[发明专利]生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈限的测定方法

摘要

本发明公开了一种生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈值的测定方法，根据植被在天然状态下的吸水特征构建数学方程并求解，通过改变下边界条件(依据矿区开采地下水位变化特征依次降低地下水位)，可获取不同潜水埋深条件下植被蒸腾所吸收水分中地下水所占的比例，当该比例为0时，地下水不再为植被蒸发提供水源，此时潜水埋深即为矿区植被约束下的地下水位变化的阈值(H_th，m)，当矿区煤层开采导致地下水位埋深超过该阈值后便会对地表植被的生长产生不利影响。本发明通过原位实验和数值模拟相结合确定植被约束下地下水位变化阈值的方法，可以定量评价采煤降低地下水位对植被生长的影响。

主权项

1.一种生态脆弱矿区植被约束下地下水变化深阈值的测定方法，其特征在于，所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈值的测定方法根据植被在天然状态下的吸水特征构建数学方程并求解，依据矿区开采地下水位变化特征依次降低地下水位改变边界条件，获取不同潜水埋深条件下植被蒸腾所吸收水分中地下水所占的比例，当该比例为0时，地下水不再为植被蒸发提供水源，潜水埋深即为矿区植被约束下的地下水位变化的阈值(Hth，m)；所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈值的测定方法通过实测天然状态下植被生长区地下水动态、包气带土壤含水率、植被吸水及气象要素参数，分析植被生长所需水分与环境要素的统计关系；通过地质、水文地质条件的概化，以土壤水动力学为基础建立根系吸水条件下垂向一维水流方程并求解；以1m为间隔依次降低地下水位并运算，求取土壤水变量、大气降水量、植被蒸发种地下水的量、植被蒸腾量、裸地蒸发量、地下水从土壤中获得补给量，带入土壤水均衡公式ΔSWC＝P+GWc‑E‑T‑R即可获取不同地下水位埋深条件下植被蒸腾所吸收水分中地下水的量GWc；当GWc为0cm时，地下水不再为植被蒸发提供水源，此时地下水位埋深即为矿区植被约束下地下水位变化阈值；其中，ΔSWC‑土壤水变化量，cm；P‑大气降水量，cm；GWc‑植被蒸发中地下水的量，cm；T‑植被蒸腾量，cm；E‑裸地蒸发量，cm；R‑地下水从土壤中获得补给量，cm；所述生态脆弱矿区植被约束下地下水位变化阈值的测定方法包括以下步骤：确定矿区优势植被种类以及典型植被盖度与地下水埋深关系；根据植被新枝长度、冠幅选定植被长势良好时对应的地下水位埋深范围，筛选出植被与地下水关系密切的典型区域；依据土地租赁、仪器监管在典型区域中选定符合条件的代表点建立野外原位监测，包括植被的蒸腾量、气象要素、土壤含水率和地下水位埋深；至少监测一个生长季，获取相关参数；通过原位实验点地质条件概化，建立根系吸水条件下垂向一维非稳定水流模型，编程求解；对原位实验点包气带土壤进行颗分测试，获取土壤参数初值输入垂向一维非稳定水流模型进行计算；将计算结果与监测的土壤含水率和植被蒸腾量进行对比拟合，修改土壤参数重新计算，直至计算结果与监测值相吻合，求取优化的土壤参数；按矿区地下水位下降特征设定不同的地下水位埋深值并运行，获取地下水对植被需水贡献值为0cm时地下水位埋深，即为矿区植被约束下的地下水位埋深阈值(Hth，m)；所述土壤参数初值输入垂向一维非稳定水流模型表示为：1)植被根系吸水条件下垂向的水流运动，概化为垂向一维非稳定流：式中：θ‑含水率，cm3/cm；k‑土壤非饱和渗透系cm/hr；S(h)‑根系吸水函数，h为包气带土壤负压，cm；t‑时间；z‑距离；2)根系吸水采用Feddes方程表达，即：S(h)＝α(h)b(z)Tp；式中：α(h)‑水分胁迫函数；b(z)‑根系分布函数，Tp‑植物潜在蒸腾速率，cm/hr；3)根系分布函数b(z)通过实测获取：在植被主根周围开挖剖面取样，取样后洗净、称重，测量长度，由根系累计长度除以样品体积，即获得植被根系在垂向上的分布特征；4)水分胁迫函数α(h)采用经验值在Fedds模型中，植被的水分胁迫α与土壤负压h之间具有统计关系，在土壤负压大于某个临界值h1厌氧点或者小于某个临界值h4凋萎点时植物停止蒸腾，当土壤负压在合理值范围h2与h3之间时，蒸腾量才能达到极值；根据植被的不同，选择相关经验值。