水文预报新理论（基于HYDRUS-3D的畦灌模式下田间水盐运移模拟）

水文预报新理论（基于HYDRUS-3D的畦灌模式下田间水盐运移模拟）“景电灌区”地处我国甘肃、宁夏和内蒙古三省交界处，灌区位于东经103°20′—104°04′ 北纬37°26′—38°41′之间，属典型的温带大陆性气候，该地区土地资源丰富，但水资源极度贫乏，年均降雨量为185.6 mm 年均蒸发量为2 433.8 mm 灌区的灌溉方式多以畦灌等地面灌溉为主。本研究选取位于景电灌区的灌溉试验站的试验田(北纬37°12′60″ 东经104°5′9″ 海拔1 620 m)作为试验研究地块，该试验区布设有土壤墒情监测站和常规气象站，试验田块面积为70亩。灌区地理位置和试验站布置如图1所示。甘肃省景泰川电力提灌灌区(后称“景电灌区”)地处我国西北干旱半干旱地区，高蒸发低降水的气候条件使得该地区水资源严重匮乏，长期以来通过引黄灌溉虽建立了大面积的人工绿洲，但在不合理灌溉模式下也出现了地下水位雍高、土壤盐碱化和农作物产量降低等一系列问题。因此，本文通过田间试验和H

摘 要：

为揭示干旱荒漠区农田畦灌模式下的田间尺度土壤水盐运移规律，选定甘肃省景泰川电力提灌灌区为研究区，基于HYDRUS-3D模型，对田间尺度畦灌模式下的土壤水盐运移特征和分布过程进行模拟，以现场田间试验数据对率定后的模型模拟结果进行了验证。结果表明：运用田间试验实测值对HYDRUS-3D模型中的参数及边界条件修正之后，模拟结果与田间实测值的差别很小，模型的可靠性较好；在灌溉-入渗与蒸发作用下，灌溉后的土壤含水率沿纵向呈现出明显的分层现象，畦田上层土壤含水率约为22% 中间土层的含水率约为26% 深层土壤的含水率约为29%;土壤含盐量沿纵向亦呈现出明显的分层现象，6.5 mg/cm3(0～20 cm)、4.5 mg/cm3(20～40 cm)、4.3 mg/cm3(40～60 cm)、3.5 mg/cm3(60～80 cm)、2 mg/cm3(80～100 cm) 整个田块土壤含盐量呈现出先下降再上升最后逐渐趋于稳定的变化趋势，畦田土壤含盐量平均值稳定在4.16 mg/cm3左右。上述模拟结果可为研究区灌溉制度的优选以及土壤盐碱化治理提供决策依据。

关键词：畦灌;田间尺度;HYDRUS-3D;水盐运移;数值模拟;

作者简介：徐钰德(1997—) 男，硕士研究生，主要从事水利工程方面的研究。E-mail:529907403@qq.com;*刘子金(1996—) 男，硕士研究生，主要从事水利工程方面的研究。E-mail:1556135694@qq.com;

基金：国家自然科学基金资助项目(51579102);河南省高校科技创新团队支持计划(19IRTSTHN030);中原科技创新领军人才支持计划(204200510048);

引用：徐钰德 刘子金 程慧 等. 基于 HYDRUS-3D 的畦灌模式下田间水盐运移模拟[ J] . 水利水电技术(中英文) 2021 52(7): 14- 22. XU Yude LIU Zijin CHENG Hui et al. Simulation of water and salt transportation under border irrigation in field scale based on HYDRUS-3D[J]. Water Resources and Hydropower Engineering 2021 52(7): 14- 22.

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0 引 言

我国西北地区通过建设人工提灌工程对荒芜已久的土地资源进行开发利用，以满足人们对粮食的需求。然而，由于长期以来不当的农田种植和灌溉模式，诱发了区域内大面积水盐运移、重组和累积。当前，在这些人工灌区通过发展节水灌溉技术，提高水资源利用效率，对降低地下水位和减少土壤盐分表聚均具有重要的意义。因此，国内外学者以田间试验和数值模拟为基础，试图从不同灌溉模式出发，研究当地特定水文地质条件下的最合理灌水方式。如蒋光昱等基于HYDRUS-1D模型，研究了疏勒河流域畦灌条件下的辣椒耗水特性与灌溉制度；章少辉等采用室内外试验和数值模拟相结合的方法，分别构建了一维尺度和二维尺度畦灌溶质运移和地表水流耦合模型，并在此基础上采用HYDRUS-2D模型对非饱和土壤二维水和溶质运移过程进行模拟应用；余根坚等利用HYDRUS-2D模型对河套灌区畦灌方式下土壤水盐分布进行了模拟，研究表明HYDRUS模型能较好地仿真出灌区土壤水盐分布过程；张昊采用现场试验结合HYDRUS-2D模型，对畦灌方式下麦后移栽棉棉田土壤水分变化进行了准确模拟；王志坤等以辽河流域为研究区；采用HYDRUS-1D/2D模型对比分析了畦灌和沟灌模式下土壤水盐运移规律和分布状态。这些研究丰富了畦灌水盐运移理论，但从三维空间角度对田间尺度畦灌模式下水盐运移模拟的研究相对较少，也鲜有针对人工灌溉引起的水盐动态演化的机理揭示和田间尺度土壤水盐动态分布规律研究。

甘肃省景泰川电力提灌灌区(后称“景电灌区”)地处我国西北干旱半干旱地区，高蒸发低降水的气候条件使得该地区水资源严重匮乏，长期以来通过引黄灌溉虽建立了大面积的人工绿洲，但在不合理灌溉模式下也出现了地下水位雍高、土壤盐碱化和农作物产量降低等一系列问题。因此，本文通过田间试验和HYDRUS-3D数值模拟相结合的方法，构建基于HYDRUS-3D畦灌田间尺度水盐运移模型，通过现场试验确定模型边界条件及参数率定，修正所构建的三维模型，在此基础上应用模型模拟畦灌过程中的田间水盐运移规律和土壤水盐分布特征，探索畦灌模式下盐随水动的驱动过程，进一步揭示田间尺度土壤水盐分异特性，以期为灌区的水资源高效利用和西北干旱荒漠地区农业可持续发展提供有益指导。

1 畦灌田间试验1.1 试验田块选取

“景电灌区”地处我国甘肃、宁夏和内蒙古三省交界处，灌区位于东经103°20′—104°04′ 北纬37°26′—38°41′之间，属典型的温带大陆性气候，该地区土地资源丰富，但水资源极度贫乏，年均降雨量为185.6 mm 年均蒸发量为2 433.8 mm 灌区的灌溉方式多以畦灌等地面灌溉为主。本研究选取位于景电灌区的灌溉试验站的试验田(北纬37°12′60″ 东经104°5′9″ 海拔1 620 m)作为试验研究地块，该试验区布设有土壤墒情监测站和常规气象站，试验田块面积为70亩。灌区地理位置和试验站布置如图1所示。

现场调查表明，该试验区地下水埋深在12 m左右，田间耕作层主要为砂质黏壤土，这种土壤质地在整个灌区具有代表性，在试验田的每个田块均布设有土壤墒情监测站，耕作层土壤的物理参数和颗粒组成如表1所列。

表1 土壤物理参数和颗粒组成

Table 1 Physical parameters and composition of soil particle

土壤类型	密度 /g·cm-3	孔隙率/%	颗粒质量分数/%
			沙粒 (0.02～2 mm)	粉粒 (0.002～0.02 mm)	黏粒 (0～0.002 mm)
砂质黏壤土	1.45	45	49.81	11.79	38.40

1.2 试验设计

本研究将畦灌田块分成若干个小畦田，畦田规格为5 m×1 m 选取夏玉米为种植作物，灌水定额及时间依据灌溉试验站2016—2017年度的灌溉实际情况确定，本试验夏玉米种植期为2017年4月23日，收割期为2017年10月02日，灌溉定额为450 m3/亩，试验周期选择夏玉米的关键生育期，即抽雄期到灌浆期 即2017年6月7日—7月7日，试验畦田布置如图2所示。

1.3 参数测定

每块畦田种植两行玉米，行距为0.5 m 灌溉试验期间，每3 d采集一次土样，从2017年6月7日到7月7日共采集10次。沿畦田方向相隔0.5 m设置一个取样点，取样点布设如图2所示，采集深度分别为20 cm、40 cm、60 cm、80 cm和100 cm 在试验分析的同时测定土壤样本的含水率和含盐量。

2 模型构建2.1 模型简介

HYDRUS-3D模型是在HYDRUS1D/2D的基础上研发的用于模拟土壤水分运移、溶质运移以及热传递的三维有限元模型。该模型模拟过程中忽略大气对土壤水分运移的影响，水分运移公式采用修正的Richards方程[13] 对于溶质运动采用对流-弥散方程[14] 同时该模型考虑根系吸水，故采用Feddes模型[15]进行计算，土壤水力特征水力模型采用改进后的Van-Genuchten模型[16]。

2.2 定解条件

2.2.1 初始条件

2.2.2 边界条件

2.2.2.1上边界条件

2.2.2.2下边界条件

2.2.2.3其他边界面

3 模型率定与验证3.1 模型设定与时空离散

针对田间尺度的畦灌水盐运移模拟，构建出畦灌模式下的土壤三维计算模型。模型设定初始时间步长为0.001 d 最大时间步长5 d 最小时间步长0.000 001 d 含水率公差0.001 水头公差1 cm。模型输入30 d降雨蒸发气象数据。模拟区域为XYZ三维，模拟范围为X=100 cm、Y=500 cm、Z=100 cm。畦灌模式下的土壤三维计算模型及网格划分结果如图3所示。

3.2 参数率定

综合考虑灌区土壤特性以及灌溉试验站实测土壤物理参数，采用运移参数的Rosetta模块确定土壤水力特征参数，运用田间试验数据率定所建模型参数，采用Feddes模型计算作物根系吸水参数，具体作物参数采用玉米Wesseling模型。表2为土壤水力参数，表3为溶质运移参数，表4为根系吸水参数。

表2 土壤水力参数

Table 2 Soil hydraulic parameters

土壤性质	残余含水 率θr/cm3 ·cm-3	饱和含水 率θs/cm3 ·cm-3	土壤水压 力效应值 α/m-1	土壤特征 曲线参数 n	饱和导 水率Ks /cm·d-1
砂质黏壤土	0.058	0.400	0.03	1.457	43.92

表3 溶质运移参数

Table 3 Solute transport parameters

土壤性质	体积密 度/g ·cm-3	纵向弥 散度 /cm	横向弥 散性 /cm	不可动 含水率 /%	自由水分 子扩散系 数/cm2 ·d-1	土壤空气 分子扩散 系数/cm2 ·d-1
砂质黏壤土	1.45	10	5	0	30	0

表4 根系吸水参数

Table 4 Root water absorption parameters of crops

作物类型	初始压力水头 P0/cm	最大压力水头 POpt/cm	初始受限压力 水头P2H/cm	中度受限压力 水头P2L/cm	凋萎压力水头 P3/cm	高潜在腾发率 r2H/cm·d-1	低潜在腾发率 r2L/cm·d-1
玉 米	0	-1	-500	-900	-16 000	0.020 833 3	0.004 166 67

3.3 模型验证

3.3.1 可靠性验证

采用试验区2016年田间0～20 cm和80～100 cm土层的含水率及含盐量进行模型的可靠性验证。图4为畦灌条件下0～20 cm和80～100 cm 土层含水率和含盐量实测值与模拟值的对比结果。

通过对比实测值及模拟值，可知二者变化规律较为一致。从土壤含水率对比结果来看，0～20 cm和80～100 cm土层的模拟效果均较好，最大偏差分别为3.27 cm3/cm3和2.31 cm3/cm3;土壤含盐量同样表现出较好的模拟效果，0～20 cm和80～100 cm的最大偏差分别为0.50 mg/cm3和0.25 mg/cm3。所建模型模拟值与实测值较为吻合，同时，采用均方误差法(RMSE)进一步验证模型的可靠度。计算公式为

表5为畦灌条件下0～20 cm和80～100 cm 土层土壤含水率、含盐量模拟值与实测值的RMSE值。由表5知，畦灌条件下模拟值与实测值的RMSE较小，综上可知，所构建模型模拟结果较好，参数率定合理，可靠性较高，能够应用于实际模拟。

表5 模拟结果RMSE值

Table 5 Simulation results RMSE value

土层深度/cm	RMSE值
	含盐量/mg·cm-3	含水率
0～20	0.231 5	0.826 4
80～100	0.175 7	0.747 1

3.3.2 模拟精度验证

在验证模型可靠性的基础上，本研究对含水率、含盐量的模拟值和实测值的计算精度通过样本T检验法进行验证 结果如表6所列。

表6 样本T检验结果

Table 6 Sample T test results

模拟参数	T检验概率	样本标准差	相关系数
含水率	0.921	0.780	0.903
TS	0.634	1.213	0.892

由表6检验结果可知，模拟值与实测值显著性水平在置信区间(α=0.05)之外，表明模拟值与实测值相比，均无显著性差异，进一步验证了所建模型的可靠度。

4 模型应用

采用经过验证的HYDRUS-3D模型对试验区畦灌模式下夏玉米生育期内一次灌水后的土壤水盐分布特征进行预测模拟。模拟时间段为2017年6月7日至7月7日，灌溉日期为2017年6月7日，由灌溉实验站对试验田进行一次性灌溉，灌水量为210 mm。

4.1 水分运移模拟

选取畦田中500 cm×100 cm×100 cm的长方体田块进行土壤含水率的模拟，得到试验时段内不同时刻土壤含水率分布如图5所示。

由图5可知，总体来看，畦田的整体含水率随时间变化呈现出逐渐降低趋势，由于灌溉试验站在6月5日对试验田进行了一次灌水量为210 mm的灌溉，故第1天的田块含水率最大(接近饱和含水率40%) 之后在高蒸发作用下使得试验区田块处于较强的脱湿状态，含水率开始缓慢降低。随时间推移，虽然含水率持续下降，在接近20 d时，下降程度呈现减小趋势，反映了土壤含水率虽然受到蒸发的作用，但仍然会出现一个稳定的“阈值” 即土壤含水率的下降存在一个变化范围，该范围由景电灌区灌溉试验站的环境条件所决定，根据模型模拟结果，该阈值范围在20%～40%之间。

从畦田纵向方向上分析，由于上层土壤受蒸发作用较强烈，土壤含水率明显分为三层，且沿着土层深度增加，含水率也越来越大，畦田上层土壤的含水率约为22% 中间土层的含水率平均约为26% 深层土壤的含水率约为29%。

4.2 盐分运移模拟

选取畦田中500 cm×100 cm×100 cm的长方体田块进行土壤含盐量的预测模拟，得到不同时刻土壤含盐量分布如图6所示。

由图6可知，畦田田块土壤含盐量呈现先下降后上升的变化过程，在第1天时，在灌溉-入渗作用下，盐分受到淋洗作用，土壤含盐量下降，过了灌溉-入渗期，从第5天开始，蒸散发作用成主导作用，在后期土壤含盐量在深层土壤水分的蒸发过程中，被深层水分又运移至上层土壤，因此，表层土壤含盐量又呈现增加趋势，土壤含盐量在接近20 d时，由于土壤含水率变化趋于一种稳定态，故土壤含盐量的变化趋势也开始逐渐趋于稳定。

从小畦田块土壤含盐量随时间序列的变化情况可知，由模拟的计算结果可知，土壤含盐量和土壤含水率一样，也出现了分层现象，且比土壤含水率的分层更为明显；不同土层深度的土壤含盐量阈值分别为：6.5 mg/cm3(0～20 cm)、4.5 mg/cm3(20～40 cm)、4.3 mg/cm3(40～60 cm)、 3.5 mg/cm3(60～80 cm)、2 mg/cm3(80～100 cm)。整个畦田土壤含盐量平均值稳定在4.16 mg/cm3左右波动。

从整个田块的模拟结果来看，土壤含水率和含盐量的变化相对较为稳定，均未发生较大的数值波动，分析这一原因，主要是在这一个月的模拟周期内，灌区未产生较大的降雨补给，因此，该阶段土壤水分和盐分变化主要受控于强蒸发的气候条件和模拟初始发生的一次灌溉。

5 结 论

(1)利用HYDRUS-3D模型对畦灌模式下田间尺度土壤水盐分布特征进行了数值模拟研究，对比田间试验数据与模拟计算结果，二者表现出良好的一致性，验证了模型的可靠性，表明该模型能够较好地应用于对试验区土壤水盐分布特征的模拟。

(2)在整个试验期内，受蒸发作用的影响，土壤始终处于保持脱湿状态，单个小畦田土壤含水率呈现出缓慢降低趋势，同时沿纵向呈现出明显的分层现象，且上层含水率低于下层含水率；随着时间的推移，单个小畦田块的土壤含水率在接近20 d时下降速率放缓，且稳定在20%左右；单个小畦田块土壤含盐量沿纵向同样表现出了明显的分层现象，且上层的土壤含盐量明显大于下层，单个小畦田田块的土壤含盐量整体呈现出先下降再上升最后趋于稳定的变化趋势，且在灌溉20 d后，整个畦田土壤含盐量平均值稳定在4.16 mg/cm3左右。该变化趋势与土壤含水率的变化趋势表现出明显的“同步性” 表明灌溉-入渗和土壤蒸发引起的土壤含水率变化是影响土壤含盐量再分布的主要因素。

(3)本研究利用HYDRUS-3D模型对畦灌模式下三维土壤水盐动态分布过程进行了仿真模拟，明晰了土壤含水率变化及土壤含盐量再分布的驱动要素主要是灌溉-入渗和土壤蒸发的耦合作用，依托环境是以灰钙壤土为耕作层土壤的畦田，但未从土壤水势、基质势和温度势的三维空间角度对这一过程进行土壤动力学分析，今后将进一步深入研究。

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水利水电技术（中英文）

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