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王强民1,2,靳德武1,2,王文科4,5,刘 基1,2,3,杨 建1,2,赵春虎1,2,董兴玲1,2,尚宏波1,2
(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054; 2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710054; 3.煤炭科学研究总院，北京 100013; 4.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054; 5.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054)
摘 要:为研究干旱矿区地下水位下降和气侯变化对典型植被耗水的联合，选择榆神矿区优势植被沙柳为研究对象，以干旱指数表征气候变化，在野外调查、室内测试及原位试验的基础上，采用有限元算法分析不同地下水位埋深和干旱指数组合条件下的植被耗水特征。研究结果表明:植被生长受干旱指数和地下水位埋深的双重影响，当地下水埋深为1.0～2.0 m处，植被耗水主要受地下水控制;地下位水埋深为2.0～2.5 m时，植被耗水受地下水和干旱指数的双重影响;地下水位埋深大于2.5 m时，植被耗水主要受干旱指数影响;单指数模型可以很好的拟合地下水埋深和植被实际蒸腾量(Ta)与潜在蒸腾量(Tp)比值(Ta/ Tp)的关系曲线，其相关系数高达0.99，利用单指数模型和Ta/ Tp的比值可以反求出枯水年、平水年和丰水年条件下的植被生态临界地下水位，不同水文年的植被生态临界水位有差异性，认为当地下水位埋深大于1.24 m(平均)，植被生长受到水分胁迫，当地下水位埋深大于2.06 m(平均)，植被出现退化现象;同时，采煤引起地下水位下降对植被生态的影响是有限的，只有当采前地下水位埋深为1.0～2.5 m时，地下水位下降才会引发植被生态退化;当采前地下水位埋深大于2.5 m时，采煤引起地下水位下降基本对沙柳的生长不产生影响，此时植被生态退化主要受气候变化影响。目前，榆神矿区采前地下水位埋深普遍大于2.5 m，影响矿区生态环境的主要控制因素是气候变化(降水量)，考虑到近年来榆神矿区降水量有增大趋势，因此出现“虽然地下水位明显下降，但是生态环境局部转好”的现象。
关键词:地下水位;干旱指数;植被耗水;榆神矿区;保水采煤
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王强民,靳德武,王文科,等.榆神矿区地下水和干旱指数对植被耗水的联合影响[J].煤炭学报,2019,44(3):840-846.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.1285
WANG Qiangmin,JIN Dewu,WANG Wenke,et al.Joint effects of groundwater and aridity index on the transpiration of vegetation:A case study in the Yushen mining area[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):840-846.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.1285
中图分类号:TD823;TD88
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)03-0840-07
收稿日期:2018
0926
修回日期:20181214
责任编辑:韩晋平
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016YFC0501102,2016YFC0501104);中煤科工集团西安研究院科技创新基金资助项目(2018XAYQN04)
作者简介:王强民(1989—)，男，河南长垣人，助理工程师，硕士。E-mail:wangqiangmin@cctegxian.com
通讯作者:靳德武(1966—)，男，陕西蓝田人，研究员。E-mail:jindewu@cctegxian.com
WANG Qiangmin1,2,JIN Dewu1,2,WANG Wenke4,5,LIU Ji1,2,3,YANG Jian1,2,
ZHAO Chunhu1,2,DONG Xingling1,2,SHANG Hongbo1,2
(1.Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp.，Xi’an 710054，China; 2.Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Prevention and Control Technology in Shaanxi Province，Xi’an 710054,China; 3.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 4.College of Environmental Science & Engineering,Chang’an University,Xi’an 710054,China;5.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effects in Arid Region,Xi’an 710054,China)
Abstract:Hydrus-1D software was used to simulate the joint influences of groundwater and aridity index on the transpiration of Salix psammophila based on field investigation,laboratory test and in-situ test.The results showed that the transpiration receives joint influence from the groundwater and aridity index.The transpiration is mainly controlled by groundwater when the water table depth is 1.0-2.0 m,and controlled by groundwater and aridity index when the water table depth is 2.0-2.5 m,but only controlled by aridity index when the water table depth is more than 2.5 m.The monoexponential decay function can fit the cave between the groundwater and Ta/Tp,whose correlation coefficient is above 0.99.On this basis,the critical water table depths are determined in normal,low and high flow year.The critical water table depths vary in different hydrological years and the vegetation will suffer from water stress when the water table depth is more than 1.24 m (average),and degenerate when the water table depth is more than 2.06 m (average).Meanwhile,the effects of the decline in the water table caused by coal mining on the transpiration of typical vegetation is limited.The decline in the water table caused by coal mining has effect on vegetation when the initial pre-mining water table depth is less than 2.5 m.However,there has little effect on vegetation when the initial pre-mining water table depth is more than 2.5 m,the transpiration is only controlled by climate change at this moment.At present,the main factor that affects the vegetation coverage is climate change (precipitation) because the initial pre-mining water table depth is generally greater than 2.5 m in Yushen mining area.Therefore,the vegetation coverage increases although the water level decreases obviously considering the increasing trend of precipitation in recent years.
Key words:groundwater;drought index;vegetation transpiration;Yushen mining area;water-preserved coal mining
榆神矿区是我国重要的煤炭生产基地和高强度开采区，同时也是典型的生态环境脆弱区[1]，区内具有供水意义的2个含水层——萨拉乌苏组含水层位于煤层之上，含水层底板距开采煤层3～50 m，受煤田开采引起的地面塌陷、地裂缝的影响，含水层结构遭到破坏，地下水漏失，引起区域地下水位大幅度下降[2]。相对湿润区，干旱矿区地下水和植被关系密切。当前，全球气候变化和人类强扰动矿区地下水环境变化对植被生态耗水的联合影响已成为生态脆弱矿区亟待解决的关键科学问题之一[3]。
目前，很多学者在我国的干旱矿区开展了保水采煤的研究[4-6]，保水采煤是指在干旱半干旱地区煤层开采过程中，通过控制岩层移动维持具有供水意义和生态价值含水层水位变化在合理范围内[7]。具体其生态价值，是指潜水位埋较小时，土壤含水率较高，植被生长较好，覆盖率高;当潜水位埋深较大时，不能对土壤储水量进行有效补充，植被出现退化，导致生态环境恶化[8]。王文科、杨泽元等通过野外地下水和生态调查，建立了鄂尔多斯盆地地下埋深和植被盖度的关系曲线，认为植被盖度和地下水埋深呈负相关[9]。同时，植被的生长也受到气候变化影响，研究发现植被覆盖度随降雨量增加呈现非线性增加的趋势[10]。鄂尔多斯盆地部分高强度开采矿区地下水位呈现出变化幅度大、范围广的现象[11]，同时气候也呈现出较大变化[12]，2者对当地的生态环境变化都有贡献，但前人较少研究气候变化和地下水位对植被生态耗水的联合影响。
以往经常采用野外调查和遥感技术研究植被和地下水关系，选取反映植被生长状况的指标大多为植被盖度或植被覆盖指数，选取反映地下水状况的指标为潜水埋深和包气带含水率等指标，继而建立植被盖度(覆盖指数)与潜水埋深(土壤含水率)的关系曲线[9,13-14]。事实上，植被与地下水的关系不是简单的线性关系，涉及降水、蒸发、土壤质地等多个要素[15]，采用调查及遥感的方法，难以反映“地下水-土壤-植被-大气连续体”之间的水动力过程，且花费大量人力和物力，土壤水动力学模拟方法为研究地下水与植被的关系提供了一种可行途径，目前已得到广泛应用[16]。
笔者以位于榆神矿区的典型植被为研究对象，利用野外调查、室内测试和土壤水动力学模拟方法，研究不同干旱指数和地下水位埋深条件下典型植被的耗水状况，并分析其联合影响特征，引入单指数模型确定干旱矿区典型植被生态临界水位，研究成果对丰富我国干旱矿区保水采煤和绿色开采技术内涵具有重要意义。
榆神矿区位于陕西省神木县、榆阳区境内，其煤炭资源储量丰富、煤质优良、地质构造简单、开采技术条件优越而引世人瞩目，已成为我国重要的能源化工基地。主要地貌类型有风沙地貌、黄土地貌、河谷地貌，总的地势呈西北高而东南低，高程在1 200 m左右。其中，风沙区地貌地下水埋深一般较小，基本在1～5 m。自然植被类型主要以苔草、沙蒿、沙柳等为主。本次研究以该区域的优势植被沙柳为研究对象，其周边地下水位埋深在1 m左右，野外测定高度为2.50 m，叶面积指数为2.48。根系分布特征如图1所示，沙柳主要根系分布在0～60 cm处，并随着埋深的增大呈现指数减小的趋势。
图1 沙柳标准化根系分布函数
Fig.1 Normalized root density distribution of Salix psammophila
由于该区域煤炭产量自20世纪90年代开始大幅度增长，因此本次研究收集并整理榆林市国家基本气象站1991—2013年的基本气象数据，包括:降水、蒸发量、最高气温、最低气温、相对湿度、平均风速和日照时数，为模型的上边界提供所需要的降水和蒸发数据。1991—2013年多年平均降水量为400 mm，多年平均潜在蒸散发量为1 153 mm，年内降水量主要集中在5至10月，超过全年降水量的85%。为系统研究榆神矿区气候变化和地下水位双重因素对植被耗水的影响，笔者引入干旱指数[17]反映研究区气候的整体变化，其定义为
AI=(ET0-P)/ET0
(1)
式中，AI为干旱指数;ET0为潜在蒸散发量，mm;P为降水量，mm。
有植被条件下，水文地质概念模型如图2所示，一维非饱和土壤水运动的控制方程为
(2)
式中，C(h)为容水度，cm-1;h为土壤水压力水头，cm;t为时间，d;z为垂向坐标，cm，向上为正;K(h)为非饱和渗透系数，cm/d;S(z,t)为植被根系吸水速率。
文中采用van-Genuchten-Mualem模型[18]描述土壤水分特征曲线和渗透系数曲线:
(3)
(4)
(5)
其中，θr为饱和含水量，cm3/cm3;θs为残余含水量，cm3/cm3;Se为有效饱和度;Ks为饱和渗透系数，cm/d;α,m,n为土壤水分特征曲线形状参数，其中m=1-n/1，n>1;l为弯曲度参数。根据室内测试、物理试验及数值模拟相结合的方法，确定风积沙土壤水分运动参数见表1，该参数已经得到模型校准和验证，有较高准确率。
图2 水文地质概念模型
Fig.2 Hydrology geology concept model
表1 风积沙的土壤水力学参数[19]
Table 1 Values of the parameters for sand[19]
文中采用Feddes模型[20]描述植被根系系数模型:
S(z,t)=α(h)b(z)Tp
(6)
式中，α(h)为水分胁迫函数;b(z)为根系分布函数，由野外调查获取;Tp为植被潜在蒸腾量，cm/d。
模拟的初始条件取野外原位试验场不同地下水位埋深条件下的土壤水分的多年观测平均值，部分层位的土壤含水率通过插值获取。模型的上边界选取表层积水的“表面水库”边界条件，接受降雨补给和蒸发排泄，其降水和蒸发数据通过研究区气象资料获取。前人研究结果表明，当地下水埋深超过5 m时，植被和地下水的关系较小，因此选取初始地下水埋深5 m，并逐步减小(0.5 m/次)至地下水埋深1 m作为本次模拟计算的下边界条件。因此，本次土壤水运动模拟的边界条件可总结为
(7)
式中，θ为初始含水量，cm3/cm3;q0(0,t)为净入渗速率，即降雨量和蒸发量之差，cm/d。
综上所述，本次研究共设置23种干旱指数情景(1991—2013年)，地下水埋深共设置1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 m等9种情景。因此，需要搭建207个不同组合条件下的数值计算模型。
以干旱指数(AI)为横坐标，植被实际日蒸腾量(Ta)为纵坐标，图3为地下水埋深2.5 m时AI与Ta的散点图。总体上，随着干旱指数的增大，植被实际蒸腾量呈现减小趋势，对上述散点图进行拟合，可以得到以下线性关系:y=-0.229 7x+0.310 8，该式的拟合相关系数达到0.608 2。
图3 地下水埋深2.5 m时AI与Ta的散点图
Fig.3 Scatter diagram between AI and Ta when the water table depth is 2.5 m
同时，分别对地下水位埋深为1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5和5.0 m时的干旱指数和植被实际蒸腾量的散点图进行线性拟合，求得不同地下水埋深干旱指数AI与Ta线性式子的斜率，并画出其斜率与地下水埋深的关系曲线图，如图4所示。由图4可以看出，不同地下水埋深条件下，干旱指数对植被实际蒸腾量的影响差异较大，当地下水埋深为1.0 m时，其斜率为0，表明干旱指数对植被耗水基本不产生影响;当地下水位埋深位于1.0～2.5 m时，其斜率绝对值逐渐增大，表明干旱指数对植被耗水的影响随着地下水埋深的增大呈现增大趋势;当地下水埋深超过2.5 m时，其斜率绝对值基本不变，说明干旱指数对植被耗水的影响趋于稳定，基本和地下水没有关系。由此可以看出，植被耗水并不单一的受到气候变化的影响，地下水也是影响植被耗水的关键要素。
图4 不同地下水埋深条件下干旱指数与植被实际蒸腾量线
性斜率变化特征
Fig.4 Slope of the linear equation between AI and Ta at different water table depth
筛选出1990—2013年干旱指数的最小值、中间值和最大值，分别代表丰水年、平水年和枯水年，并绘制不同干旱指数条件下地下水埋深和植被实际耗水量的关系曲线，如图5所示，图5可以直观反映地下水埋深对植被耗水的影响。不同干旱指数条件下，植被耗水量和地下水埋深呈现出典型的单指数分布规律，当地下水埋深为1.0～2.5 m时，随着地下水埋深的增大，植被耗水量急剧减小，当地下水埋深大于2.5 m时，植被耗水量基本趋于稳定。另外，当地下水埋深大于1.5 m时，图5中的植被耗水量随着干旱指数的增加呈现明显的减小趋势，这说明植被耗水量的多寡并不单纯受到地下水埋深的控制，也受到气候变化的影响。
图5 不同地下水埋深条件下植被实际蒸腾量变化规律
Fig.5 Variation trend of Ta under different water table depth
图6反映了干旱指数和地下水埋深联合影响下的植被耗水特征，植被耗水量的高值点主要分布在地下水埋深为1.0～2.0 m处，即图6中的A区域，此处植被耗水量的等值线图基本与横坐标干旱指数平行，表明此区域植被耗水和干旱指数关系不大，植被生长主要受地下水控制。值得注意的是，植被耗水量的最大值并没有出现在地下水埋深最小，干旱指数最小的区域，而是位于地下水埋深最小，干旱指数最大的区域，这是因为植被受高潜水位和强降雨量的影响，植被根区的含水量处于近似饱和状态，对植被的生长产生胁迫，因此出现局部区域植被耗水和干旱指数呈现正相关的关系;当地下水埋深处于2.0～2.5 m时，即图6中的B区域，此处植被耗水量的等值线图即不平行于横坐标干旱指数，也不平行于纵坐标地下水埋深，表明此区域植被耗水受地下水埋深和干旱指数的双重影响;当地下水埋深处于2.5～5.0 m时，即图6中的C区域，此处植被耗水量的等值线图近似平行于纵坐标地下水埋深，表明此区域植被耗水和地下水埋深关系不大，主要受干旱指数影响。
图6 干旱指数和地下水埋深联合影响植被耗水分布特征
Fig.6 Distribution of Ta in the coordinates composed of the aridity index and water table depth
植被实际耗水量(Ta)和潜在耗水量(Tp)的比值，记为Ta/Tp，被认为是衡量植被是否受到水分胁迫的关键指标[21]。结合前人研究并考虑研究区的干旱气候[16,22]，本文定义当Ta/Tp<0.60时，植被生长受到水分限制;当Ta/Tp<0.30时，植被出现退化现象。图7反映了丰水年、平水年和枯水年不同地下水埋深条件下Ta/Tp比值，该图可以直观看出，Ta/Tp随地下水埋深的变化趋势和Ta的变化规律基本一致，与地下水埋深的关系可以用单指数模型来描述，即:
Ta/Tp=C+Aexp(-BH)
(8)
其中，Ta/Tp为植被实际蒸腾量与潜在蒸腾量比值;H为地下水埋深，m;A,B，C为拟合参数，参数值可以通过Matlab软件进行拟合，其相关数值见表2，可以看出拟合曲线相关系数R2高达0.99，因此，单指数模型可以较好地反映Ta/Tp与地下水埋深的关系。
图7 不同地下水埋深条件下植被实际耗水量和潜在
耗水量的比值
Fig.7 Variation trend of Ta/Tp at different water table depths
表2 生态临界水位的参数值
Table 2 Parameter values for critical water table depth
根据式(8)和拟合出的相关参数，可以利用式(9)推求不同干旱指数条件下的生态临界水位:
(9)
其中，Hc为生态临界水位，m;A,B，C为拟合参数，其参数值见表2;Ta/Tp分别取值0.60和0.30，当取值为0.60时，计算出的Hc记为H1，定义地下水埋深大于H1时，植被受水分胁迫;当取值为0.30时，计算出的Hc记为H2，定义地下水埋深大于H2时，植被出现退化现象。
计算出的H1和H2值见表2，程东会等[13]在该地区通过野外调查的手段研究了沙柳盖度和地下水埋深的关系，认为沙柳的适生地下水埋深为1.0～3.0 m，地下水埋深为1.0～1.5 m时沙柳盖度最大，和本文研究结果基本一致，也再次印证了采用土壤水动力学模拟方法的准确性。同时由表2可以看出，植被生态临界水位并不是一个固定的数值，呈现出干旱指数越大，生态临界水位埋深越小的变化规律。干旱指数较大条件下，降水量小，降水满足不了植被的正常耗水需求，因此植被必须从地下水中吸收水分，从而表现出植被对地下水的依赖性较强，生态临界水位埋深较小;相反，干旱指数较小条件下，降水量大，降水基本可以满足植被的正常耗水需求，植被对地下水的依赖性较小，生态临界水位埋深较大。
在干旱半干旱地区，地下水不仅是水资源的重要组成部分，同时也是维持当地生态安全的关键要素。榆神矿区位于陕北干旱半干旱区，该区域煤炭产量高，煤层埋深小，煤炭开采导致采空区上覆岩层直至地面，出现垮落带、弯曲带和裂缝带[23]，改变了上覆含水层的结构，影响了地下水的补径排条件，使得地下水的运动由采煤前的横向运动向垂向运动过渡，表现为地下水采煤前的基流和潜流排泄变为矿坑排水[24]，不可避免的破坏地下水资源，从而出现以采煤工作面为中心的地下水位降落漏斗。范立民等[6]分析了榆神府矿区高强度采煤对地下水的影响，得出高强度煤炭开采是矿区地下水位下降的主要驱动因素，认为该矿区71.5%的地下水位明显下降区(下降幅度大于8 m)为由高强度开采导致。但是，马雄德等的研究结果认为榆神府矿区植被尚未出现退化，甚至有转好的趋势[25]。结合本文研究成果，虽然榆神矿区地下水位出现大面积下降，但由于目前煤炭开采区采前地下水位埋深普遍大于2.5 m，影响矿区生态环境的主要控制因素是气候变化(降水量)，考虑到近年来榆神矿区降水量有增大趋势，因此出现“虽然地下水位明显下降，但是生态环境局部转好”的现象。
(1)干旱矿区植被生长受干旱指数和地下水埋深双重影响，当地下水埋深为1.0～2.0 m处，植被生长主要受地下水控制;地下水埋深为2.0～2.5 m时，植被耗水受地下水和干旱指数的双重影响;地下水埋深大于2.5 m时，植被耗水和地下水埋深关系不大，植被耗水主要受干旱指数影响。
(2)笔者引入单指数模型拟合地下水埋深和Ta/Tp的关系曲线，其相关系数高达0.99;同时利用单指数模型反求出枯水年、平水年和丰水年条件下的植被生态临界地下水位，认为当地下水位埋深大于1.24 m，植被受到水分胁迫，当地下水埋深大于2.06 m，植被出现退化现象。
(3)采煤地下水位下降对植被生态的影响是有一定限度的，只有当采前地下水位埋深为1.0～2.5 m时，地下水位下降才会引发植被生态退化。当采前地下水位埋深大于2.5 m时，采煤地下水位下降基本对沙柳的生长不产生影响，此时植被生态退化主要受气候变化影响。
本文以研究区优势植被沙柳为研究对象，因此估算出的生态临界水位也仅针对沙柳或同类灌木，考虑到研究区有旱柳、小叶杨等根系深度较大的植被，其对地下水的依赖程度更高，生态临界地下水埋深也更大。
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