考慮排鹽和控鹽的干旱區暗管布局參數研究

錢穎志，朱 焱，伍靖偉，黃介生

考慮排鹽和控鹽的干旱區暗管布局參數研究

錢穎志，朱 焱，伍靖偉，黃介生※

（武漢大學水資源與水電工程科學國家重點室，武漢 430072）

為研究干旱鹽堿地區排鹽暗管工程布局參數的確定方法，該文利用新疆蓄水淋洗、暗管排水排鹽試驗數據，建立并驗證了HYDRUS-2D數學模型，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，決定系數為0.95～0.99，所建立的模型能夠模擬淋洗和暗管協同作用下的土壤水鹽運移規律。考慮干旱區排鹽和控鹽的多重需要，提出了排淋比作為暗管排鹽的評價指標，并結合傳統的脫鹽率指標，定量分析了不同暗管布局參數（埋深和間距）和土壤質地條件對暗管排鹽的影響。結果表明：暗管埋深對脫鹽率影響不大，影響根系區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關系；而暗管間距和埋深對于排淋比都有顯著影響；當土壤飽和滲透系數較大時，土壤飽和滲透系數對脫鹽率沒有明顯影響，而排淋比與土壤飽和滲透系數呈指數關系，可見，排淋比比脫鹽率更加適用于評價暗管排鹽效率。該文進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的經驗公式。經比較，在計算的壤土情況下，當設計排淋比為500%時，該文擬合公式計算得到暗管間距與《規范》公式一致，當設計要求較低時，擬合公式所得暗管布局較為經濟。該經驗公式可用于指導確定干旱區暗管布局參數。

鹽分；脫鹽；含水率；暗管；間距；埋深；滲透系數；排淋比

0 引 言

暗管在治理鹽堿地方面得到越來越廣泛的應用，暗管排鹽起初用于濱海鹽堿地區[1-6]，研究者們針對濱海區水文地質特點，對不同灌溉方式、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研究和數值模擬[7-12]，提出了一系列適用于濱海區暗管布置的工程技術及參數估算方法[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移規律；張金龍等綜合Vedernikov入滲公式和Vander Molen淋洗方程，提出了濱海區暗管埋深、間距和淋洗定額計算公式[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]；陳誠等提出了考慮多目標的暗管埋深間距參數，并對比了濱海區暗管布置“淺密型”與“深寬型”的優缺點[20]，提出針對濱海區快速排水宜采用淺密型布置模式。濱海地區暗管布置以降低降雨引起的地下水位上升為主要目的，通過控制地下水位控制耕作層鹽分不超過作物耐鹽閾值，主要考慮作物根系深度和作物耐淹耐漬時間[21]等因素的影響。

近年來，西北干旱半干旱地區開始嘗試采用暗管排水進行鹽堿地治理，針對暗管排水對作物產量、土壤鹽分、土壤水分、灌溉水量、灌溉水質、土壤理化性質等的影響開展了大量試驗和數值模擬研究[22-27]。干旱區對于暗管布置參數多借鑒濱海區經驗，尚未對暗管布局參數進行系統研究，也未能形成能夠指導實踐的暗管布局參數公式[28]。西北內陸干旱區水文氣象、土壤質地、水文地質等特征與濱海地區有顯著差異，西北地區降雨少、蒸發量大，高強度蒸發導致地下水中鹽分上移，聚集在土壤表層，導致土壤鹽堿化[29-32]。西北旱區地下水埋深較深，暗管需配合淋洗對土壤鹽分進行協同調控。因此，在西北干旱區布設暗管考慮因素與濱海地區存在差異，基于濱海地區的暗管布局經驗公式在西北干旱半干旱地區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，并對暗管布局參數和土壤脫鹽之間的關系進行定量表征，以指導西北旱區排鹽暗管工程布局。

本文針對西北干旱地區水文地質條件，通過新疆瑪納斯河流域暗管排水條件土壤水鹽動態試驗數據，率定和驗證HYDRUS-2D模型的可靠性和實用性，利用建立的模型計算不同暗管布局和土壤質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，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，并利用前述計算結果擬合得到經驗公式，定量表征脫鹽率、排淋比與暗管間距、埋深、土壤飽和滲透系數之間的關系；結合工程算例，比較本文提出的經驗公式與已有公式計算暗管間距結果，說明本文提出公式的可行性及經濟性。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況及試驗設置

暗管排鹽淋洗試驗于2012年5－8月在新疆農科院棉花育種基地上進行[25]。試驗小區面積為15×10 m2，小區內共鋪設3條暗管，埋深60 cm，坡度0.2 %，間距5 m，編號分別為1、2、3號，小區布置見圖1。試驗小區從2012年7月8日（時間=0 d）開始蓄水淋洗壓鹽。每天早晚根據入滲情況及時補充水分，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。本試驗中取中間2號暗管控制區域作為取樣區域（圖1陰影部分），試驗前后在小區中心地帶距2號管水平方向上各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點所示。

注：A1 ~D3為土壤取樣點。

1.2 數值模型

1.2.1 模型基本原理

本文采用HYDRUS-2D模型[28]進行暗管排水條件下土壤水鹽動態模擬，模型采用二維飽和-非飽和Richards方程描述土壤水分運動，如下所示：

模型采用van Genuchten方程的改進模型來表示土壤體積含水率和土壤水力傳導度與土壤負壓的關系，模型包括5個重要參數，分別為殘余含水率θ、飽和含水率θ、飽和滲透系數K、經驗參數和[24]。

模型采用二維對流-彌散方程描述鹽分運移，如下所示：

式中為土壤溶液中的溶質濃度，M/L3；q為在x向的達西流速，L/T；D為飽和/非飽和水動力彌散系數，L2/T。飽和/非飽和水動力彌散系數D為1個張量，可以利用以下公式計算：

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

1.2.2 模擬區域

取2號暗管控制區域的一半作為模擬研究區域，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處設為不透水邊界。根據模擬區域的水力特征，將左右邊界設置為不透水邊界，將暗管設置為滲流邊界，上邊界設置為定水頭邊界或大氣邊界，當上邊界水勢下降到臨界值時，上邊界由定水頭邊界轉變為大氣邊界。上邊界水頭據文獻[25]中的淋洗水深簡化而來，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。上邊界蒸發強度取日平均為0.32 cm/d。初始地下水埋深設為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）測得；容重采用環刀取原狀土測定；土壤水分特征曲線利用粒徑和容重數據通過HYDRUS軟件中嵌入的人工神經網絡推算工具進行推算獲得；飽和導水率利用滲透率儀在變水頭下測定。溶質分子在靜水中的擴散系數取1.632 cm2/d；縱向彌散度和橫向彌散度根據參考文獻中的取值進行調試。試驗區土壤物理參數如表1所示[25]。

1.3 模擬情景設置

1.3.1 暗管布局參數情景設置

暗管布局參數對于暗管排鹽效果具有顯著影響，其中暗管間距和埋深是2個重要因素。在現有工程布局下，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械施工能力，暗管埋深多在60 cm以下及200 cm以上。

表1 試驗區域土壤物理參數

根據《暗管改良鹽堿地技術規程第2部分：規劃設計與施工》[34]（以下簡稱《規范》）中的經驗公式，暗管設計間距應滿足下式：

=·K·/100 （4）

式中K為飽和滲透系數，cm/d；為暗管埋深，m；暗管間距，m；為經驗系數，根據《規范》要求，黏土為40，壤土為30，砂土為20。

由于試驗區域土壤導水性較差（K為7.2 cm/d）,當埋深為0.6～2 m時，代入式（4），計算得到暗管間距為1.72～5.76 m。結合工程實際及研究目的，本文設置不同暗管間距（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，另外設置1組無暗管空白對照組，累計19組方案。模擬區域寬度為暗管間距一半，暗管直徑、模擬深度、邊界類型、淋洗制度、土壤參數、土壤水鹽初始值設置與前述一致。空白組模擬寬度為1 000 cm，不設暗管邊界，其余邊界條件及初始條件與前述一致。

1.3.2 土壤質地情景設置

考慮到土壤滲透參數對暗管排水排鹽具有重要影響，本文選取飽和滲透系數差別較大的4種土壤進行計算[35]，所選土壤種類及其參數見表2（溶質運移參數D和D取值與試驗區域表層土壤相同，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，模擬區域、邊界類型、淋洗制度及土壤水鹽初始值設置與前述一致。

表2 選取土壤物理參數表

1.3.3 模擬時長及鹽分均衡區域

干旱地區由于蒸發強度大，返鹽現象強烈，因此，選取的任何評價指標需考慮時間和空間范圍。本次模擬針對新疆典型作物棉花播種前的春灌排水排鹽過程，已有研究表明膜下滴灌棉田在生育期存在積鹽現象，需要利用淋洗保證棉花出苗[4,36-37]。因此本文將模擬時長定為暗管終止時間持續到棉花出苗期結束（10～15 d），累計40 d；由于出苗期棉花根系深度較淺，本文將各個指標研究區域定為土壤表層40 cm。

1.4 暗管排鹽評價指標選取

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個指標來評價淋洗作用下暗管排鹽效果。脫鹽率是指研究區域土壤鹽分的減小值占初始值的比例，它可以評價淋洗和暗管協同作用下，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脫鹽的貢獻區分開來[24-25]，且由于淋洗作用產生的脫鹽作用具有返鹽風險，因此有必要將淋洗壓鹽與暗管排鹽作用進行區分，以反映暗管土壤的真實脫鹽程度。本文定義排淋比作為評價暗管排鹽的第2個指標。所謂排淋比是指暗管排出鹽分質量與同樣淋洗制度下不埋設暗管時研究區域鹽分減小質量的比值，定量反映暗管排鹽相對于淋洗作用對于剖面脫鹽貢獻程度的大小。當排淋比為100%時，可認為暗管排鹽與淋洗壓鹽作用相當。暗管排淋比計算公式為

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為暗管累積排鹽質量，kg。

實際計算時，脫鹽率及排淋比R中的土壤鹽分初始值、終值通過Fortran語言將鹽分均衡區域各個節點含鹽量以節點控制面積為權重加權平均獲得。

2 結果與分析

2.1 模型驗證結果

采用表1中土壤參數對試驗區暗管排水條件下土壤水鹽進行模擬，=20 d時距離暗管水平方向距離（=0, 50, 150, 250 cm）各剖面實測和模擬含水率、含鹽量對比如圖2所示。由各處（=0, 50, 150, 250 cm）剖面實測和模擬含水率對比圖2a～圖2d可知，在=20 d時，各個剖面含水率差異不大，土壤在深度50 cm以下已經飽和。利用模型模擬得到的各個剖面含水率與土壤實測值變化趨勢一致，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，導致該土層土壤參數與模型所給平均參數具有一定差異。由各處（=0, 50, 150, 250 cm）剖面實測和模擬含鹽量對比圖2e~圖2h可知，在=20 d時，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越小。利用模型模擬得到的各個剖面含鹽量與土壤實測值變化趨勢一致，在=50 cm處，模擬值較實測值偏大。為準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（2）作為模擬結果評價指標[24]。不同剖面處含水率與含鹽量計算值與模擬值的RMSE和2見圖2。由計算結果可知，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測值較為吻合，能夠較好地模擬淋洗條件下的暗管排鹽過程。

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

2.2 暗管布局對土壤剖面水鹽分布的影響

模擬時段末剖面水鹽分布情況可以直觀表示淋洗和暗管協同作用下剖面的水鹽分布規律及剖面脫鹽效果。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，以研究暗管間距對剖面水鹽分布的影響，圖3a～圖3b表示模擬時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。需要說明的是，距離暗管/2的剖面為暗管控制區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同作用下，整個區域脫鹽的下限。由圖3a～圖3b可知，模擬時段末剖面含水率都呈現表層含水率低于初始含水率，底部含水率明顯增大的規律，剖面含鹽量呈現自上而下先減小再增大的規律，分析原因為在淋洗作用下，土壤含水率整體上升，鹽分隨淋洗水整體向下遷移，在后續蒸發作用下，土壤表層含水率下降，鹽分出現表聚現象；暗管間距越大，其排鹽效果最差斷面距離暗管距離越遠，對應的剖面含鹽量越高，原因為暗管具有一定的控制距離，暗管間距越大，中間斷面距暗管越遠，其脫鹽效果越差。

同時選取間距為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，以研究暗管埋深對剖面水鹽分布的影響，對比結果如圖3c和圖3d所示。由圖可知，暗管埋深越深，剖面含鹽量越低，但并無顯著差別，說明暗管間距對于剖面脫鹽的影響大于暗管埋深，分析原因為現有淋洗制度較大，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 暗管布局參數與脫鹽率的關系

不同暗管布局及空白組在=40 d后土壤耕作層（0～40 cm）的剖面脫鹽率計算結果及其與暗管埋深、間距的變化關系如圖4所示。由圖4a可見，對整體而言，不同暗管埋深情景下剖面脫鹽率之間無顯著性差異（>0.05）；當暗管間距小于500 cm時，脫鹽率均在80%以上，無明顯變化規律，且變化幅度很小。分析原因為在淋洗和暗管協同作用下，耕作層水鹽運移有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，也會促進淋洗進而影響脫鹽率，在現有大額淋洗制度下，盡管增加暗管埋深可以增加排水流量，但不足以促進淋洗水流向下推進，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，且均呈現隨著間距增大，脫鹽率減小的變化趨勢，并逐漸趨于空白對照組的脫鹽率（66.42%），這是因為增大暗管間距，相當于減少單位橫截面積土壤的水鹽出口和排水排鹽量，進而減小暗管排水排鹽對淋洗推進的促進作用，當暗管間距足夠大時，該促進作用可以忽略不計，因此此時脫鹽率趨于空白對照組脫鹽率。

為確定脫鹽率與暗管間距之間的定量關系，對脫鹽率與暗管間距之間的關系進行擬合，如圖4b所示，擬合關系式為

=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系。從圖4及式（7）可以得出，暗管布局對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%。這說明用脫鹽率作為指標不能客觀反映暗管在土壤脫鹽過程中的排鹽作用。

圖4 脫鹽率與暗管埋深和間距關系

2.4 暗管布局參數與排淋比的關系

不同暗管布局及空白組在=40 d后土壤耕作層（0～40 cm）的剖面排淋比計算結果及其與暗管埋深、間距變化關系如圖5所示。由圖5可見，暗管埋深和間距均對排淋比有明顯影響，暗管埋深越大、間距越小，則排淋比越大。這是因為隨著暗管加密，單位橫截面積土壤的水鹽出口增加；隨著暗管埋深增加，其排水水勢梯度增加，以上均會增加暗管總排水量和排鹽量，從而增大排淋比。當暗管埋深較深、間距較小（例如埋深為100 cm，間距100 cm）時，暗管排淋比會大于100%，這表明此時暗管的排鹽能力已經與淋洗造成的脫鹽相當，此時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關系，與暗管埋深近似呈線性關系。

由以上分析可知，排淋比同時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的關系，本文采用曲面函數對排淋比進行定量擬合，排淋比與暗管埋深、間距之間的擬合關系如圖5c所示，擬合關系式為

R=(91.03+8.35)×exp(-0.104) （8）

該擬合公式均方根誤差及決定系數分別為10.88 %、0.87。可見擬合得到的曲線均方根誤差較小，決定系數接近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（埋深與間距）之間的定量關系。

注：D為暗管埋深，L為暗管間距。下同。

2.5 土壤質地與暗管脫鹽率及排淋比的關系

不同土壤質地在=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K是影響土壤中水鹽運移的重要因素，因此土壤質地中影響脫鹽率、淋排比的主要因素是飽和滲透系數K，圖6表示脫鹽率、排淋比與K之間的關系。由表3及圖6可見，對于脫鹽率，除了本文模擬區域土壤以外均接近100%，主要原因是淋洗定額較大，可以將耕作層中的鹽分進行充分淋洗進入40 cm以下土壤，且在給定的模擬時間內不至于大量返回土壤表面。因此，對于不同質地的土壤，若是以控鹽為目的，在設計淋洗制度之前有必要對土壤K進行詳細考察，防止由于淋洗水量過大造成浪費。排淋比對K的敏感程度大于脫鹽率。相同淋洗制度下，不同土壤質地的排淋比表現出很大差異，排淋比隨著K增大而增大，暗管的排鹽作用逐漸超過淋洗作用，這是因為暗管排水排鹽能力與其周圍土壤性質直接相關，土壤導水能力越強，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之間的關系，采用指數函數對二者關系進行擬合，同時，為保證當K不變時，排淋比與暗管布局關系與式（8）一致，采用如下關系進行擬合：

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

表3 不同質地土壤脫鹽率和排淋比計算結果

圖6 脫鹽率、排淋比與飽和滲透系數（Ks）關系

圖6b所示情景下，暗管間距和埋深分別為1 000、100 cm，此時得到的擬合公式均方根誤差和決定系數分別為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及暗管布局參數之間的關系。需要說明的是，上述擬合公式針對K區間為小于30 cm/d。由于排淋比不可能隨著K無限增大，因此不推薦對K外延，對于K≥30 cm/d時排淋比及其規律，有待于進一步研究。

3 本文公式與已有規范公式計算結果對比

為評價擬合公式的適用性以及與已有經驗公式的差別，現參考《規范》[34]中的經驗公式（式（4）），比較兩者計算結果的差別。假設土壤為壤土，飽和滲透系數為25 cm/d，種植作物為棉花，現需要布設暗管配合淋洗進行鹽堿地改良，由于種植作物為棉花，生育期根系可達到80～100 cm，因此暗管埋深應大于100 cm。當暗管埋深分別為100、150、200 cm時，利用式（9）計算得到暗管間距分別為750、1 130、1 500 cm，如表4所示。若以脫鹽率為指標設計暗管布局，由圖7可得，對于壤土，在已有淋洗制度下，脫鹽率幾乎與暗管布局無關（均接近100 %）。可見，對于該種土質，以脫鹽率為指標進行暗管布局設計并不合理。

若以排淋比為指標設計暗管布局，需首先確定設計排淋比。為保證整個生育期棉花不受返鹽影響，暗管應當將根系深度范圍內（假設棉花根系深度為80 cm）淋洗的鹽分全部排出，根據排淋比定義（排淋比鹽分均衡區域仍為表層40 cm），在土壤剖面鹽分均一的條件下，暗管排除鹽分應2倍于均衡區域因淋洗減少的鹽分，即排淋比至少應達到200%才能滿足要求。此處取設計排淋比分別為200%、300%、400%、500%進行計算，利用式（8）計算得到當暗管埋深為100、150、200 cm時對應的暗管間距，如表4所示。由表可知，在同一種埋深情況下，對應不同設計排淋比，利用本文公式可以計算得到不同的暗管間距，而《規范》中的公式沒有考慮不同排鹽需求，對于給定埋深，只能得到1種暗管間距。同時，由表4可以看出，當設計排淋比為500%時，本文擬合公式計算得到的暗管間距與《規范》公式結果一致（可以認為在此設計排淋比下，暗管能夠排出0～200 cm剖面淋洗下來的所有鹽分），而當設計排淋比小于500%時，本文公式計算得到的暗管間距都大于《規范》公式，由于當設計排淋比為200%時作物根系區鹽分得到有效排除，達到排鹽目的。這一方面說明在一定的排淋比下，本文公式與《規范》公式的計算結果一致，另一方面也說明當設計排淋比較小（也即是排鹽需求較小）時，利用本文公式可以計算得到相對較大的暗管間距，這可以在滿足設計要求的情況下，減小暗管布設的成本，提高經濟效益。

表4 《規范》公式與本文公式計算結果對比

注：土壤類型為壤土，飽和滲透系數為25 cm·d-1，種植作物為棉花。

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

4 結 論

采用脫鹽率和排淋比來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）的關系，得到以下結論：

1）在暗管與淋洗協同作用下，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；二是通過暗管排出。干旱地區降雨少，蒸發大，由淋洗造成的脫鹽是不穩定的，耕作層的鹽分會隨著蒸發作用返回上部，具有返鹽風險。因此，評估干旱區暗管排鹽作用，需要綜合考慮脫鹽率和排淋比。

2）對于鹽堿地治理，若是以控鹽為主要目的，可以脫鹽率作為主要指標。此時暗管主要發揮2個方面的作用，一方面是及時排出淋洗進入的水分，從而增加淋洗總水量，另一方面在淋洗作用結束后，及時降低地下水位，減少后期返鹽風險。文中計算結果顯示，暗管埋深對于脫鹽率無顯著性影響，暗管間距對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。

3）對于鹽堿地治理，若是以排鹽為主要目的，需要同時兼顧脫鹽率和排淋比指標。此時暗管發揮的另一個作用是將耕作層淋洗下來的鹽分及時排除，防止返鹽。可采用本文所提出排淋比與暗管布局參數關系的經驗公式計算合適的間距和埋深組合，考慮施工成本，挑選經濟合理的布局方式進行布設。

4）土壤質地影響暗管布局設計，文中計算結果顯示，當飽和水力傳導度大于5 cm/d，現有淋洗定額下，土壤脫鹽率與飽和水力傳導度無關（都為100%），而排淋比與飽和水力傳導度呈指數關系。說明若是以控鹽為目的，在設計淋洗定額之前有必要對土壤飽和水力傳導度進行詳細考察，防止由于淋洗水量過大造成浪費，若是以排鹽為目的，可以根據土壤飽和水力傳導度相應調整暗管布局參數。

5）利用本文所得的排淋比公式計算得到的暗管布局與已有規范中的經驗公式的計算結果對比，在同一種埋深情況下，對應不同設計排淋比，利用本文公式可以計算得到不同的暗管間距，而《規范》中的公式沒有考慮不同排鹽需求，對于給定埋深，只能得到1種暗管間距。當設計排淋比為500%時，本文擬合公式計算得到的暗管間距與《規范》公式結果一致，而當設計排淋比小于500%時，本文公式計算得到的暗管間距都大于《規范》公式，可知本文公式對于現有淋洗制度下不同土壤的暗管布局設計具有較大的參考價值，且在設計淋洗標準較低的情況下，可以減小暗管布設成本，提高經濟效益。

土壤脫鹽與淋洗制度密切相關，本文僅考慮現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，進一步研究需要考慮淋洗制度與暗管布局的協同調控。

致 謝 中國農業大學左強教授提供了本文數值模型驗證數據，并對論文提出了寶貴意見，在此表示衷心感謝！

[1] Ritzema H P. Drain for gain: Managing salinity in irrigated lands: A review[J]. Agricultural Water Management, 2016, 176: 18－28.

[2] Abdel-Dayem S, Abdel-Gawad S, Fahmy H. Drainage in Egypt: A story of determination, continuity, and success[J]. Irrigation and Drainage, 2007, 56(S1): 1－11.

[3] Qadir M, Ghafoor A, Murtaza G. Amelioration strategies for saline soiles: A review [J]. Land Degradation & Development, 2000, 11: 501－521.

[4] Jafari-Talukolaee M, Shahnazari A, Mirkhalegh Z A, et al. Drain discharge and salt load in response to subsurface drain depth and spacing in paddy fields[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2015, 141：0401501711.

[5] Ritzema H P, Satyanarayana T V, Raman S, et al. Subsurface drainage to combat waterlogging and salinity in irrigated lands in India: Lessons learned in farmers’ fields[J]. Agricultural Water Management, 2008, 95(3): 179－189.

[6] King K W, Fausey N R, Williams M R. Effect of subsurface drainage on streamflow in an agricultural headwater water-shed[J]. Journal of Hydrology, 2014, 519: 438－445.

[7] 張金龍，劉明，錢紅，等. 漫灌淋洗暗管排水協同改良濱海鹽土水鹽時空變化特征[J]. 農業工程學報，2018，34(6)：98－103. Zhang Jinlong, Liu Ming, Qian Hong, et al. Spatial-temporal variation characteristics of water- salt movement in coastal saline soil improved by flooding and subsurface drainage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 98－103. (in Chinese with English Abstract)

[8] Carlier J P, Kao C, Ginzburg I. Field-scale modeling of subsurface tile-drained soils using an equivalent-medium approach[J]. Journal of Hydrology, 2007, 341(1/2): 105－115.

[9] Muma M, Rousseau A N, Gumiere S J. Modeling of subsurface agricultural drainage using two hydrological models with different conceptual approaches as well as dimensions and spatial scales[J]. Canadian Water Resources Journal, 2017, 42(1): 38－53.

[10] Liang Xiuyu, Zhang Youkuan, Schilling K E. Analytical solutions for two-dimensional groundwater flow with subsu-rface drainage tiles[J]. Journal of Hydrology, 2015, 521: 556－564.

[11] Kacimov A R, Obnosov Y V. Tension-saturated and unsat-urated flows from line sources in subsurface irrigation: Riesenkampf’s and Philip’s solutions revisited[J]. Water Resources Research, 2016, 52(3): 1866－1880.

[12] Phogat V, Skewes M A, Cox J W, et al. Seasonal simulation of water, salinity and nitrate dynamics under drip irrigated mandarin (Citrus reticulata) and assessing management options for drainage and nitrate leaching[J]. Journal of Hydrology, 2014, 513: 504－516.

[13] Tao Y, Wang S, Xu D, et al. Field and numerical experiment of an improved subsurface drainage system in Huaibei plain[J]. Agricultural Water Management, 2017, 194: 24－32.

[14] 李會貞，李法虎，周新國，等. 農田暗管-明溝組合排水系統布設參數計算與設計軟件編程[J]. 灌溉排水學報，2018，37(6)：101－108. Li Huizhen, Li Fahu, Zhou Xinguo, et al. A Computer software to design subsurface drain and open trench as a hybrid drainage system for farmland[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2018, 37(6): 101－108. (in Chinese with English Abstract)

[15] 沙金煊. 農田排水溝(管)間距計算的綜述[J]. 水利學報, 1985(6)：1－12.

[16] Salo H, Mellin I, Sikkil? M, et al. Performance of subsurface drainage implemented with trencher and trenchless machineries [J]. Agricultural Water Management, 2019, 213: 957－967.

[17] 張展羽，張月珍，張潔，等. 基于DRAINMOD-S模型的濱海鹽堿地農田暗管排水模擬[J]. 水科學進展，2012，23(6)：782－788. Zhang Zhanyu, Zhang Yuezhen, Zhang Jie, et al. Simulating subsurface pipe drainage in saline-alkali farmland along coastlines using the DRAINMOD-S model[J]. Advances in Water Science, 2012, 23(6): 782－788. (in Chinese with English Abstract)

[18] 張金龍，張清，王振宇. 天津濱海鹽堿土灌排改良工程技術參數估算方法[J]. 農業工程學報，2011，27(8)：52－55. Zhang Jinlong, Zhang Qing, Wang Zhenyu. Estimating method of irrigation and drainage engineering technical parameters for coastal saline-alkali soil reclamation in Tianjin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(8): 52－55. (in Chinese with English Abstract)

[19] 張金龍，張清，王振宇，等. 排水暗管間距對濱海鹽土淋洗脫鹽效果的影響[J]. 農業工程學報，2012，28(9)：85－89. Zhang Jinlong, Zhang Qing, Wang Zhenyu, et al. Effect of subsurface drain spacing on elution desalination for coastal saline soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(9): 85－89. (in Chinese with English Abstract)

[20] 陳誠，羅紈，賈忠華，等. 江蘇沿海灘涂農田高降漬保證率暗管排水系統布局[J]. 農業工程學報，2017，33(12)：122－129. Chen Cheng, Luo Wan, Jia Zhonghua, et al. Subsurface drainage system layout to meet high assurance rate of waterlogging control in coastal mud-flat farmlands in Jiangsu[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 122－129. (in Chinese with English Abstract)

[21] 張蔚榛，張瑜芳. 漬害田地下排水設計指標的研究[J]. 水科學進展，1999，10(3)：304－310. Zhang Weizhen, Zhang Yufang. Present status and prospect of study on the subsurface drainage criteria[J]. Advances in Water Science, 1999, 10(3): 304－310. (in Chinese with English Abstract)

[22] 劉玉國，楊海昌，王開勇，等. 新疆淺層暗管排水降低土壤鹽分提高棉花產量[J]. 農業工程學報，2014，30(16)：84－90. Liu Yuguo, Yang Haichang, Wang Kaiyong, et al. Shallow subsurface pipe drainage in Xinjiang lowers soil salinity and improves cotton seed yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(16): 84－90. (in Chinese with English Abstract)

[23] 阿爾娜古麗·艾買提，劉洪光，何新林，等. 膜下滴灌鹽堿地排水工程控鹽效果試驗研究[J]. 排灌機械工程學報，2018，36(4)：347－353. Aeraguli·Aimaiti, Liu Hongguang, He Xinlin, et al. Experimental study on salt controlling effect in drainage system in saline-alkali land with drip irrigation under mulch[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering(JDIME), 2018, 36(4): 347－353. (in Chinese with English Abstract)

[24] 蘇挺. 紅旗農場土壤鹽漬化狀況調查及不同埋深暗管排鹽效果研究[D]. 阿拉爾：塔里木大學，2017. Su Ting. Investigation of Soil Salinization Status of Hongqi Farm and Study on Removal Effect of Buried Pipe with Different Buried Depth[D]. Alar: Tarim University, 2017. (in Chinese with English Abstract)

[25] 李顯溦，左強，石建初，等. 新疆膜下滴灌棉田暗管排鹽的數值模擬與分析Ⅰ：模型與參數驗證[J]. 水利學報，2016，47(4)：537－544. Li Xianwei, Zuo Qiang, Shi Jianchu, et al. Evaluation of salt discharge by subsurface pipes in the cotton field with film mulched drip irrigation in Xinjiang，China Ⅰ: Calibration to models and parameters[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(4): 537－544. (in Chinese with English Abstract)

[26] 李顯溦，左強，石建初，等. 新疆膜下滴灌棉田暗管排鹽的數值模擬與分析Ⅱ:模型應用[J]. 水利學報，2016，47(5)：616－625. Li Xianwei, Zuo Qiang, Shi Jianchu, et al. Evaluation of salt discharge by subsurface pipes in the cotton field with film mulched drip irrigation in Xinjiang, China Ⅱ: Application of the calibrated models and parameters [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(5): 616－625. (in Chinese with English Abstract)

[27] 李顯溦. 新疆鹽堿棉田暗管排鹽方案研究[D]. 北京：中國農業大學，2017. Li Xianwei. Reclamation Strategies of Salt Discharge by Subsurface Pipe in Salinized Cotton Filed of Xinjiang[D]. Beijing: China Agricultural University, 2017. (in Chinese with English Abstract)

[28] ?im?nek J, van Genuchten M Th，?ejna M . The HYDRUS software package for simulating the two-and three-dime-nsional movement of water heat and multiple solutes in variably-saturated media technical manual version 1.0[R]. PC-progress. Prague, Czech Republic, 2006.

[29] 王少麗，王修貴，丁昆侖，等. 中國的農田排水技術進展與研究展望[J]. 灌溉排水學報，2008，27(1)：108－111. Wang Shaoli, Wang Xiugui, Ding Kunlun, et al. Advancement and prospect of farmland drainage in China[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2008, 27(1): 108－111. (in Chinese with English Abstract)

[30] 木合塔爾·吐爾洪，木尼熱·阿布都克力木，西崎·泰，等. 新疆南部地區鹽漬化土壤的分布及性質特征[J]. 環境科學與技術，2008，31(4)：22－26.

[31] 藺娟，地里拜爾蘇力坦，艾尼瓦爾·買買提. 新疆鹽漬化區土壤養分的空間結構和分布特征[J]. 干旱區資源與環境, 2007，21(11)：113－117. Lin Juan, Di Libai'ersulitan, Mohammed Anwar. Investi-gation of the spatial variability of soil nutrients in saline soil in Xinjiang[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2007, 21(11): 113－117. (in Chinese with English Abstract)

[32] Li P, Wu J, Qian H. Regulation of secondary soil salinization in semi-arid regions: A simulation research in the Nansha-ntaizi area along the Silk Road, northwest China[J]. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(698).

[33] Oyarce P, Gurovich L, Calderon I. Simulating hydraulic behavior of an agricultural drain based on experimental data[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2017, 143(8): 040170168.

[34] 中華人民共和國國土資源部暗管改良鹽堿地技術規程第2部分：規劃設計與施工TD/T 1043.2-2013[S]. 北京：中國標準出版社，2012.

[35] Carsel R F, Parrish R S. Developing joint probability- distributions of soil-water retention characteristics [J]. Water Resources Research, 1988, 24(5): 755－769.

[36] 秦文豹. 滴灌農田暗管排水效果及關鍵參數研究[D]. 石河子：石河子大學，2017. Qin Wenbao. Study on the Effect and Key Parameters of Water and Salt Discharge by Subsurface Pipe under Drip Irrigation Farmland[D]. Shihezi: Shihezi University, 2017. (in Chinese with English Abstract)

[37] 王振華，鄭旭榮，楊培嶺. 長期膜下滴灌棉田鹽分演變規律研究[M]. 北京：中國農業科學技術出版社，2015.

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

國家自然科學基金（No.51790533）

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

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

錢穎志，朱 焱，伍靖偉，黃介生.考慮排鹽和控鹽的干旱區暗管布局參數研究[J]. 農業工程學報，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