黄河上游寒旱灌区土壤冻融过程模拟优化区域水盐管理研究

本研究针对寒旱灌区非生长季灌溉管理难题，通过增强SWAT-AG模型的土壤温度模块，模拟黄河上游河套灌区(Hetao)土壤冻融过程。研究发现当前秋灌方案(CAIS)能有效补充土壤水分(0.31-0.36 cm3 cm-3)并控制盐分(降低0.11-0.19 g kg-1)，提出节水20%的优化方案(WAIS)在保证水盐调控效果的同时实现节水目标，为寒区农业水资源管理提供科学依据。

　　

在干旱寒冷的农业区，土壤水盐管理是保障作物生长的关键挑战。黄河上游的河套灌区作为我国重要的粮食生产基地，每年需引水48.6亿立方米维持农业生产，其中秋灌水量占比高达40%。然而，该地区长达180天的土壤冻融期会显著影响水盐运移规律，传统管理方式往往忽视这一关键过程。现有模型多局限于田间尺度或简化冻融机制，难以准确预测区域尺度的水盐响应。更棘手的是，浅层地下水与土壤水盐的复杂相互作用，使得寒旱灌区的精准管理成为国际公认的难题。

针对这一系列挑战，中国水利水电科学研究院等单位的研究团队在《Journal of Hydrology: Regional Studies》发表了创新性研究成果。研究人员通过增强分布式农业水文模型SWAT-AG，首次实现了对寒旱灌区全年水盐过程的系统模拟。该研究创新性地引入物理机制的土壤温度模块，耦合了热传导方程与水分迁移方程，能够精确描述冻融期土壤水-热-盐耦合运移过程。

关键技术方法包括：（1）基于能量平衡原理构建土壤温度模块，采用全隐式离散化求解热传导方程；（2）改进SWAT-AG的深层渗流和毛细上升模拟算法，引入有效孔隙度修正系数k_pe；（3）利用河套灌区2012-2015年冻融期野外观测数据（土壤温度、水分、盐分及地下水位）进行模型校验；（4）设置当前秋灌方案(CAIS)与节水情景(WAIS)对比模拟。

研究结果部分：
"3.1 模型性能"显示，增强后的SWAT-AG对土壤温度的模拟R²达0.88-0.97，较原SWAT模型提高23%；对冻融期土壤水分的模拟误差降低42%，能准确反映相变过程。

"3.2 CAIS下的农业水文特征"表明，秋灌使耕作层土壤含水量从0.14-0.17 cm³ cm^-3提升至0.31-0.36 cm³ cm^-3，盐分含量降低7-21%。地下水埋深在冻融期呈现"先抬升后下降"的动态，验证了冻层对水盐运移的阻隔效应。

"3.3 WAIS下的农业水文特征"预测显示，节水20%(IR0.8)方案可使秋灌水量减少2亿立方米，而解冻后土壤含水量仍保持0.18-0.28 cm³ cm^-3，盐分增量不足0.1 g kg^-1，实现了节水与保墒控盐的平衡。

结论部分强调，该研究首次在区域尺度上量化了冻融过程对灌区水盐调控的影响。所提出的IR0.8方案可推广至类似寒旱灌区，为落实"黄河流域生态保护"国家战略提供技术支撑。研究突破传统模型对冻融过程的简化处理，建立的耦合模拟框架为应对气候变化下的农业水资源管理提供了新范式。值得注意的是，模型在土壤盐分模拟方面仍有改进空间，未来可结合遥感数据提升区域适用性。这项成果不仅对保障国家粮食安全具有重要意义，其物理机制与数值算法创新也为寒区水文模型发展提供了重要参考。