隧道排水诱发地下水位下降对地表植被影响的分(4)

为探究地下水位变化、大气条件与土质对植物生存状态的影响，分别对分层土和等效均质土分析以下工况：

1)隧道排水前，地下水位保持初始状态1.2 m时，上边界为大气边界；

2)隧道排水后，地下水位保持稳定水位7.5 m时，上边界为大气边界；

3)、4)地下水位分别以较快速度(46 cm/d)、较慢速度(30 cm/d)从初始水位1.2 m处下降至最低水位15 m，上边界取为均匀分布的Ep、Tp、P定通量边界。

3.4 模型参数

3.4.1 土壤与植被模型参数

分别取上层1.2 m和7.5 m的一维土柱作为土壤与植被模型分析区域，土壤水分关系采用Mualem-Van Genuchten模型(包含-2 cm进气值)，不考虑吸湿、脱湿滞后性，土层与土壤水分特征参数如表3所示。

表3 土层与土壤水分特征参数Table 3 Parameter values of soil and soil water characteristic土类深度/cmθsθrαnKs/(cm/d)黏壤土① 0～黏土①50～～1 粉质黏土①150～粉质黏壤土①,②0～1 注： ①为Mualem-Van Genuchten模型的典型值[33]； ②为等效饱和导水率均质土层。

15 m土层断面的垂向等效饱和导水率为2.189 cm/d，接近粉质黏壤土的平均值，因此，以粉质黏壤土建立均质土层模型与实际的分层土做对比。根系吸水采用式(7)—(10)的Feddes模型，根长密度可表示为：

式中：b为根系分布形状参数；Ravg为平均根系密度。

不同栽培方式、生长年限的杉木根系最大深度为0.4～1.5 m[35-36]，取根系长度为0.7 m； 水稻根系最大深度为0.5～1 m[32]，取根系长度为0.5 m[37]。2种植物均采用中等密度的植物根系参数，根系吸水与分布参数如表4所示。根据既有试验数据[38]，假设研究区内植物根系获取的70%水分来源于根系最上部的50%，取有效根系深度Le为50%的根系总长度。

表4 根系吸水与分布参数Table 4 Parameters of root water uptake and root distribution植物Feddes模型参数h①1/cmh①2/cmh①3,H/cmh①3,L/cmhw/cmT②P,L/(cm/d)T②P,H/(cm/d)根系分布参数[35-36]Lr/mRavgb杉木[38-39]00-60-1 200-15 水稻[40]-160-250-15 注： ①为水分胁迫响应函数α(h)在不同干湿状态下吸水速率变化的阈值; ②为潜在蒸腾速率Tp的较高、较低阈值。

3.4.2 大气模型参数

杉木的生长期为2—11月，可分为5个生长阶段： 萌动期(2月上旬至3月中旬)、生长初期(3月下旬至5月中旬)、生长盛期(5月中旬至10月中旬)、生长末期(10月下旬至11月下旬)、休眠期(12月下旬至次年2月下旬)[37]。不考虑休眠期，取2013年2月5日—2013年11月25日的气象数据，共294 d。水稻的生长期为5月至10月[31]，取2013年5月1日—2013年9月30日的气象数据，共153 d。潜在蒸发蒸腾量进行划分时，消光系数k取0.6。杉木生长期内大气边界通量与降水情况如图5所示。水稻生长期的第83～102天内作物生长旺盛但无降水，属于干旱期，考虑到水稻生长特性，安排在第88天和第96天进行人工灌溉，每次灌溉40 mm，灌溉占总水量补给的8.1%。2种植物的大气模型参数见表5。

3.4.3 地下水渗流模型参数

渗流模拟区域内主要岩性为片麻岩和花岗岩，通过对原位钻孔数据进行克里金插值获得空间岩性分布，利用异位数据拟合估算该地区岩层渗透系数与深度的变化关系[2]。

图5 杉木生长期内大气边界通量与降水情况Fig. 5 Atmospheric boundary flux and precipitation during growth stages of Cunninghamia lanceolate

表5 大气模型参数Table 5 Parameters of atmosphere model植物植物生长天数[31,36]/dtinitdevtmidtend叶面积指数[39-45]LAIiniLAIdevLAImidLAIend作物系数[32,46]KiniKmidKend杉木0～3839～～～水稻0～3031～6061～～注： ini、dev、mid、end分别为植物生长的初期、生长期、中期、末期； 模拟中杉木与水稻的生长开始时间(生长日期第0天)分别为2013年2月5日和2013年5月1日。

3.5 分析结果与讨论

各工况下杉木根系区土壤水基质势分布如图6所示。对工况1和工况2选取了缺水较为严重情形的分析结果。地下水位降低后，各工况下水稻根系区土壤水基质势分布如图7所示。

3.5.1 地下水位影响

地下水位由1.2 m初始水位降低至7.5 m后，杉木与水稻根系区土壤水基质势变化见图6和图7中工况1和工况2。杉木根系区最大凋萎长度为22 cm，占根系长度的31%； 水稻根系区最大凋萎长度为23 cm，占根系长度的46%。考虑到水稻生长高度依赖于农业灌溉，若进行少量灌溉，则最大凋萎长度降低至9 cm，占根系总长度的18%。因此，根据植物生态危险状态整体判据，该处植被未进入生态危险状态。

地下水下降速度对土壤剖面基质势分布的影响见图6中工况3和工况4。地下水以较快速度(46 cm/d)下降，14 d后水位降低至7.64 m，基质势最大值为82.9 cm； 以较慢速度(30 cm/d)下降，21 d后水位降低至7.5 m，基质势最大值为97.2 cm，即水位下降至相同深度时，慢速下降工况的基质势较大(较干旱)。地下水位降低后，基质势的变化响应有一定的滞后性，随着上层滞水的逐渐消耗，土壤剖面基质势逐步增大，当水位降低至相同深度时，慢速降低工况由于经历了更长时间，基质势对水位变化的响应更加充分，因此基质势相对较大。

文章来源：《灌溉排水学报》 网址: http://www.ggpsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0322/644.html