面向生態的礦區地下水位閾限研究

馬雄德，黃金廷，李吉祥，寧世雄

(1.長安大學 環境科學與工程學院，陜西 西安 710054; 2.長安大學 旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054; 3.中國地質調查局西安地質調查中心,陜西 西安 710054; 4.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054)

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

榆神礦區地處毛烏素沙漠南緣，屬于我國西北干旱半干旱地區，年降水量不足400 mm，僅能維持耐旱植物長期生存，植被稀疏，種類單調，生物量低。盡管降水量稀少，但廣泛分布的風積沙十分有利于大氣降水入滲，并在地形及水文地質條件的控制下，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期生長所需水分，因而需要吸收利用地下水[2-3],也屬于GDEs。在長期自然選擇中，為了能夠吸收各個深度上的水分，這類植被往往會形成兩個根系密度較高的分布區。一個處于淺層土壤中，可以吸收儲存在土壤中的大氣降水入滲的水分，另一個位于地下水最大毛細上升高度區附近，便于吸收利用地下水[4]。

研究發現，在潛水位處于一定范圍時，地下水會通過毛細作用改變根系層土壤的含水率，進而影響植被長勢、作物產量等。VIDELA MENSEGUE等[5](2015)發現，地下水位在1.5～2.0 m波動時，地下水對大豆生長需水的貢獻量大約為30%。BABAJIMOPOULOS等[6](2007)發現在野外條件下，玉米根系吸收的地下水達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，發現地下水位大于1 m時就需要灌溉來補充作物需水，灌溉量取決于作物根系(長度和密度)，這說明淺層地下水的毛細上升為生長季植被提供了所需水源[8]。因而地下水位降低時，勢必會抑制毛細上升對根系層土壤含水率的調節作用，對植被或作物產生不利影響[9]。

在榆神礦區東部開采區由于煤層較厚，埋藏淺，煤層開采過程中出現了地下水位下降的普遍問題[10-11]。地下水位下降后毛細上升不能到達植被根系層，從而引起了植被退化[12-13]。范立民等[10](2016)研究認為，1995—2014年，榆神府礦區有758.9 km2的區域地下水位下降超過8 m。這些礦區的煤層埋深普遍小于100 m，煤層開采后導水裂隙帶直接導通含水層，使地下水位發生劇烈變化。對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植被的涵養作用[14]，使生態安全遭受威脅，因而亟需建立礦區地下水位控制閾限。

因此我們定義面向生態的地下水位閾限的含義為,在地下水與植被關系密切的區域，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高度與植被根系長度之和，否則植被會遭受干旱脅迫。筆者建立了采用土壤顆粒級配曲線確定最大毛細高度模型，結合榆神礦區沙柳根系調查結果，計算確定了榆神礦區地下水位控制下限，為保水采煤技術提供了理論依據。

1 原理與方法

非飽和土中的毛細上升現象是指地下水向水位以上某一高度運動的物理現象，其作用力主要來自土粒之間氣-水交界面上表面張力產生的負孔隙水壓力。地下水的毛細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方程進行計算。對于等效直徑為d的毛細管，假定毛細水上升高度為hc，穩定之后，水柱產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。

于是毛細管中水的上升高度(即毛細上升高度)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)，可得到毛細上升高度與等效毛細管直徑的關系:

(3)

這說明充分靜止的非飽和土壤中毛細上升高度與等效毛細管直徑成反比關系。

一般情況下，土是由一系列粒徑不同的土顆粒，按照一定的級配和復雜的排列方式組成的，所以精確計算毛細管的直徑極其困難。為了獲得簡單易用的毛細上升高度計算解析公式，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上升高度的取值區間。

圖1 顆粒排列方式與孔隙直徑大小關系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系為

(5)

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

(6)

當然，土是由一定級配的土粒構成，不存在完全等粒的土體骨架，但可以將不同粒徑構成的連續的毛細水帶概化為不同直徑的管束。這樣，在平衡狀態下，不同直徑的毛細管具有不同的上升高度，直徑越小的毛細管中水上升的高度越大。PECK(1974)[15]認為毛細上升高度與粒徑累計曲線上累計含量為10%對應的粒徑(D10)成反比。LANE和WASHBURN(1964)[16]通過實測8種不同的土毛細上升高度，建立了毛細上升高度與D10之間的線性關系。這充分說明，10%的細粒直徑足夠描述最小連續毛細管的有效直徑[17]，因而能代表該土壤毛細上升高度的最大值。因此將式(6)轉化為

(7)

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

2 結 果

2.1 土壤顆粒級配

粒徑累計曲線的形狀決定了粒徑分布，也就是級配特性。筆者在榆神礦區選取了11個點采樣，采集了0～200 cm處土壤樣品，在實驗室進行顆粒分析。試樣的粗細程度和顆粒級配用篩分方法測定，用級配區表示砂的級配。篩分是用一套孔徑為0.5，0.25，0.075，0.005 mm的標準篩，將200 g干砂由粗到細依次過篩，稱量各篩上的篩余量(g)，計算各篩上的分計篩余率(%)，再計算累計篩余率(%)。為了便于分析，顆粒級配曲線橫坐標的篩孔尺寸采用對數，縱坐標的通過百分率為常坐標。11組實驗結果為:粒徑主要分布在0.075～0.250 mm，含量高達86.7%以上，粒徑分布較為集中。顆粒級配較為相近，差異性不大，級配曲線較陡，如圖2所示。由圖2可知，10%的細粒直徑(D10)為0.01 cm。

圖2 風積沙級配曲線Fig.2 Grading curve for aeolian sand

2.2 植被根系

在榆神礦區選擇5個地方開挖了樹齡在3～5 a的沙柳根系。沙柳根系長度最長1.3～2.4 m，平均2.2 m。在垂向上，沙柳根系密度出現了兩個高值區，第1個高值區位于地表下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分。第2個高值區位于地下水位以上20～40 cm，這允許沙柳通過毛細上升吸收利用地下水。柳琳秀[18](2015)也發現了類似的規律，說明沙柳生長與地下水關系密切[19]。

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

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上，就可以確定基于生態的水位控制閾值。由級配曲線確定10%的細粒直徑(D10)為0.01 cm，代入式(7)可得毛細上升高度的取值區間為0.7～2.0 m,沙柳根系長度按平均值取2.2 m,于是面向生態保護的礦區水位埋深閾值區間確定為2.9～4.2 m。由此可知，對于沙柳而言，煤層開采過程中水位埋深不能超過4.2 m這個閾限，否則會對植被生長造成不良影響。

3 討 論

3.1 毛細上升高度

采用前述采樣地采集的樣品進行了毛細上升高度試驗。將不同深度上取得的樣品晾干后過0.5 mm的篩去除雜質，按取樣順序裝入長200 cm內徑2 cm的厚壁玻璃管中，并固定在支架上，其下端插入水槽內(定水位)。當玻璃管中毛細水上升速率減小到0.2 cm/10 h(玻璃管上刻度的精確讀數為0.2 cm)，認為毛細高度達到了最大值，試驗結束。實驗結果表明，所測定的毛細上升最大高度范圍在66～116 cm，最大毛細高度為116 cm(圖2)。測定的毛細高度在式(7)預測取值區間內，但由于毛細上升高度除了與粒徑有關外，還與諸多因素相關，如空隙度、結構和水的特征，包括水溫，礦化度，黏滯度等，毛細高度最大值并沒有達到土壤顆粒按理想四面體形式排列所計算的2.0 m。

圖3 毛細上升高度隨時間變化曲線Fig.3 Capillary rise height over time

3.2 地下水位與植被水分脅迫

蒸散發會降低土壤水的勢能，使根系吸水變得更加困難。當土壤比較濕潤時，土壤水勢較高，容易被植物根系吸收。而較為干燥的土壤水勢較低，土壤水被束縛在顆粒周圍，很難被根系吸收。因而，當土壤水勢達到一定閾值時，植物會產生水分脅迫現象。植物遭受水分脅迫的程度采用水分脅迫系數(Ks)來表示：

(8)

式中，ETa為實際騰發量;Kc為作物系數;ETo為潛在騰發量。

采用文獻[12]建立的數學模型計算兩種情景下實際騰發量(ETa)，即天然水位(變化幅度在1.5～4.0 m)和固定水位(8.0 m)。模型中根系長度確定為2.0 m。潛在騰發量ETo采用修正的Penman-Monteith公式計算[22]。

圖4表達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，以天然水位作為計算情景時，除了2007年外，計算的不同年份干旱脅迫系數約等于1，說明在天然條件下植物不遭受干旱脅迫。當地下水位限定在8.0 m后，情況發生了顯著的變化。理論上地下水毛細上升最大2.0 m，模型中給定的植物根系長度2.0 m，因此，地下水對于植物需水基本沒有貢獻，這使干旱脅迫系數降低到0.2左右，植物遭受干旱脅迫，進而會出現病態的生理生化反應。

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

3.3 榆神礦區生態約束分區

對于依賴地下水的生態系統(GDEs)，植物是否能夠吸收利用地下水，除了與地下水位及毛細高度相關外，還與植被根系長度息息相關。物種不同，植物根系發育長度也不同，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。因此在區域上界定一個對所有植被都適用的水位控制閾限是不現實的，但是可以針對制定優勢植被制定水位控制閾值。

SCHENK和JACKSON(2002)[23]發現所有物種95%以上的根系都集中在2.0 m以淺的土壤中。ROMERO-SALTOS等(2005)[24]也通過示蹤試驗驗證了埋深2 m以外的根系幾乎不吸水。吳宏偉(2017)[25]通過木質部導管直徑確定的根系內部毛細上升高度最大值為1.86 m。因此，為了探討一般規律，將榆神礦區所有植被可能吸收利用地下水的根系長度界定為2.0 m。再加上最大毛細上升高度后，確定植被能夠吸收利用地下水的閾值為4.0 m。這與文獻[19]采用NDVI指數與地下水位疊加后建立的統計關系相符。

以2016年地下水流場基準，在ArcGIS軟件中圈定榆神礦區地下水位埋深小于4.0 m的區域，這是植被與地下水關系密切的區域，也是開采造成地下水位下降后會對植被產生干旱脅迫的區域，是礦區生態環境保護的重點(圖5)。

圖5 榆神礦區生態約束分區Fig.5 Distribution and regionalization of ecology restrict on coal mining

生態約束區主要位于禿尾河以西及榆溪河流域，植被與地下水關系密切，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，植被生長將會遭受干旱脅迫，進而會產生一系列生理響應[26]。

無約束區，地下水對植被生長所需水分的貢獻有限，在這些區域開采造成地下水位下降后，植被響應也有限。盡管如此，無約束區煤層開采如果造成了區域地下水位下降[27]，也會襲奪臨近流域的地下水，從而波及到生態約束區。

4 結 論

(1)在地下水與植被關系密切的區域，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高度與植被根系長度之和，否則植被會遭受干旱脅迫。文中建立了采用土壤顆粒級配曲線確定最大毛細高度模型，結合榆神礦區沙柳根系調查結果，計算確定了榆神礦區地下水位控制下限為4.2 m。

(2)由于毛細上升高度除了與粒徑有關外，還與諸多因素相關，如空隙度、結構和水的特征，包括水溫，礦化度，黏滯度等，實測的毛細高度最大值不能達到土壤顆粒按理想四面體形式排列所計算的2.0 m。但根據前人的研究，將植物根系長度進行概化后確定為2.0 m，由此確定地下水位埋深閾限為4.0 m是相對安全的。

(3)以地下水位埋深4.0 m為界，榆神礦區開采過程中存在生態約束的區域位于禿尾河以西及榆溪河流域。該區域地下水為埋深普遍小于4.0 m，地下水與植被關系密切，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域，依賴地下水的植被對煤層開采的限制較小。