《Environmental Research》：Investigation of surface drainage soil desalination in paddy fields using field experiments and numerical simulations
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表面排水脱盐方法在受海啸影响的稻田中的应用研究，通过现场试验与COMSOL Multiphysics耦合模型分析，验证了气象因素（温度、太阳辐射、风速）对脱盐效率的影响，发现地表水对流速度是土壤水约百万倍，优化排水系统可使脱盐率提升2.1倍，为稻田盐分治理提供技术参考。
贾子怡|寺崎宏明|王敏|任杰辉|程文
福井大学工学研究科建筑与土木工程系，日本福井市文京3-9-1，910-8507
摘要
在大东日本地震后，表面排水方法被广泛用于稻田的盐分去除和恢复，但其效果尚未得到定量评估。此外，由于稻田土壤的复杂条件，现有研究中很少有模型能够同时考虑空气-积水-土壤相互作用中的水、热量和溶质变化。本研究在日本宫城县名取市的一个实际稻田中进行了表面排水脱盐实验，并使用COMSOL Multiphysics开发并验证了多物理场数值模型。模型中加入了简单的沟渠和鼠洞排水系统，以进一步评估该组合脱盐系统的性能。结果显示，土壤表面附近的水对流速度显著增加，积水层的流速约为土壤水分流速的100万倍。气象因素（空气温度、太阳辐射和风速）的变化极大地影响了脱盐效率，在水稻根区（0–30厘米）内，脱盐速率相比恒定条件提高了多达6.8倍。反复排水和再淹没显著提高了脱盐效果，但需要最佳的水资源管理。包括简单沟渠和鼠洞排水系统在内的排水系统使脱盐速率提高了2.1倍。总体而言，本研究通过将现场实验与数值模拟相结合，为稻田盐分去除提供了重要的技术参考。
引言
2011年3月11日，日本发生了9级强烈地震，引发了巨大的海啸，影响了日本太平洋沿岸2000多公里的区域，淹没了约400平方公里的土地（Mori等人，2012年）。海啸影响了23,600公顷的农田，其中宫城县受损最严重，约占85%为稻田（农林水产省，2011a）。海水浸泡导致稻田的土壤电导率远超水稻种植的允许限值。此外，低洼的沿海地区和地面沉降阻碍了海水的自然排出，导致许多稻田在2011年5月出现了盐壳，并导致长期盐污染（Chagué-Goff等人，2012年）。随后进行了这些田地的脱盐工作（农林水产省，2011b）。然而，直到2021年，受影响的农田才完全恢复，距离灾难发生已近十年（宫城县政府，2021年）。
灾后农田恢复采用了多种盐分去除方法，包括物理、化学和生物方法（Yamaguchi等人，1996年；Omine等人，2012年；Sugimoto和Miyoshi，2013年）。然而，考虑到成本、时间和地下水条件等因素，主要使用了物理脱盐方法（高知县环境农业推广部门，2014年）。地下排水是一种常见的物理方法，通过在稻田中埋设管道来实现（农林水产省，2011b）。但在本研究关注的宫城县名取市，许多田地缺乏埋设的管道，因此需要使用表面排水脱盐方法。这种方法通过注入淡水来稀释土壤中的盐分，主要作用在积水的上层。浸泡期后，含盐的积水通过开放式渠道排出（农林水产省，2011b）。
关于土壤脱盐的研究表明，表面排水脱盐方法非常有效。Hoshi和Yusa（2012年）发现，这种方法结合积水处理后，显著降低了稻田表层的盐分并使其稳定。类似地，Terasaki等人（2015年）报告称，使用这种方法可以在一周内去除0–30厘米土层中大约一半的盐分。尽管表面排水脱盐方法对表层20厘米内的土壤有效，但对深层土壤的脱盐效果较差。因此，使用这种方法处理的稻田不应转换为旱地，如果必须转换，则必须持续监测土壤盐分（Chiba等人，2014年）。Tokumoto等人（2021年）指出，将这种方法与添加10厘米表土相结合可以提高脱盐效果。然而，添加的表土与受盐影响的底土之间的优先流动限制了该方法在表土和底土层边界附近充分降低盐分的能力。此外，基于渗流的脱盐步骤应根据每个地区的独特条件进行定制（Tomosho等人，2012年）。
尽管取得了这些成果，但在实际田间条件下使用表面排水方法进行土壤脱盐的研究仍然有限。实际稻田中土壤、积水和大气条件之间的相互作用极其复杂，使得在非等温条件下描述表面排水脱盐过程具有挑战性。以往使用数值模型或软件模拟稻田环境的研究通常只关注水、热量和溶质传输这三个组分中的两个，很少同时考虑空气与积水层及土壤剖面之间的耦合作用（Maruyama等人，2017年；Tsuchiya等人，2018年；Ouyang等人，2020年；Nishida等人，2021年；Tu等人，2021年；Chen等人，2022年）。因此，在田间条件下准确模拟稻田中的表面排水脱盐仍然是一个紧迫且未解决的问题。研究表明，COMSOL Multiphysics能够有效整合流体流动、热传递和溶质传输等多物理过程，是一个高效、准确且可扩展的数值模拟平台，适用于研究土壤、水文和热力学耦合现象（Wu等人，2017年；Zhang等人，2020年；Zhou等人，2021年；Ahmadi等人，2022年）。因此，考虑稻田中土壤、积水层和空气之间的相互作用是最有效的方法之一。
此外，表面排水的脱盐机制主要依赖于温度梯度驱动的对流和浓度差异引起的扩散。在这个过程中，土壤中的盐分溶解在积水的上层。然而，这导致深层土壤的脱盐效率较低（Su和Li，2010年；Wang等人，2012年；Huang等人，2013年）。为了解决这些局限性，我们提出建造简单沟渠作为一种有效策略。在日本稻田中，通常使用鼠洞排水系统、耕作机和简单沟渠来提高地下排水系统的渗透性，从而增强水对流并加速盐分去除（日本农业发展与推广协会，2019年）。然而，现有的关于鼠洞和简单沟渠系统的研究主要集中在实验研究上，分析研究较少，定量评估不足。这些系统通常是为地下排水系统设计的，并未整合到表面盐分排水系统中。
因此，在本研究中，我们通过在日本宫城县名取市进行的现场实验动态监测，并使用COMSOL Multiphysics进行数值模拟验证，旨在研究稻田中的整个表面排水脱盐过程。随后，我们评估了实际气象条件对脱盐效率的影响，并评估了简化涵洞增强深层土壤盐分去除的潜力。最后，我们阐明了控制盐分去除的机制，并评估了实际脱盐策略的可行性。
研究区域和地点
实验于2013年11月在日本宫城县名取市的一个受海啸影响的稻田中进行（38°10′31.2″N，140°56′2.1″E）。该地点距离海岸线2.9公里，面积约为825.03平方米。该地点的海拔为0.42米，海啸后的淹没深度约为2.17米。我们特别关注了0厘米和30厘米深的土壤层。
数学模型
表面排水通过淡水淹没和浸泡实现脱盐，使稻田的土壤层保持持续饱和状态。作为现场实验，本研究需要构建一个水层和土壤模型，并包含一个空气域来模拟室外常见的气象条件和其他环境因素。
土壤温度变化
图3显示了不同土壤深度下的温度变化计算值和实验结果。气象条件对土壤表面的影响更为明显。尽管计算值略低于实验值，但两者总体上具有一致性。在24–48小时和96–120小时期间，计算值和实验值之间存在显著差异，这可能是由于这些时期的再淹没效应所致。
结论
本研究通过在日本宫城县名取市的动态现场监测，并结合COMSOL Multiphysics软件的数值模拟，研究了稻田中表面排水脱盐的现场应用。我们验证了数值模型，并模拟了在不同条件下的脱盐性能，重点关注了不同灌溉和排水方法的影响以及排水系统的加入效果。结果表明，这种方法的脱盐效率更高。
作者贡献声明
王敏：写作 – 审稿与编辑。寺崎宏明：写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、方法论、调查、概念化。程文：写作 – 审稿与编辑。任杰辉：写作 – 审稿与编辑。贾子怡：写作 – 初始草稿、验证、软件使用、调查、数据管理
未引用参考文献
农林水产省，2011a；农林水产省，2011b；Mori和Takahashi；Maruyama等人，2017。
利益声明
作者声明他们没有可能影响本研究报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
数据可用性
数据可应要求提供。
资助
本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。
利益声明
作者声明他们没有可能影响本论文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢Takezaki先生和Qihan Qiu先生对本研究实验工作的贡献。
