隧道排水诱发地下水位下降对地表植被影响的TSPAC分析方法

李晓军， 徐 昊， Gokdemir Cagri， 王 飞， 黄学文

(1. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系， 上海 200092；2. 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司， 安徽 合肥 230031；3. 安徽省交通控股集团有限公司， 安徽 合肥 230031)

0 引言

长期以来，工程界关注环境对隧道建设的影响较多，而较少关注隧道建设对环境的影响，尤其是对地表植被的影响。隧道在施工和运营期的突涌水、排水措施等因素会改变地下水渗流场的分布[1-2]，严重时会疏干地下水，破坏地下水环境，进而威胁地表植被的生长与生存[3]。

目前，关于隧道建设引起地下水位变化进而产生次生影响的研究主要集中在对生活用水[4]、湖水[5]、泉水[6]等地表水体的影响，直接分析对地表植被影响的研究较少且依赖于现场监测[7-9]。Liu等[7]利用同位素(δ2H、δ2O)测量法分析了隧道排水对植被生理过程的影响，结果表明隧道开挖引起的地下水位下降改变了植物干湿季根系吸水模式； Zheng等[8]、王芳其等[9]分析了树木年轮宽度在隧道建设前后共50年内的变化情况，认为隧道排水引起的地下水位降低显著降低了树木的生长速度，生长低谷期长达15年。由于依赖于长期监测，上述方法在规划和设计阶段难以得到应用。

在隧道规划和设计阶段的综合环境评估[10-13]、地下水限排[14-18]研究中，隧道排水对植被的影响常隐含于气候条件[10]、植被覆盖度[10]、年降雨量/蒸发量[10-13]、地下水埋深[10-13]、土壤含水量[11]等评价指标。在设计隧道排水限值时，对植被的影响常简化为长期水-能平衡关系[14]、植被需水深度[15-17]、地下水位恢复时间[18]。这些方法忽略了隧道、地下水、土壤、植被与大气之间的紧密关系，所采用的植被影响指标过于简化，难以准确考虑隧道排水对地表植被的影响。

针对上述方法的不足，本文将隧道、地下水、土壤、植被、大气作为整体，从各部分间水分运移角度出发，提出隧道-土壤-植被-大气连续体(tunnel-soil-plant-atmosphere continuum, TSPAC)分析模型，以根系区土壤水基质势h作为衡量植被缺水程度的指标[19]，分析实际气象条件下地表植被发生凋萎的动态过程，从而得到隧道排水对地表植被影响的定量化结果。最后，将该方法应用于安徽省大别山区明堂山隧道。

1 植被影响的判断方法

1.1 SPAC系统中的水分运移

土壤-植被-大气连续体(soil-plant-atmosphere continuum, SPAC)从物理活动的角度出发，将土壤、植物、环境大气看作是时刻发生着能量传输、物质(水分)运移的动态物理系统[20]。“连续体”的概念强调了水分在土壤、植物、大气三者之间运动的连续性与整体性。SPAC系统中的水分运移遵守水量平衡和水势驱动的原则，即水分在SPAC系统中满足质量守恒定律，且总是从水势较高处流向水势较低处。典型SPAC系统中的水分运移过程如图1所示。

图1 典型SPAC系统中的水分运移过程示意图

图1中左侧各物理量表示SPAC系统中水量均衡的各分项，满足如式(1)所示的平衡方程。

土壤持水=大气降水 -(林冠截留+植被蒸腾+土壤蒸发+降雨入渗+地下水补给+地表径流)。

(1)

图1中右侧展示了SPAC系统中各组成部分可能的水势值。大气水势通常小于植物叶片水势，叶片内的水分在叶面气孔处水势梯度的作用下蒸发到大气中；叶片内水分减少使水势降低，进而向下汲取树干木质部内的水分；最终，植物叶面的蒸腾拉力在植物内部逐层向下传递至根系处，再经由植物根系从土壤中汲取水分。

1.2 植被影响的衡量指标

地下水位下降与土壤水基质势变化的关系如图2所示。山岭隧道建设会改变地下水渗流场，严重时会疏干地下水，并可能导致植物缺水凋萎[21-22]。水位较低时，表土中的水分与地下水的联系被切断而成为上层滞水，且因土壤蒸发、根系吸水等因素而逐渐减少，导致根系从土壤中获取水分逐渐困难。当土壤水分减少至一定程度后，土壤孔隙间毛细水连接断开，植物根系在其与土壤颗粒的接触界面上无法获得水分[23]，此状态称为永久凋萎。

为定量描述植物根系从土壤中获取水分的“困难程度”，引入土壤水基质势的概念[19]。土壤水基质势反映了土壤抵抗重力、蒸发、根系吸水而持有水分的能力[24]。植物根系吸水可以直观地理解为植物利用根系水势(根系持水能力)“克服”土壤水基质势而从土壤中“争抢”水分的过程[25]，这一过程将引起包气带土壤水基质势发生变化。相较于含水量，土壤水基质势h作为土壤水分指标具备数值稳定、概念直观的优点[25]： 1)同一植物在给定基质势的不同土质中可获得的土壤水分相近； 2)基质势与植物叶水势关系显著，且对同一植物保持稳定； 3)根系吸水主要由土壤水势与根水势的差值决定。

1.3 植被生态危险状态判据

当根系—土界面上某点的基质势下降到永久凋萎点hw时，根系将无法继续从该点处获取水分，因此可以用hw来代表根系的生态危险状态，表述为植物生态危险状态判断准则1(局部判据)： 根系附近任意位置土壤水基质势低于hw，该处根系进入生态危险状态。

hw实际上反映了植物蒸腾的临界水势，但植物并不会因为根系区某一点达到hw而整体进入生态危险状态。试验表明，植物根系部分干燥时，蒸腾作用虽然被抑制[26]，但植被仍能正常存活。

当地下水位降低后，植物根系区基质势分布会逐步变化，达到hw的根系区域也逐渐扩大，即根系会动态凋萎。随着根系凋萎区域的扩展，植被整体的生态危险程度逐步加深，最终造成不可逆的枯死，其临界状态对一维根系可表示为

Lw/Lt≥Le/Lt

[19]。

(2)

式中：Lw为根系—土界面上土壤水基质势达到hw的根系长度，简称根系凋萎长度；Lt为根系总长度；Le为有效根系深度，表示植物获取大部分水分的根区部分。

上部为隧道排水引起地下水位降低后，根系附近毛细水连接断开；中部为土壤水分消耗后水势的变化(θvfc为田间持水量，θw为永久凋萎含水量)；下部为隧道排水前后，植物根系的动态凋萎(Wf为湿润锋深度)。

满足式(2)的状态即为植物整体的生态危险状态，表述为植物生态危险状态判断准则2(整体判据)：当植物一定比例长度的根系进入生态危险状态时，植物整体即进入生态危险状态。

2 植被影响分析的TSPAC模型

2.1 TSPAC模型简介

如图1所示，SPAC系统中的水分运移包括表土内的包气带渗流、土壤-植物间的根系吸水、植物-大气间的叶面蒸腾、土壤-大气间的土壤蒸发与大气降水等过程[27]。传统的SPAC模型将地下水视作整个系统的下部边界，对地下水系统内部的渗流场变化描述较少，没有考虑地下工程建设对地下水渗流场、地下水位的影响，因而，传统的SPAC模型难以刻画隧道排水对地表植被的影响。

本文基于SPAC系统建立了隧道-土壤-植被-大气连续体(tunnel-soil-plant-atmosphere continuum, TSPAC)模型，在SPAC系统水分运移过程的基础上进一步考虑隧道-地下水渗流场、地下水-包气带间的水分运移。TSPAC模型包含3个子模型： 大气模型、土壤与植被模型、地下水渗流模型。与传统SPAC模型的不同之处在于： TSPAC模型在SPAC系统中引入地下水渗流模型，通过地下水渗流模型分析隧道排水引起的地下水位变化情况，随后将观测点处变化的地下水位输入一维非饱和渗流模型(土壤与植被模型)中作为可变水头的下边界条件。结合大气模型施加的代表地表能量和水分限制的上边界条件，土壤与植被模型通过求解Richards方程得到根系区域土壤水势变化，反映植物的动态凋萎过程，并依据植被生态危险状态判据判断其生态状态。TSPAC分析模型各部分的耦合方法和分析流程如图3所示。

2.2 土壤与植被模型

植物生态影响指标与其危险状态判断均基于土壤水基质势，因此，分析的核心在于计算根系区基质势h的分布。利用式(3)的Richards方程可以对非饱和土壤渗流进行描述。

(3)

式中：θ为土壤体积含水量；t为时间；K(h)为非饱和导水率；h为土壤水基质势；z为距离重力势基准面高度；S为源汇项。

为求解式(3)，需要建立θ-h、K-h、S-h之间的关系。利用Mualem-Van Genuchten模型来描述θ-h、K-h的关系，如式(4)—(6)所示。

(4)

(5)

(6)

式(4)—(6)中：θr、θs分别为残余含水量和饱和含水量；Ks为饱和导水率；Se为有效饱和度；l为孔隙连通参数，对于大多数土层可以设置为0.5；α、n为滞水曲线θ-h的形状参数；m为土壤吸湿、脱湿曲线的关系，m=1-1/n(n>1)[28]。

图3 隧道建设对植被影响的TSPAC模型耦合方法与分析流程

利用Feddes模型[29]描述根系吸水S-h关系，如式(7)—(10)所示。

S(h)=α(h)Sp(z)

。

(7)

(8)

(9)

(10)

式(7)—(10)中：α(h)为水分胁迫响应函数；Sp(z)为根系潜在吸水速率；hw

2.3 大气模型

大气模型为土壤与植被模型的式(4)提供上边界条件，包括表示能量限制的潜在蒸发Ep、蒸腾Tp，以及表示水量限制的大气降水P。其中，P由气象资料获得，潜在蒸发蒸腾ETp(即Ep+Tp)的估算可以基于陆面能量平衡与湍流通量转换关系，如采用Penman-Monteith方法、Kimberly-Penman方法、Priestley-Taylor方法[30]。

目前，利用Penman-Monteith方法估算ETp的应用较为广泛，其标准主要有2种： 联合国粮农组织(FAO)提出的FAO No.56[31]和美国土木工程师协会(ASCE)提出的ASCE Manual70[32]。2种标准均采用2步法(如图4所示)： 首先根据日辐射、温湿度、风速等数据计算标准化潜在蒸发蒸腾量ETsz； 再根据植物生长特性、密集程度、灌溉条件、气候状况等因素计算作物系数Kc在各生长阶段的曲线，根据式(11)计算植物潜在蒸发蒸腾量ETp。

ETp=Kc×ETsz

。

(11)

图4 大气模型计算流程图

在获得ETp后，将其划分为植物潜在蒸腾Tp和土壤潜在蒸发Ep，可以根据植物冠层对光照的阻截比例划分，利用基于比尔-郎伯光吸收定律(式(12))进行描述。

(12)

式中：k为消光系数，与太阳角度、植被分布、叶面特征有关，经验值取0.50～0.75； LAI为叶面积指数，可由田间测量或遥感反演方式获得。

2.4 地下水渗流模型

地下水渗流模型为土壤与植被模型的式(3)提供下边界条件，可以由实测数据或数值计算获得地下水位分布。渗流控制方程如式(13)所示，其定解条件如式(14)所示。

(13)

(14)

式中：μs为储水系数；H为水头；K为非均质含水层的渗透系数(饱和导水率)；H0为初始地下水分布；B1、B2分别为第1类和第2类边界；Hfixed(t)为B1上已知的水头函数；q(t)为B2上渗流速度函数。

3 工程应用

3.1 工程与环境概况

明堂山隧道是岳武高速(安徽岳西至湖北武汉)上的特长隧道，位于大别山腹地，隧道轴线方向为266°～272°，隧道左线全长为7 548 m，右线全长为7 531 m，最大埋深约为548 m，最小埋深为322 m，平均埋深为435 m。隧址区附近地形为东西向悬崖组成的凹谷，地形变化可分为3台阶： 较低(海拔低于300 m)、中等(海拔300～800 m)、较高(海拔800 m以上)。隧址区附近地质情况为第四纪覆盖层较薄且有机质含量高，全风化层较厚，含水层破碎严重，下伏基岩主要为中等风化的花岗岩和片麻岩，发育有3条主要断裂带。

明堂山地区气候为亚热带湿润气候，年平均降水量为1 452.2 mm(1976—2004年)，年平均温度为14.5 ℃(1957—2004年)。植物生态影响研究区域为隧址区附近约180 km2的流域范围，该范围内主要植被类型为杉木、毛竹、马尾松、黄山松、灌木林以及农作物，农作物包括水稻、玉米、茶叶等，隧道与高速公路连接处分布的农田主要为水稻田。钻探结果表明，表土主要为粉土、粉质黏土和软塑性黏土，厚度为0.5～2.1 m，土壤母质由全风化片麻岩和较薄粉质黏土层的残余黏土矿物组成，表土厚度可达20 m。隧道工程与环境参数见表1和表2。

表1 隧道工程参数

表2 环境参数

3.2 分析过程

土壤与植被模型在Hydrus 1D中利用有限单元法求解一维Richards方程获得根系区土壤水基质势分布。

大气模型的植物潜在蒸发蒸腾量ETp在Python中编程计算，采用ASCE Manual70推荐的日时间尺度草地型亚热带植物公式计算标准潜在蒸发蒸腾量ETsz，作物系数Kc按照FAO 56推荐的四生长阶段线性插值方法确定。

地下水渗流模型在Modflow中利用有限差分法求解三维渗流方程获得地下水位分布，对隧道附近长12 km、宽15 km的区域进行分析，通过网格尺寸的变化反映从隧道到流域的尺度变化，在隧道表面设置排水节点模拟隧道内部的零压力和排水条件[2]。

3.3 分析工况

选取隧道附近杉木林和水稻田分析隧道建设对该位置附近植物的生态影响。地下水渗流模型数值模拟[2]与现场监测结果表明，明堂山隧道开挖排水后，该位置附近地下水位由地面以下1.2 m下降至15 m，随后地下水位逐渐补给恢复，并稳定在地面以下7.5 m。

为探究地下水位变化、大气条件与土质对植物生存状态的影响，分别对分层土和等效均质土分析以下工况：

1)隧道排水前，地下水位保持初始状态1.2 m时，上边界为大气边界；

2)隧道排水后，地下水位保持稳定水位7.5 m时，上边界为大气边界；

3)、4)地下水位分别以较快速度(46 cm/d)、较慢速度(30 cm/d)从初始水位1.2 m处下降至最低水位15 m，上边界取为均匀分布的Ep、Tp、P定通量边界。

3.4 模型参数

3.4.1 土壤与植被模型参数

分别取上层1.2 m和7.5 m的一维土柱作为土壤与植被模型分析区域，土壤水分关系采用Mualem-Van Genuchten模型(包含-2 cm进气值)，不考虑吸湿、脱湿滞后性，土层与土壤水分特征参数如表3所示。

表3 土层与土壤水分特征参数

15 m土层断面的垂向等效饱和导水率为2.189 cm/d，接近粉质黏壤土的平均值，因此，以粉质黏壤土建立均质土层模型与实际的分层土做对比。根系吸水采用式(7)—(10)的Feddes模型，根长密度可表示为：

(15)

式中：b为根系分布形状参数；Ravg为平均根系密度。

不同栽培方式、生长年限的杉木根系最大深度为0.4～1.5 m[35-36]，取根系长度为0.7 m； 水稻根系最大深度为0.5～1 m[32]，取根系长度为0.5 m[37]。2种植物均采用中等密度的植物根系参数，根系吸水与分布参数如表4所示。根据既有试验数据[38]，假设研究区内植物根系获取的70%水分来源于根系最上部的50%，取有效根系深度Le为50%的根系总长度。

表4 根系吸水与分布参数

3.4.2 大气模型参数

杉木的生长期为2—11月，可分为5个生长阶段： 萌动期(2月上旬至3月中旬)、生长初期(3月下旬至5月中旬)、生长盛期(5月中旬至10月中旬)、生长末期(10月下旬至11月下旬)、休眠期(12月下旬至次年2月下旬)[37]。不考虑休眠期，取2013年2月5日—2013年11月25日的气象数据，共294 d。水稻的生长期为5月至10月[31]，取2013年5月1日—2013年9月30日的气象数据，共153 d。潜在蒸发蒸腾量进行划分时，消光系数k取0.6。杉木生长期内大气边界通量与降水情况如图5所示。水稻生长期的第83～102天内作物生长旺盛但无降水，属于干旱期，考虑到水稻生长特性，安排在第88天和第96天进行人工灌溉，每次灌溉40 mm，灌溉占总水量补给的8.1%。2种植物的大气模型参数见表5。

3.4.3 地下水渗流模型参数

渗流模拟区域内主要岩性为片麻岩和花岗岩，通过对原位钻孔数据进行克里金插值获得空间岩性分布，利用异位数据拟合估算该地区岩层渗透系数与深度的变化关系[2]。

图5 杉木生长期内大气边界通量与降水情况

表5 大气模型参数

3.5 分析结果与讨论

各工况下杉木根系区土壤水基质势分布如图6所示。对工况1和工况2选取了缺水较为严重情形的分析结果。地下水位降低后，各工况下水稻根系区土壤水基质势分布如图7所示。

3.5.1 地下水位影响

地下水位由1.2 m初始水位降低至7.5 m后，杉木与水稻根系区土壤水基质势变化见图6和图7中工况1和工况2。杉木根系区最大凋萎长度为22 cm，占根系长度的31%； 水稻根系区最大凋萎长度为23 cm，占根系长度的46%。考虑到水稻生长高度依赖于农业灌溉，若进行少量灌溉，则最大凋萎长度降低至9 cm，占根系总长度的18%。因此，根据植物生态危险状态整体判据，该处植被未进入生态危险状态。

地下水下降速度对土壤剖面基质势分布的影响见图6中工况3和工况4。地下水以较快速度(46 cm/d)下降，14 d后水位降低至7.64 m，基质势最大值为82.9 cm； 以较慢速度(30 cm/d)下降，21 d后水位降低至7.5 m，基质势最大值为97.2 cm，即水位下降至相同深度时，慢速下降工况的基质势较大(较干旱)。地下水位降低后，基质势的变化响应有一定的滞后性，随着上层滞水的逐渐消耗，土壤剖面基质势逐步增大，当水位降低至相同深度时，慢速降低工况由于经历了更长时间，基质势对水位变化的响应更加充分，因此基质势相对较大。

(a) 分层土工况1

(b) 均质土工况1

(c) 分层土工况2

(d) 均质土工况2

(e) 分层土工况3

(f) 分层土工况4

由于基质势对地下水位变化响应的滞后性，根系的凋萎同样是逐步发展的，植物并不会因为地下水降低超过某一深度后立即发生整体凋萎。

由图6中工况3和工况4可知，土壤水基质势变化不是均匀的，地下水位匀速下降，但基质势的变化存在一定差异。第7～14天内根系区基质势的变化显著大于其他时间段，即地下水位在3.3～5.4 m间变化所引起的基质势变化较大。

3.5.2 大气条件影响

地下水位降低前后，杉木与水稻在整个生长期中生态最危险情况分别发生在其生长期的第187天和第102天，实际均为2013年8月11日(见图6和图7中工况1和工况2)，此时潜在蒸发蒸腾达到峰值，作物生长旺盛，但已有约20 d无降水，根系区域表层水分迅速减少，因此植物逐渐逼近生态危险状态。2种植物在地下水位改变前后的极限状态均出现在降水较少、生长旺盛的8月中旬，这表明该地区植物生存状态除受地下水位影响外，大气条件也是重要的控制因素。

(a) 分层土工况1

(b) 分层土工况2

(c) 分层土少量灌溉

3.5.3 土质影响

各种工况下，植被在具有垂向等效渗透性的均质土中均表现出略强的凋萎抵抗性，见图6(b)和图6(d)。在不考虑土壤的吸湿、脱湿曲线滞后性时，等效均质土根系区的基质势变化规律与实际的分层土类似，最大凋萎深度接近。

3.5.4 植被差异影响

地下水位降低后，杉木根系最大凋萎长度增加了17 cm，占根系总长的24%；水稻根系最大凋萎长度增加了8 cm，占根系总长的16%，且水稻根系在干旱期内进行少量灌溉后最大凋萎长度减小至9 cm，小于地下水位下降前无灌溉的工况。树木(杉木)受地下水位影响较大，农作物(水稻)更依赖于人工灌溉。

4 结论与讨论

为研究隧道建设对地表植被的影响，在SPAC基础上引入隧道因素，建立TSPAC分析模型，提出通过植物根系区土壤水基质势的变化反映植物的凋萎过程，在土壤与植被模型的Richards方程中考虑地下水环境和大气环境的影响，获得根系区土壤水基质势的动态分布，并据此判断隧道建设对地表植被的影响。

1)土壤水基质势是土壤持水能力的物理指标，植物根系区域的土壤水基质势反映了根系从土壤中获取水分的难易程度，进而表征植被的生态状态。

2)地表植被的生存状态不仅与地下水环境相关，同时与大气条件、土壤性质与组成、人工灌溉、植物种类等因素密切相关，衡量隧道建设对地表植被的影响需要在TSPAC整体框架中进行分析。

将TSPAC分析方法应用于安徽大别山区明堂山隧道，分析隧道建设对地表植被的影响，结论如下：

1)根系区域土壤水基质势对地下水位、大气变化的响应存在滞后性、非均匀性，植物的凋萎是渐进、动态的过程，植被不会因为外界条件的改变立即枯死。

2)在该地区大气条件控制下，地下水位及其降低速度对植被生存状态的影响较小。

3)明堂山隧道建设对附近地表植被生态威胁较小，该地区树木(杉木)受地下水位影响较大，农作物(水稻)受人工灌溉影响较大。

本文提出的TSPAC方法可分析地表某一位置处植被受隧道排水的影响，下一步研究拟建立地下水、土壤与植被耦合分析模型，将TSAPC方法应用到流域尺度，分析隧道排水对流域内植被的整体影响。