面向生態(tài)的礦區(qū)地下水位閾限研究

馬雄德，黃金廷，李吉祥，寧世雄

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710054; 4.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

長(zhǎng)期以來，人們非常關(guān)注濕地或河岸帶地下水與植被生長(zhǎng)之間的關(guān)系，而忽略了在干旱環(huán)境中也存在植被依賴地下水的情況。在地下水淺埋區(qū)，地下水為植被生態(tài)系統(tǒng)提供生長(zhǎng)所需的部分或全部水源，物種組成和自然生態(tài)過程主要由地下水控制，因而被稱作依賴地下水的生態(tài)系統(tǒng)(GDEs)[1]。

榆神礦區(qū)地處毛烏素沙漠南緣，屬于我國(guó)西北干旱半干旱地區(qū)，年降水量不足400 mm，僅能維持耐旱植物長(zhǎng)期生存，植被稀疏，種類單調(diào)，生物量低。盡管降水量稀少，但廣泛分布的風(fēng)積沙十分有利于大氣降水入滲，并在地形及水文地質(zhì)條件的控制下，緩慢向毛烏素沙地東南緣徑流，使沙漠灘地區(qū)地下水埋藏較淺，常分布一些河岸帶植被和濕地植被。由于降水量不能滿足這些植物長(zhǎng)期生長(zhǎng)所需水分，因而需要吸收利用地下水[2-3],也屬于GDEs。在長(zhǎng)期自然選擇中，為了能夠吸收各個(gè)深度上的水分，這類植被往往會(huì)形成兩個(gè)根系密度較高的分布區(qū)。一個(gè)處于淺層土壤中，可以吸收儲(chǔ)存在土壤中的大氣降水入滲的水分，另一個(gè)位于地下水最大毛細(xì)上升高度區(qū)附近，便于吸收利用地下水[4]。

研究發(fā)現(xiàn)，在潛水位處于一定范圍時(shí)，地下水會(huì)通過毛細(xì)作用改變根系層土壤的含水率，進(jìn)而影響植被長(zhǎng)勢(shì)、作物產(chǎn)量等。VIDELA MENSEGUE等[5](2015)發(fā)現(xiàn)，地下水位在1.5～2.0 m波動(dòng)時(shí)，地下水對(duì)大豆生長(zhǎng)需水的貢獻(xiàn)量大約為30%。BABAJIMOPOULOS等[6](2007)發(fā)現(xiàn)在野外條件下，玉米根系吸收的地下水達(dá)3.6 mm/d，占總蒸騰量的18%。HURST 等[7](2004)分析了甘蔗作物吸收利用地下水的特征，發(fā)現(xiàn)地下水位大于1 m時(shí)就需要灌溉來補(bǔ)充作物需水，灌溉量取決于作物根系(長(zhǎng)度和密度)，這說明淺層地下水的毛細(xì)上升為生長(zhǎng)季植被提供了所需水源[8]。因而地下水位降低時(shí)，勢(shì)必會(huì)抑制毛細(xì)上升對(duì)根系層土壤含水率的調(diào)節(jié)作用，對(duì)植被或作物產(chǎn)生不利影響[9]。

在榆神礦區(qū)東部開采區(qū)由于煤層較厚，埋藏淺，煤層開采過程中出現(xiàn)了地下水位下降的普遍問題[10-11]。地下水位下降后毛細(xì)上升不能到達(dá)植被根系層，從而引起了植被退化[12-13]。范立民等[10](2016)研究認(rèn)為，1995—2014年，榆神府礦區(qū)有758.9 km2的區(qū)域地下水位下降超過8 m。這些礦區(qū)的煤層埋深普遍小于100 m，煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶直接導(dǎo)通含水層，使地下水位發(fā)生劇烈變化。對(duì)于濕生植被和中生植被而言，開采造成的水位下降極大地減弱了地下水對(duì)植被的涵養(yǎng)作用[14]，使生態(tài)安全遭受威脅，因而亟需建立礦區(qū)地下水位控制閾限。

因此我們定義面向生態(tài)的地下水位閾限的含義為,在地下水與植被關(guān)系密切的區(qū)域，煤層開采引起地下水位下降，其埋深不宜超過地下水的最大毛細(xì)高度與植被根系長(zhǎng)度之和，否則植被會(huì)遭受干旱脅迫。筆者建立了采用土壤顆粒級(jí)配曲線確定最大毛細(xì)高度模型，結(jié)合榆神礦區(qū)沙柳根系調(diào)查結(jié)果，計(jì)算確定了榆神礦區(qū)地下水位控制下限，為保水采煤技術(shù)提供了理論依據(jù)。

1 原理與方法

非飽和土中的毛細(xì)上升現(xiàn)象是指地下水向水位以上某一高度運(yùn)動(dòng)的物理現(xiàn)象，其作用力主要來自土粒之間氣-水交界面上表面張力產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力。地下水的毛細(xì)上升高度估算一般是將土壤顆粒等效成一系列毛管束，采用Young-Laplace方程進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于等效直徑為d的毛細(xì)管，假定毛細(xì)水上升高度為hc，穩(wěn)定之后，水柱產(chǎn)生的重力與作用在彎液面周圍的表面張力Ts的垂直投影建立垂向力平衡方程，可得到

(1)

式中，ρw為水的密度;g為重力加速度;α為接觸角。

于是毛細(xì)管中水的上升高度(即毛細(xì)上升高度)可表示為

(2)

在常溫下(20 ℃)，水的密度ρw=1 g/cm3，重力加速度g=980 cm/s2，表面張力Ts=72.75 mN/m[14]，假定水充分浸濕砂粒表面，接觸角α=0。代入式(2)，可得到毛細(xì)上升高度與等效毛細(xì)管直徑的關(guān)系:

(3)

這說明充分靜止的非飽和土壤中毛細(xì)上升高度與等效毛細(xì)管直徑成反比關(guān)系。

一般情況下，土是由一系列粒徑不同的土顆粒，按照一定的級(jí)配和復(fù)雜的排列方式組成的，所以精確計(jì)算毛細(xì)管的直徑極其困難。為了獲得簡(jiǎn)單易用的毛細(xì)上升高度計(jì)算解析公式，可以假定土壤骨架由一系列等徑球狀顆粒組成，則有2種理想的土顆粒排列形式，即立方體排列和四面體排列(圖1)。相對(duì)而言，立方體形式排列的土顆粒最為松散，具有較大的孔隙直徑(dsc)，而四面體形式排列的土顆粒最為緊密，具有較小的孔隙直徑(dth)，由此可以分別估算出土粒不同組合方式下毛細(xì)上升高度的取值區(qū)間。

圖1 顆粒排列方式與孔隙直徑大小關(guān)系Fig.1 Relationship curve between particle arrangement and pore diameter

圖1(a)所示的立方體形式排列的土顆粒直徑與最小孔隙直徑的關(guān)系為

(4)

圖1(b)所示的四面體形式排列的土顆粒直徑與最小孔隙直徑的關(guān)系為

(5)

在自然界，由顆粒組成的骨架不可能有這樣規(guī)則的排列形式，式(4)和式(5)大致上構(gòu)成了孔隙直徑的一個(gè)參考區(qū)間。將式(4),(5)分別代入式(3)，則可得到理想化土體內(nèi)毛細(xì)上升高度的閾值區(qū)間:

(6)

當(dāng)然，土是由一定級(jí)配的土粒構(gòu)成，不存在完全等粒的土體骨架，但可以將不同粒徑構(gòu)成的連續(xù)的毛細(xì)水帶概化為不同直徑的管束。這樣，在平衡狀態(tài)下，不同直徑的毛細(xì)管具有不同的上升高度，直徑越小的毛細(xì)管中水上升的高度越大。PECK(1974)[15]認(rèn)為毛細(xì)上升高度與粒徑累計(jì)曲線上累計(jì)含量為10%對(duì)應(yīng)的粒徑(D10)成反比。LANE和WASHBURN(1964)[16]通過實(shí)測(cè)8種不同的土毛細(xì)上升高度，建立了毛細(xì)上升高度與D10之間的線性關(guān)系。這充分說明，10%的細(xì)粒直徑足夠描述最小連續(xù)毛細(xì)管的有效直徑[17]，因而能代表該土壤毛細(xì)上升高度的最大值。因此將式(6)轉(zhuǎn)化為

(7)

由式(7)可知，在確定了土中累計(jì)含量為10%的細(xì)粒直徑后，便可獲得在分選程度、顆粒排列、形狀等因素影響下的毛細(xì)上升高度的取值范圍。再加上根系分布長(zhǎng)度，即可確定基于生態(tài)安全的水位下限值。

2 結(jié) 果

2.1 土壤顆粒級(jí)配

粒徑累計(jì)曲線的形狀決定了粒徑分布，也就是級(jí)配特性。筆者在榆神礦區(qū)選取了11個(gè)點(diǎn)采樣，采集了0～200 cm處土壤樣品，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行顆粒分析。試樣的粗細(xì)程度和顆粒級(jí)配用篩分方法測(cè)定，用級(jí)配區(qū)表示砂的級(jí)配。篩分是用一套孔徑為0.5，0.25，0.075，0.005 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，將200 g干砂由粗到細(xì)依次過篩，稱量各篩上的篩余量(g)，計(jì)算各篩上的分計(jì)篩余率(%)，再計(jì)算累計(jì)篩余率(%)。為了便于分析，顆粒級(jí)配曲線橫坐標(biāo)的篩孔尺寸采用對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)的通過百分率為常坐標(biāo)。11組實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:粒徑主要分布在0.075～0.250 mm，含量高達(dá)86.7%以上，粒徑分布較為集中。顆粒級(jí)配較為相近，差異性不大，級(jí)配曲線較陡，如圖2所示。由圖2可知，10%的細(xì)粒直徑(D10)為0.01 cm。

圖2 風(fēng)積沙級(jí)配曲線Fig.2 Grading curve for aeolian sand

2.2 植被根系

在榆神礦區(qū)選擇5個(gè)地方開挖了樹齡在3～5 a的沙柳根系。沙柳根系長(zhǎng)度最長(zhǎng)1.3～2.4 m，平均2.2 m。在垂向上，沙柳根系密度出現(xiàn)了兩個(gè)高值區(qū)，第1個(gè)高值區(qū)位于地表下0～35 cm，這使沙柳能夠最大限度地吸收降水入滲后的土壤水及養(yǎng)分。第2個(gè)高值區(qū)位于地下水位以上20～40 cm，這允許沙柳通過毛細(xì)上升吸收利用地下水。柳琳秀[18](2015)也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，說明沙柳生長(zhǎng)與地下水關(guān)系密切[19]。

為了能夠吸收不同深度上的水分，旱區(qū)的深根植物一般會(huì)發(fā)展出特殊的根系系統(tǒng)。在特定區(qū)域要么根系密度非常大，要么根系水力傳導(dǎo)率較高，其作用和不同環(huán)境條中水分利用率的提高是分不開的。在實(shí)驗(yàn)室條件[20]和野外條件下[21]，地下水位以上根系密度增加這一現(xiàn)象都可以觀察到，因此地下水對(duì)植被水分的供應(yīng)是不可忽視的。

2.3 水位閾限

采用前文所提出的式(7)，在獲得土壤顆分的基礎(chǔ)上，就可以確定基于生態(tài)的水位控制閾值。由級(jí)配曲線確定10%的細(xì)粒直徑(D10)為0.01 cm，代入式(7)可得毛細(xì)上升高度的取值區(qū)間為0.7～2.0 m,沙柳根系長(zhǎng)度按平均值取2.2 m,于是面向生態(tài)保護(hù)的礦區(qū)水位埋深閾值區(qū)間確定為2.9～4.2 m。由此可知，對(duì)于沙柳而言，煤層開采過程中水位埋深不能超過4.2 m這個(gè)閾限，否則會(huì)對(duì)植被生長(zhǎng)造成不良影響。

3 討 論

3.1 毛細(xì)上升高度

采用前述采樣地采集的樣品進(jìn)行了毛細(xì)上升高度試驗(yàn)。將不同深度上取得的樣品晾干后過0.5 mm的篩去除雜質(zhì)，按取樣順序裝入長(zhǎng)200 cm內(nèi)徑2 cm的厚壁玻璃管中，并固定在支架上，其下端插入水槽內(nèi)(定水位)。當(dāng)玻璃管中毛細(xì)水上升速率減小到0.2 cm/10 h(玻璃管上刻度的精確讀數(shù)為0.2 cm)，認(rèn)為毛細(xì)高度達(dá)到了最大值，試驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所測(cè)定的毛細(xì)上升最大高度范圍在66～116 cm，最大毛細(xì)高度為116 cm(圖2)。測(cè)定的毛細(xì)高度在式(7)預(yù)測(cè)取值區(qū)間內(nèi)，但由于毛細(xì)上升高度除了與粒徑有關(guān)外，還與諸多因素相關(guān)，如空隙度、結(jié)構(gòu)和水的特征，包括水溫，礦化度，黏滯度等，毛細(xì)高度最大值并沒有達(dá)到土壤顆粒按理想四面體形式排列所計(jì)算的2.0 m。

圖3 毛細(xì)上升高度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Capillary rise height over time

3.2 地下水位與植被水分脅迫

蒸散發(fā)會(huì)降低土壤水的勢(shì)能，使根系吸水變得更加困難。當(dāng)土壤比較濕潤(rùn)時(shí)，土壤水勢(shì)較高，容易被植物根系吸收。而較為干燥的土壤水勢(shì)較低，土壤水被束縛在顆粒周圍，很難被根系吸收。因而，當(dāng)土壤水勢(shì)達(dá)到一定閾值時(shí)，植物會(huì)產(chǎn)生水分脅迫現(xiàn)象。植物遭受水分脅迫的程度采用水分脅迫系數(shù)(Ks)來表示：

(8)

式中，ETa為實(shí)際騰發(fā)量;Kc為作物系數(shù);ETo為潛在騰發(fā)量。

采用文獻(xiàn)[12]建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算兩種情景下實(shí)際騰發(fā)量(ETa)，即天然水位(變化幅度在1.5～4.0 m)和固定水位(8.0 m)。模型中根系長(zhǎng)度確定為2.0 m。潛在騰發(fā)量ETo采用修正的Penman-Monteith公式計(jì)算[22]。

圖4表達(dá)了不同水位條件下植物遭受干旱脅迫的程度。從圖4可以看出，以天然水位作為計(jì)算情景時(shí)，除了2007年外，計(jì)算的不同年份干旱脅迫系數(shù)約等于1，說明在天然條件下植物不遭受干旱脅迫。當(dāng)?shù)叵滤幌薅ㄔ?.0 m后，情況發(fā)生了顯著的變化。理論上地下水毛細(xì)上升最大2.0 m，模型中給定的植物根系長(zhǎng)度2.0 m，因此，地下水對(duì)于植物需水基本沒有貢獻(xiàn)，這使干旱脅迫系數(shù)降低到0.2左右，植物遭受干旱脅迫，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)病態(tài)的生理生化反應(yīng)。

圖4 不同水位下水分脅迫變化規(guī)律Fig.4 Variation of water stress at different water levels

3.3 榆神礦區(qū)生態(tài)約束分區(qū)

對(duì)于依賴地下水的生態(tài)系統(tǒng)(GDEs)，植物是否能夠吸收利用地下水，除了與地下水位及毛細(xì)高度相關(guān)外，還與植被根系長(zhǎng)度息息相關(guān)。物種不同，植物根系發(fā)育長(zhǎng)度也不同，淺根植物需要更高的潛水位，而深根植物則可以提升更深的地下水。因此在區(qū)域上界定一個(gè)對(duì)所有植被都適用的水位控制閾限是不現(xiàn)實(shí)的，但是可以針對(duì)制定優(yōu)勢(shì)植被制定水位控制閾值。

SCHENK和JACKSON(2002)[23]發(fā)現(xiàn)所有物種95%以上的根系都集中在2.0 m以淺的土壤中。ROMERO-SALTOS等(2005)[24]也通過示蹤試驗(yàn)驗(yàn)證了埋深2 m以外的根系幾乎不吸水。吳宏偉(2017)[25]通過木質(zhì)部導(dǎo)管直徑確定的根系內(nèi)部毛細(xì)上升高度最大值為1.86 m。因此，為了探討一般規(guī)律，將榆神礦區(qū)所有植被可能吸收利用地下水的根系長(zhǎng)度界定為2.0 m。再加上最大毛細(xì)上升高度后，確定植被能夠吸收利用地下水的閾值為4.0 m。這與文獻(xiàn)[19]采用NDVI指數(shù)與地下水位疊加后建立的統(tǒng)計(jì)關(guān)系相符。

以2016年地下水流場(chǎng)基準(zhǔn)，在ArcGIS軟件中圈定榆神礦區(qū)地下水位埋深小于4.0 m的區(qū)域，這是植被與地下水關(guān)系密切的區(qū)域，也是開采造成地下水位下降后會(huì)對(duì)植被產(chǎn)生干旱脅迫的區(qū)域，是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)(圖5)。

圖5 榆神礦區(qū)生態(tài)約束分區(qū)Fig.5 Distribution and regionalization of ecology restrict on coal mining

生態(tài)約束區(qū)主要位于禿尾河以西及榆溪河流域，植被與地下水關(guān)系密切，是典型的GDEs。在煤層開采過程中，如果地下水位埋深下降超過4 m，植被生長(zhǎng)將會(huì)遭受干旱脅迫，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生一系列生理響應(yīng)[26]。

無約束區(qū)，地下水對(duì)植被生長(zhǎng)所需水分的貢獻(xiàn)有限，在這些區(qū)域開采造成地下水位下降后，植被響應(yīng)也有限。盡管如此，無約束區(qū)煤層開采如果造成了區(qū)域地下水位下降[27]，也會(huì)襲奪臨近流域的地下水，從而波及到生態(tài)約束區(qū)。

4 結(jié) 論

(1)在地下水與植被關(guān)系密切的區(qū)域，煤層開采引起地下水位下降，其埋深不宜超過地下水的最大毛細(xì)高度與植被根系長(zhǎng)度之和，否則植被會(huì)遭受干旱脅迫。文中建立了采用土壤顆粒級(jí)配曲線確定最大毛細(xì)高度模型，結(jié)合榆神礦區(qū)沙柳根系調(diào)查結(jié)果，計(jì)算確定了榆神礦區(qū)地下水位控制下限為4.2 m。

(2)由于毛細(xì)上升高度除了與粒徑有關(guān)外，還與諸多因素相關(guān)，如空隙度、結(jié)構(gòu)和水的特征，包括水溫，礦化度，黏滯度等，實(shí)測(cè)的毛細(xì)高度最大值不能達(dá)到土壤顆粒按理想四面體形式排列所計(jì)算的2.0 m。但根據(jù)前人的研究，將植物根系長(zhǎng)度進(jìn)行概化后確定為2.0 m，由此確定地下水位埋深閾限為4.0 m是相對(duì)安全的。

(3)以地下水位埋深4.0 m為界，榆神礦區(qū)開采過程中存在生態(tài)約束的區(qū)域位于禿尾河以西及榆溪河流域。該區(qū)域地下水為埋深普遍小于4.0 m，地下水與植被關(guān)系密切，在后期開采中要控制地下水位下降幅度。禿尾河左岸的廣大區(qū)域，依賴地下水的植被對(duì)煤層開采的限制較小。