于K≥30 cm/d時(shí)排淋比及其規(guī)律，有待于進(jìn)一步研究。

3 本文公式與已有規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

為評(píng)價(jià)擬合公式的適用性以及與已有經(jīng)驗(yàn)公式的差別，現(xiàn)參考《規(guī)范》[34]中的經(jīng)驗(yàn)公式（式（4）），比較兩者計(jì)算結(jié)果的差別。假設(shè)土壤為壤土，飽和滲透系數(shù)為25 cm/d，種植作物為棉花，現(xiàn)需要布設(shè)暗管配合淋洗進(jìn)行鹽堿地改良，由于種植作物為棉花，生育期根系可達(dá)到80～100 cm，因此暗管埋深應(yīng)大于100 cm。當(dāng)暗管埋深分別為100、150、200 cm時(shí)，利用式（9）計(jì)算得到暗管間距分別為750、1 130、1 500 cm，如表4所示。若以脫鹽率為指標(biāo)設(shè)計(jì)暗管布局，由圖7可得，對(duì)于壤土，在已有淋洗制度下，脫鹽率幾乎與暗管布局無(wú)關(guān)（均接近100 %）?？梢姡瑢?duì)于該種土質(zhì)，以脫鹽率為指標(biāo)進(jìn)行暗管布局設(shè)計(jì)并不合理。

若以排淋比為指標(biāo)設(shè)計(jì)暗管布局，需首先確定設(shè)計(jì)排淋比。為保證整個(gè)生育期棉花不受返鹽影響，暗管應(yīng)當(dāng)將根系深度范圍內(nèi)（假設(shè)棉花根系深度為80 cm）淋洗的鹽分全部排出，根據(jù)排淋比定義（排淋比鹽分均衡區(qū)域仍為表層40 cm），在土壤剖面鹽分均一的條件下，暗管排除鹽分應(yīng)2倍于均衡區(qū)域因淋洗減少的鹽分，即排淋比至少應(yīng)達(dá)到200%才能滿足要求。此處取設(shè)計(jì)排淋比分別為200%、300%、400%、500%進(jìn)行計(jì)算，利用式（8）計(jì)算得到當(dāng)暗管埋深為100、150、200 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的暗管間距，如表4所示。由表可知，在同一種埋深情況下，對(duì)應(yīng)不同設(shè)計(jì)排淋比，利用本文公式可以計(jì)算得到不同的暗管間距，而《規(guī)范》中的公式?jīng)]有考慮不同排鹽需求，對(duì)于給定埋深，只能得到1種暗管間距。同時(shí)，由表4可以看出，當(dāng)設(shè)計(jì)排淋比為500%時(shí)，本文擬合公式計(jì)算得到的暗管間距與《規(guī)范》公式結(jié)果一致（可以認(rèn)為在此設(shè)計(jì)排淋比下，暗管能夠排出0～200 cm剖面淋洗下來(lái)的所有鹽分），而當(dāng)設(shè)計(jì)排淋比小于500%時(shí)，本文公式計(jì)算得到的暗管間距都大于《規(guī)范》公式，由于當(dāng)設(shè)計(jì)排淋比為200%時(shí)作物根系區(qū)鹽分得到有效排除，達(dá)到排鹽目的。這一方面說(shuō)明在一定的排淋比下，本文公式與《規(guī)范》公式的計(jì)算結(jié)果一致，另一方面也說(shuō)明當(dāng)設(shè)計(jì)排淋比較小（也即是排鹽需求較?。r(shí)，利用本文公式可以計(jì)算得到相對(duì)較大的暗管間距，這可以在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，減小暗管布設(shè)的成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

表4 《規(guī)范》公式與本文公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

注：土壤類型為壤土，飽和滲透系數(shù)為25 cm·d-1，種植作物為棉花。

Note: Loam withsaturated hydraulic conductivity of 25 cm·d-1for cotton.

4 結(jié) 論

采用脫鹽率和排淋比來(lái)衡量鹽堿地治理效果，研究脫鹽率、排淋比及其與暗管布局（間距和埋深）的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

1）在暗管與淋洗協(xié)同作用下，剖面的脫鹽由2部分組成，一是由淋洗作用將鹽分由上而下帶入耕作層以下；二是通過(guò)暗管排出。干旱地區(qū)降雨少，蒸發(fā)大，由淋洗造成的脫鹽是不穩(wěn)定的，耕作層的鹽分會(huì)隨著蒸發(fā)作用返回上部，具有返鹽風(fēng)險(xiǎn)。因此，評(píng)估干旱區(qū)暗管排鹽作用，需要綜合考慮脫鹽率和排淋比。

2）對(duì)于鹽堿地治理，若是以控鹽為主要目的，可以脫鹽率作為主要指標(biāo)。此時(shí)暗管主要發(fā)揮2個(gè)方面的作用，一方面是及時(shí)排出淋洗進(jìn)入的水分，從而增加淋洗總水量，另一方面在淋洗作用結(jié)束后，及時(shí)降低地下水位，減少后期返鹽風(fēng)險(xiǎn)。文中計(jì)算結(jié)果顯示，暗管埋深對(duì)于脫鹽率無(wú)顯著性影響，暗管間距對(duì)于脫鹽率的影響很小，正常工程布局下（間距>1 000 cm），影響不足10%，可以忽略不計(jì)。

3）對(duì)于鹽堿地治理，若是以排鹽為主要目的，需要同時(shí)兼顧脫鹽率和排淋比指標(biāo)。此時(shí)暗管發(fā)揮的另一個(gè)作用是將耕作層淋洗下來(lái)的鹽分及時(shí)排除，防止返鹽?？刹捎帽疚乃岢雠帕鼙扰c暗管布局參數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算合適的間距和埋深組合，考慮施工成本，挑選經(jīng)濟(jì)合理的布局方式進(jìn)行布設(shè)。

4）土壤質(zhì)地影響暗管布局設(shè)計(jì)，文中計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)飽和水力傳導(dǎo)度大于5 cm/d，現(xiàn)有淋洗定額下，土壤脫鹽率與飽和水力傳導(dǎo)度無(wú)關(guān)（都為100%），而排淋比與飽和水力傳導(dǎo)度呈指數(shù)關(guān)系。說(shuō)明若是以控鹽為目的，在設(shè)計(jì)淋洗定額之前有必要對(duì)土壤飽和水力傳導(dǎo)度進(jìn)行詳細(xì)考察，防止由于淋洗水量過(guò)大造成浪費(fèi)，若是以排鹽為目的，可以根據(jù)土壤飽和水力傳導(dǎo)度相應(yīng)調(diào)整暗管布局參數(shù)。

5）利用本文所得的排淋比公式計(jì)算得到的暗管布局與已有規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，在同一種埋深情況下，對(duì)應(yīng)不同設(shè)計(jì)排淋比，利用本文公式可以計(jì)算得到不同的暗管間距，而《規(guī)范》中的公式?jīng)]有考慮不同排鹽需求，對(duì)于給定埋深，只能得到1種暗管間距。當(dāng)設(shè)計(jì)排淋比為500%時(shí)，本文擬合公式計(jì)算得到的暗管間距與《規(guī)范》公式結(jié)果一致，而當(dāng)設(shè)計(jì)排淋比小于500%時(shí)，本文公式計(jì)算得到的暗管間距都大于《規(guī)范》公式，可知本文公式對(duì)于現(xiàn)有淋洗制度下不同土壤的暗管布局設(shè)計(jì)具有較大的參考價(jià)值，且在設(shè)計(jì)淋洗標(biāo)準(zhǔn)較低的情況下，可以減小暗管布設(shè)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

土壤脫鹽與淋洗制度密切相關(guān)，本文僅考慮現(xiàn)行淋洗制度下的暗管布局方案，暫不考慮不同淋洗制度的影響，進(jìn)一步研究需要考慮淋洗制度與暗管布局的協(xié)同調(diào)控。

致 謝 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)左強(qiáng)教授提供了本文數(shù)值模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)，并對(duì)論文提出了寶貴意見，在此表示衷心感謝！

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Subsurface drains layout in arid areas with purposes of salt control and discharge

Qian Yingzhi, Zhu Yan, Wu Jingwei, Huang Jiesheng※

(430072,)

Subsurface drainage has been widely used to prevent saline-alkali soil. However, it remains a concern to determine the layout of subsurface drains in arid areas while considering its complex hydrogeological conditions, e.g., deep groundwater table, arid climate, and strong spatial soil heterogeneity. Therefore, it is necessary to investigate the method of determining layout parameters, e.g., spacing and depth of subsurface drains in arid region. The leaching salt will move upward due to strong evaporation in arid areas, which limits the evaluation index of desalination rate to evaluate the effect of subsurface drains. So, there are 3 major objects in this study: 1) to define an additional evaluation index to evaluate the effect of subsurface drains; 2) to determine relationship between the layout parameters of subsurface drains and the effects of subsurface drains for controlling or discharging soil salt; and 3) to evaluate the impacts of soil characteristics on effects of subsurface drains for controlling or discharging soil salt. The evaluation index, ratio of salt discharge to leaching, is defined and used with desalination rate to evaluate the effects of subsurface drains for controlling or discharging soil salt. The experimental data of salt leaching under the subsurface drainage condition in Xinjiang was used to calibrate and validate the HYDRUS-2D model. 16 scenarios of numerical experiments were implemented to calculate the soil salt transport under different layout parameters of subsurface drains with 6 different spacing (100, 200, 300, 500, 1 000, 1 500 cm) under 3 different depths (60, 100, 150 cm). 1 scenario without subsurface drain was carried out for comparison. The soil salinity and desalination rate as well as ratio of salt discharge to leachingwere calculated for evaluation. In addition, 4 different soil types (loam, silt, silt loam, sandy clay loam) under the same depth of 1 m and spacing of 10 m were used to analyze the effect of soil texture on the effects of salt leaching and discharge of subsurface drains. The results showed that the simulation values were in good agreement with observed ones, and the established model could simulate soil water and salt transport under subsurface drains. The spacing of the subsurface drains showed strong impact on the desalination rate while no obvious impact was found from the depth of the subsurface drains and soil characteristics. There was an exponential relationship between the desalination rate and spacing of subsurface drains. The spacing and depth of the subsurface drains and the soil characteristics had significant effects on the ratio of salt discharge to leaching. The exponential and linear relationship between ratio of salt discharge to leachingwith the spacing and depth could be established, and also the ratio of salt discharge to leaching was exponentially related to saturated hydraulic conductivity. The empirical formula of the desalination rate and ratio of salt discharge to leaching with the layout parameters of subsurface drains under the specific soil and leaching schedule was established. The ratio of salt discharge to leaching was considered as a more appropriate evaluation index in arid areas because it could clearly distinguish leaching and discharging salt and it was sensitive to the layout parameters and soil characteristics. Furthermore, an empirical formula representing the relationship between the ratio of salt discharge to leaching with layout parameters and saturated hydraulic conductivitywas established, which could be used to determine the layout parameters according to the different objects of controlling or discharging soil salt. The calculation results were compared with those from the. The results showed that the calculated spacing from the proposed formula equaled to that from theformula with the ratio of salt discharge to leaching equaled to 500%. This study provides a possible quantitative evaluation method to determine the layout parameters in arid areas.

salinity; desalination;water content; subsurface drains; spacing; buried depth; permeability coefficient; ratio of salt discharge to leaching

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.008

S276.3;S276.7+3

A

1002-6819(2019)-13-0074-10

2018-12-27

2019-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.51790533）

錢穎志，博士生，主要從事土壤水地下水資源與環(huán)境方面的研究。Email：yzqian@whu.edu.cn

黃介生，博士，主要從事農(nóng)田水利與水環(huán)境方面的研究。Email：sdjshuang@whu.edu.cn

錢穎志，朱 焱，伍靖?jìng)ィS介生.考慮排鹽和控鹽的干旱區(qū)暗管布局參數(shù)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(13)： 74－83. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.008 http://www.tcsae.org

Qian Yingzhi, Zhu Yan, Wu Jingwei, Huang Jiesheng. Subsurface drains layout in arid areas with purposes of salt control and discharge [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 74－83. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.008 http://www.tcsae.org