自然和工程措施條件下吹填土壤脫鹽過程模擬

李 山，王 倩，仵 苗，方 偉，張虎平，楊冠川，李靜思

自然和工程措施條件下吹填土壤脫鹽過程模擬

李 山1，王 倩1，仵 苗1，方 偉2，張虎平2，楊冠川2，李靜思1

（1. 西安理工大學西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安 710048；2. 中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

為探明灘涂圍墾區吹填土壤在自然和工程措施條件下的脫鹽過程、脫鹽速率及脫鹽歷時，該研究以浙江臺州東部新區涂面整理區為例，采用在田間水文模型DRAINMOD基礎上開發的DRAINMOD-S模型研究了該區域吹填土自然和不同工程措施（集雨措施、生物措施及不同暗管排水措施組合）條件下的脫鹽過程。結果表明DRAINMOD-S模型能夠較好的模擬出吹填土的水文變化過程和鹽分淋洗過程：預測的地下水位埋深變化與實測值變化范圍與趨勢基本一致，其平均偏差為-3.40 cm，平均絕對偏差為6.90 cm，均方根誤差為8.60 cm，相關系數為0.79；土壤鹽分模擬值與實測值的平均偏差為-0.08 g/L，平均絕對偏差為0.20 g/L，均方根誤差為0.24g/L，相關系數為0.91；吹填土鹽分在自然降雨和現狀規劃河道排水的作用下整體呈緩慢下降的趨勢，年平均脫鹽速率為0.45 g/L左右，土壤達到脫鹽標準的時間約為27 a；該研究提出的工程措施能夠極大縮短吹填土的脫鹽進程，可將年平均脫鹽速率提高至0.73～1.80 g/L，脫鹽歷時縮短到3～13 a。結果可為類似圍海造陸工程規劃設計、鹽分治理、土地利用規劃管理、生態環境重構等前期預測分析工作提供支持。

模型；土壤；DRAINMOD-S；脫鹽速率；脫鹽歷時；鹽分控制措施

0 引 言

在經濟社會快速發展的背景下，城市化進程不斷加快[1]，城市基礎設施建設用地逐年增長，耕地面積日益減少[2-3]，經濟發展與土地資源的矛盾日益突出，土地資源的緊缺已成為制約中國經濟發展的重要因素之一。沿海地區因經濟發達、人口密集、城市化程度高，采用圍填海造地方式將原有的濱海灘涂轉變為陸地，已成為解決用地矛盾，拓展生產和生活空間，打破土地瓶頸的重要手段。因此，填海造陸工程對緩解沿海地區人地矛盾、推動社會經濟發展，具有十分重要的現實意義[4-5]。但吹填土初始含鹽量普遍較高[6]，填海造陸工程使陸地地下水向海水排泄途徑被延長[7-8]，改變了原有的水動力條件[9-10]等原因，導致圍海造陸區因土壤和水環境鹽分釋放緩慢，海岸生態系統不能快速重構[6,11]，圍海造陸區往往需要閑置拋荒多年后才能用于耕作或建設，降低了投資回收效率和生態環境的恢復速度，加大了投資成本。因此國家在加強圍填海工程管控的同時，需要在掌握圍海造陸區開發利用的主要限制因子——土壤鹽分[6]變化規律的基礎上，加快盤活已完成的圍填土地，使其盡快發揮經濟效益，提高土地利用率。

但完全依靠自然脫鹽，其歷時往往長達數十年[12-13]。因此，往往需要采取一定的工程措施以加快自然脫鹽過程。鹽堿地改良的工程措施往往有利用雨洪淡水資源以促進脫鹽的集雨措施[14-15]、通過增強排水能力的暗管排水排鹽措施[16-18]、物理-化學-生態綜合改良及植被構建技術措施[19]和通過改善土壤特性以促進脫鹽效率的土壤調理劑與水力淋洗結合的措施等，但填海造陸區的水鹽環境復雜，生態環境脆弱，選擇治理方法應十分慎重。此外治理措施往往涉及到治理效果和投資之間的平衡，關系到工程規劃設計和投資估算。因此，對不同工程措施進行科學評價和方案比選是吹填工程規劃設計的核心內容之一。

目前通過長期定位觀測[12]、土壤調查[13]或高密度電法儀監測[20]等獲取圍海造陸區土壤鹽分數據進行統計分析的方法[12-13，21]是圍海造陸區土壤脫鹽過程預測的主要方法之一。統計分析法往往對數據樣本數量有一定要求[13]，需要投入較大的人力和物力及時間成本，同時還存在數據監測點代表性差、數據不連續、時間跨度大，受研究區氣象、地形地質等因素影響大，且不能揭示吹填土脫鹽的機理等缺點，使研究結果具有一定的局限性和滯后性。劉虎等[22]通過室內土柱試驗研究了曹妃甸地區擾動吹填土在穩定流條件下的脫鹽過程，克服了統計分析方法的部分不足，但因試驗忽略了降雨的隨機性，使結果與實際具有較大差異，仍然不能夠明晰實際吹填土脫鹽過程和脫鹽歷時。但無論是統計分析還是室內試驗，都缺乏不同方案預測分析和方案比選的功能。因此，采用具有明確物理含義，并且能夠對不同方案進行分析的數值模型來研究吹填土自然條件和不同治理措施下的脫鹽過程，預測其脫鹽速率和脫鹽歷時，是論證實施工程措施的必要性的前提，也是圍海造陸區開展土地利用規劃、經濟效益分析和生態環境恢復的基礎。

但吹填土脫鹽過程與氣象因素、地下水位、地下水礦化度、排水條件、土壤質地、植被等密切相關，因此，在綜合考慮以上因素下對吹填土脫鹽過程進行預測是目前迫切需要解決的關鍵問題。根據吹填土脫鹽特點和影響因素，美國農業部所推薦的田間水文模型DRAINMOD基礎上開發的農田水鹽管理模型DRAINMOD-S具有較好的適用性[23-24]。DRAINMOD-S是以DRAINMOD模型的水平衡計算結果作為己知輸入，充分利用了DRAINMOD模型所需參數少、排水模擬精度高、能夠進行排水設計方案比選等優點[25-27]，但DRAINMOD-S以往的研究和應用，主要集中在農田水鹽預測、設計和管理中[28-29]，在吹填工程中還鮮有研究報道。因此，本文以已建工程——臺州東部新區涂面整理及軟基處理工程為例，基于DRAINMOD-S模型模擬研究區吹填土自然和不同排鹽工程措施條件下吹填土壤脫鹽過程，量化自然和工程措施條件下淋洗至滿足農業生產或城市綠化的耐鹽閾值的脫鹽歷時，以及自然和工程措施條件下吹填土的脫鹽速率；以期為圍海造陸工程規劃設計、鹽分治理、可行性分析、土地利用規劃管理、生態環境重構等提供依據，以提高土地利用效率，加快資金周轉。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于浙江省臺州市中部沿海（121?32'24"E～121?35'56"E，28?34'5"N～28?39'25"N），為2014年開工建設，利用海底淤泥吹填并經地基處理后陸續形成的陸域，其吹填土壤初始平均含鹽量達到了10 g/kg[30]，吹填土高含鹽量成為了研究區土地開發利用的主要限制因子，因此，為了提高土地利用率、加快資金的回收和后期生態環境的恢復與重構，亟待確定吹填區的排鹽量、排鹽速率和淋洗至滿足農業生產或城市綠化的耐鹽閾值的時長。

研究區位于區域性構造單元泰順-黃巖大斷裂的東南方向，地質構造完整，褶皺不發育，原始地貌屬于河口近潮坪地貌類型，涂面平坦寬闊，以沖積平原、灘涂為主，研究區埋深80m以內的區域大致可分為：淤泥質黏土、粉質黏土、粉砂、粗砂和礫石等。吹填完成后區域高程在3.0～4.0m之間，地形較為平坦。吹填后地表及以下4 m左右以內為人工堆填的閉氣土和吹填土，土質均勻。

研究區地處亞熱帶季風氣候區，四季分明，最高氣溫為40.3 ℃，最低氣溫為-7.1 ℃，年平均氣溫16.8～17.2 ℃，多年平均水面蒸發量900 mm左右；但雨量充沛，年降水量介于1 100～2 200 mm之間，多年平均降水量1 600 mm左右，年降水日數132～171 d。年內降水集中在兩個明顯的雨期：6月下旬至7月下旬的“梅雨期”，降水量約為146 mm，約占全年降水量的10%；8月上旬至9月中旬的“臺風雨期”，降水量約為350 mm，占全年降水量的23%。多年平均6～9月降水量占全年總量的54.8%。年較大暴雨大部分為臺風影響所致的臺風雨，日暴雨量能達50～100 mm，特大暴雨量能達300 mm以上。因此，相對集中的降雨可能具有較好的淋洗脫鹽潛力。

研究區規劃的水系格局為“四橫四縱、一湖、兩濕地”；其中“四橫”指與上游河網連通并最終穿過研究區及海堤，進入大海的洪家場浦、鮑浦、長浦、青龍浦；“四縱”指圍一至圍四河；“一湖”指位于研究區中部的月湖；“兩濕地”指位于月湖南、北兩側的人工濕地。連通的水系將研究區分割為多個區域，為土壤脫鹽和脫鹽尾水提供了水鹽輸出通道。根據工程建設進度，截止2019年4月，已經挖通的河道有東長埔河、圍一河，月湖南側的南圍二河和南圍三河，月湖西側的東鮑浦河，但月湖以東、東長浦河以西的河道，圍四河和南濕地工程還未實施。

1.2 DRAINMOD-S模型基本原理

本研究中擬基于DRAINMOD模型，首先對研究區的排水過程進行分析，并在此基礎上根據DRAINMOD-S模型對鹽分運移的模擬來分析吹填土自然條件和不同工程措施下的脫鹽過程。其基本原理如下：

1）DRAINMOD模型基本原理

吹填區排水過程的模擬是自然脫鹽計算的基礎，DRAINMOD模型的基本原理為地表及土壤剖面水量平衡方程。在某時段內，農田地表水量平衡方程可表達為

土壤剖面水量平衡可表達為

2）DRAINMOD-S模型基本原理

在DRAINMOD-S模型中，為簡化計算，假設鹽分為最簡單的惰性、非吸附性溶質遷移，且以垂向遷移為主，鹽分在土壤中主要運動形式為一維垂向對流和水動力彌散。根據Fick定律和質量守恒定理，土壤鹽分遷移方程可表示為

式中為水動力彌散系數，cm2/h；為溶液濃度，g/L；為土壤含水率，%；為土壤深度坐標，cm；為淋洗時間，h；為土壤水分通量，mm/d；其中水動力彌散系數計算公式為

式中為縱向彌散度，cm；為土壤孔隙水流速，cm/d；0為鹽分在自由水中的分子擴散系數，cm2/d；為孔隙彎曲率，=7/3/θ2，其中為土壤飽和含水率，%。

1.3 DRAINMOD-S模型的輸入數據及計算方法

DRAINMOD-S的輸入數據主要包括氣象數據，土壤特性，作物變量，灌溉和排水系統數據等。

氣象數據：因DRAINMOD-S模型需要輸入每日的ET、最高氣溫、最低氣溫和每小時的降水等氣象數據。由中國氣象數據網（http://data.cma.cn）獲取了研究區附近洪家氣象站的降雨、氣溫、風速、氣壓、輻射等氣象因子日數據（1999年1月1日—2019年4月1日）；因為研究區沒有作物，其蒸發為裸地潛水蒸發，但由于裸地潛水蒸發觀測困難，代價較高，直接獲取難度較大，因此根據水面蒸發數據和2019年1月—2019年4月的研究區地下水位監測數據，采用阿維里揚諾夫潛水蒸發公式計算了研究區的裸地潛水蒸發，用于DRAINMOD-S模型率定過程中的潛在蒸發量（Potential Evapotranspiration，即PET）輸入。阿維里揚諾夫潛水蒸發表達式如下：

式中為裸地潛水蒸發量，mm；0為水面蒸發量，mm/d；為極限蒸發深度，根據室內多組土壤顆粒分析結果表明，研究區土壤質地多為黏土和粉質黏土，在無作物條件下，參照有關研究[31]黏土極限蒸發深度可取3 m；為地下水位埋深，m；為與土壤質地和植被情況有關的經驗系數，一般取1～3；輕質地土壤或植被根系吸水深度大、蒸騰旺盛時，值較小；土壤質地黏重時，值較大，因研究區土壤質地黏重，因此值取3。

但因吹填工程已經改變了原始地形地貌，缺乏長序列的地下水位數據，因此在利用歷史氣象資料模擬分析長序列降雨脫鹽過程中無法采用阿維里揚諾夫潛水蒸發計算公式計算研究區的裸地潛水蒸發；有研究認為，有作物生長時的潛水蒸發強度與裸地潛水蒸發強度的比值有良好的規律性[31]，因此可根據有作物時的潛水蒸發來確定無作物時的潛水蒸發，即

式中為潛水蒸發強度作物影響系數（簡稱作物影響系數），無量綱；ET0為參考作物蒸散發，mm/d。基于此，可以對比2019年1月—2019年4月采用阿維里揚諾夫潛水蒸發計算公式計算研究區的裸地潛水蒸發和采用Penman-Monteith法計算的ET0，即可獲得，從而可以通過長序列氣象資料計算的ET0反推出長序列的。

土壤數據：采用離心機法對土壤水分特征曲線進行了測定，結果表明吹填區土壤在3 m以內土質較均勻，沒有明顯分層，區域內不同點位的土壤差別不明顯，因此在模型中假設研究區為均勻土質，土壤水分特征曲線采用平均值。通過現場豎管試驗和振蕩試驗，獲取了現場尺度淺部土層垂向滲透系數在0.73×10-6～2.33×10-6cm/s之間，水平滲透系數在0.88×10-6～2.80×10-6cm/s之間[30,32]，且吹填土層滲透系數大于原始土層（淤泥質黏土），均為微-極微透水層，因此相對不透水層深度取4 m。

鹽分數據：研究區土壤可溶鹽成分主要是NaCl，2019年1月1日對吹填完成4、2、1和0.5 a的土壤取土（12個鉆孔，鉆孔深度為3 m左右，分0～30、>30～60、>60～90、>90～120、>120～150、180～210、240～270和290～320 cm共8層取樣，共計96個土壤鹽分樣品）測試發現：新鮮吹填土剖面平均鹽分濃度為18 g/L，吹填完成4、2、1和0.5 a的區域土壤鹽分平均濃度分別為15.00、15.30、16.00和16.50 g/L左右；水動力彌散系數為1.18×10-6～1.47×10-6cm2/s，彌散度為0.77 cm[30]。

排水系統概化：模型所需的排水系統輸入參數包括從土壤表面到排水溝的深度，排水溝間距，排水模數，排水溝的有效半徑和相對不透水層厚度。但因為研究區主要為建設用地，規劃了“四橫四縱，一湖、兩濕地”的水系格局，無田間排水系統。因此，需要根據研究區實際，以及土壤水分運動規律和水力特性，對排水系統進行概化，降雨產生的地下排水會首先進入與其相鄰的規劃河道、月湖或濕地內。

1.4 擬采取的鹽分治理工程措施

雖然研究區規劃了“四橫四縱、一湖、兩濕地”的水系格局，為土壤脫鹽和脫鹽尾水提供了水鹽輸出通道。但因土壤質地黏重，排水間距較大，依靠現狀排水條件，在自然降雨的作用下，吹填土壤脫鹽過程可能仍然十分緩慢。勢必會影響土地利用率、延長資金的回收和后期生態環境的恢復與重構，因此，需要采取一定的鹽分治理措施以加快吹填土壤的脫鹽速率，縮短脫鹽歷時。

本研究擬選擇以水利為主，生物為輔的工程措施，以加快研究區的鹽分輸出。工程措施具體如下：1）生物措施：種植堿蓬、蘆葦等鹽生植物，通過對植物收割使部分鹽分帶出土壤；以具有較高經濟價值的堿蓬為例，收割后可帶走鹽分總量約1 200 kg/hm2[33]；2）集雨措施：通過修筑10 cm土埂以抬高排水匯流區四周的高程，收集自然降雨，從而減少降雨地表徑流損失，增加雨水入滲，加大降雨淋洗作用，促進吹填土的鹽分輸出；具體在模型中的體現為增加最大平均坑洼深度S值；3） 暗管排水措施：在生物措施和集雨措施的基礎上，采用不占地的暗管排水工程加大地下排水效率，以促進土壤鹽分輸出；暗管排水措施在模型中的體現為不同排水管間距和排水管深度組合，共設置了5個排水間距（20、40、60、80和100m）和5個排水埋深（0.6、0.8、1.0、1.2和1.5m），共計25個暗管排水組合以分析其脫鹽效果。

1.5 模型參數率定、驗證與評價

采用吹填完成1a的區域內監測點的水位數據對模型的水文過程進行率定，監測點主要排泄渠道為“四縱”中的圍二河。根據圍二河設計尺寸和水位監測結果，排水系統可概化為：排水埋深為1 m，排水間距為360 m，排水系統有效半徑約為2 m，排水模數因現場條件無法實測獲得，根據土壤性質和土壤滲透系數設排水模數的初值為0.10 cm/d，進行率定調整；因該點鹽分監測數據較少，但研究區均為吹填形成，吹填工藝、吹填泥沙來源相同；吹填形成的區域地形平坦，排水條件接近；在此基礎上以新鮮吹填土鹽分作為該點初始值，吹填完成0.5、1、2、和4 a的區域內排水條件相近的點的監測數據作為該點不同脫鹽歷時的鹽分數據，對鹽分數據進行了延長，并以年降雨量和降雨規律相近、氣候無明顯變化的2015—2018年作為模擬率定時段，對土壤脫鹽過程進行了率定。

模型預測結果準確性的判斷，主要根據徑流過程模擬值與實測值圖形直觀比較和統計參數進行評價。對模擬結果評價的統計指標有平均偏差、平均絕對偏差、均方根誤差及相關系數等。

2 結果與分析

2.1 DRAINMOD-S模型的率定與驗證

根據吹填完成1 a的區域內監測點的水位數據和鹽分數據對模型的水文過程和鹽分淋洗過程進行率定，經模型計算，地下水水位實測結果和模擬結果如圖1a所示；由圖1a可知，DRAINMOD-S模型預測的地下水位埋深變化與實測值變化范圍與趨勢基本一致；且與降雨密切相關，當降雨量較大時水位上升，沒有降雨時，水位逐漸下降；模擬值與觀測值的平均偏差為-3.40 cm，說明模型整體低估了地下水埋深；平均絕對偏差為6.90 cm，均方根誤差為8.60 cm，說明觀測值和模擬值之間的偏離程度較小；相關系數為0.79，說明觀測值與模擬值有很好的相關性。對DRAINMOD-S模擬預測的降雨脫鹽過程進行對比，結果如圖1b；土壤脫鹽過程在短期內受降雨的影響和蒸發的影響，在夏季無降雨間隔時間較長時，鹽分會在蒸發的作用下，有所上升，但在隨后的降雨作用下又會降低；整體呈下降趨勢，但因土壤質地黏重，滲透系數較小，脫鹽效率較低；模擬值與實測值的平均偏差為?0.08 g/L，說明模型整體低估了土壤鹽分；但平均絕對偏差為0.20 g/L，均方根誤差為0.24 g/L，說明觀測值和模擬值之間的偏離程度非常小；相關系數為0.91，說明觀測值與模擬值有很好的相關性。

綜上所述，DRAINMOD-S模型能夠較好的模擬出研究區的水文變化過程和鹽分淋洗過程。偏離程度均在可接受的范圍內，滿足誤差小于20%的要求。經率定得到的排水模數為0.05 cm/d，地表最大平均坑洼深度為3 cm，最小平均坑洼深度為0.50 cm，可作為研究區土壤脫鹽過程模擬的基本參數。

2.2 研究區自然脫鹽過程模擬與分析

在自然降雨的作用下，吹填土鹽分將隨著排水排出土體，進入臨近的河道、月湖或濕地內，從而使土體鹽分降低，但在無降雨的時段，地下水中的鹽分將在蒸發的作用下上升至上層土壤中。為了分析研究區的自然脫鹽過程，以已開挖的“四橫”規劃河道之一的東長埔河以南，南濕地以北，圍二河兩側的區域為例，該區域排水面積共1.40 km2，采用經率定驗證后的DRAINMOD-S模型模擬分析了該區域的自然脫鹽過程。根據排水的基本規律可知，該區域降雨產生的地下排水首先會向圍二河南段快速排泄，從而使土壤地下水較為迅速的降低，當沒有降雨且土壤地下水位和河水位相當時，土壤地下水和鄰近河流的部分水流以深層滲漏的方式向更低更遠處排泄，但因吹填土導水性能差，區域水力坡度小，該過程歷時時間長，因此可以忽略不計。在以上假設條件下，該區域的排水系統基本參數可以概化為排水間距約250 m，平均排水埋深約為1.5 m。需要說明的是，截至2019年4月南濕地還未施工，因此，未考慮南濕地對排水系統概化的影響。

在此基礎上，利用歷史氣象資料（1999—2018年），采用DRAINMOD-S模型對該區域自然脫鹽過程進行了模擬計算，自然脫鹽過程如圖2所示。結果表明：在現狀條件下，經20 a土壤鹽分濃度由18.0 g/L下降至9.05 g/L，年平均脫鹽速率為0.45 g/L左右，在蒸發的作用下還會出現鹽分向地表聚集的情況，從而引起土壤溶液鹽分濃度出現一定的波動。因此，在規劃水系和降雨的作用下，自然脫鹽過程緩慢。但研究區土地利用規劃涉及到濕地、綠地等城市建設內容，需要滿足植被耐鹽要求；研究表明一般植物可承受的土壤鹽分要小于3 g/kg，約為6 g/L[16,34]；根據圖2和年平均脫鹽速率可知，預計達到植物適宜生長的土壤鹽分閾值的時間約為27 a，脫鹽歷時較長。因此，降雨雖然對土壤鹽分有一定的淋洗作用，土壤溶液鹽分濃度也逐年降低，但由于土壤導水性能較差，土壤顆粒細小，多為淤泥質黏土，導致降雨的淋洗作用有限。依靠自然脫鹽，過程緩慢。其他區域也得到了類似結論。

對該區域內的水鹽輸出進行統計，結果表明：多年平均年降雨量為1 596 mm、年蒸發量為822 mm、年地下排水深度僅為8 mm，年地表排水深度為764 mm；因此，該區域年平均地下排水量為1.1萬m3，年平均地表排水量為106.9萬m3；這說明該區域內主要以地表排水為主，地下排水十分有限。其原因一方面是因為該區域內僅有一條人工溝道圍二河，且排水間距較大；另一方面是因為土壤側向導水率較小，水平方向上排水量較小。基于以上兩個原因導致地下排水量很小，從而使該區以地表排水為主。年均總鹽分輸出量約為187 814.7 kg。

2.3 不同工程措施下研究區脫鹽過程模擬與分析

為了盡快滿足土壤鹽分控制指標，迅速將吹填區內土壤鹽分排出是重要的基礎。因此，為了使規劃用地能夠盡快投入使用，加快資金回收，提高土地利用效率，需要采取一定的治理措施加快研究區的土壤脫鹽過程。

本研究在生物措施和集雨措施的基礎上，模擬分析了共計25組不同排水管間距和排水管深度組合下研究區土壤的脫鹽過程；本研究選取了以水利為主，生物為輔的治理措施，以加快研究區的鹽分輸出。以暗管埋深為1.5 m，暗管布置間距為100 m為例，土壤脫鹽過程如圖 3所示。由圖3可知，研究區土壤鹽分隨著時間的推移逐漸減小，約為10 a，鹽分濃度將下降至6 g/L左右，能夠滿足一般植物的生長；經過20 a運行，鹽分濃度將小于2 g/L，年平均淋洗速率約為0.84 g/L，脫鹽效果明顯。其他暗管排水系統組合條件下，鹽分淋洗過程也得到了類似結論，脫鹽速率和達到土壤鹽分標準的時間如表1。

由表1可知埋深越大、排水間距越小，淋洗效果越好，達到植物可承受的土壤鹽分標準所需的時間越短，年平均脫鹽速率在0.73～1.80 g/L之間，脫鹽歷時在3～13 a之間。本文提出的生物措施、集雨措施和暗管排水結合的工程治理措施，能夠較為快速的將鹽分淋洗排出，從理論和技術上是可行的；工程措施使脫鹽速率提高了1.6～4.0倍，脫鹽歷時縮短了14～24 a；但一般情況下，埋深越大、排水間距越小，投資也相對越大。因此，還需要進一步根據工程實際需要以及投資預算等多因素綜合分析，選擇合適的方案。

表1 25種暗管排水工程措施下土壤脫鹽效果模擬統計

3 討 論

DRAINMOD-S模型作為農田水鹽管理的專有模型，以往的研究和應用，主要集中在農田水鹽預測、設計和管理中[23-24，28-29]。雖然該模型具有所需參數少等優點[25-27]，但仍需要獲取氣象、土壤和水鹽等必要的數據，在某些客觀因素的影響下，持續觀測仍然存在一定的困難。因此，俞雙恩等[28]研究了DRAINMOD-S模型參數的靈敏度，結果表明在模擬土壤剖面含鹽量時側向飽和導水率是敏感性參數，為提高模型模擬精度和擴展模型適用性提供了參考；張展羽等[29]利用山東萊州濱海鹽堿地的暗管排水研究資料，通過觀測和預測的地下水埋深和土壤剖面鹽分，模擬驗證了DRAINMOD-S模型的可靠性和實用性，為分析暗管排水條件下濱海鹽堿地農田水鹽運移規律提供了重要參考；本研究在收集了氣象、土壤特性、地下水位、鹽分等資料的基礎上，采用DRAINMOD-S模型預測分析了吹填工程自然和工程措施下的脫鹽過程，但需要說明的是因鹽分數據序列有限，本研究通過對吹填工藝、吹填泥沙來源、地形條件、降雨和排水條件分析，根據研究區不同吹填完成年限內脫鹽后的土壤鹽分結果，對率定點的鹽分數據進行了合理延長，取得了較好的率定結果。充分說明了DRAINMOD-S模型具有較好的適用性[28]，能夠用于濱海鹽堿地等沿海近似區域土壤的水鹽管理研究[29]。研究結果為圍海造陸區開展土地利用規劃、鹽分治理和經濟效益分析等工作提供了支持，拓展了該模型的應用研究范圍。因DRAINMOD-S模型綜合考慮了排水條件、土壤特性、植物特征和氣象因素等對自然脫鹽的影響，在實測吹填土壤側向飽和導水率、土壤水分特征曲線、地下水位埋深等基礎資料的基礎上，該模型在模擬吹填工程自然脫鹽過程方面具有較強的適用性和較高的精度，與統計分析方法相比具有預測能力強、工作效率高、精度高等特點，克服了統計分析方法存在的數據需求量大，數據不連續、時間跨度大、無法揭示自然脫鹽機理等缺點。因此，DRAINMOD-S模型可為圍海造陸工程規劃設計、土地利用規劃管理、生態環境重構等前期預測分析工作提供支持。

在現狀條件下，該研究區吹填土鹽分在自然降雨的作用下緩慢釋放，年平均脫鹽速率為0.45 g/L左右；這與林云[12]、張濛等[13]、Xu等[21]研究結果一致，圍墾后的土壤鹽分呈現隨著時間的推移逐漸下降的規律，但脫鹽速率略有不同；其原因首先是因為排水條件和土壤質地不同，其次是因為本研究區土地利用規劃主要是建設用地，因此未考慮如灌溉、堵港蓄淡等人類活動對吹填土脫鹽的積極作用；最后是與模型所考慮的影響因素有關，DRAINMOD-S模型考慮了蒸發、土壤、地下水、降雨、植被等因素來預測土壤脫鹽過程，而統計分析方法主要在歷史監測數據的基礎上進行土壤脫鹽過程的預測。

采用生物措施、集雨措施和暗管排水結合的工程治理措施加速了研究區的脫鹽進程，使土壤達到滿足植物生長的鹽分標準的時間由27 a左右降至3～13 a，充分的說明了生物措施、集雨措施和暗管排水結合的工程治理措施在促進自然脫鹽過程中的作用。這與張萬均等[16]和毛建華等[19]提出的構建“淺密式”暗管排水管網或物理-化學-生態綜合改良及植被構建技術能夠加快脫鹽速率的結論一致，但以往研究是基于治理工程實際，并進行土壤鹽分調查來說明治理措施的有效性，本研究通過數值模擬，從機理上揭示了治理措施促進脫鹽的內在原理，并充分的證明和量化了構建完善的排水管網、增加雨水入滲和耐鹽植被在吹填工程脫鹽中的積極作用，能夠為工程規劃設計提供更好的預測和分析支持。

4 結 論

圍海造陸區鹽分治理一直是中國填海造陸工程面臨的最普遍和最突出的問題之一，對其自然脫鹽過程、脫鹽速率及脫鹽歷時進行科學預測并采取有效措施進行防控與治理，是圍海造陸區開展土地利用規劃、經濟效益分析和生態環境恢復的基礎。本文以臺州東部新區涂面整理工程為例，研究了該區域吹填土自然脫鹽過程和工程措施下的脫鹽過程，得到了以下主要結論：

1）DRAINMOD-S模型能夠較好的模擬出吹填土的水文變化過程和鹽分淋洗過程，可為圍海造陸工程規劃設計、土地利用規劃管理、生態環境重構等前期預測分析工作提供支持。

2）吹填土鹽分在自然降雨和規劃河道排水的綜合作用下整體呈緩慢下降的規律，年平均脫鹽速率為0.45 g/L左右，土壤達到滿足植物生長的鹽分標準的時間約為27 a。

3）工程措施能夠極大縮短吹填土的脫鹽進程，在生物措施和集雨措施的基礎上，采用本研究提出的25種排水系統組合，可將年平均脫鹽速率提高至0.73～1.8 g/L，脫鹽歷時縮短到3～13 a。工程措施使脫鹽速率提高了1.6～4.0倍，脫鹽歷時縮短了14～24 a。

本文主要研究了研究區土壤在自然和工程措施下的脫鹽過程，結果表明工程措施對吹填土壤脫鹽具有較大的促進作用，但最佳的暗管排水組合的確定，還需要進一步根據工程實際需要、投資回收期以及投資預算等多因素綜合分析；此外，區域地下水環境的淡化往往會對土壤的脫鹽過程有著深遠的影響，因此，未來還需要進一步明確區域地下水鹽運動規律，有助于防止研究區土壤返鹽。

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Simulation of desalination process in dredger fill soil under natural and engineering measures

Li Shan1, Wang Qian1, Wu Miao1, Fang Wei2, Zhang Huping2, Yang Guanchuan2, Li Jingsi1

(1.-,,710048,; 2..,.,200120,)

Land reclamation has become an important way to take land from the sea or wetlands, in order to create much more living space in over-crowded coastal areas. However, there is serious soil salinization of hydraulic fill, where most offshore sediments are added into the surrounding seawater with a generally high salt content. The hydraulic fill project also causes the groundwater discharge path to be extended. These impacts have posed a great challenge on the efficiency of investment and the speed of ecological environmental recovery. Therefore, it is very necessary to accurately predict the desalination process, rate and duration for land use planning and ecological environment restoration in reclaiming coastal areas. Taking the coating finishing project in the eastern new area of Taizhou in Eastern China as a research area, a DRAINMOD-S model was extended to the simulation and prediction of natural desalination process in hydraulic reclamation. The hydrological and desalination process in the model were calibrated using the hydrological and salt data from the regional monitoring points after one year of reclamation. Two modes were selected to implement the field test, including the natural desalination and the specific desalination process under comprehensive control measures. In natural desalination, the salt of dredger fill under the rainfall was discharged from the soil along the drainage into the nearby river. In specific desalination, the comprehensive treatments were mainly composed of the water conservancy, supplemented by biological control measures, thereby to speed up the output of salt. The results show that the DRAINMOD-S model better simulated the hydrological process and the salt leaching of hydraulic fill. The variation of groundwater level was basically consistent with the measured value. Specifically, the average deviation was -3.40 cm, while the average absolute deviation was 6.90 cm, and the root mean square error was 8.60 cm and the correlation coefficient was 0.79, as well as, the average deviation of soil salt concentration was -0.08 g/L, while the average absolute deviation was 0.20 g/L, and the root mean square error was 0.24 g/L and the correlation coefficient was 0.91. The soil salt of hydraulic fill was slowly decreasing under the natural rainfall and river drainage, where the annual average desalination rate was 0.45 g/L, while, the duration for the soil to reach the desalination standard was about 27 a. In contrast, the comprehensive treatments greatly shortened the desalination of dredger fill, where the average annual desalination rate increased to 0.73-1.80 g/L, while the desalination time reduced to 3-13 a. As such, the comprehensive treatments can be technically feasible to rapidly leach and drain the salt. In theoretical case, the better leaching can be achieved in the deeper buried depth and the smaller distance between underground pipelines, but the investment cost would be relatively high. Therefore, an optimal strategy can be further selected to balance multiple factors, such as the actual needs of project and investment budgets. The proposed model can be expected to serve the preliminary prediction for the land-building projects, land use management, and ecological environment reconstruction.

models; soils; DRAINMOD-S; desalination rate; desalination time; salt control measures

李山，王倩，仵苗，等. 自然和工程措施條件下吹填土壤脫鹽過程模擬[J]. 農業工程學報，2021，37(6)：91-98. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.012 http://www.tcsae.org

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2020-11-10

2021-02-26

國家自然科學基金項目（51909209）；西安理工大學博士啟動金（104/256081803）；臺州東部新區月湖壓鹽排堿工程吹填區排鹽技術研究（104/441219039）

李山，博士，講師，研究方向為農業水資源管理與環境保護。Email：shanli@xaut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.012

S278

A

1002-6819(2021)-06-0091-08