馬雄德，范立民，嚴 戈，李文莉

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西 西安 710054)

植被對礦區(qū)地下水位變化響應(yīng)研究

馬雄德1,2，范立民3，嚴 戈1,2，李文莉3

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西 西安 710054)

依據(jù)地下水淺埋區(qū)植被蒸騰對地下水位變化十分敏感的特征，構(gòu)建沙柳根系吸水條件下的水流方程，分析生態(tài)脆弱礦區(qū)植生長對地下水位下降幅度的閾限。通過原位監(jiān)測獲取氣象要素、土壤水、地下水與沙柳蒸騰量的動態(tài)變化規(guī)律，建立地下水變化與植被蒸散發(fā)關(guān)系數(shù)值仿真模型并對模型進行求解，模擬沙柳蒸騰對煤炭開采區(qū)地下水位變化的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)：沙柳的日蒸騰量有受氣象要素控制的特點，并在正午12時前后出現(xiàn)2次極值，水位越淺變化越顯著。地下水對沙柳蒸騰的貢獻值隨著地下水位埋深的增加而減少，當?shù)叵滤宦裆?5 cm時，貢獻率為100%；地下水埋深215 cm時，貢獻率為0。在地下水淺埋區(qū)，地下水是沙柳蒸騰的主要水源，潛水埋深超過215 cm后地下水不再對沙柳生長提供水源，這也是沙柳對煤層開采地下水位下降的閾限。

地下水位；數(shù)值模擬；保水采煤；榆神府礦區(qū)；植被蒸騰

榆神府礦區(qū)地處我國西部毛烏素沙漠與黃土高原接壤區(qū)，降水量少且集中，蒸發(fā)強烈，水資源匱乏，屬半干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被對維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展極為重要[1]。位于礦區(qū)西部的沙漠灘地區(qū)地下水主要為第四系薩拉烏蘇組孔隙水和燒變巖裂隙孔隙水，分布局限，地下水與生態(tài)環(huán)境關(guān)系密切，具有十分重要的生態(tài)價值[2]。由于煤層埋藏淺，基巖厚度變化大，其上部富水性較強的薩拉烏蘇組含水層極易受采動導(dǎo)水裂隙影響而破壞，使地下水位下降[3-4]，造成一系列生態(tài)環(huán)境問題[5-7]，因此榆神府礦區(qū)煤層開發(fā)中需要保護潛水位，以免植被大面積枯萎[8-9]。地下水淺埋區(qū)地下水是植被蒸騰的重要水源[10]，地下水位保護的研究對維持濕生植被群落穩(wěn)定性具有十分重要的意義。

范立民較早較多地關(guān)注到榆神府礦區(qū)煤炭資源豐富與水資源匱乏這一矛盾，指出榆神府礦區(qū)煤層淺埋區(qū)開采會造成大范圍地下水漏失、減少河流基流量、破壞植被生態(tài)系統(tǒng)[11-13]。王力等[1]研究榆神府礦區(qū)煤層開采對地下水資源和植被的影響主要集中在采動破壞含水層結(jié)構(gòu)，降低地下水位，從而導(dǎo)致植被得不到正常生長所需的水分，并提出應(yīng)該采用同位素等技術(shù)區(qū)分礦區(qū)植被生長所需水源，如土壤水和地下水。王文龍等[14]認為神府礦區(qū)開采引起該區(qū)人工栽種的沙蒿、沙柳大面積枯萎或死亡,本已固定了的沙地又面臨沙漠化的危險。鄒慧等[15]通過實驗發(fā)現(xiàn)塌陷發(fā)育期由于蒸發(fā)和地下水位埋深增加，包氣帶土壤水分會明顯下降，并導(dǎo)致沙蒿株高和冠幅減小。黃金廷[10]針對半干旱區(qū)植被蒸散與對地下水變化的互饋關(guān)系，指出氣象因素對植被生長起控制作用。

上述關(guān)于礦區(qū)地下水變化與植被生長關(guān)系的研究成果，都為定性描述地下水水位下降引起植被退化的現(xiàn)象，關(guān)于礦區(qū)地下水位下降到什么程度會對植被生長產(chǎn)生影響的定量研究尚未見報道。本文通過原位監(jiān)測天然狀態(tài)下沙柳蒸騰量的變化及同期氣象要素和土壤水、地下水動態(tài)，建立地下水變化與沙柳蒸騰量變化之間的關(guān)系，采用數(shù)值模擬定量分析基于植被生長的需水要求及榆神府礦區(qū)煤層開采過程中地下水位控制閾值，為保水采煤技術(shù)的發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

榆神府礦區(qū)位于榆林市，包括榆陽區(qū)、神木縣和府谷縣。礦區(qū)地貌主要為黃土區(qū)和沙漠灘地區(qū)，中雞鎮(zhèn)-檸條塔-神木以西地區(qū)大多屬于沙漠灘地地貌。風沙灘地區(qū)內(nèi)的的毛烏素沙漠和蓋沙丘陵區(qū)，含水介質(zhì)為上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組細沙、粉細沙，厚度一般60～80 m，局部達140 m，含水層厚度大，地下水相對豐富，尤其在芹河、榆溪河、圪求河、宮泊溝等古河槽中心部分，含水層厚度可達100 m左右，單井出水量在1 000～2 500 m3/d。

根據(jù)2014年地下水位統(tǒng)測結(jié)果，榆神府礦區(qū)水位埋深小于5 m的區(qū)域主要分布在沙漠區(qū)，面積為3 667.0 km2，占礦區(qū)面積的40.9%，其中尤以1～3 m水位埋深的區(qū)域最廣；而水位埋深大于8 m的區(qū)域主要分布在黃土粱峁區(qū)，面積4 348.0 km2，占礦區(qū)面積的48.5%，以水位埋深8～15 m居多。

本區(qū)植被可分為天然植被和人工植被兩大類。天然植被分布具有明顯的水平分帶性。從黃土梁經(jīng)沙地、灘地到湖泊，植被的變化規(guī)律大體是：典型草原—沙生草原—草甸植被或鹽生植被-水生植被。在黃土丘陵地區(qū)分布的主要是旱生灌叢植被；在沙區(qū)主要是沙生植被；在河谷、湖盆洼地主要是灘地植被(如草甸植被、沼澤植被等)，在氣候、地形、地下水等眾多因素協(xié)同作用下苔草、沙蒿和沙柳構(gòu)成本區(qū)的優(yōu)勢植被[16]，蓋度可達25%～60%，其中沙柳根系深度最大120 cm[17]，這有益于分布在灘地和沙丘上的沙柳吸收利用地下水。

2 研究方法

2.1 原位實驗

實驗的目的是通過監(jiān)測天然狀態(tài)下沙柳蒸騰量的變化及同期氣象要素和土壤水、地下水動態(tài)，建立地下水變化與植被蒸騰量變化之間的關(guān)系，以此為基礎(chǔ)采用數(shù)值模擬分析礦區(qū)地下水位在下降過程中對植被生長供水貢獻率。

選擇在長安大學與中國地調(diào)局西安地調(diào)中心共建的水與生態(tài)關(guān)系實驗站開展原位監(jiān)測，采用自動氣象站監(jiān)測氣象要素(降水、蒸發(fā)、輻射等)，沙柳蒸騰量的變化由樹干徑流儀監(jiān)測，選用一棵樹齡在7～10 a的成年沙柳，8個探頭分布包裹在沙柳灌叢8個不同方位的枝條上，采用TDR技術(shù)監(jiān)測包氣帶土壤含水率變化(每20 cm安裝一個探頭，共7個)、采用地下水自動監(jiān)測儀(Mini-Diver)監(jiān)測地下水水位。數(shù)據(jù)采集全部為自動記錄，每10 s記錄1次。

實驗期間(2014-04-27—08-26)總降水量71.8 mm，最大次降水量發(fā)生在7月1—2日，累計35.2 mm。最低溫度為6.6 ℃，最高溫度為32.9 ℃，日平均溫度為21.7 ℃；凈輻射白天為正值，夜間為負值，最大值為897 W·m2；相對濕度變化在20%～100%，日平均45%；風速最大風速為6.8 m/s，日平均風速為2 m/s。沙柳蒸騰日動態(tài)呈現(xiàn)正弦變化特征，在降雨期間蒸騰量幾乎為0；實測的8根枝條蒸騰量均值為0.000 65 m3/d。土壤剖面至地表向下由干燥變?yōu)闈駶?，土壤含水率在埋?～40 cm介于0.04～0.10 cm3/cm；在埋深40～120 cm 介于0.10～0.25 cm3/cm；120 cm以下時大于0.3 cm3/cm。地下水水位在降雨前一直處于下降狀態(tài)，最小水位埋深140 cm，最大水位埋深185 cm。

2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)實驗區(qū)獲取的參數(shù)及水文地質(zhì)條件構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型(圖1(a))，采用天然條件下各類要素(氣象、土壤水、地下水及沙柳蒸騰量等)的動態(tài)變化數(shù)據(jù)校正數(shù)學模型，再利用該模型模擬采礦造成地下水位下降過程中(圖1(b))地下水對沙柳蒸散的貢獻率動態(tài)變化。

圖1 水文地質(zhì)概念模型示意

3 數(shù)學模型建立與求解

3.1 數(shù)學模型

本文僅關(guān)注在沙柳根系吸水條件下垂向的水流運動，因此可概化為垂向一維流，泛定方程為

包氣帶：

飽和帶：

連接條件：

d(t)=H+ha-h(0,t),t>0

初始條件：

h(0,z)=h0,0≤z≤H

地表條件：

下邊界條件：

h=h(0,t),t>0

式中,θ為含水率，cm3/cm3；k為土壤非飽和滲透系,cm/h；S(h)為根系吸水函數(shù)；h為壓力水頭，cm；t為時間變量，h-1；z為空間變量，cm；d(t)為包氣帶厚度,m；H為計算剖面厚度，m；E為當?shù)貧庀髼l件下蒸發(fā)和入滲最大潛在量，m；ha為進氣值；hA和hs為土壤表明允許的最大和最小壓力水頭，m。

根系吸水模型采用Feddes模型，即

S(h)=α(h)b(z)Tp

式中,α(h)為水分脅迫函數(shù)；b(z)為根系分布函數(shù)，由實驗得出；Tp為植物潛在蒸騰速率，cm/h。

3.2 初始條件與邊界條件

模型的初始條件設(shè)置為實驗開始觀測時刻的土壤含水率。模型的上邊界條件為軟件(hydrus-1D)根據(jù)氣象數(shù)據(jù)確定的地表能量通量，同時計算得到的地表蒸發(fā)作為水分運移的上邊界條件,下邊界為地下水位檢測儀實測壓力水頭。

3.3 模型求解

模型求解采用美國農(nóng)業(yè)部鹽土實驗室開發(fā)的hydrus-1D軟件，解算方法為有限差分法。其中，土壤吸濕和脫濕過程中非飽和滲透系數(shù)與負壓關(guān)系由Wan公式描述，即

式中，K(h)為非飽和滲透系數(shù),cm/h；Ks為飽和滲透系數(shù),cm/h；Se為有效飽和度；θ為體積含水率，cm3/cm3；h為包氣帶土壤負壓，cm；θs和θr分別為土壤飽和含水率和殘余含水率，cm3/cm3；α，n為與土壤水分特征曲線相關(guān)的參數(shù)；m=1-1/n。

根據(jù)實驗場地的顆粒分析資料，利用美國顆粒分析三角坐標圖按土壤的顆粒組成估算土壤水力學的參數(shù)初值，設(shè)定邊界條件和初始條件后，再將模型識別期的觀測負壓值輸入到計算程序中進行計算，將計算負壓值與觀測值進行比較，反復(fù)演算，直至滿足誤差要求為止(本次設(shè)定為10%)，得出各層的參數(shù)值，見表1。

表1 土壤水參數(shù)

Table 1 Parameter of soil sample

埋深/cm殘余含水率飽和含水率αn飽和滲透系數(shù)ks0～400.0290.3880.057042.082340～800.0290.4880.054042.122380～1100.0290.4880.050402.6523110～1300.0290.4880.058402.4023130～2000.0290.3880.049401.4523

3.4 誤差分析

將研究期土壤含水率與植被蒸騰量的計算值與觀測值進行對比可知(圖2)，二者形態(tài)套和較好，說明基于上述參數(shù)建立的數(shù)學模型能夠刻畫植被蒸騰量與含水率變化，具有較高的仿真度和保真性，可以用于刻畫外在條件變化后包氣帶土壤水分變化規(guī)律。

相對誤差(RE)由式(4)確定。

其中,Vo和Vm分別為計算剖面上含水率、沙柳蒸騰的觀測值和計算值，經(jīng)計算，整個土壤剖面上相對誤差分別為1.1%和6%，誤差滿足計算要求。

圖2 土壤含水率擬合

3.4 礦區(qū)地下水位下降對植被生長的影響

研究表明[18]，地下水埋深與植被長勢之間存在一定內(nèi)在聯(lián)系，在潛水位由淺變深的過程中，植被種群也在發(fā)生演替。由河谷向河流兩側(cè)地下水位埋深逐漸增加，植被也由水生植物演替為中生植物或旱生植物。在煤礦井工開采中，導(dǎo)水斷裂帶高度在空間上存在一定的差異性，當導(dǎo)水斷裂帶不破壞含水層時地下水位變化幅度較小，而導(dǎo)通上覆含水層，地下水向采空區(qū)排泄導(dǎo)致水位驟降，降幅由開采煤層埋深來決定。研究以地下水位埋深2 m為初始水位，按1 m步長依次降低地下水位埋深至100 m，模擬沙柳蒸騰量的變化規(guī)律。本文以煤炭開采使地下水位埋深降至5.0 m為例闡述地下水位下降過程中地下水對沙柳蒸騰的貢獻值的變化規(guī)律。

3.4.1 沙柳蒸騰的變化規(guī)律

圖3為不同地下水埋深時沙柳T/Tp(實際蒸騰量與潛在蒸騰量比值)值的變化規(guī)律?？梢钥闯?，T/Tp值與地下水位埋深關(guān)系呈倒“S”曲線，T/Tp值隨地下水埋深的增加呈遞減趨勢，地下水位埋深15 cm處出現(xiàn)最大值1，說明地下水完全滿足沙柳蒸騰所需的水分，實際蒸騰量接近潛在蒸騰量；地下水埋深200 cm時接近0.5；在地下水位埋深500 cm時為0.05左右，這時地下水為沙柳蒸騰無法提供水源。

圖3 地下水埋深與T/Tp關(guān)系

沙柳日蒸騰量隨地下水埋深的增加逐漸減小，當水位埋深小于200 cm時，蒸騰量的最大值超過0.01 cm/h，而水位埋深大于300 cm后，蒸騰量的最大值小于0.005 cm/h。從時間上看，沙柳蒸騰主要發(fā)生在白天，呈雙峰型，在11:00和16:00達到極值，沙柳蒸騰在嚴苛的氣象因素的控制下出現(xiàn)了“午休現(xiàn)象”(圖4)，說明沙柳在午間依靠減小葉面氣孔開度調(diào)節(jié)光合速率和蒸騰速率，以避免水分過度喪失，表現(xiàn)出良好的抗旱性。

圖4 地下水位埋深與蒸騰量動態(tài)曲線

3.4.2 不同地下水位埋深對蒸散發(fā)的貢獻

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，包氣帶土壤含水量的變化量是降水、蒸發(fā)、蒸騰及滲漏量等引起的，其公式為

式中，ΔSWC為土壤水變化量，cm；P為大氣降水量，cm；GWc為地下水對沙柳蒸發(fā)的貢獻量，cm；T為沙柳蒸騰量，cm；E為蒸發(fā)量，cm；R為地下水獲得補給量，cm。

根據(jù)模型計算結(jié)果統(tǒng)計不同地下水埋深條件下地下水對沙柳蒸散發(fā)的貢獻量關(guān)系(圖5)?？梢钥闯觯?～500 cm地下水埋深的變化范圍內(nèi)，地下水對蒸散發(fā)的貢獻量與地下水埋深呈負相關(guān)關(guān)系，即地下水位埋深越大，地下水對蒸散發(fā)的貢獻率越小，當?shù)叵滤裆顬?15 cm時，地下水對蒸散發(fā)的貢獻量減至0。

圖5 不同地下水埋深對蒸散發(fā)的貢獻量

4 礦區(qū)地下水位變化閾限

根據(jù)前述，地下水位埋深215 cm是地下水對沙柳蒸散發(fā)貢獻的臨界值，在榆神府礦區(qū)風沙灘地采礦條件下有2種情況會使地下水位埋深達到這個臨界值：

(1)礦區(qū)初始水位小于215 cm而煤炭開采導(dǎo)致地下水位埋深大于215 cm時，對沙柳生長將產(chǎn)生包括水勢變化、根系重新分布、生物量改變、利用水源改變等方面[19]。就利用水源而言，地下水水位下降后，沙柳將充分利用淺根系吸收土壤水分，以滿足蒸騰的需求，沙柳生長將受控于氣象因素，在遭遇連續(xù)的干旱年份時，其長勢將呈現(xiàn)衰退現(xiàn)象。

(2)初始水位埋深大于215 cm而煤層開采(導(dǎo)水斷裂帶未導(dǎo)通含水層情況)引起地表下沉量大于水位下沉量時，水位埋深減小，當?shù)叵滤宦裆钚∮?15 cm時，地下水將為沙柳蒸散提供水源，這對沙柳的生長會產(chǎn)生有利的影響[20]。但同時這將為陜北風沙灘地保水采煤技術(shù)提出新的課題：

本區(qū)主要屬半干旱氣候區(qū)，多年平均蒸發(fā)量2 000～2 300 mm，在風沙灘地和紅堿淖閉流區(qū)地下水位淺埋 (<5 m)，蒸騰作用強烈。當采礦沉陷造成地下水位埋深小于沙柳蒸騰極限標準(215 cm)的面積較大時，蒸發(fā)排泄量就不容忽視。煤層開采時應(yīng)通過改變采煤方法或開采厚度等控制地下水位埋深在一個適當?shù)姆秶鷥?nèi)，減少無效蒸發(fā)，將是增大區(qū)域可開采水資源量的有效途徑。因此在風沙灘地礦區(qū)采煤時，奪取無效蒸發(fā)量也是保水采煤技術(shù)的核心內(nèi)容。

5 結(jié) 論

(1)沙柳的日蒸騰量有受氣象要素控制的特點，并在正午12時前后出現(xiàn)2次極值，水位越淺變化越顯著。

(2)地下水對沙柳蒸騰的貢獻值隨著地下水位埋深的增加而減少，當?shù)叵滤宦裆?5 cm時，貢獻率為100%；地下水埋深215 cm時，貢獻率為0。

(3)在地下水淺埋區(qū)，地下水是沙柳蒸騰的主要水源，潛水埋深超過215 cm后地下水不再對沙柳生長提供水源，這也是沙柳對煤層開采地下水位下降的閾限。

(4)在榆神府礦區(qū)風沙灘地開采煤層時，控制合理的水位埋深以減少無效蒸發(fā)量將是保水采煤技術(shù)的研究內(nèi)容。

致謝：感謝中國地調(diào)局西安地調(diào)中心黃金廷副研究員對本次工作的大力支持。

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Vegetation responses to groundwater level change in mining area

MA Xiong-de1,2，F(xiàn)AN Li-min3，YAN Ge1,2，LI Wen-li3

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China;2.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologicalEffectsinAridRegion,MinistryofEducation,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China;3.ShaanxiGeologicalEnvironmentMonitoringStation,Xi’an710054,China)

It is universally acknowledged that phreatophytic transpiration changes sensitively with groundwater level declining.The present study tries to find the groundwater level decline threshold limited to the vulnerable ecological conditions at Yushen mine.The methods include in-situ test and numerical analysis,firstly an experimental base was constructed for collecting data,including meteorological factors,soil moisture,groundwater level and Salix psammophila transpiration,then a root water uptake model was derived to simulate the change of Salix psammophila transpiration during groundwater level declining.The results show that:Salix psammophila transpiration is strictly controlled by meteorological factors,there appears two extremums before and after 12 noon,and Salix psammophila transpiration changes more sharply with a shallow groundwater level.The contribution rate of groundwater to evapotranspiration declines with the groundwater depth goes deeper,which decrease from 100% to 0 with groundwater depth decreasing from 15 cm to 215 cm.Salix psammophila cannot utilize groundwater when the groundwater depth is more than 215 cm,that is the threshold of groundwater level decline limited to the vulnerable ecological conditions during coal mining in the study area.The results achieved above will enrich the coal mining technology at ecologically vulnerable coal mine.

groundwater level;numerical simulation;water-preserved mining;Yushenfu coal mine area;phreatophytic transpiration

10.13225/j.cnki.jccs.2016.0733

2016-10-15

2016-11-29責任編輯:張曉寧

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2013CB227901)；陜西省科學技術(shù)推廣計劃資助項目(2011TG-01)

馬雄德(1978—)，男，青?；ブ?，工程師。E-mail:59759423@qq.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0044-06

馬雄德，范立民，嚴戈,等.植被對礦區(qū)地下水位變化響應(yīng)研究[J].煤炭學報,2017,42(1):44-49.

Ma Xiongde，F(xiàn)an Limin，Yan Ge，et al.Vegetation responses to groundwater level change in mining area[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):44-49.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.0733