干旱區(qū)平原水庫壩后農(nóng)田土壤水鹽運(yùn)移的規(guī)律研究

黃 風(fēng)，毛海濤，嚴(yán)新軍，林 榮

(1.重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶 404100；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；3.巫溪縣后溪河水電開發(fā)有限公司，重慶 405800)

新疆是中國最大的土壤鹽堿地區(qū)，許多土地減產(chǎn)甚至棄耕，而眾多平原水庫造成壩后農(nóng)田地下水位抬升，加劇了土壤鹽漬化的程度。新疆冰凍和非冰凍期時間幾乎相當(dāng)，平原水庫在全年不同季節(jié)變化及外界氣象因素的改變對壩后農(nóng)田土壤中水鹽運(yùn)移的影響需要研究。

針對干旱區(qū)凍土水鹽運(yùn)移，國內(nèi)外已做了大量的研究。研究表明在干旱、寒冷氣候條件以及地下水埋深較淺與礦化度較高的自然條件下，土壤冰凍所造成的鹽堿化對作物的危害十分嚴(yán)重[1,2]。荊繼紅等[3]凍結(jié)過程不同潛水埋深條件下的土壤水分運(yùn)移機(jī)理、土壤水與潛水之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系有明顯差異；李瑞平[4]等土壤冰凍期間多年水分、鹽分和溫度的變化規(guī)律進(jìn)行分析；李楊[5]介紹了土性對水分遷移過程的影響；尚松浩等[6]模擬了冰凍期土壤水熱遷移規(guī)律；崔莉紅等[7]通過凍融期土壤水鹽及其離子成分監(jiān)測試驗(yàn)，分析確定了土壤鹽分運(yùn)移的主控離子成分和鹽分類型；太原理工大學(xué)鄭秀清、樊貴盛等對冰凍土壤水分入滲特性的影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究[8]。針對干旱區(qū)非凍土水鹽運(yùn)移，許多學(xué)者也做了大量的研究。王振華等[9]新疆棉花地下滴灌水鹽運(yùn)移規(guī)律的研究；吳爭光等[10]棉花膜下滴灌土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律研究及數(shù)值模擬；劉磊等[11]干旱區(qū)棉花膜下滴灌水鹽運(yùn)移規(guī)律及數(shù)值模擬研究；魏光輝等[12]棉花膜下滴灌土壤鹽分運(yùn)移規(guī)律分析。綜合前人研究成果發(fā)現(xiàn)，缺乏系統(tǒng)在干旱區(qū)研究全年土壤鹽漬化變化規(guī)律的成果，由于水庫下游農(nóng)田地下水埋深呈現(xiàn)季節(jié)性變化，凍融時期和非冰凍時期水鹽運(yùn)移變化規(guī)律還需要探明。

因此，本文以新疆典型的平原水庫—恰拉水庫為例，通過HUDRUS來模擬恰拉水庫壩后農(nóng)田在不同氣候下土壤水鹽運(yùn)移情況。通過試驗(yàn)觀測和數(shù)值模擬相互對比研究，系統(tǒng)研究壩后農(nóng)田土壤鹽分變化特征，分析通過氣候的變化對農(nóng)田土壤水鹽運(yùn)移的影響，以期為壩后農(nóng)田鹽漬化的防治提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概括

恰拉水庫位于新疆天山南麓塔里木盆地東北邊緣塔河下游，壩體為碾壓式均質(zhì)土壩。地理位置在東經(jīng)86°36′～86°57′，北緯40°59′～40°04′范圍內(nèi)，水庫設(shè)計庫容1.61 億m3，相應(yīng)水位875.00 m，死水位870.20 m，屬國家大Ⅱ型平原灌注式水庫，承擔(dān)著農(nóng)業(yè)灌溉的任務(wù)。在建設(shè)水庫前，周邊農(nóng)田地下水埋深2～3 m[13]，建壩蓄水后，地下水位抬升，導(dǎo)致水庫周邊農(nóng)田土壤鹽堿化嚴(yán)重。恰拉水庫在壩后設(shè)置排水溝以降低地下水位，水庫壩后的農(nóng)田土壤主要以黏質(zhì)壤土為主。區(qū)內(nèi)屬于干旱大陸性氣候，根據(jù)2017年尉犁縣氣象站的氣候數(shù)據(jù)，可以得到，全年降雨量246 mm，全年分布不均，集中在4-9月。全年蒸發(fā)量為1 280.76 mm，是年降雨量的5.3倍。全年平均氣溫為12.4 ℃，氣溫最高在7月份為41.8 ℃；最低氣溫在1月為-12.5 ℃。氣象變化情況如圖1所示。恰拉水庫下游農(nóng)田在農(nóng)種期種植棉花。

圖1 蒸發(fā)量與降雨量的變化情況Fig.1 Changes of evaporation and rainfall

1.2 觀測點(diǎn)的布置

為了研究水庫壩后下游農(nóng)田全年中水鹽運(yùn)移情況，在植物區(qū)設(shè)置3個觀測點(diǎn)。每個觀測點(diǎn)距離壩址的距離相等，這樣能保證3個觀測點(diǎn)的地下水位相同。每個點(diǎn)的距離為100 m，分別為Y1、Y2、Y3。示意圖如圖2所示。

圖2 研究區(qū)觀測點(diǎn)設(shè)置Fig.2 Setting of observation points in the study area

每個觀測孔深度為1 m，分別對0、20、40、60、80和100 cm處的土樣進(jìn)行試驗(yàn)并獲得土壤含鹽量、含水率。

1.3 工況的設(shè)置

由于季節(jié)氣候的變化，本文將從這兩個時段進(jìn)行研究。第一時段為11月至次年4月為冰凍時期，這是因?yàn)槎颈旧碚舭l(fā)量小，表層土壤處于凍結(jié)狀態(tài)，致使地下水埋深較淺；第二時段為5月至10月為非冰凍時期，這是因?yàn)檫@期間是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)階段，氣溫高，蒸發(fā)量大，致使耕地地下水埋深不斷下降，致使地下水埋深較深。通過兩個時段分析出土壤在不同氣候下水鹽運(yùn)移的變化情況。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將自動水位記錄儀安置在觀測孔中，記錄3個觀測點(diǎn)全年地下水位的變化情況，取3個觀測孔的平均值，作為最終水位的變化情況。

(2)每一個月對3個觀測點(diǎn)沿土層垂向自上而下分別取0、20、40、60、80和100 cm取出土樣，共18個土樣。

(3)將每處土樣取出一部分與水按5∶1的比例混合，經(jīng)過3分鐘的振蕩后，將水土混合液進(jìn)行過濾，使用電導(dǎo)法測定出濾液中鹽分的總量及該土樣處的鹽分。

(4)將每處土樣剩余部分，使用烘干法，計算土樣的含水率。

(5)每個實(shí)驗(yàn)做3次，取平均值，作為該處的含鹽量與含水率的值。

1.5 水位變化

根據(jù)全年的觀測得到水庫水位與地下水埋深的變化如圖3所示。

圖3 水庫水位與地下水位的變化Fig.3 Changes in reservoir water level and ground water level

由圖3可以看出，水庫水位與地下水埋深的變化趨勢相同。在結(jié)凍時期，11月-3月水庫位引水，蓄水期，呈上升趨勢，上升了0.89 m，增加上下游的水位差，導(dǎo)致滲流量增大，而地面上層土壤為凍結(jié)土，水分向上積聚到土壤的凍結(jié)層，地下水埋深也逐漸上升，上升了0.39 m。3月開始慢慢水庫水位及地下水埋深呈慢慢下降。如圖3(a)所示。在非冰凍時期，6-9月底，農(nóng)田的植物需要灌溉，導(dǎo)致水庫斷放水，水庫水位呈下降趨勢，從872.91 m下降到871.12 m，上下游的水位差減少，滲流量也減少，排渠水位變低，而蒸發(fā)量大，降雨量少，致使農(nóng)田地下水位不斷下降，從1.5 m下降到1.61 m，如圖3(b)所示。

2 數(shù)值模擬

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)觀測資料和實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 垂直一維土壤水分運(yùn)動方程

土壤為均質(zhì)、各向同性的多孔介質(zhì)，忽略溫度與土壤中的氣相對土壤水分的影響，不考慮根系吸水與源匯項，用以研究飽和-非飽和流動問題的一維 Richards 控制方程：

(1)

式中；K(θ)為土壤水的導(dǎo)水率，cm/h；θ是土壤的體積含水率，cm3/cm3；Z為垂直坐標(biāo)，可認(rèn)為是土壤是深度，cm，取向下為正；h是土壤壓力水頭，cm；t為時間，h。

2.2 溶質(zhì)的運(yùn)移

由于不考慮一階動力學(xué)吸附問題，所以μw、μs、γw、γs、S都取0。因此模型中飽和—非飽和多孔介質(zhì)中非穩(wěn)定流溶質(zhì)運(yùn)移的一維對流-彌散方程[14]為：

(2)

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；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。

2.3 相關(guān)系數(shù)

模型采用變水頭的方法在觀測土壤中的鹽分與水分的變化。在變水頭入滲條件下，θs、Ks與n是對累積入滲量影響較大的參數(shù)[15]，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)土壤水鹽數(shù)據(jù)進(jìn)一步校正，每一個研究區(qū)域校正后將取一個點(diǎn)作為代表，表示出土壤水力參數(shù)如表1所示。

表1 土壤水力參數(shù)Tab.1 Soil hydraulic parameters

本文取1 m土體作為模擬剖面。使用HYDRUS軟件對觀測點(diǎn)數(shù)值模擬。由于季節(jié)氣候的不同改變地下水的深度從而改變土壤的壓力水頭，因此通過軟件模擬出不同深度的水鹽運(yùn)移的情況，根據(jù)監(jiān)測區(qū)的數(shù)據(jù)與模擬出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷出模型的可靠性，最后可以根據(jù)模擬值看出水鹽運(yùn)移的動態(tài)。

3 結(jié)果分析

通過對觀測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)，以及對相應(yīng)觀測點(diǎn)的數(shù)值模擬進(jìn)行以下的對比，并作出結(jié)論。

3.1 模擬校準(zhǔn)與驗(yàn)證

根據(jù)2016年11月-2017年10月對恰拉水庫下游農(nóng)田的含水率與含鹽量進(jìn)行校正與數(shù)據(jù)驗(yàn)證，通過對比檢驗(yàn)?zāi)M得可靠性，從而可以觀測出土壤在不同時間、不同深度水鹽運(yùn)移的變化情況。

由圖4可知，土壤深度在0～100 cm之間，模擬值與實(shí)測值圖像的走向基本相同。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行相對誤差分析可以得到，在冰凍時期，距表層0，20，40，60，80，100 cm處含水率的最大相對誤差分別為1.71%、1.42%、1.33%、1.24%、1.19%，1.13%最小相對誤差分別為0.59%、0.41%、0.34%、0.38%、0.33%，0.36%。含鹽量最大相對誤差分別為1.87%、1.72%、1.48%、1.27%，1.33%，1.32%，最小相對誤差分別為0.43%、0.64%、0.58%、0.41%，0.22%，0.17%；而在非冰凍時期，距表層0，20，40，60，80，100 cm處含水率的最大相對誤差分別為1.39%、1.25%、1.15%、1.45%、1.52%，1.12%，最小相對誤差分別為0.74%、0.48%、0.59%、0.43%、0.32%，0.26%。含鹽量最大相對誤差分別為1.57%、1.73%、1.32%、1.31%，1.12%，1.32%，最小相對誤差分別為0.58%、0.41%、0.42%、0.35%，0.26%，0.36%，根據(jù)以上分析可以得到含水率與含鹽量的最大相對誤差在2%以內(nèi)；最小相對誤差大約在0～1%。結(jié)果表明，此次模擬值與實(shí)測值的圖像變化趨勢大致相同，相對誤差偏低，能夠較好的穩(wěn)合，模擬結(jié)果能夠反映實(shí)際情況，可用于模擬實(shí)際情況。

圖4 模擬值與實(shí)測值的含水率與含鹽量對比Fig.4 The water content and salt content of simulated value and measured value were compared

3.2 土壤含水率的變化

通過實(shí)測的初始條件對農(nóng)田的非冰凍時期時期(5月至10月)和冰凍時期時期(11月至4月)的含水率進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬后的結(jié)果如下。

不同時期土壤在1 m以內(nèi)含水率的變化過程，如圖5所示。在冰凍時期，水庫水位處于高水位，滲漏量增大，上層土壤為凍土，土壤水分運(yùn)移狀態(tài)呈上滲—入滲型，地下水位逐漸上升，土壤含水率隨著地下水位的上升也逐漸增加，從表層到離地面1 m分別上升了66.34%、45.89%、39.48%、37.56%、37.46%、38.14%。如圖5(a)所示。在非冰凍時期，土體表孔打開，蒸發(fā)量逐漸增大，而水庫水位逐漸下降，滲流量減少，導(dǎo)致地下水位下降，土壤中的含水率也隨之減少。由于6-9月為農(nóng)業(yè)澆灌期，地下水位逐漸上升，土壤的含水率呈波浪形式上下波動，土壤含水率出現(xiàn)幾個峰值，最高達(dá)到0.35%左右，如圖5(b)所示。從以上分析可以得到，土壤中的含水率隨著地下水位深度的變化而改變，地下水位越淺土壤的含水率越高，隨著土壤的深度加深含水率逐漸增大。

圖5 不同時期的含水率Fig.5 Water content in different periods

3.3 土壤含鹽量的變化

通過實(shí)測的初始條件對農(nóng)田的冰凍時期和非冰凍時期的含鹽量進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬后的鹽分變化的圖像如圖6所示。

圖6 不同時期的含鹽量Fig.6 Salt content in different periods

由圖6可得，土壤含鹽量在不同時期的變化情況。冰凍期，土壤的深度從表層到100 m含鹽量分別變化了94.32%、90.77%、90.95%、-5.70%、22.55%、-9.18%，土壤的深度越深變化量越低；在60、100 cm呈微下降趨勢，0、20、40、80 cm呈上升趨勢，如圖6(a)所示。由于地下水位上升，水分逐漸往上遷移, 鹽分隨著水分逐漸上升，在3、4月份蒸發(fā)量增大，水分蒸發(fā)的速度加快，導(dǎo)致土壤含水率下降，土壤的含鹽量反而增大，土層越淺含鹽量的變化量越高。在非冰凍時期及農(nóng)種時期，含鹽量分別變化了：97.80%、96.78%、92.90%、11.32%、8.35%、2.22%，變化量與深度呈反比。根據(jù)圖6(b)所示，表層含鹽量在7月達(dá)到最高，為7.5 g/L左右，由于在農(nóng)種時期6月底水庫開始放水向棉花地澆灌，地下水位逐漸上升，澆灌的一部分水用于植物的吸收，另一部分用于淋洗土壤中的鹽分。表層的鹽分隨著水分向下滲，降低從而土壤中的含鹽量；8月份底，蒸發(fā)量大，土壤的含水率下降，上層土壤的含鹽量緩慢上升，9月底保持平衡，此時含鹽量為4.5 g/L左右。根據(jù)以上分析總體說明，土壤的含水率與含鹽量呈負(fù)相關(guān)，地下水位越高，土壤含水率就越高，含鹽量越低。經(jīng)過蒸發(fā)后，土壤含水率減少，而土壤含鹽量增加。因此有效的控制地下水的可以降低上層土壤的含鹽量，土壤越淺越明顯。

4 結(jié) 論

針對冰凍期和非冰凍期的干旱區(qū)平原水庫下游農(nóng)田土壤為研究對象，通過實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相互對比，檢驗(yàn)出模擬值的可靠度，對在現(xiàn)實(shí)中土壤很深的情況，我們無法進(jìn)行取土試驗(yàn)時作為參考。本文通過hydrus模擬出土壤在不同深度下含水量與含鹽量的變化情況。得出以下結(jié)論。

(1)水庫水位的變動影響下游農(nóng)田地下水位的變化，水庫水位越高，上下游水位差越大，滲流量就越大，地下水補(bǔ)給量增加，水位上升越快。

(2)土壤地下水位與含水率呈正相關(guān)，地下水位越高，含水率就越高。

(3)土壤的含水率與含鹽量呈負(fù)相關(guān)，通過蒸發(fā)量的增大，水分被蒸發(fā)速度加快，含水率逐漸降低，將水中的鹽分留在土壤中，地表聚鹽速度增加，從而含鹽量增加。

(4)地下水位的變化對水鹽動態(tài)影響較大，是誘發(fā)鹽漬化的內(nèi)因。而氣象因素的蒸發(fā)是水鹽運(yùn)移的原始驅(qū)動力，是誘發(fā)土壤鹽漬化的外因。

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