董 起 廣

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，西安 710075；3.國土資源部退化及未利用土地整治重點實驗室，西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，西安 710075)

0 引 言

當前，我國農村可利用耕地面積減少、城市建設用地供給不足，而在黃土高原丘陵溝壑地區(qū)長期水土流失所形成的積水溝道又蘊藏了十分豐富的潛在耕地資源[1,2]。通過治溝造地工程的實施，對黃土高原丘陵溝壑區(qū)溝道資源進行開發(fā)和保護，可增加大面積高質量耕地資源，并有效改善當地脆弱的生態(tài)環(huán)境[3,4]。在治溝造地實施過程中，必須充分了解區(qū)域水資源狀況，以達到減少自然災害、增加農業(yè)產值、改善生態(tài)條件的目的[5]。作為水資源的重要組成部分，土壤水分對于研究地表徑流、水分轉化、土壤侵蝕、溶質運移等過程起到了非常重要的作用，也是流域水文過程研究的重要內容之一[6,7]。在黃土高原丘陵溝壑區(qū)水源相對豐富的小流域內，土壤水分的運移常常會產生壤中流現象，該現象在流域溝道實施治溝造地后較為普遍，且容易造成土壤次生鹽漬化[8]。通過研究土壤水分的入滲及運移過程，為黃土高原丘陵溝壑區(qū)治溝造地工程提供依據。

關于土壤水分入滲的基本公式包括：Kostiakov公式、Horton公式、Philip公式、Smith公式及蔣定生公式等[9]。而隨著計算技術的發(fā)展，土壤水分入滲的數值模擬也愈加成熟，常見模型有SWAP、SWAT、WAVE及HYDRUS模型等[10]。其中，HYDRUS模型在我國關于土壤水分運移、補給等方面的研究應用較為廣泛。HYDRUS模型也被應用于分析水流和溶質在非飽和多孔隙媒介中的運移過程。當前，以三舟溪滑坡為例，運用HYDRUS-1D模擬軟件，對自然條件下三舟溪滑坡土壤入滲規(guī)律進行模擬與分析[11]；王水獻等[12]應用 HYDRUS-1D模型在焉耆盆地結合實驗觀測資料計算了土壤水資源量；余根堅等[13]對內蒙古河套灌區(qū)節(jié)水灌溉條件下農田土壤的水鹽運動進行了研究。這些研究表明，HYDRUS能夠較好的模擬土壤水分入滲過程。

在黃土高原丘陵溝壑區(qū)治溝造地實施過程中，降雨后產生引起的土壤水分入滲過程往往產生地表徑流及壤中流，若不能對其進行有效調控將會引起滑坡、洪澇、土壤鹽漬化等問題，使溝道整治效果大打折扣。本文本以黃土高原丘陵溝壑區(qū)一典型治溝造地區(qū)域為研究對象,利用 Hydrus模型,研究在降雨條件下溝道土壤水分的入滲過程,通過分析該地區(qū)土壤水分的動態(tài)變化過程,為闡明溝道農田壤中流的形成及治溝造地工程的實施提供依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于陜北黃土丘陵溝壑區(qū)，地處陜西省延安市寶塔區(qū)南泥灣鎮(zhèn)，是黃河中游水土流失重點區(qū)域之一。屬溫帶季風氣候，冬季寒冷干燥，降水較少；夏季炎熱多雨，降雨集中全。年平均氣溫9 ℃，平均無霜期179 d，多年平均水面蒸發(fā)量在1 000 mm左右，陸地蒸發(fā)量為550 mm，干旱指數1.75。降雨時空分布不均，全年平均降水量約550 mm，冬季降水最少，占年降水量的3%，夏季最多，占年降水量的47%。研究區(qū)境內土壤主要有黃棉土、黑壚土、紅土等，其中以黃棉土面積最大，占全區(qū)土壤總面積的63.87%。區(qū)內自然災害多發(fā)，主要災害包括旱災、風災、暴雨洪災、冰雹災害、霜凍災害和嚴重的水土流失災害等。

2 數據來源及方法

本研究采用Hydrus模型對研究區(qū)溝道農田土壤水分運動進行模擬。該模型是由美國國家鹽改中心(US Salinity laboratory)于1991年開發(fā)的，主要用于模擬非飽和帶多孔介質中的水分、熱量和溶質運移[14]。研究區(qū)地下水位埋深在1～5 m之間，屬淺埋區(qū)，土壤質地以粉壤土為主。在區(qū)域內設置了雨量筒、土壤水分監(jiān)測點用以監(jiān)測該區(qū)域降水及土壤水分變化。監(jiān)測時間為2017年8月20日至9月30日，共計40 d。研究區(qū)土壤層次劃分為2層，第1層為耕作層土壤，主要為新黃土，質地為粉壤土，厚約50 cm；第2層土壤位于耕作層以下，以老黃土或古土壤居多，質地為黏壤土，厚約30 cm，土壤層以下為卵石層。

3 模型的建立

3.1 基本方程

研究區(qū)包氣帶中的土壤水分運移以垂向運動為主。本文選用Richards方程對非飽和多孔介質中的土壤水運動進行描述：

式中：θ為土壤含水率，cm3·cm-3；t為時間；z為空間坐標，向上為正，cm；K為土壤導水率，cm/d；h為土壤水勢，cm。

模型中的土壤水分特征方程采用vanGenuchten方程表示如下：

式中：θs為土壤飽和含水量，cm3/cm-3；θr為土壤殘余含水量，cm3/cm-3；Ks為飽和水力傳導度，cm/d；α為與進氣吸力有關的參數；n為孔隙體積大小分布的指數；h為壓力水頭，cm；l為彎曲度參數，通常取值0.5，可反映反映了土壤孔隙的連通性；Se為無量綱的有效水分含量。

3.2 模型參數

以研究區(qū)土壤剖面不同深度的含水量作為初始含水量。模型的上邊界選取為“大氣”邊界條件，接受降雨補給和蒸發(fā)排泄。模型模擬時間段為2017年8月20日至9月30日，期間日降雨量最大為50.5mm，該時間段內降水及平均地下水位埋深變化如圖1所示，根據當地降雨特征，選取1d作為模擬的時間步長。同時在剖面上設置4個觀測點，分別位于溝道上游和下游距離地表20、40cm處，以驗證土壤剖面水分的模擬結果。土壤表面蒸發(fā)量根據HYDRUS軟件自帶的PenmanMonteith公式計算得到。

地層巖性信息將模擬土層劃分為3層。第1層為粉壤土,厚約50cm；第2層為黏壤土，厚約30cm。第3層為卵石層，厚約100cm。根據土壤機械組成分析得出砂粒、粉粒、黏粒的百分數，利用軟件自帶的神經網絡模型預測并計算得到各剖面的土壤特性參數，包括：飽和含水量Qs、殘余含水量Qr、經驗參數α、曲線形狀參數n、飽和導水率Ks、曲率系數l(表1)。

圖1 地下水水位與降雨變化關系

表1 模型參數設置

4 模型驗證與效果評價

根據研究區(qū)模擬時間段內土壤水分實測數據對模型進行驗證，如圖2、圖3所示，通過對比模擬結果與實測數據，驗證所建立的數值模型的合理性。對溝道上游和下游兩點處不同深度處土壤含水率模擬值和實測值進行兩配對樣本T檢驗(表2)驗證模型精度。計算結果表明：各點位處土壤含水率實測值和模擬值的配對T檢驗顯著性水平P值均不在置信區(qū)間(α=0.05)，說明兩者無顯著差異，該模型用于實際模擬應用。

圖2 上游土壤含水率觀測值與模擬值

圖3 下游土壤含水率觀測值與模擬值

表2 模擬結果評價

5 模型應用分析

根據建立的土壤水分模型，在以上各個參數條件下，對80mm日降水量(暴雨)下的土壤水分運移進行模擬，模擬時間共10d，降雨發(fā)生在模擬時間段的第2d。通過模擬結果可以看出，在暴雨條件或連續(xù)降雨條件下，土壤含水率增大較快，降雨后的第一天上游處含水率增加較下游處明顯，之后幾天下游處含水率降低較上游處緩慢。整體上，20cm處土壤含水率較小且變化較大，40cm處土壤含水率較大且相對穩(wěn)定(圖4、圖5)。

圖4 上游觀測點不同深度土壤含水率

圖5 下游觀測點不同深度土壤含水率

6 結 語

(1)應用HYDRUS軟件構建了黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤水分運移模型，并通過實際監(jiān)測結果和模擬結果的對比分析驗證了模型的合理性，為后期進一步分析該區(qū)域土壤水分狀況及徑流發(fā)生規(guī)律提供數據支持，為提高治溝造地實施效果提供參考。

(2)通過模擬分析了暴雨條件下黃土高原丘陵溝壑區(qū)溝道不同位置及不同深度處土壤含水率的變化特征。一般的，上游土壤含水率小于下游處土壤含水率，降雨過后，深處土壤含水率要大于淺層且其變化程度較小。