CN106770928A - 生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈值的测定方法，根据植被在天然状态下的吸水特征构建数学方程并求解，通过改变下边界条件(依据矿区开采地下水位变化特征依次降低地下水位)，可获取不同潜水埋深条件下植被蒸腾所吸收水分中地下水所占的比例，当该比例为0时，地下水不再为植被蒸发提供水源，此时潜水埋深即为矿区植被约束下的地下水位变化的阈值(Hth，m)，当矿区煤层开采导致地下水位埋深超过该阈值后便会对地表植被的生长产生不利影响。本发明通过原位实验和数值模拟相结合确定植被约束下地下水位变化阈值的方法，可以定量评价采煤降低地下水位对植被生长的影响。
Description
技术领域
本发明属于矿山水文地质和生态环境保护技术领域，尤其涉及一种生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法。
背景技术
目前，位于干旱地区的矿区(比如，榆神矿区地处我国西部毛乌素沙漠与黄土高原接壤区)降水量少且集中，蒸发强烈，水资源匮乏，属半干旱区，生态环境脆弱，植被对维持区域生态系统良性发展极为重要。位于矿区西部的沙漠滩地区地下水主要为第四系萨拉乌苏组孔隙水和烧变岩裂隙孔隙水，分布局限，地下水与生态环境关系密切，具有十分重要的生态价值。由于煤层埋藏浅，基岩厚度变化大，其上部富水性较强的萨拉乌苏组含水层极易受采动导水裂隙影响而破坏，使地下水位下降，造成植被大面积枯萎。所以研究矿区地下水位变化与植被生长关系，确定植被生长胁迫下允许地下水位变化阈值，对提高矿区生态环境良性发展具有重要意义。目前，植被吸收地下水的临界值研究有两种方法，一是通过确定植被根系长度(H1)和土壤毛细上升高度(H2)，认为当地下水位埋深H＝H1+H2即为该植被吸收地下水的临界值；二是通过遥感影像获取像元尺度下的植被覆盖度图像，再实测地下水潜水埋深等值线图，生成像元尺度下的地下水潜水埋深图像，最后在二维空间上叠加植被盖度和地下水埋深图，即可建立地下水位埋深与植被盖度之间的统计关系。
综合来看，已公开发表的技术方法存在如下不足：均忽略了包气带非均质性、气象条件及植被根系分布密度对植被吸收利用地下水的影响，不能正确地表达植被蒸腾水源中地下水所占比例随着地下水埋深的变化规律；煤矿山开采过程中由于导水裂隙的存在会降低地下水位，通过统计模型建立的地下水位与植被关系分布函数不能求证矿区地下水位下降到什么程度会对植被生长产生影响，其机理尚不清楚。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法，旨在解决现有的地下水位变化阈限的测定方法均忽略了包气带非均质性、气象条件及植被根系分布密度对植被吸收利用地下水的影响，不能正确地表达植被蒸腾水源中地下水所占比例随着地下水埋深的变化规律；煤矿山开采过程中由于导水裂隙的存在会降低地下水位，通过统计模型建立的地下水位与植被关系分布函数不能求证矿区地下水位下降到什么程度会对植被生长产生影响，其机理也不清楚的问题。
本发明是这样实现的，一种生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法，所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈值的测定方法根据植被在天然状态下的吸水特征构建数学方程并求解，依据矿区开采地下水位变化特征依次降低地下水位改变边界条件，获取不同潜水埋深条件下植被蒸腾所吸收水分中地下水所占的比例，当该比例为0时，地下水不再为植被蒸发提供水源，潜水埋深即为矿区植被约束下的地下水位变化的阈值(Hth，m)；
所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈值的测定方法通过实测天然状态下植被生长区地下水动态、包气带土壤含水率、植被吸水及气象要素参数，分析植被生长所需水分与环境要素的统计关系；通过地质、水文地质条件的概化，以土壤水动力学为基础建立根系吸水条件下垂向一维水流方程并求解；以1m为间隔依次降低地下水位并运算，求取土壤水变量、大气降水量、植被蒸发种地下水的量、植被蒸腾量、裸地蒸发量、地下水从土壤中获得补给量，带入土壤水均衡公式ΔSWC＝P+GWc-E-T-R即可获取不同地下水位埋深条件下植被蒸腾所吸收水分中地下水的量GWc；当GWc为0cm时，地下水不再为植被蒸发提供水源，此时地下水位埋深即为矿区植被约束下地下水位变化阈值；
其中，ΔSWC-土壤水变化量，cm；P-大气降水量，cm；GWc-植被蒸发种地下水的量，cm；T-植被蒸腾量，cm；E-裸地蒸发量，cm；R-地下水从土壤中获得补给量，cm。
进一步包括，所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈值的测定方法包括以下步骤：
确定矿区优势植被种类以及典型植被盖度与地下水埋深关系；
根据植被新枝长度、冠幅选定植被长势良好时对应的地下水位埋深范围，筛选出植被与地下水关系密切的典型区域；
依据土地租赁、仪器监管在典型区域中选定符合条件的代表点建立野外原位监测，包括植被的蒸腾量、气象要素、土壤含水率和地下水位埋深；
至少监测一个生长季，获取相关参数；
通过原位实验点地质条件概化，建立根系吸水条件下垂向一维非稳定水流模型，编程求解；
对原位实验点包气带土壤进行颗分测试，获取土壤参数初值输入垂向一维非稳定水流模型进行计算；
将计算结果与监测的土壤含水率和植被蒸腾量进行对比拟合，修改土壤参数重新计算，直至计算结果与监测值相吻合，求取优化的土壤参数；
按矿区地下水位下降特征设定不同的地下水位埋深值并运行，获取地下水对植被需水贡献值为0cm时地下水位埋深，即为矿区植被约束下的地下水位埋深阈值(Hth，m)。
进一步包括：
选定植被开展一定地下水埋深条件下植被吸水与环境要素原位监测；将原位监测信息输入上述水流模型进行计算；将结果与原位监测值对比分析，通过反复修正参数后获得仿真度较高的水流数学模型；以矿井开采中地下水位变化特征为基础，在水流模型中不断改变地下水位进行试算，记录每个时刻求土壤水变量ΔSWC、大气降水量P、植被蒸发种地下水的量GWc、植被蒸腾量T、裸地蒸发量E、地下水从土壤中获得补给量R等。
进一步包括：
根据质量守恒定律，包气带土壤含水量的变化量是由降水、蒸发、蒸腾及渗漏量等引起的，公式为：
ΔSWC＝P+GWc-E-T-R；
当GWc为0cm时地下水位埋深即为该植被约束下地下水位埋深阈值。
进一步，所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法包括以下步骤：
(1)选定沙柳作为植被，通过实地调查，地下水位埋深0.5-3m时沙柳生长良好；选择地下水位埋深1.5m的区域建立地下水变化与植被生长原位观测实验，监测要素包括：气象、植被蒸腾量、包气带土壤含水率及地下水动态；采用自动气象站监测降水、蒸发、辐射；沙柳蒸腾量的变化由树干径流仪监测，8个探头分别包裹在沙柳灌丛8个不同方位的枝条上；采用TDR监测包气带土壤含水率变化、采用地下水自动监测仪监测地下水水位；
(2)植被生长时土壤水分运动简化为根系吸水条件下垂向的水流模型，其水流运动方程为：
式中：θ-含水率，cm3/cm；k-土壤非饱和渗透系cm/hr；S(h)-根系吸水函数，h为包气带土壤负压，cm；t-时间(hr-1)；z-距离(cm)；
(3)根系吸水函数采用Feddes方程，即：
S(h)＝α(h)b(z)Tp；
式中：α(h)-水分胁迫函数；b(z)-根系分布函数，由实验得出，Tp-植物潜在蒸腾速率，cm/hr；根系分布函数b(z)通过实测获取：
(4)在植被主根周围8个方向开挖长5m的剖面取样，样品尺寸：高15cm，直径10cm，各剖面深度由地表至地下水面，垂向每15cm取样一次，水平每10cm取样一次；所取样品编号后洗净、称重，测量长度，统计直径<2mm细根长度，累计长度除以样品体积，即获得植被根系在垂向上的分布特征；
(5)土壤体积含水率以土壤水分特征的van Genuchten方程表示：
式中，θ-含水率，cm3/cm；h-包气带土壤负压，cm；θs和θr–分别为土壤饱和含水率和残余含水率，cm3/cm；α、n为与土壤水分特征曲线相关的参数m＝1-1/n；
(6)根据颗粒分析资料，求取土壤水的初始参数；将计算结果与监测的土壤含水率和植被蒸腾量进行对比拟合，计算结果与监测值相吻合，相对误差值小于10％，不需要修改初始参数；按矿区地下水位下降特征设定不同的地下水位埋深值5m，6m，7m，…，运行数学模型，地下水位埋深215cm时地下水对植被需水贡献率为0，当地下水位埋深大于215以后，此特征始终不变，说明植被约束下矿区地下水位埋深阈值为215cm。
本发明提供的生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法将植被在天然状态下的吸水特征参数输入所构建的根系吸水条件下垂向一维水流模型，通过改变模型下边界条件(降低地下水位)，可获取不同地下水位埋深条件下植被蒸腾所吸收水分中地下水所占的比例，当该比例为0时，地下水不再为植被蒸发提供水源，此时地下水位埋深即为矿区植被约束下地下水位埋深阈值。
本发明通过原位实验和数值模拟相结合确定植被约束下地下水位变化阈限的方法，将该方法确定的地下水位下降阈值(Hth)与实测矿区地下水位(Hr)进行对比，便可以定量评价典型植被下采煤降低地下水位对保护植被的影响程度，即矿井开采到一定程度引起地下水位变化后：①若实测矿区地下水位埋深大于本方法所计算的阈值(Hr>Hth)，则说明该地区植被生长不再能够利用地下水，在干旱年份会出现植被退化现象；②当实测矿区地下水位埋深小于本方法所计算的阈值时(Hr<Hth)，说明该矿区植被生长吸水水源不会发生根本变化，影响较小；③此外在地下水初始水位埋深较大时(Hr′>>Hth)，植被一般不吸收利用地下水，但当采煤导水裂隙带不导通含水层的情况下，由于地表沉降导致水位埋深变小，当该水位埋深小于等于本方法确定的阈值时(Hr′≤Hth)，该地区植被根系会优先吸收利用地下水，长势好转。
附图说明
图1是本发明实施例提供的生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法流程图。
图2是本发明实施例提供的模型概化图。
图3是本发明实施例提供的根系密度分布采样示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过将原位实验和数值模拟相结合的方法，将植被在天然状态下的蒸腾参数输入根系吸水条件下垂向一维水流数学模型，通过改变下边界条件不断降低地下水位反复计算，可获取不同地下水位变化条件下植被蒸腾所需水分中地下水所占的比例，当该比例为0时，地下水不再为植被蒸发提供水源，此时地下水位即为矿区植被约束下地下水位变化阈值。克服了矿井工作面推进过程中地下水位变化后植被长势难以量化等难题。为生态脆弱矿区植被生长对地下水位变化的阈限确定，矿区煤层开采和环境保护协调发展提供参考依据。
通过实测天然状态下植被生长区地下水动态、包气带土壤含水率、植被吸水及气象要素等参数，分析植被生长所需水分与环境要素的统计关系，认清地下水、土壤水对植被生长的作用；再通过地质、水文地质条件的概化，以土壤水动力学为基础建立根系吸水条件下包气带土壤水分运移模型并求解。以矿区地下水位变化规律为准，以1m为间隔依次降低上述模型中地下水位并运算，求取土壤水变量ΔSWC、大气降水量P、植被蒸发种地下水的量GWc、植被蒸腾量T、裸地蒸发量E、地下水从土壤中获得补给量R等，带入公式ΔSWC＝P+GWc-E-T-R即可获取不同地下水位埋深条件下植被蒸腾所吸收水分中地下水的量GWc，当该值为0cm时，地下水不再为植被蒸发提供水源，此时地下水位埋深即为矿区植被约束下地下水位变化阈值。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法包括以下步骤：
S101：根据研究目的不同，确定研究植被种类并开展植被盖度与地下水埋深关系调查；
S102：根据植被生长指标选定该类植被长势良好时对应的地下水位埋深范围；
S103：选定符合上述条件代表点建立野外原位监测，包括研究植被的蒸腾量、气象要素(降水量、气温、净辐射和风速)、土壤含水率和地下水位埋深；
S104：至少监测一个生长季，获取相关参数；
S105：通过原位实验点地质条件概化建立一维水流概念模型，设定模型的边界条件；
S106：对原位实验点包气带土壤进行颗分测试，进一步获取土壤参数初值输入模型；
S107：运行程序，将计算结果与监测的土壤含水率和植被蒸腾量进行对比，修改原始参数重新计算，直至计算结果与监测值相吻合；
S108：按矿区地下水位下降特征设定不同的地下水位埋深值并运行上述模型，即可获取地下水对植被需水贡献值为0cm时地下水位埋深，即为该植被约束下地下水位变化阈限。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
榆神矿区地处西北干旱半干旱地区，生态环境脆弱，地下水浅埋区植被与地下水关系密切。本区煤层开采在多数地区造成地下水位大幅下降，植被枯死。利用本发明方法给出旱柳生长约束下地下水位下降幅度阈值，指导煤层开采规划，具体步骤如下：
选定沙柳作为研究植被，通过实地调查，地下水位埋深0.5-3m时沙柳生长良好；
选择地下水位埋深1.5m左右的区域建立地下水变化与植被生长原位观测实验，监测要素包括：气象、植被蒸腾量、包气带土壤含水率及地下水动态。采用自动气象站监测气象要素(降水、蒸发、辐射等)；沙柳蒸腾量的变化由树干径流仪监测，8个探头分别包裹在沙柳灌丛8个不同方位的枝条上；采用TDR监测包气带土壤含水率变化、采用地下水自动监测仪(Mini-Diver)监测地下水水位。
监测期间为：2013-5-20至2013-9-20。
植被生长时土壤水分运动可简化为根系吸水条件下垂向的水流运动，其水流运动方程为：
式中：θ-含水率，cm3/cm；k-土壤非饱和渗透系cm/hr；S(h)-根系吸水函数，h为包气带土壤负压，cm；t-时间(hr-1)；z-距离(cm)，向上为正，原点选在地表。
根系吸水函数采用Feddes方程，即：
S(h)＝α(h)b(z)Tp；
式中：α(h)-水分胁迫函数；b(z)-根系分布函数，由实验得出，Tp-植物潜在蒸腾速率，cm/hr。
根系分布函数b(z)通过实测获取：
在植被主根周围8个方向(见图2)开挖长5m的剖面取样(样品尺寸：高15cm，直径10cm)，各剖面深度由地表至地下水面，垂向每15cm取样一次，水平每10cm取样一次。所取样品编号后洗净、称重，测量长度，统计直径<2mm细根长度，累计长度除以样品体积，即可获得研究植被根系在垂向上的分布特征。
土壤体积含水率以土壤水分特征的van Genuchten方程表示：
式中，θ-含水率，cm3/cm；h-包气带土壤负压，cm；θs和θr–分别为土壤饱和含水率和残余含水率，cm3/cm；α、n为与土壤水分特征曲线相关的参数m＝1-1/n。
根据实验场地的颗粒分析资料，求取土壤水的初始参数(表1)。
在计算机上运行程序，将计算结果与监测的土壤含水率和植被蒸腾量进行对比拟合，计算结果与监测值相吻合，相对误差值小于10％，不需要修改初始参数；
按矿区地下水位下降特征(图3)设定不同的地下水位埋深值5m，6m，7m，8m，9m…，运行上述数学模型，结果发现，地下水位埋深215cm时地下水对植被需水贡献率为0，当地下水位埋深大于215以后，此特征始终不变，说明该植被约束下矿区地下水位埋深阈值为215cm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种生态脆弱矿区植被约束下地下水变化深阈值的测定方法，其特征在于，所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈值的测定方法根据植被在天然状态下的吸水特征构建数学方程并求解，依据矿区开采地下水位变化特征依次降低地下水位改变边界条件，获取不同潜水埋深条件下植被蒸腾所吸收水分中地下水所占的比例，当该比例为0时，地下水不再为植被蒸发提供水源，潜水埋深即为矿区植被约束下的地下水位变化的阈值(Hth，m)；
所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈值的测定方法通过实测天然状态下植被生长区地下水动态、包气带土壤含水率、植被吸水及气象要素参数，分析植被生长所需水分与环境要素的统计关系；通过地质、水文地质条件的概化，以土壤水动力学为基础建立根系吸水条件下垂向一维水流方程并求解；以1m为间隔依次降低地下水位并运算，求取土壤水变量、大气降水量、植被蒸发种地下水的量、植被蒸腾量、裸地蒸发量、地下水从土壤中获得补给量，带入土壤水均衡公式ΔSWC＝P+GWc-E-T-R即可获取不同地下水位埋深条件下植被蒸腾所吸收水分中地下水的量GWc；当GWc为0cm时，地下水不再为植被蒸发提供水源，此时地下水位埋深即为矿区植被约束下地下水位变化阈值；
其中，ΔSWC-土壤水变化量，cm；P-大气降水量，cm；GWc-植被蒸发种地下水的量，cm；T-植被蒸腾量，cm；E-裸地蒸发量，cm；R-地下水从土壤中获得补给量，cm。
2.如权利要求1所述的生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法，其特征在于，所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈值的测定方法包括以下步骤：
确定矿区优势植被种类以及典型植被盖度与地下水埋深关系；
根据植被新枝长度、冠幅选定植被长势良好时对应的地下水位埋深范围， 筛选出植被与地下水关系密切的典型区域；
依据土地租赁、仪器监管在典型区域中选定符合条件的代表点建立野外原位监测，包括植被的蒸腾量、气象要素、土壤含水率和地下水位埋深；
至少监测一个生长季，获取相关参数；
通过原位实验点地质条件概化，建立根系吸水条件下垂向一维非稳定水流模型，编程求解；
对原位实验点包气带土壤进行颗分测试，获取土壤参数初值输入垂向一维非稳定水流模型进行计算；
将计算结果与监测的土壤含水率和植被蒸腾量进行对比拟合，修改土壤参数重新计算，直至计算结果与监测值相吻合，求取优化的土壤参数；
按矿区地下水位下降特征设定不同的地下水位埋深值并运行，获取地下水对植被需水贡献值为0cm时地下水位埋深，即为矿区植被约束下的地下水位埋深阈值(Hth，m)。
3.如权利要求1所述的生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法，其特征在于，所述土壤参数初值输入垂向一维非稳定水流模型表示为：
1)植被根系吸水条件下垂向的水流运动，概化为垂向一维非稳定流：
式中：θ-含水率，cm3/cm；k-土壤非饱和渗透系cm/hr；S(h)-根系吸水函数，h为包气带土壤负压，cm；t-时间；z-距离；
2)根系吸水采用Feddes方程表达，即：
S(h)＝α(h)b(z)Tp；
式中：α(h)-水分胁迫函数；b(z)-根系分布函数，Tp-植物潜在蒸腾速率，cm/hr；
3)根系分布函数b(z)通过实测获取：
在植被主根周围开挖剖面取样，取样后洗净、称重，测量长度，由根系累计长度除以样品体积，即获得植被根系在垂向上的分布特征；
4)水分胁迫函数α(h)采用经验值
在Fedds模型中，植被的水分胁迫α与土壤负压h之间具有统计关系，在土壤负压大于某个临界值h1厌氧点或者小于某个临界值h4凋萎点时植物停止蒸腾，当土壤负压在合理值范围h2与h3之间时，蒸腾量才能达到极值；根据植被的不同，选择相关经验值。
4.如权利要求3所述的生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法，其特征在于，根系吸水条件下水流模型中的含水率以土壤水分特征的van Genuchten方程表示：
式中，K(h)-非饱和渗透系数，cm/hr；Ks-饱和渗透系数，cm/hr；Se-有效饱和度；θ-含水率，cm3/cm；h-包气带土壤负压，cm；和θr–分别为土壤饱和含水率和残余含水率，cm3/cm；α、n为与土壤水分特征曲线相关的参数(m＝1-1/n)。
5.如权利要求1所述的生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法，其特征在于，所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法选定沙柳作为植被，通过实地调查，地下水位埋深0.5-3m时沙柳生长良好； 选择地下水位埋深1.5m的区域建立地下水变化与植被生长原位观测实验，监测要素包括：气象、植被蒸腾量、包气带土壤含水率及地下水动态；采用自动气象站监测降水、蒸发、辐射；沙柳蒸腾量的变化由树干径流仪监测，8个探头分别包裹在沙柳灌丛8个不同方位的枝条上；采用TDR监测包气带土壤含水率变化、采用地下水自动监测仪监测地下水水位。
6.如权利要求4所述的生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法，其特征在于，所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法根据颗粒分析资料，求取土壤水的初始参数输入水流模型；将计算结果与监测的土壤含水率和植被蒸腾量进行对比拟合，计算结果与监测值相吻合，相对误差值小于10％，不需要修改初始参数；按矿区地下水位下降特征设定不同的地下水位埋深值5m，6m，7m，8m，9m…，运行水流模型，地下水位埋深215cm时地下水对植被需水贡献率为0，当地下水位埋深大于215以后，此特征始终不变，说明植被约束下矿区地下水位埋深阈值为215cm。
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