王強民,靳德武,王文科,劉 基,3,楊 建,趙春虎,董興玲,尚宏波

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710054; 3.煤炭科學研究總院，北京 100013; 4.長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054; 5.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

榆神礦區(qū)是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地和高強度開采區(qū)，同時也是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[1]，區(qū)內(nèi)具有供水意義的2個含水層——薩拉烏蘇組含水層位于煤層之上，含水層底板距開采煤層3～50 m，受煤田開采引起的地面塌陷、地裂縫的影響，含水層結構遭到破壞，地下水漏失，引起區(qū)域地下水位大幅度下降[2]。相對濕潤區(qū)，干旱礦區(qū)地下水和植被關系密切。當前，全球氣候變化和人類強擾動礦區(qū)地下水環(huán)境變化對植被生態(tài)耗水的聯(lián)合影響已成為生態(tài)脆弱礦區(qū)亟待解決的關鍵科學問題之一[3]。

目前，很多學者在我國的干旱礦區(qū)開展了保水采煤的研究[4-6]，保水采煤是指在干旱半干旱地區(qū)煤層開采過程中，通過控制巖層移動維持具有供水意義和生態(tài)價值含水層水位變化在合理范圍內(nèi)[7]。具體其生態(tài)價值，是指潛水位埋較小時，土壤含水率較高，植被生長較好，覆蓋率高;當潛水位埋深較大時，不能對土壤儲水量進行有效補充，植被出現(xiàn)退化，導致生態(tài)環(huán)境惡化[8]。王文科、楊澤元等通過野外地下水和生態(tài)調(diào)查，建立了鄂爾多斯盆地地下埋深和植被蓋度的關系曲線，認為植被蓋度和地下水埋深呈負相關[9]。同時，植被的生長也受到氣候變化影響，研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度隨降雨量增加呈現(xiàn)非線性增加的趨勢[10]。鄂爾多斯盆地部分高強度開采礦區(qū)地下水位呈現(xiàn)出變化幅度大、范圍廣的現(xiàn)象[11]，同時氣候也呈現(xiàn)出較大變化[12]，2者對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境變化都有貢獻，但前人較少研究氣候變化和地下水位對植被生態(tài)耗水的聯(lián)合影響。

以往經(jīng)常采用野外調(diào)查和遙感技術研究植被和地下水關系，選取反映植被生長狀況的指標大多為植被蓋度或植被覆蓋指數(shù)，選取反映地下水狀況的指標為潛水埋深和包氣帶含水率等指標，繼而建立植被蓋度(覆蓋指數(shù))與潛水埋深(土壤含水率)的關系曲線[9,13-14]。事實上，植被與地下水的關系不是簡單的線性關系，涉及降水、蒸發(fā)、土壤質(zhì)地等多個要素[15]，采用調(diào)查及遙感的方法，難以反映“地下水-土壤-植被-大氣連續(xù)體”之間的水動力過程，且花費大量人力和物力，土壤水動力學模擬方法為研究地下水與植被的關系提供了一種可行途徑，目前已得到廣泛應用[16]。

筆者以位于榆神礦區(qū)的典型植被為研究對象，利用野外調(diào)查、室內(nèi)測試和土壤水動力學模擬方法，研究不同干旱指數(shù)和地下水位埋深條件下典型植被的耗水狀況，并分析其聯(lián)合影響特征，引入單指數(shù)模型確定干旱礦區(qū)典型植被生態(tài)臨界水位，研究成果對豐富我國干旱礦區(qū)保水采煤和綠色開采技術內(nèi)涵具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

榆神礦區(qū)位于陜西省神木縣、榆陽區(qū)境內(nèi)，其煤炭資源儲量豐富、煤質(zhì)優(yōu)良、地質(zhì)構造簡單、開采技術條件優(yōu)越而引世人矚目，已成為我國重要的能源化工基地。主要地貌類型有風沙地貌、黃土地貌、河谷地貌，總的地勢呈西北高而東南低，高程在1 200 m左右。其中，風沙區(qū)地貌地下水埋深一般較小，基本在1～5 m。自然植被類型主要以苔草、沙蒿、沙柳等為主。本次研究以該區(qū)域的優(yōu)勢植被沙柳為研究對象，其周邊地下水位埋深在1 m左右，野外測定高度為2.50 m，葉面積指數(shù)為2.48。根系分布特征如圖1所示，沙柳主要根系分布在0～60 cm處，并隨著埋深的增大呈現(xiàn)指數(shù)減小的趨勢。

圖1 沙柳標準化根系分布函數(shù)Fig.1 Normalized root density distribution of Salix psammophila

由于該區(qū)域煤炭產(chǎn)量自20世紀90年代開始大幅度增長，因此本次研究收集并整理榆林市國家基本氣象站1991—2013年的基本氣象數(shù)據(jù)，包括:降水、蒸發(fā)量、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、平均風速和日照時數(shù)，為模型的上邊界提供所需要的降水和蒸發(fā)數(shù)據(jù)。1991—2013年多年平均降水量為400 mm，多年平均潛在蒸散發(fā)量為1 153 mm，年內(nèi)降水量主要集中在5至10月，超過全年降水量的85%。為系統(tǒng)研究榆神礦區(qū)氣候變化和地下水位雙重因素對植被耗水的影響，筆者引入干旱指數(shù)[17]反映研究區(qū)氣候的整體變化，其定義為

AI=(ET0-P)/ET0

(1)

式中，AI為干旱指數(shù);ET0為潛在蒸散發(fā)量，mm;P為降水量，mm。

2 模型構建

2.1 土壤水動力學模型及參數(shù)

有植被條件下，水文地質(zhì)概念模型如圖2所示，一維非飽和土壤水運動的控制方程為

(2)

式中，C(h)為容水度，cm-1;h為土壤水壓力水頭，cm;t為時間，d;z為垂向坐標，cm，向上為正;K(h)為非飽和滲透系數(shù)，cm/d;S(z,t)為植被根系吸水速率。

文中采用van-Genuchten-Mualem模型[18]描述土壤水分特征曲線和滲透系數(shù)曲線:

(3)

(4)

(5)

其中，θr為飽和含水量，cm3/cm3;θs為殘余含水量，cm3/cm3;Se為有效飽和度;Ks為飽和滲透系數(shù)，cm/d;α,m,n為土壤水分特征曲線形狀參數(shù)，其中m=1-n/1，n>1;l為彎曲度參數(shù)。根據(jù)室內(nèi)測試、物理試驗及數(shù)值模擬相結合的方法，確定風積沙土壤水分運動參數(shù)見表1，該參數(shù)已經(jīng)得到模型校準和驗證，有較高準確率。

圖2 水文地質(zhì)概念模型Fig.2 Hydrology geology concept model

θrθsα/cm-1Ks/(cm·h-1)nl0.0290.380.0523.8752.320.5

文中采用Feddes模型[20]描述植被根系系數(shù)模型:

S(z,t)=α(h)b(z)Tp

(6)

式中，α(h)為水分脅迫函數(shù);b(z)為根系分布函數(shù)，由野外調(diào)查獲取;Tp為植被潛在蒸騰量，cm/d。

2.2 初始及邊界條件

模擬的初始條件取野外原位試驗場不同地下水位埋深條件下的土壤水分的多年觀測平均值，部分層位的土壤含水率通過插值獲取。模型的上邊界選取表層積水的“表面水庫”邊界條件，接受降雨補給和蒸發(fā)排泄，其降水和蒸發(fā)數(shù)據(jù)通過研究區(qū)氣象資料獲取。前人研究結果表明，當?shù)叵滤裆畛^5 m時，植被和地下水的關系較小，因此選取初始地下水埋深5 m，并逐步減小(0.5 m/次)至地下水埋深1 m作為本次模擬計算的下邊界條件。因此，本次土壤水運動模擬的邊界條件可總結為

(7)

式中，θ為初始含水量，cm3/cm3;q0(0,t)為凈入滲速率，即降雨量和蒸發(fā)量之差，cm/d。

綜上所述，本次研究共設置23種干旱指數(shù)情景(1991—2013年)，地下水埋深共設置1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 m等9種情景。因此，需要搭建207個不同組合條件下的數(shù)值計算模型。

3 結果分析

3.1 干旱指數(shù)對植被耗水的影響

以干旱指數(shù)(AI)為橫坐標，植被實際日蒸騰量(Ta)為縱坐標，圖3為地下水埋深2.5 m時AI與Ta的散點圖。總體上，隨著干旱指數(shù)的增大，植被實際蒸騰量呈現(xiàn)減小趨勢，對上述散點圖進行擬合，可以得到以下線性關系:y=-0.229 7x+0.310 8，該式的擬合相關系數(shù)達到0.608 2。

圖3 地下水埋深2.5 m時AI與Ta的散點圖Fig.3 Scatter diagram between AI and Ta when the water table depth is 2.5 m

同時，分別對地下水位埋深為1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5和5.0 m時的干旱指數(shù)和植被實際蒸騰量的散點圖進行線性擬合，求得不同地下水埋深干旱指數(shù)AI與Ta線性式子的斜率，并畫出其斜率與地下水埋深的關系曲線圖，如圖4所示。由圖4可以看出，不同地下水埋深條件下，干旱指數(shù)對植被實際蒸騰量的影響差異較大，當?shù)叵滤裆顬?.0 m時，其斜率為0，表明干旱指數(shù)對植被耗水基本不產(chǎn)生影響;當?shù)叵滤宦裆钗挥?.0～2.5 m時，其斜率絕對值逐漸增大，表明干旱指數(shù)對植被耗水的影響隨著地下水埋深的增大呈現(xiàn)增大趨勢;當?shù)叵滤裆畛^2.5 m時，其斜率絕對值基本不變，說明干旱指數(shù)對植被耗水的影響趨于穩(wěn)定，基本和地下水沒有關系。由此可以看出，植被耗水并不單一的受到氣候變化的影響，地下水也是影響植被耗水的關鍵要素。

圖4 不同地下水埋深條件下干旱指數(shù)與植被實際蒸騰量線性斜率變化特征Fig.4 Slope of the linear equation between AI and Ta at different water table depth

3.2 地下水埋深對植被耗水的影響

篩選出1990—2013年干旱指數(shù)的最小值、中間值和最大值，分別代表豐水年、平水年和枯水年，并繪制不同干旱指數(shù)條件下地下水埋深和植被實際耗水量的關系曲線，如圖5所示，圖5可以直觀反映地下水埋深對植被耗水的影響。不同干旱指數(shù)條件下，植被耗水量和地下水埋深呈現(xiàn)出典型的單指數(shù)分布規(guī)律，當?shù)叵滤裆顬?.0～2.5 m時，隨著地下水埋深的增大，植被耗水量急劇減小，當?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時，植被耗水量基本趨于穩(wěn)定。另外，當?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時，圖5中的植被耗水量隨著干旱指數(shù)的增加呈現(xiàn)明顯的減小趨勢，這說明植被耗水量的多寡并不單純受到地下水埋深的控制，也受到氣候變化的影響。

圖5 不同地下水埋深條件下植被實際蒸騰量變化規(guī)律Fig.5 Variation trend of Ta under different water table depth

3.3 雙因素聯(lián)合影響植被耗水

圖6反映了干旱指數(shù)和地下水埋深聯(lián)合影響下的植被耗水特征，植被耗水量的高值點主要分布在地下水埋深為1.0～2.0 m處，即圖6中的A區(qū)域，此處植被耗水量的等值線圖基本與橫坐標干旱指數(shù)平行，表明此區(qū)域植被耗水和干旱指數(shù)關系不大，植被生長主要受地下水控制。值得注意的是，植被耗水量的最大值并沒有出現(xiàn)在地下水埋深最小，干旱指數(shù)最小的區(qū)域，而是位于地下水埋深最小，干旱指數(shù)最大的區(qū)域，這是因為植被受高潛水位和強降雨量的影響，植被根區(qū)的含水量處于近似飽和狀態(tài)，對植被的生長產(chǎn)生脅迫，因此出現(xiàn)局部區(qū)域植被耗水和干旱指數(shù)呈現(xiàn)正相關的關系;當?shù)叵滤裆钐幱?.0～2.5 m時，即圖6中的B區(qū)域，此處植被耗水量的等值線圖即不平行于橫坐標干旱指數(shù)，也不平行于縱坐標地下水埋深，表明此區(qū)域植被耗水受地下水埋深和干旱指數(shù)的雙重影響;當?shù)叵滤裆钐幱?.5～5.0 m時，即圖6中的C區(qū)域，此處植被耗水量的等值線圖近似平行于縱坐標地下水埋深，表明此區(qū)域植被耗水和地下水埋深關系不大，主要受干旱指數(shù)影響。

圖6 干旱指數(shù)和地下水埋深聯(lián)合影響植被耗水分布特征Fig.6 Distribution of Ta in the coordinates composed of the aridity index and water table depth

3.4 礦區(qū)生態(tài)臨界水位估算

植被實際耗水量(Ta)和潛在耗水量(Tp)的比值，記為Ta/Tp，被認為是衡量植被是否受到水分脅迫的關鍵指標[21]。結合前人研究并考慮研究區(qū)的干旱氣候[16,22]，本文定義當Ta/Tp<0.60時，植被生長受到水分限制;當Ta/Tp<0.30時，植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象。圖7反映了豐水年、平水年和枯水年不同地下水埋深條件下Ta/Tp比值，該圖可以直觀看出，Ta/Tp隨地下水埋深的變化趨勢和Ta的變化規(guī)律基本一致，與地下水埋深的關系可以用單指數(shù)模型來描述，即:

Ta/Tp=C+Aexp(-BH)

(8)

其中，Ta/Tp為植被實際蒸騰量與潛在蒸騰量比值;H為地下水埋深，m;A,B，C為擬合參數(shù)，參數(shù)值可以通過Matlab軟件進行擬合，其相關數(shù)值見表2，可以看出擬合曲線相關系數(shù)R2高達0.99，因此，單指數(shù)模型可以較好地反映Ta/Tp與地下水埋深的關系。

圖7 不同地下水埋深條件下植被實際耗水量和潛在耗水量的比值Fig.7 Variation trend of Ta/Tp at different water table depths

干旱指數(shù)擬合參數(shù)ABCR2H1/mH2/m0.49(豐水年)2.8851.6010.2570.991.332.63 0.65(平水年)3.7301.7880.1780.991.221.91 0.80(枯水年)3.9941.6960.0550.991.171.65 平均值1.242.06

根據(jù)式(8)和擬合出的相關參數(shù)，可以利用式(9)推求不同干旱指數(shù)條件下的生態(tài)臨界水位:

(9)

其中，Hc為生態(tài)臨界水位，m;A,B，C為擬合參數(shù)，其參數(shù)值見表2;Ta/Tp分別取值0.60和0.30，當取值為0.60時，計算出的Hc記為H1，定義地下水埋深大于H1時，植被受水分脅迫;當取值為0.30時，計算出的Hc記為H2，定義地下水埋深大于H2時，植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象。

計算出的H1和H2值見表2，程東會等[13]在該地區(qū)通過野外調(diào)查的手段研究了沙柳蓋度和地下水埋深的關系，認為沙柳的適生地下水埋深為1.0～3.0 m，地下水埋深為1.0～1.5 m時沙柳蓋度最大，和本文研究結果基本一致，也再次印證了采用土壤水動力學模擬方法的準確性。同時由表2可以看出，植被生態(tài)臨界水位并不是一個固定的數(shù)值，呈現(xiàn)出干旱指數(shù)越大，生態(tài)臨界水位埋深越小的變化規(guī)律。干旱指數(shù)較大條件下，降水量小，降水滿足不了植被的正常耗水需求，因此植被必須從地下水中吸收水分，從而表現(xiàn)出植被對地下水的依賴性較強，生態(tài)臨界水位埋深較小;相反，干旱指數(shù)較小條件下，降水量大，降水基本可以滿足植被的正常耗水需求，植被對地下水的依賴性較小，生態(tài)臨界水位埋深較大。

4 討 論

在干旱半干旱地區(qū)，地下水不僅是水資源的重要組成部分，同時也是維持當?shù)厣鷳B(tài)安全的關鍵要素。榆神礦區(qū)位于陜北干旱半干旱區(qū)，該區(qū)域煤炭產(chǎn)量高，煤層埋深小，煤炭開采導致采空區(qū)上覆巖層直至地面，出現(xiàn)垮落帶、彎曲帶和裂縫帶[23]，改變了上覆含水層的結構，影響了地下水的補徑排條件，使得地下水的運動由采煤前的橫向運動向垂向運動過渡，表現(xiàn)為地下水采煤前的基流和潛流排泄變?yōu)榈V坑排水[24]，不可避免的破壞地下水資源，從而出現(xiàn)以采煤工作面為中心的地下水位降落漏斗。范立民等[6]分析了榆神府礦區(qū)高強度采煤對地下水的影響，得出高強度煤炭開采是礦區(qū)地下水位下降的主要驅(qū)動因素，認為該礦區(qū)71.5%的地下水位明顯下降區(qū)(下降幅度大于8 m)為由高強度開采導致。但是，馬雄德等的研究結果認為榆神府礦區(qū)植被尚未出現(xiàn)退化，甚至有轉好的趨勢[25]。結合本文研究成果，雖然榆神礦區(qū)地下水位出現(xiàn)大面積下降，但由于目前煤炭開采區(qū)采前地下水位埋深普遍大于2.5 m，影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的主要控制因素是氣候變化(降水量)，考慮到近年來榆神礦區(qū)降水量有增大趨勢，因此出現(xiàn)“雖然地下水位明顯下降，但是生態(tài)環(huán)境局部轉好”的現(xiàn)象。

5 結 論

(1)干旱礦區(qū)植被生長受干旱指數(shù)和地下水埋深雙重影響，當?shù)叵滤裆顬?.0～2.0 m處，植被生長主要受地下水控制;地下水埋深為2.0～2.5 m時，植被耗水受地下水和干旱指數(shù)的雙重影響;地下水埋深大于2.5 m時，植被耗水和地下水埋深關系不大，植被耗水主要受干旱指數(shù)影響。

(2)筆者引入單指數(shù)模型擬合地下水埋深和Ta/Tp的關系曲線，其相關系數(shù)高達0.99;同時利用單指數(shù)模型反求出枯水年、平水年和豐水年條件下的植被生態(tài)臨界地下水位，認為當?shù)叵滤宦裆畲笥?.24 m，植被受到水分脅迫，當?shù)叵滤裆畲笥?.06 m，植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象。

(3)采煤地下水位下降對植被生態(tài)的影響是有一定限度的，只有當采前地下水位埋深為1.0～2.5 m時，地下水位下降才會引發(fā)植被生態(tài)退化。當采前地下水位埋深大于2.5 m時，采煤地下水位下降基本對沙柳的生長不產(chǎn)生影響，此時植被生態(tài)退化主要受氣候變化影響。

本文以研究區(qū)優(yōu)勢植被沙柳為研究對象，因此估算出的生態(tài)臨界水位也僅針對沙柳或同類灌木，考慮到研究區(qū)有旱柳、小葉楊等根系深度較大的植被，其對地下水的依賴程度更高，生態(tài)臨界地下水埋深也更大。