植被对矿区地下水位变化响应研究
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Vegetation reຫໍສະໝຸດ Baiduponses to groundwater level change in mining area
MA Xiong-de1,2 ,FAN Li-min3 ,YAN Ge1,2 ,LI Wen-li3
(1. College of Environmental Science and Engineering,Chang’ an University,Xi’ an 710054,China;2. Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effects in Arid Region,Ministry of Education,Chang’ an University,Xi’ an 710054,China;3. Shaanxi Geological Environment Monitoring Station,Xi’ an 710054,China)
2 研究方法
2． 1 原位实验 实验的目的是通过监测天然状态下沙柳蒸腾量
的变化及同期气象要素和土壤水、地下水动态,建立 地下水变化与植被蒸腾量变化之间的关系,以此为基 础采用数值模拟分析矿区地下水位在下降过程中对 植被生长供水贡献率。
选择在长安大学与中国地调局西安地调中心共 建的水与生态关系实验站开展原位监测,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,选用一棵树龄在 7 ~ 10 a 的成年沙柳,8 个探头分布包裹在沙柳灌丛 8 个 不同方位的枝条上,采用 TDR 技术监测包气带土壤 含水率变化( 每 20 cm 安装一个探头,共 7 个) 、采用 地下水自动监测仪 ( Mini - Diver) 监测地 下 水 水 位。 数据采集全部为自动记录,每 10 s 记录 1 次。
上述关于矿区地下水变化与植被生长关系的研 究成果,都为定性描述地下水水位下降引起植被退化 的现象,关于矿区地下水位下降到什么程度会对植被 生长产生影响的定量研究尚未见报道。 本文通过原 位监测天然状态下沙柳蒸腾量的变化及同期气象要 素和土壤水、地下水动态,建立地下水变化与沙柳蒸 腾量变化之间的关系,采用数值模拟定量分析基于植 被生长的需水要求及榆神府矿区煤层开采过程中地 下水位控制阈值,为保水采煤技术的发展提供科学依 据。
第 42 卷第 1 期 2017 年 1 月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol. 42 No. 1 Jan. 2017
马雄德,范立民,严戈,等. 植被对矿区地下水位变化响应研究[ J] . 煤炭学报,2017,42 (1) :44 -49. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2016. 0733 Ma Xiongde,Fan Limin,Yan Ge,et al. Vegetation responses to groundwater level change in mining area[ J] . Journal of China Coal Society, 2017,42(1) :44-49. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2016. 0733
榆神府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[1] 。 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[2] 。 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[3-4] ,造成一系列生态环境问题[5-7] ,因此榆神府矿 区煤层开发中需要保护潜水位,以免植被大面积枯 萎[8-9] 。 地下水浅埋区地下水是植被蒸腾的重要水 源[10] ,地下水位保护的研究对维持湿生植被群落稳 定性具有十分重要的意义。
第1 期
马雄德等:植被对矿区地下水位变化响应研究
45
Key words:groundwater level;numerical simulation;water-preserved mining;Yushenfu coal mine area;phreatophytic transpiration
收稿日期:2016-10-15 修回日期:2016-11-29 责任编辑:张晓宁 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973) 资助项目(2013CB227901) ;陕西省科学技术推广计划资助项目(2011TG-01) 作者简介:马雄德(1978—) ,男,青海互助人,工程师。 E-mail:59759423@ qq． com
范立民较早较多地关注到榆神府矿区煤炭资源 丰富与水资源匮乏这一矛盾,指出榆神府矿区煤层浅 埋区开采会造成大范围地下水漏失、减少河流基流 量、破坏植被生态系统[11-13] 。 王力等[1] 研究榆神府 矿区煤层开采对地下水资源和植被的影响主要集中 在采动破坏含水层结构,降低地下水位,从而导致植 被得不到正常生长所需的水分,并提出应该采用同位 素等技术区分矿区植被生长所需水源,如土壤水和地 下水。 王文龙等[14] 认为神府矿区开采引起该区人工 栽种的沙蒿、沙柳大面积枯萎或死亡,本已固定了的 沙地又面临沙漠化的危险。 邹慧等[15] 通过实验发现 塌陷发育期由于蒸发和地下水位埋深增加,包气带土 壤水分会明显下降,并导致沙蒿株高和冠幅减小。 黄 金廷[10] 针对半干旱区植被蒸散与对地下水变化的互 馈关系,指出气象因素对植被生长起控制作用。
Abstract:It is universally acknowledged that phreatophytic transpiration changes sensitively with groundwater level declining. The present study tries to find the groundwater level decline threshold limited to the vulnerable ecological conditions at Yushen mine. The methods include in-situ test and numerical analysis,firstly an experimental base was constructed for collecting data,including meteorological factors,soil moisture,groundwater level and Salix psammophila transpiration,then a root water uptake model was derived to simulate the change of Salix psammophila transpiration during groundwater level declining. The results show that:Salix psammophila transpiration is strictly controlled by meteorological factors,there appears two extremums before and after 12 noon,and Salix psammophila transpiration changes more sharply with a shallow groundwater level. The contribution rate of groundwater to evapotranspiration declines with the groundwater depth goes deeper, which decrease from 100% to 0 with groundwater depth decreasing from 15 cm to 215 cm. Salix psammophila cannot utilize groundwater when the groundwater depth is more than 215 cm,that is the threshold of groundwater level decline limited to the vulnerable ecological conditions during coal mining in the study area. The results achieved above will enrich the coal mining technology at ecologically vulnerable coal mine.
根据 2014 年地下水位统测结果,榆神府矿区水 位埋深 小 于 5 m 的 区 域 主 要 分 布 在 沙 漠 区, 面 积 为 3 667． 0 km2 ,占矿区面积的 40． 9% ,其中尤以 1 ~ 3 m 水位埋深的区域最广;而水位埋深大于 8 m 的区 域主要分布在黄土粱峁区,面积 4 348． 0 km2 ,占矿区 面积的 48． 5% ,以水位埋深 8 ~ 15 m 居多。
本区植被可分为天然植被和人工植被两大类。 天然植被分布具有明显的水平分带性。 从黄土梁经 沙地、滩地到 湖 泊, 植 被 的 变 化 规 律 大 体 是: 典 型 草 原—沙生草原—草甸植被或盐 生 植 被 - 水 生 植 被。 在黄土丘陵地区分布的主要是旱生灌丛植被;在沙区 主要是沙生植被;在河谷、 湖盆洼地主要是滩地植 被( 如草甸植被、沼泽植被等) ,在气候、地形、地下水 等众多因素协同作用下苔草、沙蒿和沙柳构成本区的 优势植被[16] ,盖度可达 25% ~ 60% ,其中沙柳根系深 度最大 120 cm[17] ,这有益于分布在滩地和沙丘上的 沙柳吸收利用地下水。
1 研究区概况
榆神府矿区位于榆林市,包括榆阳区、神木县和
府谷县。 矿区地貌主要为黄土区和沙漠滩地区,中鸡 镇- 柠条塔 - 神木以西地区大多属于沙漠 滩 地 地 貌。 风沙滩地区内的的毛乌素沙漠和盖沙丘陵区,含水介 质为上更新统萨拉乌苏组细沙、 粉细沙, 厚度一般 60 ~ 80 m,局部达 140 m,含水层厚度大,地下水相对 丰富,尤其在芹河、榆溪河、圪求河、宫泊沟等古河槽 中心部分,含水层厚度可达 100 m 左右,单井出水量 在 1 000 ~ 2 500 m3 / d。
植被对矿区地下水位变化响应研究
马雄德1,2 ,范立民3 ,严 戈1,2 ,李文莉3
(1． 长安大学 环境科学与工程学院,陕西 西安 710054;2． 长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西 西安 710054;3． 陕西 省地质环境监测总站,陕西 西安 710054)
摘 要:依据地下水浅埋区植被蒸腾对地下水位变化十分敏感的特征,构建沙柳根系吸水条件下的 水流方程,分析生态脆弱矿区植生长对地下水位下降幅度的阈限。 通过原位监测获取气象要素、土 壤水、地下水与沙柳蒸腾量的动态变化规律,建立地下水变化与植被蒸散发关系数值仿真模型并对 模型进行求解,模拟沙柳蒸腾对煤炭开采区地下水位变化的响应。 研究发现:沙柳的日蒸腾量有受 气象要素控制的特点,并在正午 12 时前后出现 2 次极值,水位越浅变化越显著。 地下水对沙柳蒸 腾的贡献值随着地下水位埋深的增加而减少,当地下水位埋深 15 cm 时,贡献率为 100% ;地下水 埋深 215 cm 时, 贡 献 率 为 0。 在 地 下 水 浅 埋 区, 地 下 水 是 沙 柳 蒸 腾 的 主 要 水 源, 潜 水 埋 深 超 过 215 cm 后地下水不再对沙柳生长提供水源,这也是沙柳对煤层开采地下水位下降的阈限。 关键词:地下水位;数值模拟;保水采煤;榆神府矿区;植被蒸腾 中图分类号:TD823 文献标志码:A 文章编号:0253-9993(2017)01-0044-06
MA Xiong-de1,2 ,FAN Li-min3 ,YAN Ge1,2 ,LI Wen-li3
(1. College of Environmental Science and Engineering,Chang’ an University,Xi’ an 710054,China;2. Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effects in Arid Region,Ministry of Education,Chang’ an University,Xi’ an 710054,China;3. Shaanxi Geological Environment Monitoring Station,Xi’ an 710054,China)
2 研究方法
2． 1 原位实验 实验的目的是通过监测天然状态下沙柳蒸腾量
的变化及同期气象要素和土壤水、地下水动态,建立 地下水变化与植被蒸腾量变化之间的关系,以此为基 础采用数值模拟分析矿区地下水位在下降过程中对 植被生长供水贡献率。
选择在长安大学与中国地调局西安地调中心共 建的水与生态关系实验站开展原位监测,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,选用一棵树龄在 7 ~ 10 a 的成年沙柳,8 个探头分布包裹在沙柳灌丛 8 个 不同方位的枝条上,采用 TDR 技术监测包气带土壤 含水率变化( 每 20 cm 安装一个探头,共 7 个) 、采用 地下水自动监测仪 ( Mini - Diver) 监测地 下 水 水 位。 数据采集全部为自动记录,每 10 s 记录 1 次。
上述关于矿区地下水变化与植被生长关系的研 究成果,都为定性描述地下水水位下降引起植被退化 的现象,关于矿区地下水位下降到什么程度会对植被 生长产生影响的定量研究尚未见报道。 本文通过原 位监测天然状态下沙柳蒸腾量的变化及同期气象要 素和土壤水、地下水动态,建立地下水变化与沙柳蒸 腾量变化之间的关系,采用数值模拟定量分析基于植 被生长的需水要求及榆神府矿区煤层开采过程中地 下水位控制阈值,为保水采煤技术的发展提供科学依 据。
第 42 卷第 1 期 2017 年 1 月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol. 42 No. 1 Jan. 2017
马雄德,范立民,严戈,等. 植被对矿区地下水位变化响应研究[ J] . 煤炭学报,2017,42 (1) :44 -49. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2016. 0733 Ma Xiongde,Fan Limin,Yan Ge,et al. Vegetation responses to groundwater level change in mining area[ J] . Journal of China Coal Society, 2017,42(1) :44-49. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2016. 0733
榆神府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[1] 。 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[2] 。 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[3-4] ,造成一系列生态环境问题[5-7] ,因此榆神府矿 区煤层开发中需要保护潜水位,以免植被大面积枯 萎[8-9] 。 地下水浅埋区地下水是植被蒸腾的重要水 源[10] ,地下水位保护的研究对维持湿生植被群落稳 定性具有十分重要的意义。
第1 期
马雄德等:植被对矿区地下水位变化响应研究
45
Key words:groundwater level;numerical simulation;water-preserved mining;Yushenfu coal mine area;phreatophytic transpiration
收稿日期:2016-10-15 修回日期:2016-11-29 责任编辑:张晓宁 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973) 资助项目(2013CB227901) ;陕西省科学技术推广计划资助项目(2011TG-01) 作者简介:马雄德(1978—) ,男,青海互助人,工程师。 E-mail:59759423@ qq． com
范立民较早较多地关注到榆神府矿区煤炭资源 丰富与水资源匮乏这一矛盾,指出榆神府矿区煤层浅 埋区开采会造成大范围地下水漏失、减少河流基流 量、破坏植被生态系统[11-13] 。 王力等[1] 研究榆神府 矿区煤层开采对地下水资源和植被的影响主要集中 在采动破坏含水层结构,降低地下水位,从而导致植 被得不到正常生长所需的水分,并提出应该采用同位 素等技术区分矿区植被生长所需水源,如土壤水和地 下水。 王文龙等[14] 认为神府矿区开采引起该区人工 栽种的沙蒿、沙柳大面积枯萎或死亡,本已固定了的 沙地又面临沙漠化的危险。 邹慧等[15] 通过实验发现 塌陷发育期由于蒸发和地下水位埋深增加,包气带土 壤水分会明显下降,并导致沙蒿株高和冠幅减小。 黄 金廷[10] 针对半干旱区植被蒸散与对地下水变化的互 馈关系,指出气象因素对植被生长起控制作用。
Abstract:It is universally acknowledged that phreatophytic transpiration changes sensitively with groundwater level declining. The present study tries to find the groundwater level decline threshold limited to the vulnerable ecological conditions at Yushen mine. The methods include in-situ test and numerical analysis,firstly an experimental base was constructed for collecting data,including meteorological factors,soil moisture,groundwater level and Salix psammophila transpiration,then a root water uptake model was derived to simulate the change of Salix psammophila transpiration during groundwater level declining. The results show that:Salix psammophila transpiration is strictly controlled by meteorological factors,there appears two extremums before and after 12 noon,and Salix psammophila transpiration changes more sharply with a shallow groundwater level. The contribution rate of groundwater to evapotranspiration declines with the groundwater depth goes deeper, which decrease from 100% to 0 with groundwater depth decreasing from 15 cm to 215 cm. Salix psammophila cannot utilize groundwater when the groundwater depth is more than 215 cm,that is the threshold of groundwater level decline limited to the vulnerable ecological conditions during coal mining in the study area. The results achieved above will enrich the coal mining technology at ecologically vulnerable coal mine.
根据 2014 年地下水位统测结果,榆神府矿区水 位埋深 小 于 5 m 的 区 域 主 要 分 布 在 沙 漠 区, 面 积 为 3 667． 0 km2 ,占矿区面积的 40． 9% ,其中尤以 1 ~ 3 m 水位埋深的区域最广;而水位埋深大于 8 m 的区 域主要分布在黄土粱峁区,面积 4 348． 0 km2 ,占矿区 面积的 48． 5% ,以水位埋深 8 ~ 15 m 居多。
本区植被可分为天然植被和人工植被两大类。 天然植被分布具有明显的水平分带性。 从黄土梁经 沙地、滩地到 湖 泊, 植 被 的 变 化 规 律 大 体 是: 典 型 草 原—沙生草原—草甸植被或盐 生 植 被 - 水 生 植 被。 在黄土丘陵地区分布的主要是旱生灌丛植被;在沙区 主要是沙生植被;在河谷、 湖盆洼地主要是滩地植 被( 如草甸植被、沼泽植被等) ,在气候、地形、地下水 等众多因素协同作用下苔草、沙蒿和沙柳构成本区的 优势植被[16] ,盖度可达 25% ~ 60% ,其中沙柳根系深 度最大 120 cm[17] ,这有益于分布在滩地和沙丘上的 沙柳吸收利用地下水。
1 研究区概况
榆神府矿区位于榆林市,包括榆阳区、神木县和
府谷县。 矿区地貌主要为黄土区和沙漠滩地区,中鸡 镇- 柠条塔 - 神木以西地区大多属于沙漠 滩 地 地 貌。 风沙滩地区内的的毛乌素沙漠和盖沙丘陵区,含水介 质为上更新统萨拉乌苏组细沙、 粉细沙, 厚度一般 60 ~ 80 m,局部达 140 m,含水层厚度大,地下水相对 丰富,尤其在芹河、榆溪河、圪求河、宫泊沟等古河槽 中心部分,含水层厚度可达 100 m 左右,单井出水量 在 1 000 ~ 2 500 m3 / d。
植被对矿区地下水位变化响应研究
马雄德1,2 ,范立民3 ,严 戈1,2 ,李文莉3
(1． 长安大学 环境科学与工程学院,陕西 西安 710054;2． 长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西 西安 710054;3． 陕西 省地质环境监测总站,陕西 西安 710054)
摘 要:依据地下水浅埋区植被蒸腾对地下水位变化十分敏感的特征,构建沙柳根系吸水条件下的 水流方程,分析生态脆弱矿区植生长对地下水位下降幅度的阈限。 通过原位监测获取气象要素、土 壤水、地下水与沙柳蒸腾量的动态变化规律,建立地下水变化与植被蒸散发关系数值仿真模型并对 模型进行求解,模拟沙柳蒸腾对煤炭开采区地下水位变化的响应。 研究发现:沙柳的日蒸腾量有受 气象要素控制的特点,并在正午 12 时前后出现 2 次极值,水位越浅变化越显著。 地下水对沙柳蒸 腾的贡献值随着地下水位埋深的增加而减少,当地下水位埋深 15 cm 时,贡献率为 100% ;地下水 埋深 215 cm 时, 贡 献 率 为 0。 在 地 下 水 浅 埋 区, 地 下 水 是 沙 柳 蒸 腾 的 主 要 水 源, 潜 水 埋 深 超 过 215 cm 后地下水不再对沙柳生长提供水源,这也是沙柳对煤层开采地下水位下降的阈限。 关键词:地下水位;数值模拟;保水采煤;榆神府矿区;植被蒸腾 中图分类号:TD823 文献标志码:A 文章编号:0253-9993(2017)01-0044-06