植被对矿区地下水位变化响应研究

马雄德，范立民，严 戈，李文莉

(1.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕西省地质环境监测总站，陕西 西安 710054)

植被对矿区地下水位变化响应研究

马雄德1,2，范立民3，严 戈1,2，李文莉3

(1.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕西省地质环境监测总站，陕西 西安 710054)

依据地下水浅埋区植被蒸腾对地下水位变化十分敏感的特征，构建沙柳根系吸水条件下的水流方程，分析生态脆弱矿区植生长对地下水位下降幅度的阈限。通过原位监测获取气象要素、土壤水、地下水与沙柳蒸腾量的动态变化规律，建立地下水变化与植被蒸散发关系数值仿真模型并对模型进行求解，模拟沙柳蒸腾对煤炭开采区地下水位变化的响应。研究发现：沙柳的日蒸腾量有受气象要素控制的特点，并在正午12时前后出现2次极值，水位越浅变化越显著。地下水对沙柳蒸腾的贡献值随着地下水位埋深的增加而减少，当地下水位埋深15 cm时，贡献率为100%；地下水埋深215 cm时，贡献率为0。在地下水浅埋区，地下水是沙柳蒸腾的主要水源，潜水埋深超过215 cm后地下水不再对沙柳生长提供水源，这也是沙柳对煤层开采地下水位下降的阈限。

地下水位；数值模拟；保水采煤；榆神府矿区；植被蒸腾

榆神府矿区地处我国西部毛乌素沙漠与黄土高原接壤区，降水量少且集中，蒸发强烈，水资源匮乏，属半干旱区，生态环境脆弱，植被对维持区域生态系统良性发展极为重要[1]。位于矿区西部的沙漠滩地区地下水主要为第四系萨拉乌苏组孔隙水和烧变岩裂隙孔隙水，分布局限，地下水与生态环境关系密切，具有十分重要的生态价值[2]。由于煤层埋藏浅，基岩厚度变化大，其上部富水性较强的萨拉乌苏组含水层极易受采动导水裂隙影响而破坏，使地下水位下降[3-4]，造成一系列生态环境问题[5-7]，因此榆神府矿区煤层开发中需要保护潜水位，以免植被大面积枯萎[8-9]。地下水浅埋区地下水是植被蒸腾的重要水源[10]，地下水位保护的研究对维持湿生植被群落稳定性具有十分重要的意义。

范立民较早较多地关注到榆神府矿区煤炭资源丰富与水资源匮乏这一矛盾，指出榆神府矿区煤层浅埋区开采会造成大范围地下水漏失、减少河流基流量、破坏植被生态系统[11-13]。王力等[1]研究榆神府矿区煤层开采对地下水资源和植被的影响主要集中在采动破坏含水层结构，降低地下水位，从而导致植被得不到正常生长所需的水分，并提出应该采用同位素等技术区分矿区植被生长所需水源，如土壤水和地下水。王文龙等[14]认为神府矿区开采引起该区人工栽种的沙蒿、沙柳大面积枯萎或死亡,本已固定了的沙地又面临沙漠化的危险。邹慧等[15]通过实验发现塌陷发育期由于蒸发和地下水位埋深增加，包气带土壤水分会明显下降，并导致沙蒿株高和冠幅减小。黄金廷[10]针对半干旱区植被蒸散与对地下水变化的互馈关系，指出气象因素对植被生长起控制作用。

上述关于矿区地下水变化与植被生长关系的研究成果，都为定性描述地下水水位下降引起植被退化的现象，关于矿区地下水位下降到什么程度会对植被生长产生影响的定量研究尚未见报道。本文通过原位监测天然状态下沙柳蒸腾量的变化及同期气象要素和土壤水、地下水动态，建立地下水变化与沙柳蒸腾量变化之间的关系，采用数值模拟定量分析基于植被生长的需水要求及榆神府矿区煤层开采过程中地下水位控制阈值，为保水采煤技术的发展提供科学依据。

1 研究区概况

榆神府矿区位于榆林市，包括榆阳区、神木县和府谷县。矿区地貌主要为黄土区和沙漠滩地区，中鸡镇-柠条塔-神木以西地区大多属于沙漠滩地地貌。风沙滩地区内的的毛乌素沙漠和盖沙丘陵区，含水介质为上更新统萨拉乌苏组细沙、粉细沙，厚度一般60～80 m，局部达140 m，含水层厚度大，地下水相对丰富，尤其在芹河、榆溪河、圪求河、宫泊沟等古河槽中心部分，含水层厚度可达100 m左右，单井出水量在1 000～2 500 m3/d。

根据2014年地下水位统测结果，榆神府矿区水位埋深小于5 m的区域主要分布在沙漠区，面积为3 667.0 km2，占矿区面积的40.9%，其中尤以1～3 m水位埋深的区域最广；而水位埋深大于8 m的区域主要分布在黄土粱峁区，面积4 348.0 km2，占矿区面积的48.5%，以水位埋深8～15 m居多。

本区植被可分为天然植被和人工植被两大类。天然植被分布具有明显的水平分带性。从黄土梁经沙地、滩地到湖泊，植被的变化规律大体是：典型草原—沙生草原—草甸植被或盐生植被-水生植被。在黄土丘陵地区分布的主要是旱生灌丛植被；在沙区主要是沙生植被；在河谷、湖盆洼地主要是滩地植被(如草甸植被、沼泽植被等)，在气候、地形、地下水等众多因素协同作用下苔草、沙蒿和沙柳构成本区的优势植被[16]，盖度可达25%～60%，其中沙柳根系深度最大120 cm[17]，这有益于分布在滩地和沙丘上的沙柳吸收利用地下水。

2 研究方法

2.1 原位实验

实验的目的是通过监测天然状态下沙柳蒸腾量的变化及同期气象要素和土壤水、地下水动态，建立地下水变化与植被蒸腾量变化之间的关系，以此为基础采用数值模拟分析矿区地下水位在下降过程中对植被生长供水贡献率。

选择在长安大学与中国地调局西安地调中心共建的水与生态关系实验站开展原位监测，采用自动气象站监测气象要素(降水、蒸发、辐射等)，沙柳蒸腾量的变化由树干径流仪监测，选用一棵树龄在7～10 a的成年沙柳，8个探头分布包裹在沙柳灌丛8个不同方位的枝条上，采用TDR技术监测包气带土壤含水率变化(每20 cm安装一个探头，共7个)、采用地下水自动监测仪(Mini-Diver)监测地下水水位。数据采集全部为自动记录，每10 s记录1次。

实验期间(2014-04-27—08-26)总降水量71.8 mm，最大次降水量发生在7月1—2日，累计35.2 mm。最低温度为6.6 ℃，最高温度为32.9 ℃，日平均温度为21.7 ℃；净辐射白天为正值，夜间为负值，最大值为897 W·m2；相对湿度变化在20%～100%，日平均45%；风速最大风速为6.8 m/s，日平均风速为2 m/s。沙柳蒸腾日动态呈现正弦变化特征，在降雨期间蒸腾量几乎为0；实测的8根枝条蒸腾量均值为0.000 65 m3/d。土壤剖面至地表向下由干燥变为湿润，土壤含水率在埋深0～40 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以下时大于0.3 cm3/cm。地下水水位在降雨前一直处于下降状态，最小水位埋深140 cm，最大水位埋深185 cm。

2.2 数值模拟

根据实验区获取的参数及水文地质条件构建水文地质概念模型(图1(a))，采用天然条件下各类要素(气象、土壤水、地下水及沙柳蒸腾量等)的动态变化数据校正数学模型，再利用该模型模拟采矿造成地下水位下降过程中(图1(b))地下水对沙柳蒸散的贡献率动态变化。

图1 水文地质概念模型示意

3 数学模型建立与求解

3.1 数学模型

本文仅关注在沙柳根系吸水条件下垂向的水流运动，因此可概化为垂向一维流，泛定方程为

包气带：

饱和带：

连接条件：

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

初始条件：

h(0,z)=h0,0≤z≤H

地表条件：

下边界条件：

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

式中,θ为含水率，cm3/cm3；k为土壤非饱和渗透系,cm/h；S(h)为根系吸水函数；h为压力水头，cm；t为时间变量，h-1；z为空间变量，cm；d(t)为包气带厚度,m；H为计算剖面厚度，m；E为当地气象条件下蒸发和入渗最大潜在量，m；ha为进气值；hA和hs为土壤表明允许的最大和最小压力水头，m。

根系吸水模型采用Feddes模型，即

S(h)=α(h)b(z)Tp

式中,α(h)为水分胁迫函数；b(z)为根系分布函数，由实验得出；Tp为植物潜在蒸腾速率，cm/h。

3.2 初始条件与边界条件

模型的初始条件设置为实验开始观测时刻的土壤含水率。模型的上边界条件为软件(hydrus-1D)根据气象数据确定的地表能量通量，同时计算得到的地表蒸发作为水分运移的上边界条件,下边界为地下水位检测仪实测压力水头。

3.3 模型求解

模型求解采用美国农业部盐土实验室开发的hydrus-1D软件，解算方法为有限差分法。其中，土壤吸湿和脱湿过程中非饱和渗透系数与负压关系由Wan公式描述，即

式中，K(h)为非饱和渗透系数,cm/h；Ks为饱和渗透系数,cm/h；Se为有效饱和度；θ为体积含水率，cm3/cm3；h为包气带土壤负压，cm；θs和θr分别为土壤饱和含水率和残余含水率，cm3/cm3；α，n为与土壤水分特征曲线相关的参数；m=1-1/n。

根据实验场地的颗粒分析资料，利用美国颗粒分析三角坐标图按土壤的颗粒组成估算土壤水力学的参数初值，设定边界条件和初始条件后，再将模型识别期的观测负压值输入到计算程序中进行计算，将计算负压值与观测值进行比较，反复演算，直至满足误差要求为止(本次设定为10%)，得出各层的参数值，见表1。

表1 土壤水参数

Table 1 Parameter of soil sample

埋深/cm残余含水率饱和含水率αn饱和渗透系数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 误差分析

将研究期土壤含水率与植被蒸腾量的计算值与观测值进行对比可知(图2)，二者形态套和较好，说明基于上述参数建立的数学模型能够刻画植被蒸腾量与含水率变化，具有较高的仿真度和保真性，可以用于刻画外在条件变化后包气带土壤水分变化规律。

相对误差(RE)由式(4)确定。

其中,Vo和Vm分别为计算剖面上含水率、沙柳蒸腾的观测值和计算值，经计算，整个土壤剖面上相对误差分别为1.1%和6%，误差满足计算要求。

图2 土壤含水率拟合

3.4 矿区地下水位下降对植被生长的影响

研究表明[18]，地下水埋深与植被长势之间存在一定内在联系，在潜水位由浅变深的过程中，植被种群也在发生演替。由河谷向河流两侧地下水位埋深逐渐增加，植被也由水生植物演替为中生植物或旱生植物。在煤矿井工开采中，导水断裂带高度在空间上存在一定的差异性，当导水断裂带不破坏含水层时地下水位变化幅度较小，而导通上覆含水层，地下水向采空区排泄导致水位骤降，降幅由开采煤层埋深来决定。研究以地下水位埋深2 m为初始水位，按1 m步长依次降低地下水位埋深至100 m，模拟沙柳蒸腾量的变化规律。本文以煤炭开采使地下水位埋深降至5.0 m为例阐述地下水位下降过程中地下水对沙柳蒸腾的贡献值的变化规律。

3.4.1 沙柳蒸腾的变化规律

图3为不同地下水埋深时沙柳T/Tp(实际蒸腾量与潜在蒸腾量比值)值的变化规律。可以看出，T/Tp值与地下水位埋深关系呈倒“S”曲线，T/Tp值随地下水埋深的增加呈递减趋势，地下水位埋深15 cm处出现最大值1，说明地下水完全满足沙柳蒸腾所需的水分，实际蒸腾量接近潜在蒸腾量；地下水埋深200 cm时接近0.5；在地下水位埋深500 cm时为0.05左右，这时地下水为沙柳蒸腾无法提供水源。

图3 地下水埋深与T/Tp关系

沙柳日蒸腾量随地下水埋深的增加逐渐减小，当水位埋深小于200 cm时，蒸腾量的最大值超过0.01 cm/h，而水位埋深大于300 cm后，蒸腾量的最大值小于0.005 cm/h。从时间上看，沙柳蒸腾主要发生在白天，呈双峰型，在11:00和16:00达到极值，沙柳蒸腾在严苛的气象因素的控制下出现了“午休现象”(图4)，说明沙柳在午间依靠减小叶面气孔开度调节光合速率和蒸腾速率，以避免水分过度丧失，表现出良好的抗旱性。

图4 地下水位埋深与蒸腾量动态曲线

3.4.2 不同地下水位埋深对蒸散发的贡献

根据质量守恒定律，包气带土壤含水量的变化量是降水、蒸发、蒸腾及渗漏量等引起的，其公式为

式中，ΔSWC为土壤水变化量，cm；P为大气降水量，cm；GWc为地下水对沙柳蒸发的贡献量，cm；T为沙柳蒸腾量，cm；E为蒸发量，cm；R为地下水获得补给量，cm。

根据模型计算结果统计不同地下水埋深条件下地下水对沙柳蒸散发的贡献量关系(图5)。可以看出，0～500 cm地下水埋深的变化范围内，地下水对蒸散发的贡献量与地下水埋深呈负相关关系，即地下水位埋深越大，地下水对蒸散发的贡献率越小，当地下水埋深为215 cm时，地下水对蒸散发的贡献量减至0。

图5 不同地下水埋深对蒸散发的贡献量

4 矿区地下水位变化阈限

根据前述，地下水位埋深215 cm是地下水对沙柳蒸散发贡献的临界值，在榆神府矿区风沙滩地采矿条件下有2种情况会使地下水位埋深达到这个临界值：

(1)矿区初始水位小于215 cm而煤炭开采导致地下水位埋深大于215 cm时，对沙柳生长将产生包括水势变化、根系重新分布、生物量改变、利用水源改变等方面[19]。就利用水源而言，地下水水位下降后，沙柳将充分利用浅根系吸收土壤水分，以满足蒸腾的需求，沙柳生长将受控于气象因素，在遭遇连续的干旱年份时，其长势将呈现衰退现象。

(2)初始水位埋深大于215 cm而煤层开采(导水断裂带未导通含水层情况)引起地表下沉量大于水位下沉量时，水位埋深减小，当地下水位埋深小于215 cm时，地下水将为沙柳蒸散提供水源，这对沙柳的生长会产生有利的影响[20]。但同时这将为陕北风沙滩地保水采煤技术提出新的课题：

本区主要属半干旱气候区，多年平均蒸发量2 000～2 300 mm，在风沙滩地和红碱淖闭流区地下水位浅埋 (<5 m)，蒸腾作用强烈。当采矿沉陷造成地下水位埋深小于沙柳蒸腾极限标准(215 cm)的面积较大时，蒸发排泄量就不容忽视。煤层开采时应通过改变采煤方法或开采厚度等控制地下水位埋深在一个适当的范围内，减少无效蒸发，将是增大区域可开采水资源量的有效途径。因此在风沙滩地矿区采煤时，夺取无效蒸发量也是保水采煤技术的核心内容。

5 结 论

(1)沙柳的日蒸腾量有受气象要素控制的特点，并在正午12时前后出现2次极值，水位越浅变化越显著。

(2)地下水对沙柳蒸腾的贡献值随着地下水位埋深的增加而减少，当地下水位埋深15 cm时，贡献率为100%；地下水埋深215 cm时，贡献率为0。

(3)在地下水浅埋区，地下水是沙柳蒸腾的主要水源，潜水埋深超过215 cm后地下水不再对沙柳生长提供水源，这也是沙柳对煤层开采地下水位下降的阈限。

(4)在榆神府矿区风沙滩地开采煤层时，控制合理的水位埋深以减少无效蒸发量将是保水采煤技术的研究内容。

致谢：感谢中国地调局西安地调中心黄金廷副研究员对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，FAN 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责任编辑:张晓宁

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB227901)；陕西省科学技术推广计划资助项目(2011TG-01)

马雄德(1978—)，男，青海互助人，工程师。E-mail:59759423@qq.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0044-06

马雄德，范立民，严戈,等.植被对矿区地下水位变化响应研究[J].煤炭学报,2017,42(1):44-49.

Ma Xiongde，Fan 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