面向生态的矿区地下水位阈限研究

马雄德，黄金廷，李吉祥，宁世雄

(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.中国地质调查局西安地质调查中心,陕西 西安 710054; 4.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

长期以来，人们非常关注湿地或河岸带地下水与植被生长之间的关系，而忽略了在干旱环境中也存在植被依赖地下水的情况。在地下水浅埋区，地下水为植被生态系统提供生长所需的部分或全部水源，物种组成和自然生态过程主要由地下水控制，因而被称作依赖地下水的生态系统(GDEs)[1]。

榆神矿区地处毛乌素沙漠南缘，属于我国西北干旱半干旱地区，年降水量不足400 mm，仅能维持耐旱植物长期生存，植被稀疏，种类单调，生物量低。尽管降水量稀少，但广泛分布的风积沙十分有利于大气降水入渗，并在地形及水文地质条件的控制下，缓慢向毛乌素沙地东南缘径流，使沙漠滩地区地下水埋藏较浅，常分布一些河岸带植被和湿地植被。由于降水量不能满足这些植物长期生长所需水分，因而需要吸收利用地下水[2-3],也属于GDEs。在长期自然选择中，为了能够吸收各个深度上的水分，这类植被往往会形成两个根系密度较高的分布区。一个处于浅层土壤中，可以吸收储存在土壤中的大气降水入渗的水分，另一个位于地下水最大毛细上升高度区附近，便于吸收利用地下水[4]。

研究发现，在潜水位处于一定范围时，地下水会通过毛细作用改变根系层土壤的含水率，进而影响植被长势、作物产量等。VIDELA MENSEGUE等[5](2015)发现，地下水位在1.5～2.0 m波动时，地下水对大豆生长需水的贡献量大约为30%。BABAJIMOPOULOS等[6](2007)发现在野外条件下，玉米根系吸收的地下水达3.6 mm/d，占总蒸腾量的18%。HURST 等[7](2004)分析了甘蔗作物吸收利用地下水的特征，发现地下水位大于1 m时就需要灌溉来补充作物需水，灌溉量取决于作物根系(长度和密度)，这说明浅层地下水的毛细上升为生长季植被提供了所需水源[8]。因而地下水位降低时，势必会抑制毛细上升对根系层土壤含水率的调节作用，对植被或作物产生不利影响[9]。

在榆神矿区东部开采区由于煤层较厚，埋藏浅，煤层开采过程中出现了地下水位下降的普遍问题[10-11]。地下水位下降后毛细上升不能到达植被根系层，从而引起了植被退化[12-13]。范立民等[10](2016)研究认为，1995—2014年，榆神府矿区有758.9 km2的区域地下水位下降超过8 m。这些矿区的煤层埋深普遍小于100 m，煤层开采后导水裂隙带直接导通含水层，使地下水位发生剧烈变化。对于湿生植被和中生植被而言，开采造成的水位下降极大地减弱了地下水对植被的涵养作用[14]，使生态安全遭受威胁，因而亟需建立矿区地下水位控制阈限。

因此我们定义面向生态的地下水位阈限的含义为,在地下水与植被关系密切的区域，煤层开采引起地下水位下降，其埋深不宜超过地下水的最大毛细高度与植被根系长度之和，否则植被会遭受干旱胁迫。笔者建立了采用土壤颗粒级配曲线确定最大毛细高度模型，结合榆神矿区沙柳根系调查结果，计算确定了榆神矿区地下水位控制下限，为保水采煤技术提供了理论依据。

1 原理与方法

非饱和土中的毛细上升现象是指地下水向水位以上某一高度运动的物理现象，其作用力主要来自土粒之间气-水交界面上表面张力产生的负孔隙水压力。地下水的毛细上升高度估算一般是将土壤颗粒等效成一系列毛管束，采用Young-Laplace方程进行计算。对于等效直径为d的毛细管，假定毛细水上升高度为hc，稳定之后，水柱产生的重力与作用在弯液面周围的表面张力Ts的垂直投影建立垂向力平衡方程，可得到

(1)

式中，ρw为水的密度;g为重力加速度;α为接触角。

于是毛细管中水的上升高度(即毛细上升高度)可表示为

(2)

在常温下(20 ℃)，水的密度ρw=1 g/cm3，重力加速度g=980 cm/s2，表面张力Ts=72.75 mN/m[14]，假定水充分浸湿砂粒表面，接触角α=0。代入式(2)，可得到毛细上升高度与等效毛细管直径的关系:

(3)

这说明充分静止的非饱和土壤中毛细上升高度与等效毛细管直径成反比关系。

一般情况下，土是由一系列粒径不同的土颗粒，按照一定的级配和复杂的排列方式组成的，所以精确计算毛细管的直径极其困难。为了获得简单易用的毛细上升高度计算解析公式，可以假定土壤骨架由一系列等径球状颗粒组成，则有2种理想的土颗粒排列形式，即立方体排列和四面体排列(图1)。相对而言，立方体形式排列的土颗粒最为松散，具有较大的孔隙直径(dsc)，而四面体形式排列的土颗粒最为紧密，具有较小的孔隙直径(dth)，由此可以分别估算出土粒不同组合方式下毛细上升高度的取值区间。

图1 颗粒排列方式与孔隙直径大小关系Fig.1 Relationship curve between particle arrangement and pore diameter

图1(a)所示的立方体形式排列的土颗粒直径与最小孔隙直径的关系为

(4)

图1(b)所示的四面体形式排列的土颗粒直径与最小孔隙直径的关系为

(5)

在自然界，由颗粒组成的骨架不可能有这样规则的排列形式，式(4)和式(5)大致上构成了孔隙直径的一个参考区间。将式(4),(5)分别代入式(3)，则可得到理想化土体内毛细上升高度的阈值区间:

(6)

当然，土是由一定级配的土粒构成，不存在完全等粒的土体骨架，但可以将不同粒径构成的连续的毛细水带概化为不同直径的管束。这样，在平衡状态下，不同直径的毛细管具有不同的上升高度，直径越小的毛细管中水上升的高度越大。PECK(1974)[15]认为毛细上升高度与粒径累计曲线上累计含量为10%对应的粒径(D10)成反比。LANE和WASHBURN(1964)[16]通过实测8种不同的土毛细上升高度，建立了毛细上升高度与D10之间的线性关系。这充分说明，10%的细粒直径足够描述最小连续毛细管的有效直径[17]，因而能代表该土壤毛细上升高度的最大值。因此将式(6)转化为

(7)

由式(7)可知，在确定了土中累计含量为10%的细粒直径后，便可获得在分选程度、颗粒排列、形状等因素影响下的毛细上升高度的取值范围。再加上根系分布长度，即可确定基于生态安全的水位下限值。

2 结 果

2.1 土壤颗粒级配

粒径累计曲线的形状决定了粒径分布，也就是级配特性。笔者在榆神矿区选取了11个点采样，采集了0～200 cm处土壤样品，在实验室进行颗粒分析。试样的粗细程度和颗粒级配用筛分方法测定，用级配区表示砂的级配。筛分是用一套孔径为0.5，0.25，0.075，0.005 mm的标准筛，将200 g干砂由粗到细依次过筛，称量各筛上的筛余量(g)，计算各筛上的分计筛余率(%)，再计算累计筛余率(%)。为了便于分析，颗粒级配曲线横坐标的筛孔尺寸采用对数，纵坐标的通过百分率为常坐标。11组实验结果为:粒径主要分布在0.075～0.250 mm，含量高达86.7%以上，粒径分布较为集中。颗粒级配较为相近，差异性不大，级配曲线较陡，如图2所示。由图2可知，10%的细粒直径(D10)为0.01 cm。

图2 风积沙级配曲线Fig.2 Grading curve for aeolian sand

2.2 植被根系

在榆神矿区选择5个地方开挖了树龄在3～5 a的沙柳根系。沙柳根系长度最长1.3～2.4 m，平均2.2 m。在垂向上，沙柳根系密度出现了两个高值区，第1个高值区位于地表下0～35 cm，这使沙柳能够最大限度地吸收降水入渗后的土壤水及养分。第2个高值区位于地下水位以上20～40 cm，这允许沙柳通过毛细上升吸收利用地下水。柳琳秀[18](2015)也发现了类似的规律，说明沙柳生长与地下水关系密切[19]。

为了能够吸收不同深度上的水分，旱区的深根植物一般会发展出特殊的根系系统。在特定区域要么根系密度非常大，要么根系水力传导率较高，其作用和不同环境条中水分利用率的提高是分不开的。在实验室条件[20]和野外条件下[21]，地下水位以上根系密度增加这一现象都可以观察到，因此地下水对植被水分的供应是不可忽视的。

2.3 水位阈限

采用前文所提出的式(7)，在获得土壤颗分的基础上，就可以确定基于生态的水位控制阈值。由级配曲线确定10%的细粒直径(D10)为0.01 cm，代入式(7)可得毛细上升高度的取值区间为0.7～2.0 m,沙柳根系长度按平均值取2.2 m,于是面向生态保护的矿区水位埋深阈值区间确定为2.9～4.2 m。由此可知，对于沙柳而言，煤层开采过程中水位埋深不能超过4.2 m这个阈限，否则会对植被生长造成不良影响。

3 讨 论

3.1 毛细上升高度

采用前述采样地采集的样品进行了毛细上升高度试验。将不同深度上取得的样品晾干后过0.5 mm的筛去除杂质，按取样顺序装入长200 cm内径2 cm的厚壁玻璃管中，并固定在支架上，其下端插入水槽内(定水位)。当玻璃管中毛细水上升速率减小到0.2 cm/10 h(玻璃管上刻度的精确读数为0.2 cm)，认为毛细高度达到了最大值，试验结束。实验结果表明，所测定的毛细上升最大高度范围在66～116 cm，最大毛细高度为116 cm(图2)。测定的毛细高度在式(7)预测取值区间内，但由于毛细上升高度除了与粒径有关外，还与诸多因素相关，如空隙度、结构和水的特征，包括水温，矿化度，黏滞度等，毛细高度最大值并没有达到土壤颗粒按理想四面体形式排列所计算的2.0 m。

图3 毛细上升高度随时间变化曲线Fig.3 Capillary rise height over time

3.2 地下水位与植被水分胁迫

蒸散发会降低土壤水的势能，使根系吸水变得更加困难。当土壤比较湿润时，土壤水势较高，容易被植物根系吸收。而较为干燥的土壤水势较低，土壤水被束缚在颗粒周围，很难被根系吸收。因而，当土壤水势达到一定阈值时，植物会产生水分胁迫现象。植物遭受水分胁迫的程度采用水分胁迫系数(Ks)来表示：

(8)

式中，ETa为实际腾发量;Kc为作物系数;ETo为潜在腾发量。

采用文献[12]建立的数学模型计算两种情景下实际腾发量(ETa)，即天然水位(变化幅度在1.5～4.0 m)和固定水位(8.0 m)。模型中根系长度确定为2.0 m。潜在腾发量ETo采用修正的Penman-Monteith公式计算[22]。

图4表达了不同水位条件下植物遭受干旱胁迫的程度。从图4可以看出，以天然水位作为计算情景时，除了2007年外，计算的不同年份干旱胁迫系数约等于1，说明在天然条件下植物不遭受干旱胁迫。当地下水位限定在8.0 m后，情况发生了显著的变化。理论上地下水毛细上升最大2.0 m，模型中给定的植物根系长度2.0 m，因此，地下水对于植物需水基本没有贡献，这使干旱胁迫系数降低到0.2左右，植物遭受干旱胁迫，进而会出现病态的生理生化反应。

图4 不同水位下水分胁迫变化规律Fig.4 Variation of water stress at different water levels

3.3 榆神矿区生态约束分区

对于依赖地下水的生态系统(GDEs)，植物是否能够吸收利用地下水，除了与地下水位及毛细高度相关外，还与植被根系长度息息相关。物种不同，植物根系发育长度也不同，浅根植物需要更高的潜水位，而深根植物则可以提升更深的地下水。因此在区域上界定一个对所有植被都适用的水位控制阈限是不现实的，但是可以针对制定优势植被制定水位控制阈值。

SCHENK和JACKSON(2002)[23]发现所有物种95%以上的根系都集中在2.0 m以浅的土壤中。ROMERO-SALTOS等(2005)[24]也通过示踪试验验证了埋深2 m以外的根系几乎不吸水。吴宏伟(2017)[25]通过木质部导管直径确定的根系内部毛细上升高度最大值为1.86 m。因此，为了探讨一般规律，将榆神矿区所有植被可能吸收利用地下水的根系长度界定为2.0 m。再加上最大毛细上升高度后，确定植被能够吸收利用地下水的阈值为4.0 m。这与文献[19]采用NDVI指数与地下水位叠加后建立的统计关系相符。

以2016年地下水流场基准，在ArcGIS软件中圈定榆神矿区地下水位埋深小于4.0 m的区域，这是植被与地下水关系密切的区域，也是开采造成地下水位下降后会对植被产生干旱胁迫的区域，是矿区生态环境保护的重点(图5)。

图5 榆神矿区生态约束分区Fig.5 Distribution and regionalization of ecology restrict on coal mining

生态约束区主要位于秃尾河以西及榆溪河流域，植被与地下水关系密切，是典型的GDEs。在煤层开采过程中，如果地下水位埋深下降超过4 m，植被生长将会遭受干旱胁迫，进而会产生一系列生理响应[26]。

无约束区，地下水对植被生长所需水分的贡献有限，在这些区域开采造成地下水位下降后，植被响应也有限。尽管如此，无约束区煤层开采如果造成了区域地下水位下降[27]，也会袭夺临近流域的地下水，从而波及到生态约束区。

4 结 论

(1)在地下水与植被关系密切的区域，煤层开采引起地下水位下降，其埋深不宜超过地下水的最大毛细高度与植被根系长度之和，否则植被会遭受干旱胁迫。文中建立了采用土壤颗粒级配曲线确定最大毛细高度模型，结合榆神矿区沙柳根系调查结果，计算确定了榆神矿区地下水位控制下限为4.2 m。

(2)由于毛细上升高度除了与粒径有关外，还与诸多因素相关，如空隙度、结构和水的特征，包括水温，矿化度，黏滞度等，实测的毛细高度最大值不能达到土壤颗粒按理想四面体形式排列所计算的2.0 m。但根据前人的研究，将植物根系长度进行概化后确定为2.0 m，由此确定地下水位埋深阈限为4.0 m是相对安全的。

(3)以地下水位埋深4.0 m为界，榆神矿区开采过程中存在生态约束的区域位于秃尾河以西及榆溪河流域。该区域地下水为埋深普遍小于4.0 m，地下水与植被关系密切，在后期开采中要控制地下水位下降幅度。秃尾河左岸的广大区域，依赖地下水的植被对煤层开采的限制较小。