基于Hydrus-2D暗管布设参数对滨海盐碱地淋洗均匀性的影响研究

Study on the Influence of Subsurface Drain Layout Parameters on Leaching Uniformity in Coastal Saline Soil Based on Hydrus-2D

摘要

为研究暗管布设参数对天津滨海盐碱地淋洗均匀性的影响，选择典型区域开展现场试验，通过现场试验数据建立并验证Hydrus-2D模拟模型，利用验证后的模型开展不同暗管布设参数下盐碱土水盐运移模拟。结果表明：模型可以准确模拟暗管排水作用下盐碱土的水盐运移规律。当暗管埋深固定，随着暗管间距增加，暗管埋深之上土壤盐分质量比最大值降低、最小值升高，土壤淋洗均匀性增加，暗管埋深之下土壤盐分质量比最大值升高、最小值降低，土壤淋洗均匀性降低。当暗管间距固定，随着暗管埋深增加，土壤层整体土壤盐分质量比最大值、最小值降低，淋洗均匀性升高。因此，宽间距、深埋深的暗管布设参数有助于提升滨海粉砂质盐碱地土壤淋洗均匀性。

Abstract

This study investigates the impact of subsurface drain layout parameters on the leaching uniformity of coastal saline soil in Tianjin Binhai New Area. A field test was conducted in a representative area， and the Hydrus-2D numerical simulation model was established and validated using the field data. The validated model was employed to simulate the movement of water and salt in saline-alkali soil under various subsurface drain layout parameters. The results show that when the burial depth of subsurface drains is fixed， increasing the spacing between drains leads to a decrease in both the maximum and minimum soil salt content above the burial depth， thereby enhancing leaching uniformity. Conversely， the maximum and minimum salt content below the burial depth increases， resulting in decreased leaching uniformity. When the spacing between subsurface drains is fixed， increasing the burial depth reduces both the maximum and minimum salt content in the soil while improving leaching uniformity. Thus， employing a layout with wider spacing and greater burial depth for subsurface drains is beneficial for enhancing leaching uniformity in coastal silty sandy saline soil.

Graphical abstract

关键词

滨海盐碱地 / 排水暗管 / 布设参数 / 淋洗均匀性 / Hydrus-2D

Key words

coastal saline soil / subsurface drains / layout parameters / leaching uniformity / Hydrus-2D

盐碱地是重要的后备土地资源，但存在治理难度大、成本高，易反弹等问题。全世界盐碱地面积约为9.543 8亿hm²，其中我国盐碱地为9 913万hm²，广泛分布在华北、东北、海滨及西部内陆干旱区，严重制约着当地经济高速发展与生态环境保护^[1-3]。在我国北方临海的吹填造陆区域，受特定区域环境与特殊土壤质地的双重影响，土壤母质盐分高、土壤质地差，此外，高矿化度和高地下水位，在降水少、蒸发强烈的气候影响下，致使土壤积盐十分严重^[4-5]。

现今，盐碱地改良措施众多，但其根本都离不开“盐随水来，盐随水去”基本原理，灌水淋洗始终是去除土壤盐分最直接、最有效的方法，而大量灌溉水下渗会造成浅水位地区地下水位快速抬升，土壤次生盐渍化危害加重，只有灌排相结合才可以有效避免改良后的土壤发生次生盐渍化危害。暗管排水作为盐碱地治理重要的排水手段，已经在世界各地盐碱地治理过程中发挥着重要作用^[6-7]。设置暗管排水淋盐后，因为土壤原有压力水头的变化，导致土壤水分运动由纵向下渗转变为纵向下渗与向暗管渗流相结合，致使越靠近暗管淋洗程度越强，同深度土层盐分淋洗效果也因此产生差异，土层淋洗均匀性产生较大变化^[8]。不同暗管布设参数对土壤层水分运移产生影响^[9]，从而影响着盐碱地的淋洗效果，因此明确不同暗管布设参数下盐碱地淋洗效果，对提升水资源利用效率和减弱对生态环境的扰动至关重要。

随着科技快速进步，模拟饱和-非饱和多孔介质中水分、溶质及能量运移专业性软件Hydrus由美国盐碱地实验室研发出来^[10-11]。Li等^[12]通过土柱试验与Hydru-1D软件数值模拟，研究了地下排水和微咸水灌溉协同作用下的盐碱土水盐运移规律。Tiwari^[13]利用Hydru-2D结合地下排水试验场数据模拟了1984—1985年地下排水农田盐分分布，并对未来盐分分布及排水矿化度进行预测。李显溦等^[14-15]通过运用Hydru建立了暗管排盐模拟模型，并利用试验数据验证了模型可以很好地模拟暗管排水、排盐过程。国内外众多学者不仅验证了Hydru软件在模拟暗管排水过程方面的优越性，还利用软件深入研究了不同情况下的盐碱地水盐运移规律。但针对暗管布设下盐碱地淋洗均匀性的研究较少，本文利用现场试验校验的暗管排水数值模型，以实际值为初始条件，模拟不同情况下水盐运移规律，研究暗管布设参数对滨海盐碱地淋洗均匀性的影响，从而为工程实践暗管布设参数的选取奠定理论基础。

1 现场试验

1.1 试验区概况

试验区位于天津市滨海新区南港工业区内，地理位置为117°32′35.16″E、38°41′4.85″N，气候类型为大陆性季风气候，年均降水量为566.0 mm，年均蒸发量为2 070.2 mm，降水多集中于夏季。试验区土壤为吹填海底淤泥形成的滨海潮滩盐土，土壤母质具有盐分高的特点，质地为粉砂质壤土，地下水埋深约1.8 m^[9]。

1.2 试验简介

试验区布设3 条长500 cm排水暗管，试验实际布设参数参考文献[9]、[16]确定，埋深60 cm，间距400 cm，坡度2‰，试验区总面积1 200 cm ×600 cm。排水暗管使用管径为6 cm的带孔PVC波纹管，排水集水管使用管径为20 cm的无孔PVC管。现场试验时，暗管外围缠绕1 层无纺布（无纺布面密度80 g·m^-2，厚度0.3 mm，纤维直径15 μm）后铺设，以防止进水孔被土壤小颗粒堵塞。为防止淋洗水产生地表径流流失，四周设置高15 cm垒土墙。暗管布设如图1所示。

淋洗用水为当地自来水，电导率（EC）为328 μS·cm^-1，盐分质量比为0.2 g·kg^-1，测量温度为25.0 ℃，出水端安装流量表监测与控制灌水量。试验日期为6月1日—8月31日，共计92 d。每月1、11、21日进行灌水淋洗，单日淋洗定额为5 cm，8月21日因大雨未开展淋洗，试验期总计淋洗8 次。

1.3 土壤取样与物理参数确定

试验进行前开展本底数据收集，确定土壤初始条件。试验完成1 d后开展结果取样，结果数据用于检验模型参数。试验取样点如图1所示，编号R1—R3、S1—S3、T1—T3为同位置的3组重复，使用土钻以20 cm为1 层开展分层取样，共计5层；使用环刀取样，进行土壤容重测定。同类取样以取样化验结果均值作为试验研究的实际值。

利用环刀法测定土壤容重；使用LS230型激光粒度分析仪测得土壤粒径分布；使用烘干法测定土壤体积含水率；使用电导法测定土壤盐分；利用Hydrus软件中内嵌的人工神经网络推算工具推算土壤水分特征曲线参数；使用渗透仪在变水头下测定饱和导水率；溶质分子在静水中的扩散系数取1.632 cm²·d^-1，纵向弥散度与横向弥散度参考文献并结合试验结果来确定^[16-17]。试验区土壤剖面初始体积含水率和盐分质量比如表1所示，土壤物理参数如表2所示。

2 模型建立与验证

2.1 模型基本原理

2.1.1 水分运动基本模型

该模型以质量守恒定律及达西定律为基础，假定土壤是二维各向同性介质，忽略土壤水分滞后效应、温度和空气对水分运动的影响。土壤水分运动模型采用Richards方程^[17]：

\frac{\partial \theta }{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left[K\left(\theta \right)\frac{\partial h}{\partial x}\right]+\frac{\partial }{\partial z}\left[K\left(\theta \right)\frac{\partial h}{\partial z}\right]+\frac{\partial K\left(\theta \right)}{\partial z}-S_{\mathrm{0}}，（1）

式中：θ为土壤体积含水率，cm³·cm^-3；t为时间，d；K（θ）为非饱和导水率，cm·d^-1；h为压力水头（基质势），cm；x为横坐标；z为纵坐标；S₀为源汇项。

对于式（1）中土壤含水率-基质势-导水率的关系采用van Genuchten模型描述^[17]：

\begin{array}{l}K\left(\theta \right)=K_s{S}_e^l{\left[\mathrm{1}-\left(\mathrm{1}-S_e^{\mathrm{1}/m}\right)\right]}^{\mathrm{2}}\\ (m=\mathrm{1}-\mathrm{1}/n,n>\mathrm{1}),\end{array}（2）

S_e=\frac{\theta -{\theta }_r}{{\theta }_s-{\theta }_r}，（3）

式中：K_s 为饱和导水率，cm·d^-1；S_e 为相对饱和系数；l为孔隙连通性参数；m、n为土壤水分特征曲线形状系数；θ_r 为土壤残余含水率，cm³·cm^-3；θ_s 为土壤饱和含水率，cm³·cm^-3。

2.1.2 溶质运动基本模型

研究对象为土壤中随水迁移的可溶盐，以土壤全盐量为控制指标，假定溶质运移无吸附和衰变反应。溶质运移采用标准对流-弥散（CDE）方程^[17]：

\frac{\partial \left(\theta C\right)}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x_i}\left(\theta D_{ij}\frac{\partial C}{\partial x_j}-q_{i}C\right)，（4）

式中：C为溶液质量浓度，g·cm^-3；D_ij 为扩散度，cm²·d^-1；q_i 为水流通量，cm·d^-1。

2.2 模型构建

现场试验数据为基础构建模拟模型，初始情况按表1实际测量数据设置，模拟宽度取为800 cm，左右边界通过的正负通量近似相等，设为零通量边界^[19]。充分考虑地下水顶托及返盐作用，相关研究明确暗管排水时，暗管埋深150 cm以下的地下水流线近似水平，垂直通量可忽略，故在地下500 cm位置设置不透水边界^[16]。上边界设置为随时间变化的大气边界。研究区蒸发量和降水量由中国气象数据网下载获得，模拟时段内降水量和蒸发量数据如图2所示。灌水量叠加到降水中输入大气边界，初始地下水位埋深为180 cm，模型边界条件如图3所示。

2.3 模型验证

采用表1、表2的数据开展数值模拟，模拟时间与试验时间一致，为92 d，模拟监测点设置在距暗管水平距离0、100、200 cm，土层深度20、40、60、80、100 cm位置。模型精度评价指标采用均方根误差（RMSE）、决定系数（R²）与纳什效率系数（NSE）^[20]。实测与模拟对比值数据及评价指标计算结果如表3所示。RMSE、R²、NSE计算公式：

\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}\mathrm{E}=\sqrt[]{\frac{\mathrm{1}}{n}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{\left(Q_i-S_i\right)}^{\mathrm{2}}}，（5）

R^{\mathrm{2}}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\left(O_i-\overline{O}\right)\times {\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\left(S_i-\overline{S}\right)}{\sqrt[]{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{\left(O_i-\overline{O}\right)}^{\mathrm{2}}}\times \sqrt[]{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{\left(S_i-\overline{S}\right)}^{\mathrm{2}}}}，（6）

\mathrm{N}\mathrm{S}\mathrm{E}=\mathrm{1}-\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{\left(O_i-S_i\right)}^{\mathrm{2}}}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{\left(O_i-\overline{O}\right)}^{\mathrm{2}}}，（7）

式中：O_i 为实测值，S_i 为模拟值，\overline{O}为实测均值，\overline{S}为模拟均值。RMSE越接近0模型精度越高。R²越接近1，模型对数据的拟合度越高。NSE越接近1表示模型可信度越高。

由表3可知，土壤体积含水率RMSE范围为0.009 2~0.010 7 cm³·cm^-3，R²为0.889 8~0.988 6，NSE为0.710 8~0.736 9，土壤盐分质量比RMSE范围为1.628 4~1.188 53 g/kg，R²为0.956 9~0.973 3，NSE为0.728 2~0.807 3。评价指标结果表明，土壤体积含水率与盐分质量比模拟值与实际值的偏差较小，模型的拟合度较高，模拟结果较好。

3 模型应用

3.1 不同暗管铺设间距对盐碱地淋洗均匀性的影响

暗管埋深固定为现场试验埋深60 cm，暗管铺设间距设置为200、400、800 cm，利用验证后的模型参数进行模拟，为更好地显示不同暗管铺设间距下水盐运移规律，上边界设置为3 cm·d^-1的定通量边界，模拟各土层盐分分布（图4）。盐分分布典型数据统计见表4。

由图4可知，各深度土壤盐分质量比的变化趋势呈现波浪形，以暗管间距为周期变化。在20 cm土层，总趋势为距离暗管越近土壤盐分质量比越低，随着暗管间距增大曲线逐渐变得平稳，暗管间距800 cm时，距暗管中心0~100 cm区间距离暗管越近土壤盐分质量比越高。在40 cm土层，暗管间距200 cm时距离暗管越近土壤盐分质量比越低，暗管间距400 cm时，土壤盐分质量比由暗管远端（相邻暗管中间位置）至暗管近端（暗管中心位置）呈现先降低后缓慢升高最后快速下降的趋势，暗管间距800 cm时，土壤盐分质量比由暗管远端至暗管近端呈现先降低后升高最后降低的趋势。在60 cm土层，土壤盐分质量比的变化总趋势为由暗管远端至暗管近端先降后升，随着暗管间距增大暗管远端土壤盐分降低缓慢，暗管近端土壤盐分质量比升高。在80 cm土层，土壤盐分质量比变化总趋势为由暗管远端至暗管近端逐渐升高，暗管间距800 cm时，在暗管远端土壤盐分质量比有微小升高。在100 cm土层，土壤盐分质量比由暗管远端至暗管近端呈现逐渐升高的趋势。

由表4可知，浅层土壤盐分标准差较深层土壤更小，表明随着土层深度的增加淋洗均匀性下降。各暗管布设参数下20 cm土层深度的标准差相差不大，表明20 cm土层淋洗均匀性受到暗管布设间距的影响较小；40 cm土层深度下暗管间距的标准差大小排序为200 cm、400 cm、800 cm，表明40 cm土层深度下淋洗均匀性随着暗管间距增加而升高；60 cm、80 cm、100 cm土层深度下暗管间距的标准差大小排序均为800 cm、400 cm、200 cm，表明60 cm以下深度淋洗均匀性随着暗管间距增加而降低。由表4土壤盐分质量比均值可知，浅层土壤均值小于深层土壤，表明浅层土壤淋洗得更充分，在20 cm、40 cm、60 cm土层深度各暗管间距下土壤盐分质量比均值差距较小，80 cm、100 cm土层深度下各暗管间距的土壤盐分质量比均值大小排序均为200 cm、400 cm、800 cm，表明暗管埋深之下土壤盐分质量比均值随着暗管间距增加而降低。由土壤盐分质量比最大值、最小值可知，随着土层深度增加土壤盐分质量比最大值、最小值升高，在20、40 cm土层深度下土壤盐分质量比最大值随着暗管间距增大而降低，在60、80、100 cm土层深度下土壤盐分质量比最大值随着暗管间距增大而增加，土壤盐分质量比最小值在20、40、60 cm土层深度受暗管间距的影响较小，在80、100 cm土层深度下随着暗管间距增加而降低。

3.2 不同暗管埋深对盐碱地淋洗均匀性的影响

暗管间距固定为现场试验宽度400 cm，暗管埋深设置为60、80、100、120 cm，利用验证后的模型参数进行模拟。为更好地显示不同暗管铺设间距下水盐运移规律，上边界设置为3 cm·d^-1的定通量边界，模拟各土层盐分分布（图5）。盐分分布典型数据见表5。

由图5可知，暗管埋深分别为60、80、100、120 cm时，0~60、0~80、0~100、0~120 cm土层土壤盐分变化总趋势表现为距离暗管越近盐分质量比越低，暗管埋深分别为60、80 cm时，60~100、80~100 cm土层土壤盐分变化表现为距离暗管越近盐分质量比越高，在20、40 cm土层土壤盐分分布曲线随着暗管埋深增加振幅减小。当暗管埋深为60 cm时，60 cm土层土壤盐分质量比由暗管远端向近端先降低后增加；当暗管埋深为80 cm时，80 cm土层土壤盐分质量比由暗管远端向近端先降低后增加；当暗管埋深为100 cm时，100 cm土层土壤盐分质量比由暗管远端向近端先降低后增加。

60、80、100 cm暗管埋深相对应的60、80、100 cm土层土壤盐分质量比变化趋势为由距离暗管远端向近端先降低后增加。

由表5可知，暗管埋深为60、120 cm时，土壤盐分质量比标准差随着土层深度增加而增大，表明上层土壤淋洗均匀性大于下层土壤。暗管埋深为80 cm时，除80 cm土层土壤盐分质量比标准差存在突变降低，其余土层标准差随着土层深度增加而增大。暗管埋深为100 cm时，除100 cm土层土壤盐分质量比标准差存在突变降低，其余土层标准差随着土层深度增加而增大。由土壤盐分质量比均值可知，均值随着土层深度增加而增大，随着暗管埋深增加而降低，暗管对深层土壤的影响小于浅层土壤。由土壤盐分质量比最大值、最小值可知，土壤盐分质量比最大值随着土层深度增加而增大，随着暗管埋深增加而降低；土壤盐分质量比最小值的变化总趋势为随着土层深度增加而增大，随着暗管埋深增加而降低。

4 结论

利用现场试验数据验证Hydrus-2D模型模拟滨海盐碱土水盐运移规律具有较高的精度，土壤体积含水率评价指标RMSE、R²、NSE值分别大于0.009 2 cm³·cm^-3、0.889 8、0.710 8，土壤盐分质量比评价指标RMSE、R²、NSE值分别大于1.628 4 g·kg^-1、0.956 9、0.728 2。

在暗管排水作用下，土壤盐分分布随着暗管间距呈现周期性变化，在暗管埋深以上越靠近暗管土壤盐分质量比越低，淋洗越充分，暗管埋深以下土壤盐分质量比总变化趋势则相反。暗管埋深固定时，暗管埋深以上的土壤随着暗管间距的增加淋洗均匀性增加，暗管埋深以下则反之。暗管间距固定时，随着暗管埋深的增加土壤淋洗均匀性增加。暗管埋深位置受暗管排水影响，横向运移显著，土壤淋洗均匀性较高。

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基金资助

天津市科技计划项目(23ZGCXQY00060)

天津市科技计划项目(19YFZCSF01090)