植被变化对地下水流系统影响模拟研究

张俊 尹立河 马洪云 黄金廷 王晓勇

摘 要：针对鄂尔多斯高原存在的湖泊萎缩、地下水位下降等生态环境问题，采用数值模拟方法，通过建立区域尺度理想剖面二维地下水流模型，从水动力学机制上探讨了区域植被变化对地下水系统和湖泊的影响机制。通过对比目前常用的定水头边界与通量上边界条件两种方法的适用条件及不足，提出了改进后的变通量上边界概化方法，并将其应用于鄂尔多斯高原区域地下水模拟中。结果表明：区域植被条件改变对地下水和湖泊影响明显，该影响受区域地下水流系统演化规律的控制。

关键词：植被变化：湖泊萎缩：地下水流系统：上边界条件：鄂尔多斯高原

中图分类号：P641.2

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.016

鄂尔多斯高原是国家级能源化工基地，能源调出量占全国的50%以上，事关国家能源安全大局。该区气候干旱，水资源短缺，生态环境脆弱。该高原上湖泊众多，对于维护湿地生态和生物多样性具有重要作用，但多年来湖泊面积持续萎缩，萎缩率为54%.生态环境问题凸显[1]。近年来，退耕（牧）还林（草）等生态恢复工程使鄂尔多斯高原植被盖度显著增大[2-4]，植被截留和蒸腾量随之增大[5-6]，引起地下水补给量减小，继而造成地下水位下降。鄂尔多斯高原地下水与湖泊水力联系密切，湖泊是地下水的主要排泄点，主要接受地下水补给，地下水位的下降是湖泊消失或萎缩的直接原因。研究植被变化对地下水位和湖泊的影响机制和作用，对地下水合理开发利用和生态环境保护具有重要意义。

干旱半干旱区植被盖度变化与地下水的互馈机制研究，目前主要集中于地下水对植被的影响，如地下水对植物蒸腾的贡献，以及地下水位下降后植物的水分胁迫响应[7-8]。在盆地及流域尺度，建立了地下水埋深与植被盖度统计关系，评价了植被对地下水依赖性程度[9-11]：在水源地范围内，采用数值模型模拟了地下水开采对植被生态的影响[12-13]：在场地尺度，采用原位试验研究了植被对地下水位下降的响应机理[14-15]。干旱半干旱区地下水位变化会对植被生长有影响，反之，植被变化也会通过改变地下水补给条件影响地下水位。鄂尔多斯高原植被变化对地下水、湖泊影响的研究较少，且以场地尺度的机理研究为主[16]，区域尺度的研究尚处于定性分析阶段。因此，定量评价植被盖度变化对地下水位的影响，查明地下水位对植被盖度变化的响应机制，是干旱半干旱区地下水研究面临的新课题。

鄂尔多斯高原各处地下水和不同湖泊之间具有统一水力联系[17]，不能孤立分析。在区域尺度上研究植被对地下水、湖泊的影响，必须把地下水作为一个整体，从水流系统整体演化规律上来分析。因此，笔者采用数值模拟方法，通过建立理想区域地下水流模型，从水动力学机制上探讨植被变化对地下水、湖泊的影响，以期为地下水开发利用与生态环境保护提供参考。

1 研究区概况

鄂尔多斯市位于内蒙古自治区南部，北纬370 20'-40050 、东经106024—1110 28，地处温带季风区西缘，年平均气温6℃，年均降水量为350 mm（集中于7-9月）。西、北、东三面有黄河环绕，南以长城与黄土高原相隔，面积13万km2，海拔1 000～1 300 m。北部为库布齐沙漠，南部为毛乌素沙地，中部为草原并夹有众多盐碱湖沼。据统计，水域面积在1km2以上的湖淖有68个，水域总面积为317 km2，蓄水总量为6.18亿m3[1]。

鄂尔多斯高原含水层以第四系松散岩类孔隙水和白垩系碎屑岩类裂隙孔隙水为主。其中，鄂尔多斯高原白垩系含水层是我国面积最大、结构最完整、具有典型意义的地下水系统。白垩系含水层厚度大，且无区域性稳定隔水层，构成一个具有统一水力联系的巨厚含水体，为地下水流动提供了充足的空间，可穿层流动（见图1）。含水体内地下水流动具有多层结构，为重力穿层多级嵌套地下水流动模式[18]。

沙漠高原地表为风积沙，透水性好，降水直接人渗补给地下水，不易形成地表径流，加之地形平缓，地下水水力坡度小，地下水位主要受地形起伏的控制，除梁地外的大部分地段水位埋深普遍较浅，大气降水人渗地表后形成潜水径流补给湖淖，故形成众多湖泊或湿地。地势较高的梁地形成不同级别的地下水分水岭，地势低洼带分布众多湖淖，成为地表水和地下水的汇流排泄点。由于地下水位埋深浅，因此地下水的排泄方式以湖泊、浅埋区潜水蒸发、植被蒸腾等面状分散排泄为主。

2 上边界条件概化方法的改进

2.1 两种上边界条件适用条件对比

目前区域地下水流系统模拟研究中，常用概化方法主要有定水头边界模型（如Toth模型）与通量上边界模型两种[19]。Toth模型上边界采用与地形相近的倾斜正弦定水头边界，假定地下水位主要受地形控制。根据两种边界模型上边界水量均衡分布图（见图2），对比两种方法的差异及各自适用条件：定水头边界模型排泄区范围相对分散，适用于刻画面状分散排泄的情况，此类地区地下水位受地形控制，水位埋深浅，地下水的排泄方式以湖泊、浅埋区潜水蒸发、植被蒸腾等面状分散排泄为主：通量上边界模型采用给定均匀人渗和集中排泄边界，其排泄区范圍相对集中，适用于线状集中排泄的情况，此类地区地下水位受补给控制，水位埋深一般较深，地下水排泄以河流、沟渠等集中排泄方式为主。

定水头边界模型假定地下水位受地形控制，人为给定了水位形态或采用已知水头，只适用于模拟刻画已知水头条件下的地下水流模式，无法用于分析补给条件变化下地下水位及水流模式的演变规律。与之相比，通量上边界模型设定补给通量，通过改变通量控制地下水位的形成和变化，可以用来分析植被变化等补给条件改变对地下水、湖泊的影响。

2.2 变通量上边界模型

根据上述分析，定水头边界模型适用于鄂尔多斯高原地下水位受地形控制的情况。前人采用定水头边界模型，研究了地下水流系统结构，定量刻画了盆地地下水循环机理，取得了很好的效果[20]。然而，定水头边界模型无法用于分析鄂尔多斯高原植被条件变化下地下水位及水流模式的演变规律。通量上边界模型适于刻画鄂尔多斯高原植被变化对地下水、湖泊的影响，但不适于刻画鄂尔多斯高原这种地下水位受地形控制、地下水以面状分散排泄为主的情况。基于此，本文提出变通量上边界模拟方法，具体步骤如下。

（1）根据实际地下水位，建立定水头模型。在GMS软件中采用有限差分法，建立剖面二维稳定流模型，利用栅格法生成剖面网格，上边界设定为定水头（水头与实际地下水位一致），垂向和底部设定为隔水边界。

（2）根据定水头模型，反求上边界水均衡量（即流人、流出量）。运行GMS软件中的定水头稳定流模型，统计模型顶部每一个定水头栅格内的水均衡量，获得上边界通量计算值。

（3）根据上边界水量均衡，建立变通量上边界模型。重新建立剖面二维稳定流模型，在模型中增加补给模块，上边界栅格取消定水头，增加补给项，将步骤（2）中获得的上边界通量计算值赋值到顶部栅格中，完成变通量模型建立。运行该变通量模型，可得到与定水头模型一致的水动力场。根据不同变化条件改变模型上边界通量，可用来模拟预测不同补给条件下的地下水位和流场变化，探讨区域地下水流系统的形成演化机制。

3 鄂尔多斯高原变通量边界模型模拟

由于鄂尔多斯高原地下水位随地形波状起伏，地下水流模式为重力穿层多级嵌套结构，与Toth水流系统高度相似，因此采用以鄂尔多斯高原地下水系统为统计原型的Toth型理想水流系统模型进行模拟。

Toth模型假定盆地上边界多年平均水位分布为线性函数和正弦函数的叠加，其数学表达式为

式中：z为上边界水位；z₀为盆地平均深度：x为起点距：α为河谷到分水岭线性变化的倾角，tan α为盆地平均坡度：α为地形起伏程度，反映局部系统水位起伏程度；b=2π/λ（λ为正弦函数波长）。

参照T6th盆地模型，鄂尔多斯白垩系盆地平均深度Z₀取1 000 m，盆地宽度L取120 km，盆地平均坡度tanα取0.002，地形起伏程度α根据鄂尔多斯高原北部地形平均高差取80 m，λ根据剖面方向局部水流系统平均宽度取20 km。在GMS软件中利用栅格法生成剖面网格，垂向剖分50层，水平剖分30列。上边界高程和地形高程一致，垂向和底部为隔水边界。由于鄂尔多斯北部白垩系含水层内无区域稳定隔水层，各层具有统一水力联系，因此含水层概化为均质各向异性介质，水平渗透系数取0.3 m/d，各向异性以水平与垂向渗透系数比值K_h/K_v表示。根据前人研究[20]，通过分层水头和地下水年龄等测量结果，确定了各级水流系统循环深度：剖面数值模拟时，根据各级水流系统循环深度，反演计算出K_h/K_v值为1 000～2 000，本次模拟取1 000。

根据上述条件建立剖面二维定水头稳定流数值模型，反求出上边界补给排泄量（见图3）；再根据上边界水量均衡，建立变通量上边界模型，模拟剖面地下水流场（见图4）。由于鄂尔多斯高原地下水埋深浅，气候和植被變化对水流系统上边界补给排泄条件影响大，干旱或植被截留与蒸腾量增大，将引起区域面状补给量减小，因此改变模型上边界通量，使其补给量减小1%，重新运行模型，模拟得到新的地下水流场。根据两次水位模拟结果，计算出上边界水位差（见图5）。

4 结果分析与讨论

变通量模型中反求出的上边界平均补给量为54mm/a。根据前人调查结果[21]，鄂尔多斯高原北部多年平均降水量约为300 mm，降水人渗系数平均值为0.2，计算得到净补给量为60 mm/a。二者结果基本一致，说明变通量模型较好地反映了鄂尔多斯高原地下水系统实际上边界条件，模型可信度较高。

根据图5，补给量减小1%时，区域地下水位平均降深为2.6 m，最大降深为4.0 m，说明上边界补给条件变化对地下水位影响明显。区域植被条件变好，可能导致湖泊萎缩、湿地生态退化。如何权衡区域生态与湖泊湿地生态的动态平衡，是生态环境保护工作需要思考的一个重要问题。

从单个局部地下水系统看，补给区水位降深比排泄区大，说明排泄区作为势汇，接受来自不同级别水流系统的侧向和垂向补给，其地下水调蓄能力比补给区强，排泄区水位变化对上边界补给条件改变的响应比补给区弱。区域尺度上，水位降深总体上由区域水流系统补给区到排泄区趋于减小，地下水位降深最大值为4.0 m，位于区域水流系统上游补给区。无论从局部还是区域上看，排泄区的地下水调蓄能力比补给区强，说明上边界条件改变对地下水位的影响受水流系统整体演化规律的控制。

区域系统上游排泄点（湖泊湿地）水位降深比区域系统下游小，这与王艳伟等[1]的研究结论一致，即在植被盖度增大条件下，鄂尔多斯地区湖泊处于萎缩状态，且海拔高的湖泊比海拔低的湖泊萎缩率高。

5 结语

（1）鄂尔多斯北部湖泊集中区，区域植被条件改变对地下水和湖泊影响明显，该影响受区域地下水流系统整体演化规律的控制。

（2）与定水头边界模型和通量上边界模型相比，改进后的变通量上边界模型适用范围更广，可从水动力学机制上定量揭示上边界条件变化对地下水流系统的影响，为今后开展相关研究提供了一种有效的方法。

（3）本文的变通量模型模拟中，采用的是Toth型理想水流系统模型，将上边界通量人为减小1%，未考虑植被变化引起的通量变化与地下水埋深的互馈作用。这些假定与实际情况存在差距，但仍满足从机制与规律上定量研究的需要。下一步研究应选取实际典型剖面代替理想剖面的假定，并充分考虑植被变化条件下地下水补给量的真实变化，使研究更加合理和符合实际。

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