煤炭科学研究总院：王强民——生态脆弱矿区高

作 者

王强民1,2,3, 董书宁1,2,3,王文科4,5,王　皓1,2,3

单 位

1.煤炭科学研究总院；2.中煤科工集团西安研究院有限公司；3. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室；4.长安大学 环境科学与工程学院；5. 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室

研究背景

榆神矿区是我国重要的煤炭生产基地和高强度开采区,同时也是最为典型的生态环境脆弱区,采矿活动、植被恢复及气候变化控制着矿区的整体生态格局。受采煤地下水位下降、采煤塌陷及矿区土地类型转换等因素影响,煤炭开采过程中出现了植被退化的现象,为避免植被的退化及死亡,矿区开展了高强度的植被恢复工程。

研究表明,截至2006年底,神东矿区累计投入生态环境建设经费2.69亿元,使得由开发初期(1985年)植被覆盖率3%~11%增长至59.4%以上(2005年),矿区和井田尺度的植被覆盖度大幅提升,植被对降水的截留量和蒸腾量也随之增大,造成降水对地下水的补给量减小。而研究区的主要地貌类型为风积沙,透水性好,降雨入渗补给量占地下水总补给量的78.5%,且区内河流40%~70%的流量来自地下水的补给,水文生态环境与地下水的关系密切。因此,分析高强度植被恢复对地下水补给的影响已成为生态脆弱矿区亟待解决的关键科学问题之一。

摘 要

为研究生态脆弱矿区高强度植被恢复对地下水补给的影响机制,结合野外裸土区和植被覆盖区两个原位试验点的观测数据,以两种模式下的降水—土壤水—地下水转化过程为研究对象,在遥感解译和野外原位观测试验的基础上,采用数值模拟分析不同叶面积指数条件下的植被耗水特征和降水入渗系数。

研究结果表明:矿区尺度的植被指数和植被净初级生产力都呈持续增加现象,表现为低覆盖区连续减小,中、高覆盖区持续增大;裸土区20cm处土壤总水势最大,表现为土壤水自20cm处向上、下两侧运移,较易接受大气降水的补给。植被覆盖区土壤总水势远低于裸土区的土壤水势,在根系密集区出现水势低点,表现为上部、下部和侧向的土壤水向植被根系处运移,不易接受大气降水的补给;裸土区地下水位表现出缓慢上升的趋势,以低强度的入渗补给为主;植被覆盖区地下水位表现出明显的持续下降趋势,以高强度的蒸发排泄为主。

受植被蒸腾耗水影响,地下水面处水分垂向交换量由-0.035cm/d(入渗)增加至0.480cm/d(排泄),使得水分运移方向和水分垂向交换量都发生明显改变;随着叶面积指数的增加,植被耗水量呈增加趋势,土壤中向下运移的水流通量逐步减小,导致地下水接受降水的补给量减小,表现出随着叶面积指数的增加,降水入渗系数逐步减小。

数值模拟结果表明,裸土条件下风积沙的入渗系数为0.54,随着叶面积指数由0增大至3.5,入渗系数减小至0.198,减小幅度高达63.3%,对榆神矿区的地下水补给产生重要的影响。在榆神矿区植被恢复的工程实践中,应优先考虑植被类型和植被覆盖度两个基本要素,选择耗水量较小的植被类型和适宜的植被覆盖度,避免出现由于区域生态耗水量过大引发的降水入渗补给量大幅减小的现象发生,以实现生态脆弱矿区植被恢复与地下水资源保护的协调发展。

部分图片

原位试验示意(裸土区+植被覆盖区)

模型识别和验证过程土壤水的观测值和模拟值(2016年)

榆神矿区平均NPP和NDVI变化特征

裸土区和植被覆盖区平均土壤含水率分布特征

裸土区和植被覆盖区平均土壤总水势分布特征

裸土区和植被覆盖区地下水埋深变化

裸土区和植被覆盖区地下水蒸发(补给)强度变化

植被耗水量和降水入渗系数随叶面积指数的变化

作者简介

王强民，男，1989年8月生，河南长垣人，煤炭科学研究总院在读博士，就职于中煤科工集团西安研究院有限公司矿山灾害防治与环境治理技术研发中心，助理研究员。主持国家自然科学基金（青年项目）和陕西省自然科学基金（青年项目）各1项；发表（录用）核心以上学术论文30余篇，其中SCI/Ei论文10余篇；授权国家发明专利4项；担任《Journal of Mountain Science》《Environmental Earth Sciences》《中国科学数据》等学术期刊审稿人。

文章来源：《生态科学》 网址: http://www.stkxzz.cn/zonghexinwen/2020/1027/447.html