生態(tài)脆弱礦區(qū)植被對地下水的響應(yīng)

生態(tài)脆弱礦區(qū)植被對地下水的響應(yīng)

榆神礦區(qū)位于中國西部毛烏蘇沙漠與洛杉磯高原之間的山區(qū)。降雨量少，集中，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源不足。屬于半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱。植被對維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展非常重要。范立民較早較多地關(guān)注到榆神府礦區(qū)煤炭資源豐富與水資源匱乏這一矛盾,指出榆神府礦區(qū)煤層淺埋區(qū)開采會造成大范圍地下水漏失、減少河流基流量、破壞植被生態(tài)系統(tǒng)上述關(guān)于礦區(qū)地下水變化與植被生長關(guān)系的研究成果,都為定性描述地下水水位下降引起植被退化的現(xiàn)象,關(guān)于礦區(qū)地下水位下降到什么程度會對植被生長產(chǎn)生影響的定量研究尚未見報(bào)道。本文通過原位監(jiān)測天然狀態(tài)下沙柳蒸騰量的變化及同期氣象要素和土壤水、地下水動態(tài),建立地下水變化與沙柳蒸騰量變化之間的關(guān)系,采用數(shù)值模擬定量分析基于植被生長的需水要求及榆神府礦區(qū)煤層開采過程中地下水位控制閾值,為保水采煤技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。1地下水水文氣象及植被分布特點(diǎn)榆神府礦區(qū)位于榆林市,包括榆陽區(qū)、神木縣和府谷縣。礦區(qū)地貌主要為黃土區(qū)和沙漠灘地區(qū),中雞鎮(zhèn)-檸條塔-神木以西地區(qū)大多屬于沙漠灘地地貌。風(fēng)沙灘地區(qū)內(nèi)的的毛烏素沙漠和蓋沙丘陵區(qū),含水介質(zhì)為上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組細(xì)沙、粉細(xì)沙,厚度一般60~80m,局部達(dá)140m,含水層厚度大,地下水相對豐富,尤其在芹河、榆溪河、圪求河、宮泊溝等古河槽中心部分,含水層厚度可達(dá)100m左右,單井出水量在1000~2500m根據(jù)2014年地下水位統(tǒng)測結(jié)果,榆神府礦區(qū)水位埋深小于5m的區(qū)域主要分布在沙漠區(qū),面積為3667.0km本區(qū)植被可分為天然植被和人工植被兩大類。天然植被分布具有明顯的水平分帶性。從黃土梁經(jīng)沙地、灘地到湖泊,植被的變化規(guī)律大體是:典型草原—沙生草原—草甸植被或鹽生植被-水生植被。在黃土丘陵地區(qū)分布的主要是旱生灌叢植被;在沙區(qū)主要是沙生植被;在河谷、湖盆洼地主要是灘地植被(如草甸植被、沼澤植被等),在氣候、地形、地下水等眾多因素協(xié)同作用下苔草、沙蒿和沙柳構(gòu)成本區(qū)的優(yōu)勢植被2學(xué)習(xí)方法2.1水與生態(tài)關(guān)系的原位監(jiān)測、蒸發(fā)特征及資料采集實(shí)驗(yàn)的目的是通過監(jiān)測天然狀態(tài)下沙柳蒸騰量的變化及同期氣象要素和土壤水、地下水動態(tài),建立地下水變化與植被蒸騰量變化之間的關(guān)系,以此為基礎(chǔ)采用數(shù)值模擬分析礦區(qū)地下水位在下降過程中對植被生長供水貢獻(xiàn)率。選擇在長安大學(xué)與中國地調(diào)局西安地調(diào)中心共建的水與生態(tài)關(guān)系實(shí)驗(yàn)站開展原位監(jiān)測,采用自動氣象站監(jiān)測氣象要素(降水、蒸發(fā)、輻射等),沙柳蒸騰量的變化由樹干徑流儀監(jiān)測,選用一棵樹齡在7~10a的成年沙柳,8個(gè)探頭分布包裹在沙柳灌叢8個(gè)不同方位的枝條上,采用TDR技術(shù)監(jiān)測包氣帶土壤含水率變化(每20cm安裝一個(gè)探頭,共7個(gè))、采用地下水自動監(jiān)測儀(Mini-Diver)監(jiān)測地下水水位。數(shù)據(jù)采集全部為自動記錄,每10s記錄1次。實(shí)驗(yàn)期間(2014-04-27—08-26)總降水量71.8mm,最大次降水量發(fā)生在7月1—2日,累計(jì)35.2mm。最低溫度為6.6℃,最高溫度為32.9℃,日平均溫度為21.7℃;凈輻射白天為正值,夜間為負(fù)值,最大值為897W·m2.2利用天然條件下地下水對沙柳蒸騰的貢獻(xiàn)率動態(tài)變化模型的計(jì)算模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)獲取的參數(shù)及水文地質(zhì)條件構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型(圖1(a)),采用天然條件下各類要素(氣象、土壤水、地下水及沙柳蒸騰量等)的動態(tài)變化數(shù)據(jù)校正數(shù)學(xué)模型,再利用該模型模擬采礦造成地下水位下降過程中(圖1(b))地下水對沙柳蒸散的貢獻(xiàn)率動態(tài)變化。3構(gòu)建和求解數(shù)學(xué)模型3.1cm根系吸收系數(shù)計(jì)算本文僅關(guān)注在沙柳根系吸水條件下垂向的水流運(yùn)動,因此可概化為垂向一維流,泛定方程為包氣帶:飽和帶:連接條件:初始條件:下邊界條件:式中,θ為含水率,cm根系吸水模型采用Feddes模型,即式中,α(h)為水分脅迫函數(shù);b(z)為根系分布函數(shù),由實(shí)驗(yàn)得出;T3.2上邊界條件及下邊界模型的初始條件設(shè)置為實(shí)驗(yàn)開始觀測時(shí)刻的土壤含水率。模型的上邊界條件為軟件(hydrus-1D)根據(jù)氣象數(shù)據(jù)確定的地表能量通量,同時(shí)計(jì)算得到的地表蒸發(fā)作為水分運(yùn)移的上邊界條件,下邊界為地下水位檢測儀實(shí)測壓力水頭。3.3與負(fù)壓關(guān)系描述模型求解采用美國農(nóng)業(yè)部鹽土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的hydrus-1D軟件,解算方法為有限差分法。其中,土壤吸濕和脫濕過程中非飽和滲透系數(shù)與負(fù)壓關(guān)系由Wan公式描述,即式中,K(h)為非飽和滲透系數(shù),cm/h;K根據(jù)實(shí)驗(yàn)場地的顆粒分析資料,利用美國顆粒分析三角坐標(biāo)圖按土壤的顆粒組成估算土壤水力學(xué)的參數(shù)初值,設(shè)定邊界條件和初始條件后,再將模型識別期的觀測負(fù)壓值輸入到計(jì)算程序中進(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算負(fù)壓值與觀測值進(jìn)行比較,反復(fù)演算,直至滿足誤差要求為止(本次設(shè)定為10%),得出各層的參數(shù)值,見表1。3.4蒸騰量與含水率的變化規(guī)律將研究期土壤含水率與植被蒸騰量的計(jì)算值與觀測值進(jìn)行對比可知(圖2),二者形態(tài)套和較好,說明基于上述參數(shù)建立的數(shù)學(xué)模型能夠刻畫植被蒸騰量與含水率變化,具有較高的仿真度和保真性,可以用于刻畫外在條件變化后包氣帶土壤水分變化規(guī)律。相對誤差(RE)由式(4)確定。其中,V3.4礦區(qū)低地水位下降對植被生長的影響研究表明3.4.1水位埋深較大時(shí),蒸騰量的最圖3為不同地下水埋深時(shí)沙柳T/T沙柳日蒸騰量隨地下水埋深的增加逐漸減小,當(dāng)水位埋深小于200cm時(shí),蒸騰量的最大值超過0.01cm/h,而水位埋深大于300cm后,蒸騰量的最大值小于0.005cm/h。從時(shí)間上看,沙柳蒸騰主要發(fā)生在白天,呈雙峰型,在11:00和16:00達(dá)到極值,沙柳蒸騰在嚴(yán)苛的氣象因素的控制下出現(xiàn)了“午休現(xiàn)象”(圖4),說明沙柳在午間依靠減小葉面氣孔開度調(diào)節(jié)光合速率和蒸騰速率,以避免水分過度喪失,表現(xiàn)出良好的抗旱性。3.4.2蒸騰、蒸發(fā)量gwc根據(jù)質(zhì)量守恒定律,包氣帶土壤含水量的變化量是降水、蒸發(fā)、蒸騰及滲漏量等引起的,其公式為式中,ΔSWC為土壤水變化量,cm;P為大氣降水量,cm;GWc為地下水對沙柳蒸發(fā)的貢獻(xiàn)量,cm;T為沙柳蒸騰量,cm;E為蒸發(fā)量,cm;R為地下水獲得補(bǔ)給量,cm。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)不同地下水埋深條件下地下水對沙柳蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)量關(guān)系(圖5)?？梢钥闯?0~500cm地下水埋深的變化范圍內(nèi),地下水對蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)量與地下水埋深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即地下水位埋深越大,地下水對蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)率越小,當(dāng)?shù)叵滤裆顬?15cm時(shí),地下水對蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)量減至0。4影響沙柳人工林生物量及蒸發(fā)排泄量的因素根據(jù)前述,地下水位埋深215cm是地下水對沙柳蒸散發(fā)貢獻(xiàn)的臨界值,在榆神府礦區(qū)風(fēng)沙灘地采礦條件下有2種情況會使地下水位埋深達(dá)到這個(gè)臨界值:(1)礦區(qū)初始水位小于215cm而煤炭開采導(dǎo)致地下水位埋深大于215cm時(shí),對沙柳生長將產(chǎn)生包括水勢變化、根系重新分布、生物量改變、利用水源改變等方面(2)初始水位埋深大于215cm而煤層開采(導(dǎo)水?dāng)嗔褞磳?dǎo)通含水層情況)引起地表下沉量大于水位下沉量時(shí),水位埋深減小,當(dāng)?shù)叵滤宦裆钚∮?15cm時(shí),地下水將為沙柳蒸散提供水源,這對沙柳的生長會產(chǎn)生有利的影響本區(qū)主要屬半干旱氣候區(qū),多年平均蒸發(fā)量2000~2300mm,在風(fēng)沙灘地和紅堿淖閉流區(qū)地下水位淺埋(<5m),蒸騰作用強(qiáng)烈。當(dāng)采礦沉陷造成地下水位埋深小于沙柳蒸騰極限標(biāo)準(zhǔn)(215cm)的面積較大時(shí),蒸發(fā)排泄量就不容忽視。煤層開采時(shí)應(yīng)通過改變采煤方法或開采厚度等控制地下水位埋深在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),減少無效蒸發(fā),將是增大區(qū)域可開采水資源量的有效途徑。因此在風(fēng)沙灘地礦區(qū)采煤時(shí),奪取無效蒸發(fā)量也是保水采煤技術(shù)的核心內(nèi)容。5保水采煤技術(shù)成為沿空氣壓排放系統(tǒng)集體的水地水位下降效應(yīng)(1)沙柳的日蒸騰量有受氣象要素控制的特點(diǎn),并在正午12時(shí)前后出現(xiàn)2次極值,水位越淺變化越顯著。(2)地下水對沙柳蒸騰的貢獻(xiàn)值隨著地下水位埋深的增加而減少,