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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(3)
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摘要：2.3 大气模型 大气模型为土壤与植被模型的式(4)提供上边界条件，包括表示能量限制的潜在蒸发Ep、蒸腾Tp，以及表示水量限制的大气降水P。其中，P由气象
2.3 大气模型
大气模型为土壤与植被模型的式(4)提供上边界条件，包括表示能量限制的潜在蒸发Ep、蒸腾Tp，以及表示水量限制的大气降水P。其中，P由气象资料获得，潜在蒸发蒸腾ETp(即Ep+Tp)的估算可以基于陆面能量平衡与湍流通量转换关系，如采用Penman-Monteith方法、Kimberly-Penman方法、Priestley-Taylor方法[30]。
目前，利用Penman-Monteith方法估算ETp的应用较为广泛，其标准主要有2种： 联合国粮农组织(FAO)提出的FAO No.56[31]和美国土木工程师协会(ASCE)提出的ASCE Manual70[32]。2种标准均采用2步法(如图4所示)： 首先根据日辐射、温湿度、风速等数据计算标准化潜在蒸发蒸腾量ETsz； 再根据植物生长特性、密集程度、灌溉条件、气候状况等因素计算作物系数Kc在各生长阶段的曲线，根据式(11)计算植物潜在蒸发蒸腾量ETp。
。
图4 大气模型计算流程图Fig. 4 Flowchart of atmosphere model calculation
在获得ETp后，将其划分为植物潜在蒸腾Tp和土壤潜在蒸发Ep，可以根据植物冠层对光照的阻截比例划分，利用基于比尔-郎伯光吸收定律(式(12))进行描述。
式中：k为消光系数，与太阳角度、植被分布、叶面特征有关，经验值取0.50～0.75； LAI为叶面积指数，可由田间测量或遥感反演方式获得。
2.4 地下水渗流模型
地下水渗流模型为土壤与植被模型的式(3)提供下边界条件，可以由实测数据或数值计算获得地下水位分布。渗流控制方程如式(13)所示，其定解条件如式(14)所示。
·(KH)。
式中：μs为储水系数；H为水头；K为非均质含水层的渗透系数(饱和导水率)；H0为初始地下水分布；B1、B2分别为第1类和第2类边界；Hfixed(t)为B1上已知的水头函数；q(t)为B2上渗流速度函数。
3 工程应用
3.1 工程与环境概况
明堂山隧道是岳武高速(安徽岳西至湖北武汉)上的特长隧道，位于大别山腹地，隧道轴线方向为266°～272°，隧道左线全长为7 548 m，右线全长为7 531 m，最大埋深约为548 m，最小埋深为322 m，平均埋深为435 m。隧址区附近地形为东西向悬崖组成的凹谷，地形变化可分为3台阶： 较低(海拔低于300 m)、中等(海拔300～800 m)、较高(海拔800 m以上)。隧址区附近地质情况为第四纪覆盖层较薄且有机质含量高，全风化层较厚，含水层破碎严重，下伏基岩主要为中等风化的花岗岩和片麻岩，发育有3条主要断裂带。
明堂山地区气候为亚热带湿润气候，年平均降水量为1 452.2 mm(1976—2004年)，年平均温度为14.5 ℃(1957—2004年)。植物生态影响研究区域为隧址区附近约180 km2的流域范围，该范围内主要植被类型为杉木、毛竹、马尾松、黄山松、灌木林以及农作物，农作物包括水稻、玉米、茶叶等，隧道与高速公路连接处分布的农田主要为水稻田。钻探结果表明，表土主要为粉土、粉质黏土和软塑性黏土，厚度为0.5～2.1 m，土壤母质由全风化片麻岩和较薄粉质黏土层的残余黏土矿物组成，表土厚度可达20 m。隧道工程与环境参数见表1和表2。
表1 隧道工程参数Table 1 Tunnel parameters类型长度/m路基宽度/m埋深/m轴线方向/(°)坡度/%设计高程/m分离式公路隧道7 548(左线)7 531(右线)24.5322～548(平均435)266～(进口)459(出口)
表2 环境参数Table 2 Environmental parameters气候年均降水量/mm年均蒸发量/mm年均温度/℃优势物种地表高程/m主要岩性北亚热带季风湿润气候1 452.2(春夏季占70%) 1 (-15.2～39.4) 杉木、马尾松、毛竹、农作物404.3～1 002.5(隧道中线)花岗岩、片麻岩
3.2 分析过程
土壤与植被模型在Hydrus 1D中利用有限单元法求解一维Richards方程获得根系区土壤水基质势分布。
大气模型的植物潜在蒸发蒸腾量ETp在Python中编程计算，采用ASCE Manual70推荐的日时间尺度草地型亚热带植物公式计算标准潜在蒸发蒸腾量ETsz，作物系数Kc按照FAO 56推荐的四生长阶段线性插值方法确定。
地下水渗流模型在Modflow中利用有限差分法求解三维渗流方程获得地下水位分布，对隧道附近长12 km、宽15 km的区域进行分析，通过网格尺寸的变化反映从隧道到流域的尺度变化，在隧道表面设置排水节点模拟隧道内部的零压力和排水条件[2]。
3.3 分析工况
选取隧道附近杉木林和水稻田分析隧道建设对该位置附近植物的生态影响。地下水渗流模型数值模拟[2]与现场监测结果表明，明堂山隧道开挖排水后，该位置附近地下水位由地面以下1.2 m下降至15 m，随后地下水位逐渐补给恢复，并稳定在地面以下7.5 m。
文章来源：《灌溉排水学报》 网址: http://www.ggpsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0322/644.html