本發(fā)明屬于礦山水文地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種生態(tài)脆弱礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾限的測(cè)定方法。

背景技術(shù)：

目前，位于干旱地區(qū)的礦區(qū)(比如，榆神礦區(qū)地處我國(guó)西部毛烏素沙漠與黃土高原接壤區(qū))降水量少且集中，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源匱乏，屬半干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被對(duì)維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展極為重要。位于礦區(qū)西部的沙漠灘地區(qū)地下水主要為第四系薩拉烏蘇組孔隙水和燒變巖裂隙孔隙水，分布局限，地下水與生態(tài)環(huán)境關(guān)系密切，具有十分重要的生態(tài)價(jià)值。由于煤層埋藏淺，基巖厚度變化大，其上部富水性較強(qiáng)的薩拉烏蘇組含水層極易受采動(dòng)導(dǎo)水裂隙影響而破壞，使地下水位下降，造成植被大面積枯萎。所以研究礦區(qū)地下水位變化與植被生長(zhǎng)關(guān)系，確定植被生長(zhǎng)脅迫下允許地下水位變化閾值，對(duì)提高礦區(qū)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展具有重要意義。目前，植被吸收地下水的臨界值研究有兩種方法，一是通過確定植被根系長(zhǎng)度(H₁)和土壤毛細(xì)上升高度(H₂)，認(rèn)為當(dāng)?shù)叵滤宦裆頗＝H₁+H₂即為該植被吸收地下水的臨界值；二是通過遙感影像獲取像元尺度下的植被覆蓋度圖像，再實(shí)測(cè)地下水潛水埋深等值線圖，生成像元尺度下的地下水潛水埋深圖像，最后在二維空間上疊加植被蓋度和地下水埋深圖，即可建立地下水位埋深與植被蓋度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

綜合來看，已公開發(fā)表的技術(shù)方法存在如下不足：均忽略了包氣帶非均質(zhì)性、氣象條件及植被根系分布密度對(duì)植被吸收利用地下水的影響，不能正確地表達(dá)植被蒸騰水源中地下水所占比例隨著地下水埋深的變化規(guī)律；煤礦山開采過程中由于導(dǎo)水裂隙的存在會(huì)降低地下水位，通過統(tǒng)計(jì)模型建立的地下水位與植被關(guān)系分布函數(shù)不能求證礦區(qū)地下水位下降到什么程度會(huì)對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，其機(jī)理尚不清楚。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種生態(tài)脆弱礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾限的測(cè)定方法，旨在解決現(xiàn)有的地下水位變化閾限的測(cè)定方法均忽略了包氣帶非均質(zhì)性、氣象條件及植被根系分布密度對(duì)植被吸收利用地下水的影響，不能正確地表達(dá)植被蒸騰水源中地下水所占比例隨著地下水埋深的變化規(guī)律；煤礦山開采過程中由于導(dǎo)水裂隙的存在會(huì)降低地下水位，通過統(tǒng)計(jì)模型建立的地下水位與植被關(guān)系分布函數(shù)不能求證礦區(qū)地下水位下降到什么程度會(huì)對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，其機(jī)理也不清楚的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種生態(tài)脆弱礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾限的測(cè)定方法，所述生態(tài)脆弱礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾值的測(cè)定方法根據(jù)植被在天然狀態(tài)下的吸水特征構(gòu)建數(shù)學(xué)方程并求解，依據(jù)礦區(qū)開采地下水位變化特征依次降低地下水位改變邊界條件，獲取不同潛水埋深條件下植被蒸騰所吸收水分中地下水所占的比例，當(dāng)該比例為0時(shí)，地下水不再為植被蒸發(fā)提供水源，潛水埋深即為礦區(qū)植被約束下的地下水位變化的閾值(H_th，m)；

所述生態(tài)脆弱礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾值的測(cè)定方法通過實(shí)測(cè)天然狀態(tài)下植被生長(zhǎng)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)、包氣帶土壤含水率、植被吸水及氣象要素參數(shù)，分析植被生長(zhǎng)所需水分與環(huán)境要素的統(tǒng)計(jì)關(guān)系；通過地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的概化，以土壤水動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)建立根系吸水條件下垂向一維水流方程并求解；以1m為間隔依次降低地下水位并運(yùn)算，求取土壤水變量、大氣降水量、植被蒸發(fā)種地下水的量、植被蒸騰量、裸地蒸發(fā)量、地下水從土壤中獲得補(bǔ)給量，帶入土壤水均衡公式ΔSWC＝P+GWc-E-T-R即可獲取不同地下水位埋深條件下植被蒸騰所吸收水分中地下水的量GWc；當(dāng)GWc為0cm時(shí)，地下水不再為植被蒸發(fā)提供水源，此時(shí)地下水位埋深即為礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾值；

其中，ΔSWC-土壤水變化量，cm；P-大氣降水量，cm；GWc-植被蒸發(fā)種地下水的量，cm；T-植被蒸騰量，cm；E-裸地蒸發(fā)量，cm；R-地下水從土壤中獲得補(bǔ)給量，cm。

進(jìn)一步包括，所述生態(tài)脆弱礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾值的測(cè)定方法包括以下步驟：

確定礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植被種類以及典型植被蓋度與地下水埋深關(guān)系；

根據(jù)植被新枝長(zhǎng)度、冠幅選定植被長(zhǎng)勢(shì)良好時(shí)對(duì)應(yīng)的地下水位埋深范圍，篩選出植被與地下水關(guān)系密切的典型區(qū)域；

依據(jù)土地租賃、儀器監(jiān)管在典型區(qū)域中選定符合條件的代表點(diǎn)建立野外原位監(jiān)測(cè)，包括植被的蒸騰量、氣象要素、土壤含水率和地下水位埋深；

至少監(jiān)測(cè)一個(gè)生長(zhǎng)季，獲取相關(guān)參數(shù)；

通過原位實(shí)驗(yàn)點(diǎn)地質(zhì)條件概化，建立根系吸水條件下垂向一維非穩(wěn)定水流模型，編程求解；

對(duì)原位實(shí)驗(yàn)點(diǎn)包氣帶土壤進(jìn)行顆分測(cè)試，獲取土壤參數(shù)初值輸入垂向一維非穩(wěn)定水流模型進(jìn)行計(jì)算；

將計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)的土壤含水率和植被蒸騰量進(jìn)行對(duì)比擬合，修改土壤參數(shù)重新計(jì)算，直至計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值相吻合，求取優(yōu)化的土壤參數(shù)；

按礦區(qū)地下水位下降特征設(shè)定不同的地下水位埋深值并運(yùn)行，獲取地下水對(duì)植被需水貢獻(xiàn)值為0cm時(shí)地下水位埋深，即為礦區(qū)植被約束下的地下水位埋深閾值(H_th，m)。

進(jìn)一步包括：

選定植被開展一定地下水埋深條件下植被吸水與環(huán)境要素原位監(jiān)測(cè)；將原位監(jiān)測(cè)信息輸入上述水流模型進(jìn)行計(jì)算；將結(jié)果與原位監(jiān)測(cè)值對(duì)比分析，通過反復(fù)修正參數(shù)后獲得仿真度較高的水流數(shù)學(xué)模型；以礦井開采中地下水位變化特征為基礎(chǔ)，在水流模型中不斷改變地下水位進(jìn)行試算，記錄每個(gè)時(shí)刻求土壤水變量ΔSWC、大氣降水量P、植被蒸發(fā)種地下水的量GWc、植被蒸騰量T、裸地蒸發(fā)量E、地下水從土壤中獲得補(bǔ)給量R等。

進(jìn)一步包括：

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，包氣帶土壤含水量的變化量是由降水、蒸發(fā)、蒸騰及滲漏量等引起的，公式為：

ΔSWC＝P+GWc-E-T-R；

當(dāng)GWc為0cm時(shí)地下水位埋深即為該植被約束下地下水位埋深閾值。

進(jìn)一步，所述生態(tài)脆弱礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾限的測(cè)定方法包括以下步驟：

(1)選定沙柳作為植被，通過實(shí)地調(diào)查，地下水位埋深0.5-3m時(shí)沙柳生長(zhǎng)良好；選擇地下水位埋深1.5m的區(qū)域建立地下水變化與植被生長(zhǎng)原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)要素包括：氣象、植被蒸騰量、包氣帶土壤含水率及地下水動(dòng)態(tài)；采用自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)降水、蒸發(fā)、輻射；沙柳蒸騰量的變化由樹干徑流儀監(jiān)測(cè)，8個(gè)探頭分別包裹在沙柳灌叢8個(gè)不同方位的枝條上；采用TDR監(jiān)測(cè)包氣帶土壤含水率變化、采用地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)地下水水位；

(2)植被生長(zhǎng)時(shí)土壤水分運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為根系吸水條件下垂向的水流模型，其水流運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：θ-含水率，cm³/cm；k-土壤非飽和滲透系cm/hr；S(h)-根系吸水函數(shù)，h為包氣帶土壤負(fù)壓，cm；t-時(shí)間(hr^-1)；z-距離(cm)；

(3)根系吸水函數(shù)采用Feddes方程，即：

S(h)＝α(h)b(z)T_p；

式中：α(h)-水分脅迫函數(shù)；b(z)-根系分布函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)得出，T_p-植物潛在蒸騰速率，cm/hr；根系分布函數(shù)b(z)通過實(shí)測(cè)獲?。?/p>

(4)在植被主根周圍8個(gè)方向開挖長(zhǎng)5m的剖面取樣，樣品尺寸：高15cm，直徑10cm，各剖面深度由地表至地下水面，垂向每15cm取樣一次，水平每10cm取樣一次；所取樣品編號(hào)后洗凈、稱重，測(cè)量長(zhǎng)度，統(tǒng)計(jì)直徑<2mm細(xì)根長(zhǎng)度，累計(jì)長(zhǎng)度除以樣品體積，即獲得植被根系在垂向上的分布特征；

(5)土壤體積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-包氣帶土壤負(fù)壓，cm；θs和θ_r–分別為土壤飽和含水率和殘余含水率，cm³/cm；α、n為與土壤水分特征曲線相關(guān)的參數(shù)m＝1-1/n；

(6)根據(jù)顆粒分析資料，求取土壤水的初始參數(shù)；將計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)的土壤含水率和植被蒸騰量進(jìn)行對(duì)比擬合，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值相吻合，相對(duì)誤差值小于10％，不需要修改初始參數(shù)；按礦區(qū)地下水位下降特征設(shè)定不同的地下水位埋深值5m，6m，7m，…，運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，地下水位埋深215cm時(shí)地下水對(duì)植被需水貢獻(xiàn)率為0，當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥?15以后，此特征始終不變，說明植被約束下礦區(qū)地下水位埋深閾值為215cm。

本發(fā)明提供的生態(tài)脆弱礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾限的測(cè)定方法將植被在天然狀態(tài)下的吸水特征參數(shù)輸入所構(gòu)建的根系吸水條件下垂向一維水流模型，通過改變模型下邊界條件(降低地下水位)，可獲取不同地下水位埋深條件下植被蒸騰所吸收水分中地下水所占的比例，當(dāng)該比例為0時(shí)，地下水不再為植被蒸發(fā)提供水源，此時(shí)地下水位埋深即為礦區(qū)植被約束下地下水位埋深閾值。

本發(fā)明通過原位實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合確定植被約束下地下水位變化閾限的方法，將該方法確定的地下水位下降閾值(H_th)與實(shí)測(cè)礦區(qū)地下水位(H_r)進(jìn)行對(duì)比，便可以定量評(píng)價(jià)典型植被下采煤降低地下水位對(duì)保護(hù)植被的影響程度，即礦井開采到一定程度引起地下水位變化后：①若實(shí)測(cè)礦區(qū)地下水位埋深大于本方法所計(jì)算的閾值(H_r>H_th)，則說明該地區(qū)植被生長(zhǎng)不再能夠利用地下水，在干旱年份會(huì)出現(xiàn)植被退化現(xiàn)象；②當(dāng)實(shí)測(cè)礦區(qū)地下水位埋深小于本方法所計(jì)算的閾值時(shí)(H_r<H_th)，說明該礦區(qū)植被生長(zhǎng)吸水水源不會(huì)發(fā)生根本變化，影響較小；③此外在地下水初始水位埋深較大時(shí)(H_r′>>H_th)，植被一般不吸收利用地下水，但當(dāng)采煤導(dǎo)水裂隙帶不導(dǎo)通含水層的情況下，由于地表沉降導(dǎo)致水位埋深變小，當(dāng)該水位埋深小于等于本方法確定的閾值時(shí)(H_r′≤H_th)，該地區(qū)植被根系會(huì)優(yōu)先吸收利用地下水，長(zhǎng)勢(shì)好轉(zhuǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的生態(tài)脆弱礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾限的測(cè)定方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的模型概化圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的根系密度分布采樣示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明通過將原位實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，將植被在天然狀態(tài)下的蒸騰參數(shù)輸入根系吸水條件下垂向一維水流數(shù)學(xué)模型，通過改變下邊界條件不斷降低地下水位反復(fù)計(jì)算，可獲取不同地下水位變化條件下植被蒸騰所需水分中地下水所占的比例，當(dāng)該比例為0時(shí)，地下水不再為植被蒸發(fā)提供水源，此時(shí)地下水位即為礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾值。克服了礦井工作面推進(jìn)過程中地下水位變化后植被長(zhǎng)勢(shì)難以量化等難題。為生態(tài)脆弱礦區(qū)植被生長(zhǎng)對(duì)地下水位變化的閾限確定，礦區(qū)煤層開采和環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考依據(jù)。

通過實(shí)測(cè)天然狀態(tài)下植被生長(zhǎng)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)、包氣帶土壤含水率、植被吸水及氣象要素等參數(shù)，分析植被生長(zhǎng)所需水分與環(huán)境要素的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，認(rèn)清地下水、土壤水對(duì)植被生長(zhǎng)的作用；再通過地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的概化，以土壤水動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)建立根系吸水條件下包氣帶土壤水分運(yùn)移模型并求解。以礦區(qū)地下水位變化規(guī)律為準(zhǔn)，以1m為間隔依次降低上述模型中地下水位并運(yùn)算，求取土壤水變量ΔSWC、大氣降水量P、植被蒸發(fā)種地下水的量GWc、植被蒸騰量T、裸地蒸發(fā)量E、地下水從土壤中獲得補(bǔ)給量R等，帶入公式ΔSWC＝P+GWc-E-T-R即可獲取不同地下水位埋深條件下植被蒸騰所吸收水分中地下水的量GWc，當(dāng)該值為0cm時(shí)，地下水不再為植被蒸發(fā)提供水源，此時(shí)地下水位埋深即為礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾值。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的生態(tài)脆弱礦區(qū)植被約束下地下水位變化閾限的測(cè)定方法包括以下步驟：

S101：根據(jù)研究目的不同，確定研究植被種類并開展植被蓋度與地下水埋深關(guān)系調(diào)查；

S102：根據(jù)植被生長(zhǎng)指標(biāo)選定該類植被長(zhǎng)勢(shì)良好時(shí)對(duì)應(yīng)的地下水位埋深范圍；

S103：選定符合上述條件代表點(diǎn)建立野外原位監(jiān)測(cè)，包括研究植被的蒸騰量、氣象要素(降水量、氣溫、凈輻射和風(fēng)速)、土壤含水率和地下水位埋深；

S104：至少監(jiān)測(cè)一個(gè)生長(zhǎng)季，獲取相關(guān)參數(shù)；

S105：通過原位實(shí)驗(yàn)點(diǎn)地質(zhì)條件概化建立一維水流概念模型，設(shè)定模型的邊界條件；

S106：對(duì)原位實(shí)驗(yàn)點(diǎn)包氣帶土壤進(jìn)行顆分測(cè)試，進(jìn)一步獲取土壤參數(shù)初值輸入模型；

S107：運(yùn)行程序，將計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)的土壤含水率和植被蒸騰量進(jìn)行對(duì)比，修改原始參數(shù)重新計(jì)算，直至計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值相吻合；

S108：按礦區(qū)地下水位下降特征設(shè)定不同的地下水位埋深值并運(yùn)行上述模型，即可獲取地下水對(duì)植被需水貢獻(xiàn)值為0cm時(shí)地下水位埋深，即為該植被約束下地下水位變化閾限。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。

榆神礦區(qū)地處西北干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，地下水淺埋區(qū)植被與地下水關(guān)系密切。本區(qū)煤層開采在多數(shù)地區(qū)造成地下水位大幅下降，植被枯死。利用本發(fā)明方法給出旱柳生長(zhǎng)約束下地下水位下降幅度閾值，指導(dǎo)煤層開采規(guī)劃，具體步驟如下：

選定沙柳作為研究植被，通過實(shí)地調(diào)查，地下水位埋深0.5-3m時(shí)沙柳生長(zhǎng)良好；

選擇地下水位埋深1.5m左右的區(qū)域建立地下水變化與植被生長(zhǎng)原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)要素包括：氣象、植被蒸騰量、包氣帶土壤含水率及地下水動(dòng)態(tài)。采用自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)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(cè)，8個(gè)探頭分別包裹在沙柳灌叢8個(gè)不同方位的枝條上；采用TDR監(jiān)測(cè)包氣帶土壤含水率變化、采用地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀(Mini-Diver)監(jiān)測(cè)地下水水位。

監(jiān)測(cè)期間為：2013-5-20至2013-9-20。

植被生長(zhǎng)時(shí)土壤水分運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為根系吸水條件下垂向的水流運(yùn)動(dòng)，其水流運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：θ-含水率，cm³/cm；k-土壤非飽和滲透系cm/hr；S(h)-根系吸水函數(shù)，h為包氣帶土壤負(fù)壓，cm；t-時(shí)間(hr^-1)；z-距離(cm)，向上為正，原點(diǎn)選在地表。

根系吸水函數(shù)采用Feddes方程，即：

S(h)＝α(h)b(z)T_p；

式中：α(h)-水分脅迫函數(shù)；b(z)-根系分布函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)得出，T_p-植物潛在蒸騰速率，cm/hr。

根系分布函數(shù)b(z)通過實(shí)測(cè)獲?。?/p>

在植被主根周圍8個(gè)方向(見圖2)開挖長(zhǎng)5m的剖面取樣(樣品尺寸：高15cm，直徑10cm)，各剖面深度由地表至地下水面，垂向每15cm取樣一次，水平每10cm取樣一次。所取樣品編號(hào)后洗凈、稱重，測(cè)量長(zhǎng)度，統(tǒng)計(jì)直徑<2mm細(xì)根長(zhǎng)度，累計(jì)長(zhǎng)度除以樣品體積，即可獲得研究植被根系在垂向上的分布特征。

土壤體積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-包氣帶土壤負(fù)壓，cm；θs和θ_r–分別為土壤飽和含水率和殘余含水率，cm³/cm；α、n為與土壤水分特征曲線相關(guān)的參數(shù)m＝1-1/n。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的顆粒分析資料，求取土壤水的初始參數(shù)(表1)。

在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序，將計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)的土壤含水率和植被蒸騰量進(jìn)行對(duì)比擬合，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值相吻合，相對(duì)誤差值小于10％，不需要修改初始參數(shù)；

按礦區(qū)地下水位下降特征(圖3)設(shè)定不同的地下水位埋深值5m，6m，7m，8m，9m…，運(yùn)行上述數(shù)學(xué)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地下水位埋深215cm時(shí)地下水對(duì)植被需水貢獻(xiàn)率為0，當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥?15以后，此特征始終不變，說明該植被約束下礦區(qū)地下水位埋深閾值為215cm。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。