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隧道排水诱发地下水位下降对地表植被影响的分(2)
作者:网站采编关键词:
摘要：1.3 植被生态危险状态判据 当根系—土界面上某点的基质势下降到永久凋萎点hw时，根系将无法继续从该点处获取水分，因此可以用hw来代表根系的生态危险
1.3 植被生态危险状态判据
当根系—土界面上某点的基质势下降到永久凋萎点hw时，根系将无法继续从该点处获取水分，因此可以用hw来代表根系的生态危险状态，表述为植物生态危险状态判断准则1(局部判据)： 根系附近任意位置土壤水基质势低于hw，该处根系进入生态危险状态。
hw实际上反映了植物蒸腾的临界水势，但植物并不会因为根系区某一点达到hw而整体进入生态危险状态。试验表明，植物根系部分干燥时，蒸腾作用虽然被抑制[26]，但植被仍能正常存活。
当地下水位降低后，植物根系区基质势分布会逐步变化，达到hw的根系区域也逐渐扩大，即根系会动态凋萎。随着根系凋萎区域的扩展，植被整体的生态危险程度逐步加深，最终造成不可逆的枯死，其临界状态对一维根系可表示为
[19]。
式中：Lw为根系—土界面上土壤水基质势达到hw的根系长度，简称根系凋萎长度；Lt为根系总长度；Le为有效根系深度，表示植物获取大部分水分的根区部分。
上部为隧道排水引起地下水位降低后，根系附近毛细水连接断开；中部为土壤水分消耗后水势的变化(θvfc为田间持水量，θw为永久凋萎含水量)；下部为隧道排水前后，植物根系的动态凋萎(Wf为湿润锋深度)。图2 地下水位下降对土壤水基质势的影响Fig. 2 Influence of groundwater decline on soil water matric potential
满足式(2)的状态即为植物整体的生态危险状态，表述为植物生态危险状态判断准则2(整体判据)：当植物一定比例长度的根系进入生态危险状态时，植物整体即进入生态危险状态。
2 植被影响分析的TSPAC模型
2.1 TSPAC模型简介
如图1所示，SPAC系统中的水分运移包括表土内的包气带渗流、土壤-植物间的根系吸水、植物-大气间的叶面蒸腾、土壤-大气间的土壤蒸发与大气降水等过程[27]。传统的SPAC模型将地下水视作整个系统的下部边界，对地下水系统内部的渗流场变化描述较少，没有考虑地下工程建设对地下水渗流场、地下水位的影响，因而，传统的SPAC模型难以刻画隧道排水对地表植被的影响。
本文基于SPAC系统建立了隧道-土壤-植被-大气连续体(tunnel-soil-plant-atmosphere continuum, TSPAC)模型，在SPAC系统水分运移过程的基础上进一步考虑隧道-地下水渗流场、地下水-包气带间的水分运移。TSPAC模型包含3个子模型： 大气模型、土壤与植被模型、地下水渗流模型。与传统SPAC模型的不同之处在于： TSPAC模型在SPAC系统中引入地下水渗流模型，通过地下水渗流模型分析隧道排水引起的地下水位变化情况，随后将观测点处变化的地下水位输入一维非饱和渗流模型(土壤与植被模型)中作为可变水头的下边界条件。结合大气模型施加的代表地表能量和水分限制的上边界条件，土壤与植被模型通过求解Richards方程得到根系区域土壤水势变化，反映植物的动态凋萎过程，并依据植被生态危险状态判据判断其生态状态。TSPAC分析模型各部分的耦合方法和分析流程如图3所示。
2.2 土壤与植被模型
植物生态影响指标与其危险状态判断均基于土壤水基质势，因此，分析的核心在于计算根系区基质势h的分布。利用式(3)的Richards方程可以对非饱和土壤渗流进行描述。
=·[K(h)(h+z)]-S。
式中：θ为土壤体积含水量；t为时间；K(h)为非饱和导水率；h为土壤水基质势；z为距离重力势基准面高度；S为源汇项。
为求解式(3)，需要建立θ-h、K-h、S-h之间的关系。利用Mualem-Van Genuchten模型来描述θ-h、K-h的关系，如式(4)—(6)所示。
式(4)—(6)中：θr、θs分别为残余含水量和饱和含水量；Ks为饱和导水率；Se为有效饱和度；l为孔隙连通参数，对于大多数土层可以设置为0.5；α、n为滞水曲线θ-h的形状参数；m为土壤吸湿、脱湿曲线的关系，m=1-1/n(n>1)[28]。
图3 隧道建设对植被影响的TSPAC模型耦合方法与分析流程Fig. 3 Coupling method and flowchart of TSPAC model for evaluating impact of tunnel construction on vegetation
利用Feddes模型[29]描述根系吸水S-h关系，如式(7)—(10)所示。
。
式(7)—(10)中：α(h)为水分胁迫响应函数；Sp(z)为根系潜在吸水速率；hw