土壤水鹽運移Hydrus模型及其應(yīng)用

，

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長春 130102; 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

目前，土壤鹽漬化正以驚人的速度發(fā)展，每年新增的鹽漬化土壤面積達(dá)100萬hm2[1-2]。因此，土壤鹽漬化問題嚴(yán)重制約著當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，成為亟待解決的問題。水鹽運移是土壤鹽漬化的核心所在，定量描述土壤水鹽運移對于防治和改良鹽漬土具有重要意義。

土壤中水鹽運移研究的基礎(chǔ)內(nèi)容是水分和鹽分在土壤中的運動規(guī)律。土壤中的鹽分離子處于一個復(fù)雜的龐大系統(tǒng)之中，該系統(tǒng)內(nèi)物理、化學(xué)和生物等過程相互聯(lián)系且連續(xù)變化。水鹽運移的物理過程包括對流、擴(kuò)散、機械彌散、離子的交換吸附以及鹽分離子隨薄膜水的運動等過程。隨著對土壤水鹽運移理論研究的不斷深入，各種監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展與計算機遠(yuǎn)程控制能力的提高，使得定量化描述土壤水鹽運移過程成為可能，并且其模型不斷發(fā)展和完善[3]。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者以水鹽運移理論和環(huán)境條件為依據(jù)，研究建立了適宜于不同條件下的水鹽運移模型，以此來模擬土壤中水分和鹽分的運移過程，進(jìn)而明確不同情境中土壤水鹽運移的影響因素及動態(tài)變化規(guī)律，最終實現(xiàn)預(yù)測功能。

美國鹽土實驗室(US Saline Laboratory)開發(fā)的Hydrus模型具有靈活的邊界條件、標(biāo)準(zhǔn)化的計算機程序、友好的用戶界面以及便于推廣的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于土壤水分和溶質(zhì)運移的模擬研究[4-5]。Hydrus模型用于研究水分、溶質(zhì)和熱量在土壤中分布情況，模擬土壤中水鹽運移動態(tài)變化；同時，該模型涵蓋了作物根系吸水過程和土壤持水能力的滯后現(xiàn)象，便于設(shè)置不同的邊界條件，輸入輸出功能操作靈活，并積累了大量參數(shù)，以此作為參考，為實際田間的水鹽動態(tài)模擬提供了可能[6-7]。

本文總結(jié)了Hydrus模型在不同土壤質(zhì)地、灌溉方式、灌水頻率以及不同鹽堿地改良方式下土壤水分和鹽分運移中的應(yīng)用，評述了不同條件下Hydrus模型對土壤水鹽運移研究的作用，旨在為區(qū)域的水鹽管理以及可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。

1 Hydrus模型

美國國家鹽土實驗室(US Salinity Laboratory)開發(fā)的Hydrus模型是用來模擬飽和多孔介質(zhì)中水分、溶質(zhì)以及能量運移過程的新型數(shù)值模型[8]。該模型經(jīng)歷了 UNSAT，AWMS-2D及CHAIN-2D，Hydrus-1D，Hydrus-2D及Hydrus-3D等系列發(fā)展，已成為世界上用得最為廣泛的定量描述水鹽運移的模型。Hydrus-1D是一個由國際地下水模型中心公布的共享軟件。該模型主要用于研究土壤中水分和溶質(zhì)的運移規(guī)律，模擬一維變飽和條件下的地下水流、根系吸水、溶質(zhì)運移和熱運移。經(jīng)過不斷改進(jìn)，該模型得到了廣泛應(yīng)用[9-10]。Hydrus-2D模型是Simunek等開發(fā)的基于Windows接口的飽和-非飽和多孔介質(zhì)中二維空間中的水、熱、溶質(zhì)運動的有限元計算機模型[11]。Hydrus-3D是在2006年Simunek等人研發(fā)出來的，該模型能夠模擬不同灌溉方式條件下土壤中水分和鹽分運移、熱量傳輸及根系吸水規(guī)律的二維和三維空間的有限元計算機模型[12]。

Hydrus模型可以較為準(zhǔn)確地對土壤中水分、鹽分及熱量的運移規(guī)律和時空變化進(jìn)行模擬，然后分析不同環(huán)境中農(nóng)田灌溉、田間施肥以及環(huán)境污染等問題；此外，Hydrus模型還可以有機結(jié)合其他水分運動模型，在大尺度上對土地以及水資源的轉(zhuǎn)化與利用進(jìn)行深度剖析。Hydrus模型的輸入輸出功能比較簡單靈活，數(shù)據(jù)庫比較豐富，包括水含量方程及植物根系作用等可供選擇。水分運動過程及規(guī)律的模擬計算一般采用Richards方程，該方程解法運用Galerkin線性有限元法，Inverse Solution模塊中的Marquardt-Levnenberg參數(shù)優(yōu)化算法可以反演土壤水和溶質(zhì)運移及反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)等。目前，該模型能夠廣泛應(yīng)用于各種土壤類型的水鹽運移研究[13-15]。2000年，Hydrus模型開始被引進(jìn)我國，并在國內(nèi)進(jìn)行了一些初步應(yīng)用[16-19]。

1.1 基本方程

(1)Richards方程

若只是研究垂直方向的水分運動情況，那么，一維Richards方程[20]表示如下：

(1)

式中：K(θ)是指非飽和滲透性函數(shù)；θ是體積含水率(cm3·cm-3)；h(θ)為壓力水頭(cm)。由土壤水分特征曲線可以確定函數(shù)關(guān)系式h(θ)，可以推出θ形式或h形式的控制方程。在給定邊界條件和初始條件之后，就可以應(yīng)用有限差分或有限元方法進(jìn)行數(shù)值求解。

在不考慮土壤中氣流運動的條件下，二維土壤水分運動可以用Richards[20]方程表示為：

(2)

式中：K(h)為非飽和導(dǎo)水率，它是土壤含水量的函數(shù)(cm·d-1)；x為橫坐標(biāo)(cm)；z為縱坐標(biāo)(向上為正)(cm)；t為時間(d)；S(h)為源匯項，表示根系吸水(d-1)。

Hydrus-3D模型中，用修改過的Richards方程表示三維土壤水分運動[20]：

(3)

(2)對流-彌散方程

一般來說，對流彌散傳輸過程僅考慮土壤中溶質(zhì)的對流彌散作用。在部分情況下，對流彌散傳輸過程也會考慮溶質(zhì)的吸收與分解過程，其中主要把吸水時的鹽分運移處理為以對流為主的形式；側(cè)重點在于動力彌散過程的溶質(zhì)運移模型，把土壤中溶質(zhì)運移處理為以動力彌散為主的形式，不考慮任何理化作用。對流-彌散傳輸模型一般只考慮溶質(zhì)在土壤中的對流和彌散作用，同時也伴隨著吸收與分解鹽分離子的過程[21]。

鹽分運動的基本方程為：

(4)

水分運動的基本方程為：

(5)

式中，c為土壤溶液濃度(g·cm-3)；D為水動力彌散系數(shù)(cm2·s-1)；q為土壤水滲流系數(shù)(cm·s-1)；Z為空間坐標(biāo)，原點在地表，向下為正(cm)；t為時間變量(T)；K(θ)為水力傳導(dǎo)度(cm·s-1)；D(θ)為擴(kuò)散度(cm2·s-1)。

(3)傳遞函數(shù)方程

傳遞函數(shù)模型最早由Jury[22]設(shè)計提出，屬于黑箱隨機模型，該模型不考慮土壤中溶質(zhì)的運移機理。其主要原理是將研究目標(biāo)假定為一個溶質(zhì)質(zhì)點，任何條件下都能用兩個非負(fù)的時間變量來描述該質(zhì)點。假設(shè)研究的溶質(zhì)進(jìn)入所研究的土體的時間為t1，該質(zhì)點離開研究土體的時間為t2時，則該質(zhì)點在土體內(nèi)停留時間為t=t1-t2，利用隨機變量t1和t2所定義的聯(lián)合概率密度函數(shù)P(t1，t2)來描述水鹽運移過程，即：

P(t1，t2)=θin(t1)g(t/t1)=θin(t1)g[(t2-t1)/t1]

(6)

式中：θin(t1)為溶質(zhì)輸入時間(t1)時的分布密度函數(shù)；g為條件概率密度(PDF)。同樣，在[0，t]時段內(nèi)，溶質(zhì)從土體邊界上的累積初流率(θout(t))為：

(7)

該模型的關(guān)鍵在于概率密度函數(shù)g[(t2-t1)/t1]，因為土壤中鹽分運移過程都要用概率密度函數(shù)來實現(xiàn)。

1.2 土壤水鹽運移的初始條件和邊界條件

1.2.1 水分運動的初始條件與邊界條件。土壤中水分的上邊界采用第二類邊界條件，即諾依曼邊界條件，其通量是已知的，然后逐日輸入通過上邊界的變量值，主要包括降水量、灌溉量、作物潛在蒸騰量以及棵間潛在蒸發(fā)量，對葉面的攔截雨量和地面徑流忽略不計。土壤水分的下邊界選在農(nóng)田土壤剖面100 cm處，使用壓力水頭邊界，根據(jù)實際測量的地下水埋深來賦值。

初始條件：θ(z，0)=θ0(z)Z≤z≤0

上邊界：θ(0，t)=θsz=0

下邊界：θ(Z，t)=θ0(t)

1.2.2 土壤溶質(zhì)運動的初始條件與邊界條件。土壤鹽分運動的上邊界概化為通量邊界，試驗期降水時，由于雨水電導(dǎo)率非常小，降雨含鹽濃度賦值為0，模型預(yù)測灌溉的情況下，賦予實測的灌溉水電導(dǎo)率。土壤鹽分運動的下邊界為濃度邊界，賦予實測的地下水電導(dǎo)率值。利用實驗所測量的土壤溶液電導(dǎo)率數(shù)值來反映土壤溶液濃度，其單位為mS·cm-1，同樣，利用實際測量的電導(dǎo)率值來反映上、下邊界所涉及的降水、灌溉以及地下水的濃度。

初始條件：c(z，0)=c0(z)t=0Z≤z≤0

下邊界：c(Z，t)=cb(t)

式中：θ0為土壤初始含水率(cm3·cm-3)；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率(cm·d-1)；qs為地表水分通量(cm·d-1)，蒸散取正值，灌溉與降水入滲取負(fù)值；co為剖面初始土壤水電導(dǎo)率(mS·cm-1)；cs為上邊界流量的電導(dǎo)率值，cs=0，當(dāng)邊界流量為灌溉水量時指灌水電導(dǎo)率值(mS·cm-1)；cb為下邊界潛水電導(dǎo)率值(mS·cm-1)。

2 Hydrus模型在土壤水鹽運移中的應(yīng)用

2.1 不同土壤質(zhì)地與灌溉方式下的模型應(yīng)用

目前有許多學(xué)者利用Hydrus模型模擬并研究不同土壤質(zhì)地與不同灌溉方式下土壤水鹽運移情況。下面將從土壤質(zhì)地與膜下滴灌、畦灌、負(fù)壓灌溉及灌水頻率等角度闡述Hydrus模型的應(yīng)用情況。

2.1.1 土壤質(zhì)地。土壤中水分和鹽分的分布情況以及運移規(guī)律受土壤質(zhì)地的影響。利用Hydrus模型對不同質(zhì)地條件下土壤水鹽運移模擬的研究顯示：黏土?xí)璧K水分運動，即具有較強的保水效果[23]；沙土的導(dǎo)水率比較高，所以水分入滲深度比較深，但是缺點在于沙土中的水分損耗性較大，進(jìn)而造成土壤中鹽分在表層呈現(xiàn)積聚現(xiàn)象，并且隨著時間的逐漸推移，土壤剖面的水分含量處于一個較低且變化不大的數(shù)值范圍之內(nèi)。黏壤土的導(dǎo)水性能比較差，水分入滲的深度比較淺，因此土壤中水分的損失概率比較小，從而使得土壤表層以下的含水量維持在一個較高的數(shù)值[24]。

夾砂結(jié)構(gòu)是我國西北地區(qū)比較常見的一種土壤質(zhì)地類型[25-26]。由于夾砂層的存在，對土壤中水分和鹽分分布及運移規(guī)律都有顯著的影響[27]。范嚴(yán)偉等[28]采用Hydrus-1D模型模擬了不同土壤質(zhì)地條件下的水分入滲過程，實驗結(jié)果顯示Hydrus模型的模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)存在的誤差低于5%。

2.1.2 膜下滴灌。膜下滴灌技術(shù)包括地表覆膜(一般為塑料膜)和滴灌方式兩部分。田間土壤、植被等因素的時空變化與自然或人為過程密切相關(guān)，膜下滴灌條件下水鹽運移過程非常復(fù)雜[29-31]，因此利用Hydrus模型在膜下滴灌條件下的研究應(yīng)用比較豐富。Hydrus模擬過程中，土壤水分、鹽分隨著土層深度的運移變化規(guī)律基本上是一致的，主要表現(xiàn)為：土壤上層鹽分呈現(xiàn)下降趨勢，土壤下層鹽分呈現(xiàn)上升趨勢[32-34]。齊智娟[35]對Hydrus-2D模型在我國土壤運用的可靠性條件進(jìn)行了嘗試，結(jié)果表明：該模型的模擬數(shù)據(jù)與田間資料中的實測值吻合度較高，能夠比較準(zhǔn)確地模擬膜下滴灌條件下土壤水鹽運移規(guī)律。應(yīng)用Hydrus模型模擬膜下滴灌條件下土壤水分、鹽分運移動態(tài)，能夠為灌溉制度的進(jìn)一步優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而為區(qū)域土壤水鹽管理提供參考[36-38]。由于Hydrus模型在膜下滴灌條件下的可靠性高，因此，通過該模型可以很好地預(yù)測田間土壤水鹽運移情況，有利于采取恰當(dāng)措施促進(jìn)灌溉方式的優(yōu)化以及提高田間管理的準(zhǔn)確性。

2.1.3 畦灌。畦灌是指通過田間渠道或壓低管道來輸送水分，在此過程中借助重力和土壤吸力的作用濕潤土壤[39]。畦灌需要考慮與土壤滲吸速度、田面坡度、平整程度以及作物種植情況有密切關(guān)系的多種要素，主要包括：土壤類型、畦長、畦寬、入畦的單寬流量以及改水成數(shù)等[40]。通過Hydrus模型的模擬，可以較為直觀的展現(xiàn)畦灌的優(yōu)點以及對灌溉效果的影響程度。

利用Hydrus模型模擬了畦灌條件下水分、鹽分在土壤中的運移情況的結(jié)果表明：Hydrus模型可以正確模擬畦灌條件下土壤水鹽運移[41]。劉群昌等[42]采用Hydrus-2D模型在不同土壤、灌水量和隔畦寬度條件下對土壤水分和鹽分的分布以及運移情況進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，畦寬為120 cm的情況下，灌水量在600～900 m3·hm-2之間，水分利用效率最高，能夠達(dá)到節(jié)水目的并且可以提高作物產(chǎn)量。

2.1.4 負(fù)壓灌溉。負(fù)壓灌溉是一種新型的適用于非飽和土壤的灌溉方式，通過把供水的壓力控制在負(fù)值，然后進(jìn)行水分灌溉。一方面，該灌溉方式能夠?qū)⒏鶇^(qū)土壤水分控制在最適宜的狀態(tài)，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量；另一方面，負(fù)壓灌溉能夠顯著減少水分用量，在一定程度上抑制土壤表層的無效蒸發(fā)，顯著提高水分利用效率[43-45]。目前負(fù)壓灌溉的應(yīng)用處于探索階段，利用Hydrus模型對負(fù)壓灌溉條件下土壤水分以及鹽分運移進(jìn)行模擬研究是非常必要的[46-47]。

已有研究利用Hydrus模型在負(fù)壓灌溉方式下模擬不同供水壓力、初始土壤基質(zhì)吸力、灌水器導(dǎo)水率和時間對土壤中水分和鹽分運移狀況的影響，經(jīng)過驗證，模擬值與實測值基本一致[48]。周青云等[49]利用Hydrus-2D模型模擬負(fù)壓灌溉方式下，不同質(zhì)地對土壤水鹽運移的影響，研究結(jié)果表明：沙壤土水分含量較少，土壤中水分的入滲速度較快，不適合使用負(fù)壓灌溉方式；壤土、黏壤土和黏土保水效果較好，土壤中水分含量較高，濕潤鋒分布均勻，比較適合負(fù)壓灌溉這種方式。冀榮華等[50]利用Hydrus-2D模型模擬在負(fù)壓灌溉方式下，土壤的垂直剖面中水分入滲規(guī)律，結(jié)果顯示，灌溉條件下土壤中水分的入滲速率與灌水器的半徑存在正相關(guān)關(guān)系。

2.1.5 不同灌水頻率。灌水頻率對土壤水分和鹽分的空間分布以及土壤溫度的變化具有重要影響，同時影響植物的生長狀況[51-54]。利用Hydrus模型對不同灌水頻率條件下土壤中水鹽運移特征進(jìn)行模擬的結(jié)果表明：土層深度位于20～40 cm時，土壤中水分、鹽分含量的模擬值與實測值差異不大，而土層深度介于0～20 cm或者40～50 cm時，土壤水分及鹽分含量數(shù)值的模擬值與實測值存在較大偏差，可見在一定條件下Hydrus模型可較好地描述不同灌水頻率下土壤水鹽分布[55]。目前就灌水頻率的研究多集中于對作物產(chǎn)量、品質(zhì)改善方面，而灌水頻率條件下Hydrus模型對土壤水鹽運移規(guī)律模擬的研究較少，因此，在此方面有待進(jìn)一步加強。

2.2 不同鹽堿土改良方式下水鹽運移Hydrus模擬

改良鹽漬土的措施主要包括水利工程排水洗鹽、地表覆蓋抑制水分蒸發(fā)、施加改良劑和生物改良[56-57]。

地表覆蓋技術(shù)是指在土壤表層鋪蓋薄膜、秸稈及沙土等物質(zhì)，以此減少土壤中水分的蒸發(fā)；在土壤表層以下鋪設(shè)砂礫層或秸稈層可阻止底層土壤的鹽分隨水分向上運動，進(jìn)而減輕土壤表層鹽分積聚情況[58-65]。運用Hydrus模型模擬鹽堿土改良條件下土壤水鹽運移情況，該研究具有重要意義及廣闊前景。目前，相關(guān)學(xué)者通過對同種土壤不同覆蓋方式(覆蓋材料、夾層埋深及夾層厚度等)以及不同土壤(土壤質(zhì)地、土壤含鹽水平等)同種覆蓋方式下土壤水分、鹽分運移進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明，地表覆蓋和表下隔層能夠有效控制土壤表層鹽分的積聚情況，從而有效改良土壤鹽漬化，同時Hydrus模型能夠比較準(zhǔn)確地反映土壤水鹽動態(tài)運移過程[66-68]。

水利工程措施是改良鹽漬土，對土壤次生鹽漬化過程進(jìn)行防治的主要途徑，主要包括明渠排水洗鹽、暗管排鹽等方式。該改良措施能夠調(diào)節(jié)和控制土壤水鹽遷移過程，改善土壤鹽分積聚問題，提高土地的生產(chǎn)能力，促進(jìn)土地資源的優(yōu)化利用[69-70]。因此，通過Hydrus模型對土壤洗鹽條件下水鹽運移的模擬研究，能夠掌握土壤中水分、鹽分的變化規(guī)律，為鹽堿地改良、水資源的持續(xù)性等方面提供科學(xué)依據(jù)。相關(guān)學(xué)者利用Hydrus模型對豎直壓鹽、明溝排水洗鹽過程進(jìn)行模擬，分析不同改良方式對土壤水分和鹽分變化的影響，進(jìn)而對其時間變化進(jìn)行預(yù)測分析[71-72]。利用Hydrus模型模擬暗管條件下土壤水鹽運移情況，結(jié)果表明：埋設(shè)暗管能夠在一定程度上提高土壤的滲透性能，容易將土壤中可溶性鹽分排出，對鹽堿地有顯著的脫鹽效果；經(jīng)過模型模擬數(shù)值與實測數(shù)值的比較驗證，在土層深度為20 cm時，Hydrus模型的模擬精度最高，因此，該模型可以模擬及預(yù)測土壤中水分以及鹽分的動態(tài)變化規(guī)律[73-74]。

綜上，運用Hydrus模型對不同鹽堿土改良方式下土壤水鹽運移動態(tài)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果精度較高，因此，該條件下應(yīng)用Hydrus模型進(jìn)行預(yù)測研究的可行性較高。但是，改良鹽堿土能夠顯著影響土壤水分運移、鹽分分布，作用過程復(fù)雜，并且作用機理尚不明確，模擬時采用的方法并不完善，大部分方法忽略了土壤-大氣之間的水分循環(huán)過程。因此，對于不同改良方法對水鹽運移模擬的原理有待進(jìn)一步研究。

3 展 望

現(xiàn)階段，大部分土壤水鹽運移研究只是針對室內(nèi)土柱進(jìn)行的模擬實驗，而田間尺度因其土壤理化性質(zhì)的空間變異性，導(dǎo)致邊界條件比較復(fù)雜，在一定程度上影響了模型在田間尺度上應(yīng)用的精確度，因此田間尺度上Hydrus模擬研究少于室內(nèi)條件下的研究。

Hydrus模型在不同土壤質(zhì)地、灌溉方式、灌水頻率及鹽堿土改良方式等條件下對土壤水分和鹽分運移進(jìn)行了數(shù)值模擬，并且大部分研究中的模擬數(shù)值與實測數(shù)值吻合度較高，這在一方面驗證了Hydrus模型在土壤水鹽運移研究應(yīng)用中的準(zhǔn)確性，另一方面可以利用該模型對不同條件下水鹽運移規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，從而為區(qū)域田間管理提供理論依據(jù)與實踐價值。

水鹽運移機理研究不斷深入的同時，Hydrus模型得到了長足發(fā)展。土壤水鹽運移模型向著綜合化方向發(fā)展，在不同條件下Hydrus模型應(yīng)用要充分考慮水土的相互作用、土壤中多相流的混合作用以及生物地球化學(xué)循環(huán)過程，從模擬水鹽運移發(fā)展到模擬物質(zhì)運移以及能量傳遞；在不同條件下模擬時，結(jié)合先進(jìn)技術(shù)或軟件工程對模型進(jìn)行驗證，提高其精度，達(dá)到擴(kuò)展模型應(yīng)用空間的目的。

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