隧道排水诱发地下水位下降对地表植被影响的分
LI Xiaojun, XU Hao, GOKDEMIR Cagri, et al. TSPAC analysis method for impact of groundwater drawdown induced by tunnel drainage on terrestrial vegetation[J]. Tunnel Construction, 2020, 40(9): 1261.
0 引言
长期以来，工程界关注环境对隧道建设的影响较多，而较少关注隧道建设对环境的影响，尤其是对地表植被的影响。隧道在施工和运营期的突涌水、排水措施等因素会改变地下水渗流场的分布[1-2]，严重时会疏干地下水，破坏地下水环境，进而威胁地表植被的生长与生存[3]。
目前，关于隧道建设引起地下水位变化进而产生次生影响的研究主要集中在对生活用水[4]、湖水[5]、泉水[6]等地表水体的影响，直接分析对地表植被影响的研究较少且依赖于现场监测[7-9]。Liu等[7]利用同位素(δ2H、δ2O)测量法分析了隧道排水对植被生理过程的影响，结果表明隧道开挖引起的地下水位下降改变了植物干湿季根系吸水模式； Zheng等[8]、王芳其等[9]分析了树木年轮宽度在隧道建设前后共50年内的变化情况，认为隧道排水引起的地下水位降低显著降低了树木的生长速度，生长低谷期长达15年。由于依赖于长期监测，上述方法在规划和设计阶段难以得到应用。
在隧道规划和设计阶段的综合环境评估[10-13]、地下水限排[14-18]研究中，隧道排水对植被的影响常隐含于气候条件[10]、植被覆盖度[10]、年降雨量/蒸发量[10-13]、地下水埋深[10-13]、土壤含水量[11]等评价指标。在设计隧道排水限值时，对植被的影响常简化为长期水-能平衡关系[14]、植被需水深度[15-17]、地下水位恢复时间[18]。这些方法忽略了隧道、地下水、土壤、植被与大气之间的紧密关系，所采用的植被影响指标过于简化，难以准确考虑隧道排水对地表植被的影响。
针对上述方法的不足，本文将隧道、地下水、土壤、植被、大气作为整体，从各部分间水分运移角度出发，提出隧道-土壤-植被-大气连续体(tunnel-soil-plant-atmosphere continuum, TSPAC)分析模型，以根系区土壤水基质势h作为衡量植被缺水程度的指标[19]，分析实际气象条件下地表植被发生凋萎的动态过程，从而得到隧道排水对地表植被影响的定量化结果。最后，将该方法应用于安徽省大别山区明堂山隧道。
1 植被影响的判断方法
1.1 SPAC系统中的水分运移
土壤-植被-大气连续体(soil-plant-atmosphere continuum, SPAC)从物理活动的角度出发，将土壤、植物、环境大气看作是时刻发生着能量传输、物质(水分)运移的动态物理系统[20]。“连续体”的概念强调了水分在土壤、植物、大气三者之间运动的连续性与整体性。SPAC系统中的水分运移遵守水量平衡和水势驱动的原则，即水分在SPAC系统中满足质量守恒定律，且总是从水势较高处流向水势较低处。典型SPAC系统中的水分运移过程如图1所示。
图1 典型SPAC系统中的水分运移过程示意图Fig. 1 Schematic diagram of water movement in a typical SPAC system
图1中左侧各物理量表示SPAC系统中水量均衡的各分项，满足如式(1)所示的平衡方程。
土壤持水=大气降水 -(林冠截留+植被蒸腾+土壤蒸发+降雨入渗+地下水补给+地表径流)。
图1中右侧展示了SPAC系统中各组成部分可能的水势值。大气水势通常小于植物叶片水势，叶片内的水分在叶面气孔处水势梯度的作用下蒸发到大气中；叶片内水分减少使水势降低，进而向下汲取树干木质部内的水分；最终，植物叶面的蒸腾拉力在植物内部逐层向下传递至根系处，再经由植物根系从土壤中汲取水分。
1.2 植被影响的衡量指标
地下水位下降与土壤水基质势变化的关系如图2所示。山岭隧道建设会改变地下水渗流场，严重时会疏干地下水，并可能导致植物缺水凋萎[21-22]。水位较低时，表土中的水分与地下水的联系被切断而成为上层滞水，且因土壤蒸发、根系吸水等因素而逐渐减少，导致根系从土壤中获取水分逐渐困难。当土壤水分减少至一定程度后，土壤孔隙间毛细水连接断开，植物根系在其与土壤颗粒的接触界面上无法获得水分[23]，此状态称为永久凋萎。
为定量描述植物根系从土壤中获取水分的“困难程度”，引入土壤水基质势的概念[19]。土壤水基质势反映了土壤抵抗重力、蒸发、根系吸水而持有水分的能力[24]。植物根系吸水可以直观地理解为植物利用根系水势(根系持水能力)“克服”土壤水基质势而从土壤中“争抢”水分的过程[25]，这一过程将引起包气带土壤水基质势发生变化。相较于含水量，土壤水基质势h作为土壤水分指标具备数值稳定、概念直观的优点[25]： 1)同一植物在给定基质势的不同土质中可获得的土壤水分相近； 2)基质势与植物叶水势关系显著，且对同一植物保持稳定； 3)根系吸水主要由土壤水势与根水势的差值决定。
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