水盐运动的研究
近代的水盐运动研究是在三个层次上展开的,即土体中水盐运动过程及其机理的微观性研究,田间的及区域性的水盐运动过程及其机理的研究。
土壤中水的运动主要是基于达西定律,对多孔介质中饱和流和非饱和流的水动力学的研究,建立了水流运动的基本方程。而含有易溶盐和其它溶质的溶液在多孔介质中的运动则要复杂得多。早在1905年Slichter就曾报道过,在土壤中溶质并不是以相同速率移动的。40年代,色层分离理论进一步说明了不同溶质通过多孔介质时运动速率的差别(Martin和Synge,1941)。Lapidus、Amundson(1952)和Nielsen、Biggar(1961,1962)以及Biggar、Nielsen(1962,1963)根据一系列实验,提出了易混合置换的理论,认为溶质的通量(Js)是由对流、扩散和弥散的综合作用引起的。
60—70年代对于溶质运动方程的运用和完善,说明了对溶质运移机理理解得逐步深化。Bresler(1982)所著《盐化与苏打化土壤》一书中,总结了有关盐分运动的原理和模型,可以代表当前国际上在盐分运移方面的主要观点和动向。
我国在这方面的研究是从80年代开始的。张蔚榛(1982)提出了土壤水盐运移模拟的初步研究结果。李韵珠(1985)运用水动力学模型,研究了非稳态蒸发条件下夹粘土层的土壤水盐运动,Chen(1990)在盐分运移方面的多离子耦合传输和综合传输模型的研究,取得了较好成果。刘亚平(1985)在稳定蒸发条件下,应用土壤水盐运动模型进行了多方案计算,提出了潜水蒸发与埋深关系公式和用潜水蒸发量近似估算土壤盐分状况的方法。杨金忠(1987)、陈研(1991)在饱和——非饱和土壤水盐运动的计算方法上取得了进展。陆锦文等(1986)对非饱和土壤水运动的水分特征曲线、导水率和扩散率,杨金忠(1987)、贾大林(1987)、张效先(1990)、黄康乐(1988)对土壤盐分扩散——弥散系数等方面的研究,提供了有价值的参考。
和实验室有控条件下的研究相比,田间水盐运动的研究难度更大,一是土壤的空间变异性极大,二是气候和人为活动的非稳态条件十分复杂。主要的研究工作有:
——土壤空间变异性研究。这方面研究的目的是定量说明土壤组成、性质和水盐运动参数在空间上的分布规律,以便使在一定情形下所建立的模型能推广应用到田间。在这方面,Nielsen等(1973),Biggar等(1976)、Bresler(1981)、Jury(1984)、Russo(1984)、Rhoades等(1988)和我国的雷志栋、杨诗秀(1988)、胡毓琪(1985)等做了有意义的工作。目前空间变异的研究应用,仅限于取样点的选择与土壤某些性质在空间上的插值运算方面。
——田间某一特定条件下的水盐运动的研究。如不同的作物发育阶段、灌溉制度、土体构型条件下的土壤水分运动(Hillel等1979;Feddes等1985,1986,1988;雷志栋,1985;陆锦文等1985,1988)。在盐分运移方面(Bresler,1975,1982;杨金忠,1986;贾大林等,1985;李韵珠等,1986;黄康乐,1988;Jury,1984;Nour el-Din、King、K.K.Tanji,1988)取得的成果已应用于盐碱地改良等方面。近年来盐分运移中的物理化学过程变化研究是一大研究热点。Grove与Stollenwer(1987)对地下水盐分运移化学过程变化,做了系统总结。
——水盐平衡方法是研究田间水盐运动的重要和常用方法(Kovda,1946,1959;Woods,1967;Szabolcs,1976;Kaddah与Rhoades,1976;石元春,1983)。田间水盐均衡方程的建立,可以从整体上定量地确定田间各种情况下水盐的来龙去脉及田间的水盐动态变化(陈焕伟、石元春,1988)。石元春等(1977,1983,1986)还研究了不同自然和人为活动条件下的水盐平衡类型和分区。
——随着电子计算机技术的发展,对复杂田间条件下水盐运动的定量化的研究和建立模型的研究有了发展。Jury(1984)将田间水盐运动模型分为确定性模型和随机模型。Feddes(1988)对土壤水分运动模型及其应用作了系统阐述。从总体上看,这项工作还处在初期阶段,尚难应用于复杂的田间条件。
大规模的区域性旱涝和土壤盐渍化综合治理,促进了区域水盐运动的研究。即在一个流域的大范围内,对水盐运动的过程及其规律进行宏观性的研究,以作为区域综合治理和水盐调节管理的科学依据。研究工作主要是用系统分析方法,对影响区域水盐运动诸要素进行分解、综合,建立模型和探讨系统中各状态变量的动态。Tanji(1981)阐述的10个代表性区域盐渍水文模型,是美国西部60年代和70年代工作的总结。在欧洲,70年代末和80年代初,英、丹、法合作开发欧洲水文系统,包括对径流、土壤水、蒸散、积雪融化模型的研究与耦合,应用于欧洲水资源的合理开发与利用。索柯洛夫等(1980)系统总结了苏联水资源区域再分配的研究成果。
我国区域水盐运动的研究,从70年代末至今取得了一系列研究成果。黑龙江省水利勘测设计院(1978)为审议“引嫩”工程(北引嫩江水),进行得面积为2.4万平方公里的水盐均衡分析,提出了工程实施后将有26%的灌溉水进入地下,并会使地下水位抬升0.32米,以及应采取的预防措施。石元春(1983)提出了黄淮海平原的水均衡方程和模型,从宏观和战略上探讨了这个地区旱涝盐碱综合治理中的水盐调节问题 并提出了小流域或县级为单位划分区域水盐运动类型的原则、方法和不同条件下的水盐调节管理模式。魏由庆(1985)对鲁西马颊河流域的陵西背河洼地、刘世春对商丘古黄河背河洼地的研究也都取得了成果。
从世界范围来看,对区域水盐动态研究多采取分区方法进行(索柯洛夫等,1980;Tanji,1982;石元春,1985),研究方法多是水盐均衡法。石元春(1977,1983,1988)在提出地学综合体概念的基础上,划分区域水盐运动类型,李韵珠等(1988)进行了分区(不同地学条件)水盐均衡计算。另外一种方法是Huggins(1968)利用分布参数模型作区域水均衡与产流的模拟;Gupta等人(1977)按此法建立了区域水均衡方程,Williamson与Turner(1980)把这种方法用于对区域土壤水分含量的计算上。区域地下水水盐动态的研究,近年来多应用分布参数模型(Bear,1979;张蔚榛,1983;朱学愚,1986;孙讷正,1989),研究方法以水动力学法为主。区域水盐运动系统的研究涉及面广,系统中土壤水、地表水、地下水各子系统相互作用。因此在研究区域水盐运动规律时,不可能采取单一的方法,而是众多研究方法的综合(Tanji,1982;石元春,1988)。这也决定了对区域水盐运动研究要从系统论的观点出发,采取系统分析的方法进行,即先给出研究区水盐运动系统概念模型(如Hornsby,1972),然后对区域水盐运动进行剖析分层(如Walker,1978;DHI,1985;石元春,1988),最终利用已有的研究成果与方法,如水均衡法、水动力学法或两者的结合,有时还辅加数理统计方法与运筹学方法一同完成既定的目标。近年来,运用系统工程的方法对区域水盐运动系统进行研究,黄运祥等(1985)在新疆进行了有益尝试。
以上所述,可说明对区域水盐运动规律的研究,巳进入以系统理论作指导,多种研究方法相结合的时期,进而研究对区域水盐运动的科学管理与调控。这就必然导致一个新的重要课题的提出,即区域水盐运动监测预报的研究(石元春等,1983)。