基于Hydrus- 1D軟件的大洼灌區灌水方案優選研究

肖素欣

(遼寧潤中供水有限責任公司,遼寧 沈陽 110166)

1 灌區簡介

大洼灌區位于遼寧省盤錦市南部，地處大遼河下游的右岸，東臨大遼河，西鄰遼河，南與營口市隔河相望，北與興隆臺區相接，總面積約1526km2[1]。灌區地勢低平，海拔高程為2～3.5m之間，總土地面積15.25萬hm2，設計灌溉面積6.8萬hm2。灌區屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，降水量適中，年平均降水量為646.6mm，平均氣溫8.5℃，無霜期177d。大洼灌區由于地勢較低，歷史上曾有大面積的鹽堿地分布，由于潛水位高、土壤鹽度高，不利于農作物的生長和發育。在大洼灌區建成之后，經過多年的改良，土壤鹽堿化問題得到明顯改善，但是并沒有徹底解決。

2 土壤水鹽運移數值模擬模型

2.1 Hydrus- 1D軟件

隨著鹽堿地改良技術發展，土壤水溶質運移研究也取得諸多研究成果。其中，Hydrus軟件是由美國國家鹽改中心開發的一款土壤水分、鹽分運移規律數值模擬軟件，主要由水流和溶質運移等七大基本模塊組成。該軟件憑借其精確的模擬結果以及強大的功能，在該領域獲得廣泛應用[2]。徐存東等利用該軟件進行了漫灌條件下的土壤水鹽運移規律[3]，余根堅等學者則利用該軟件對灌區土壤的水分和鹽分進行數值模擬[4]，均取得了良好的模擬效果。本次研究擬以上述研究成果為參考，利用Hydrus- 1D軟件對遼寧省大洼灌區的土壤水鹽運移規律進行研究，并以此為基礎提出最佳灌水方案。

2.2 模型的構建與參數率定

2.2.1 土壤水流模塊設置

在模型構建中利用修正的Richarhs方程描述土壤水分運動的基本方程，其數學表達式為[5]：

(1)

式中，θ—土壤的含水率；t—時間，h；z—深度，m；K(θ)—土壤的導水率；S—農作物根系吸水項。

采用V-G模型對土壤的水力特征進行描述，根據研究區的土壤顆粒級配和容重的實測值，利用“Rosetta”模擬獲得土壤水力參數值，結果見表1。

表1 土壤水力參數模擬結果

模塊的上邊界設定為大氣邊界，考慮到大洼灌區地下水位較高，下邊界條件的確定必須要考慮地下水的影響。根據相關研究成果，如果將下邊界設定為變水頭與實際結果誤差較大，因此將下邊界確定為自由水頭。

2.2.2 溶質運移模塊設置

由于大洼灌區部分地區土壤鹽堿化情況仍然比較嚴重，因此將研究對象選為土壤可溶巖類，以土壤的全鹽量為指標，以多孔介質運移理論為基礎，建立鹽堿化土壤溶質運移數學模型：

(2)

式中，D—彌散系數，cm；q—水流通量；c—溶質的質量濃度。

關于溶質運移模塊的參數值，研究中結合李韻珠等人的研究成果[6]，結合大洼灌區的實測數據適當調整確定。其中，彌散系數確定為39.5cm，擴散系數確定為1.25cm2/d。該模塊的邊界條件設置要和土壤水流模塊相對應，上邊界設定為濃度通量，下邊界設置為零濃度梯度。

2.2.3 作物根系生長和吸水

土壤水分會對農作物根系吸水速率產生一定的影響，本次研究中利用Feddes模型對這一影響進行計算，其參數由軟件的自帶系數確定，結果見表2。在需要輸入作物根系生長數據時，將初始根系深度設為0cm，最大根系深度設為60cm。

表2 Feddes模型自帶參數表

2.3 模型的檢驗

以播種前的土壤實測數據對構建的模型進行率定，以生育期的土壤實測數據進行模型的合理性驗證。結果顯示，所選樣本的土壤含水率與全鹽量配對的T檢驗顯著性水平的P值均大于0.05，說明模型的模擬結果與大洼灌區的實測結果比較接近，存在的誤差在可接受的范圍內，邊界條件與參數的確定比較科學、合理，可以用于下一步的研究。

3 灌區灌水方案的確定

3.1 灌水方案的確定

本次研究在進行多次田間試驗的基礎上，結合路振廣、劉佳等學者的研究結論[7- 8]，擬定灌水方案，見表3。

3.2 不同方案的土壤水鹽運移數值模擬

利用上節構建的Hydrus-ID數值模擬模型對14個不同灌水方案下的水分運移規律進行數值模擬。結果顯示，不同方案具有大致相同的土壤含水率變化規律，也就是灌水后土壤含水率迅速增加，而后逐步降低，其中表層土壤含水率的變化最為明顯。不同方案下的玉米生育期土壤平均含水率計算結果見表4。

表3 灌水方案擬定表

表4 各方案土壤含水率計算結果

利用模型對不同灌水方案下的鹽分運移規律進行數值模擬。結果顯示各方案的土壤含鹽率變化規律相似，也就是灌水后土壤含鹽率迅速降低，而后逐步增加，其中表層土壤含鹽率的變化最為明顯。不同方案下的玉米生育期土壤平均含鹽率計算結果見表5。

3.3 灌水方案的優選

從土壤在不同灌溉方案下的含水率和全鹽量兩個方面對上節計算獲取的結果進行對比分析，以獲得最佳灌水方案。

首先，從土壤含水率方面來看，當灌水定額相同的情況下，畦灌方式的不同深度土壤含水量均小于噴灌，其差值在0.5%～0.6%。因此，對玉米種植而言，噴灌的方式效果好于畦灌，對農作物的生長最為有利，因此應結合農田水利建設進行推廣。

表5 各方案土壤含鹽率計算結果

對噴灌方式而言，隨著每hm2灌水定額的增加，土壤的平均含水率有逐漸增大的趨勢，在10cm土層深度下，各個灌水方案的土壤含水率均在25%以上，適宜農作物生長發育。從變化比率來看，在方案5，也就是780m3/hm2灌水定額條件下，土壤含水率增量最大，而方案1～方案4的土壤含水率均低于25%，不能完全滿足作物生長發育需求，由此可見，方案5的灌溉用水具有最高的利用效率。

其次，從土壤的全鹽量總體情況來看，在灌水定額相同的條件下，噴灌的全鹽量要低于畦灌方式，主要原因是噴灌方式的下滲作用更強烈，同時還可以限制土壤深層鹽分上泛，可以使全鹽量相對下降較多。因此，從土壤的全鹽量角度來看，噴灌方式同樣要好于漫灌。從不同土層深度的全鹽量來看，所有方案的土壤全鹽量計算結果均小于0.3%，不會對作物生長造成明顯的不利影響。在方案5，也就是780m3/hm2灌水定額條件下，土壤全鹽量下降最多，因此該方案的灌溉水利用效率最高。

綜上所述，利用構建的Hydrus- 1D模型對農作物生長發育期的土壤水鹽運移情況進行模擬，通過對模擬結果的對比分析，認為方案5的灌溉用水具有最高的利用效率，經濟適用，可以大面積推廣使用。

4 結語

大洼灌區是我國東北地區的重要糧食產區，但部分地區一直受到土壤鹽堿化問題的困擾。近年來，隨著氣候變遷和渾河、大遼河上游來水量的減少，水資源供需矛盾日漸突出。因此，文章通過數值模擬的方式，針對高含鹽量土壤的灌水定額進行研究，并獲得如下結論：

(1)針對數值模擬計算的需要，構建起基于Hydms- ID軟件的水鹽運移計算模型，實測數據檢驗結果顯示，模型具有較高的擬合度，可以用于相關研究。

(2)從土壤含水率方面來看，噴灌的方式效果好于畦灌，對農作物的生長最為有利，在780m3/hm2灌水定額條件下，灌溉用水具有最高的利用效率。

(3)從土壤的全鹽量總體情況來看，噴灌方式同樣要好于漫灌，在780m3/hm2灌水定額條件下，土壤全鹽量下降最多，灌溉水利用效率最高。

(4)噴灌條件下780m3/hm2灌水定額灌溉用水效率最高，對土壤鹽分的淋洗效果最好，為大洼灌區的最優灌水方案。