深埋隧洞施工地下水水位變化對植被的影響研究

摘要：

滇中引水工程輸水線路長、調水規模大，工程沿線地下水復雜，隧洞施工不可避免地會改變地下水的水位和走向，進而可能影響沿線的植被結構和功能。為探索深埋隧洞施工地下水水位對植被的影響，選取滇中引水工程大理段、楚雄段的兩個典型地下水監測點分析典型監測點地下水水位變化特征，通過氣象監測數據分析研究區域的降雨和蒸發情況，結合現場樣方調查、無人機拍攝等方法，研究了監測點的植被變化特征。結果表明：兩個監測點位周邊植被在生長季末期依然保持較好的狀態，在氣候變化和工程建設等人類活動綜合影響下，深埋隧洞施工地下水水位變化對植被的影響有限。研究成果可為隧洞施工的生態環境保護提供參考。

關鍵詞：

深埋隧洞； 地下水水位； 植被影響； 現場樣方調查； 無人機； 滇中引水工程

中圖法分類號：X82

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.018

文章編號：1006-0081（2025）01-0104-07

0 引 言

地下水貫穿整個植被生長過程，對于維持生物多樣性與生態系統過程至關重要［1］。地下水水位變化會影響植被群落的結構和功能，對植被的萌發、生長以及繁殖起著關鍵作用［2-5］，如缺水環境蒸騰植被的根系能夠直接從地下水獲取生態需水量。地下水排泄量還能通過維持河流、湖泊與濕地的枯季水流來維持植被的結構與功能；此外，地表植被的組成、結構、分布及長勢與地下水水位變化間接影響的土壤水、土壤含鹽量有著密切的關系［6-8］。

目前，大部分研究采用樣帶調查、遙感反演等方法探究植被格局動態與地下水相互作用關系及其反饋機制［9-11］。程東會等［12］通過實地調查采樣獲取了鄂爾多斯高原中部哈頭才當水源地的植被種群、植被覆蓋度、地下水埋深等指標，分析了該區域地表植被與地下水埋深的關系；孫憲春等［8］分析了銀川平原的歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）和地下水埋深的相關性。LYU等［13］分析了陜北風沙灘區海流兔河流域影響地表植被覆蓋度的地下水埋深范圍，結果表明，當地下水埋深小于10 m時，部分月份的NDVI 均值和峰值與地下水埋深存在顯著相關關系。

滇中引水工程是水利部確定的172項重大節水供水工程中的標志性工程，包括水源工程和輸水工程。線路途經麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪、紅河6個市（州），其中隧洞總長612 km，占比92%。工程以城鎮生活與工業供水為主，兼顧農業和生態用水，多年平均引水量為34.03億m3。工程輸水線路長、調水規模大，沿線地形地貌多樣，地下水復雜，施工區植被恢復難度大。工程沿線部分區域屬于巖溶地區，隧洞施工對地下水的影響是工程的主要環境風險。隧洞施工不可避免地改變地下水的水位和走向，會造成局部區域地下水水位的下降，進而可能影響沿線部分區域的植被結構和功能。本研究在收集前期有關地下水資料的基礎上，選擇兩個典型地下水監測點位，分析典型地下水監測點位的地下水水位變化特征，結合現場樣方調查、無人機拍攝等方法，解析了兩個典型點位的植被變化特征，初步分析了滇中引水工程深埋長隧洞地下水水位變化對植被的影響，以期為深埋長隧洞施工的生態環境保護提供參照和依據。

1 研究區域和方法

1.1 研究點位

根據滇中引水工程前期工作資料，以及施工中地下水監測季報、年度監測報告成果，選取大理段、楚雄段的兩個典型地下水監測點位開展相關研究。根據滇中引水工程特征，分別在麗江大理Ⅰ段設置1個氣象監測站點，楚雄段設置1個氣象站點，分別為香爐山隧洞降雨與蒸發自動監測站和柳家村隧洞降雨與蒸發量自動監測站。研究點位的位置信息見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 氣象站點監測

1.2.1.1 監測分析方法

自動氣象監測站點降雨量觀測與蒸發量觀測同時進行，每日08∶00觀測一次，前一日08∶00至當日08∶00觀測的降雨和蒸發量，為前一日的降雨和蒸發量。有降水之日應在20∶00巡視儀器運行情況，暴雨時適當增加巡視頻次。炎熱干燥的時期，應在降水停止后立即進行觀測。監測設備的性能需適應工程區域范圍的場地環境，并滿足相關監測的要求，監測設備需適應環境溫度-20～70 ℃，降雨量與蒸發量的觀測、記錄時間以北京時間為準。降雨量測量單位采用mm，量程一般為0～8 mm，測量精度應控制在1 mm以內，測量分辨率不應低于測量精度；蒸發量測量單位采用mm，量程一般為0～250 mm，測量精度應控制在1以內，測量分辨率不應低于測量精度。

1.2.1.2 計算方法

干旱指數是用來衡量一個地區氣候干旱程度的指標，它通過計算年蒸發能力和年降水量的比值來反映氣候的干濕程度。具體來說，干旱指數的計算公式為

r=E0/P（1）

式中：r為干旱指數；E0=K（E-601）（K一般取值0.9），E0為年蒸發能力，通常以E-601水面蒸發量代替，mm；P是年降水量，mm。從中國干旱指數綜合分帶情況來看，rlt;0.5表示處于十分濕潤帶，0.5≤rlt;1.0則表示處于濕潤帶，1.0≤rlt;3.0表示處于半濕潤帶。

1.2.2 植被樣方調查方法

在實地調查的基礎上，確定典型的群落地段，采用法瑞學派的樣地調查方法來進行群落調查。根據以往在該區域進行植被研究的經驗，選擇QHJCZK1、ZK1603共2個點位進行調查。森林是地下水影響植物群落監測的重點，調查樣方的面積一般為30 m×20 m（長×寬），觀測記錄包括喬木層、灌木層、草本層和層間植物。

（1） 群落外貌特征：根據建群種生活型來確定，如喬木、灌木、草本，針葉或闊葉，常綠或落葉等。

（2） 群落分層結構：群落組成，喬木層蓋度，灌木層蓋度，草本層蓋度。

1.2.3 無人機植被監測

1.2.3.1 數據獲取

無人機高光譜影像通過大疆Mavic 3M多光譜無人機獲取。機身配有光強傳感器和RTK模塊，攝像頭除了4/3英寸（約3.39 cm）的2 000萬像素攝像頭外，還有4顆500萬像素的多光譜攝像頭，分別是（860±26） nm的近紅外攝像頭、（730±16） nm的紅邊攝像頭、（650±16） nm的紅色攝像頭以及（560±16） nm的綠色攝像頭，可以實現高精度的測航工作。影像采集于2023 年 10月底，為秋冬季。無人機飛行任務在正午時間 11∶00～13∶00，天氣晴朗無風。無人機飛行前進行白板標定，飛行高度設置為 80 m，飛行速度為8 m/s。正反方向重疊度設置為 80%，空間分辨率為3 cm。獲取無人機高光影像后進行圖像拼接和輻射校正，以提取每個波段的光譜反射率。

1.2.3.2 植被覆蓋度計算

（1） 植被指數。其又稱光譜植被指數，是指由遙感傳感器獲取的多光譜數據，經線性和非線性組合而構成的對植被有一定指示意義的各種數值。

（2） 歸一化植被指數NDVI。其又稱標準化植被指數，是植被指數的其中一種，也是植被覆蓋度遙感估算方法中最常見、最經典的植被指數。所以本文是通過NDVI來估算植被覆蓋度。

計算公式為

NDVI=NIR-RNIR+R（2）

式中：NIR為近紅外波段，R為紅波段。

本文在像元二分模型的基礎上研究計算植被覆蓋度的模型：

FVC=NDVI-NDVIsoilNDVIveg-NDVIsoil（3）

式中：FVC為植被覆蓋度，NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值，NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。兩個值的計算公式為：

NDVIsoil=FVCmax·NDVImin-FVCmin·NDVImaxFVCmax-FVCmin（4）

NDVIveg=（1-FVCmin）·NDVImax-（1-FVCmax）·NDVIminFVCmax-FVCmin（5）

利用這個模型計算植被覆蓋度的關鍵是計算NDVIsoil和NDVIveg。這里有兩種假設：

當區域內可以近似取FVCmax=100%，FVCmin=0，公式（2）可變為：

FVC=NDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin（6）

式中：NDVImax 和NDVImin分別為區域內最大和最小的NDVI值。由于不可避免存在噪聲，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內的最大值與最小值，置信度的取值主要根據圖像實際情況來定。

當區域內不能近似取FVCmax=100%，FVCmin=0，

有實測數據的情況下，取實測數據中的植被覆蓋度的最大值和最小值作為FVCmax和FVCmin，這兩個實測數據對應圖像的NDVI作為NDVImax和NDVImin；沒有實測數據的情況下，取一定置信度范圍內的NDVImax和NDVImin。FVCmax和FVCmin根據經驗估算。本文以區域內NDVI統計值的95%和5%作為NDVImax和NDVImin。

2 結果和討論

2.1 地下水水位、氣象及植被群落變化

2.1.1 QHJCZK1監測點

QHJCZK1監測點的孔口高程為2 310.29 m，孔底高程為1 959.21 m，距隧洞直線距離約為50 m。2021年1月，監測初期地下水埋深為199.18 m。2021年1月至2023年9月，XLSJCZK1位點地下水變化特征為初期小范圍波動，之后有一次上升下降又上升的變化過程，最后呈下降趨勢；總體看來，該點位水位變化幅度較小，僅下降了6.13 m；2021年1月至2022年5月，水位一直維持在2 113 m左右；之后兩個月水位增加約24 m，然后兩個月又降低約30 m到2 107.91 m；到2022年11月，水位再次上升到2 137 m左右；2023年3～9月水位則呈下降趨勢到2 104.98 m。2023年植被生長季末期，該監測點地下水水位埋深約為205.3 m。QHJCZK1監測點地下水水位變化見圖1。

通過對香爐山隧洞降雨與蒸發自動監測站降雨量、蒸發量數據分析（圖2），2021年度，香爐山隧洞總蒸發量為969.46 mm；總降雨量1 052.94 mm，降雨量主要集中在5～10月，降雨量為982.17 mm，月平均蒸發量80.79 mm，月平均降雨量87.75 mm。2022年度，香爐山隧洞降雨與蒸發自動監測站總蒸發量為836.55 mm，總降雨量1 148.66 mm，降雨量主要集中在5～10月，降雨量為714.39 mm；月平均蒸發量69.91 mm，月平均降雨量95.72 mm。2023年度，香爐山隧洞降雨與蒸發自動監測站總蒸發量為895.26 mm，比2022年度增加了58.71 mm，總降雨量1 210.15 mm，比2022年度增加61.49 mm，降雨量主要集中在5～10月，降雨量為1 039.29 mm，比2022年度增加324.90 mm。2021、2022、2023年干旱指數分別為0.82，0.66，0.67。

該監測點植被類型為針闊落葉闊葉混交林，植被群落是云南松-鐵仔-毛軸蕨群落（圖3（a））。喬木層組成主要是云南松（Pinus yunnanensis）、珍珠花（Lyonia ovalifolia），覆蓋率達50%以上；灌木層組成主要是鐵仔（Myrsine africana）、華西小石積（Osteomeles schwerinae）、爆杖花（Rhododendron spinuliferum）等，覆蓋率達60%以上。草本優勢種為毛軸蕨（Pteridium revolutum），草本層覆蓋度較低僅為30%，這是由于調查時間為秋冬季，一些草本植物進入干枯期，物種單一所致。但從整體來看，該監測點位周邊的植被覆蓋度較高，約為75%。從無人機監測數據來看，該點位周邊30 m范圍真彩色合成影像表明該點位周邊植被生長狀況較好（圖3（b）），除去裸地和露出巖石區域NDVI均值約為0.78（圖3（c）），植被冠層覆蓋度約為0.61（圖3（d））。

2.1.2 ZK1603監測點

ZK1603監測點的孔口高程為2 340.14 m，孔底高程為1 929.21 m，距隧洞直線距離約為60 m。2021年1月，監測初期地下水埋深為25.97 m?？傮w看來，該點位水位變化幅度較大，下降了108.88 m。從2021年開始到2023年9月，HDJCZK1點位地下水變化特征呈下降趨勢。2021年1月水位為2 314.17 m，之后每月小幅下降約2 m到2022年10月的2 231.89 m，之后兩月上升約7 m到2 038 m左右，最后一直下降到2 205.29 m。2023年生長季末期，該監測點地下水水位埋深約為138.85 m。ZK1603監測點地下水水位變化見圖4。

通過柳家村隧洞氣象自動監測站降雨量、蒸發量數據分析（圖5），2021年度，總蒸發量為1 197.70 mm，總降雨量659.11 mm，降雨量主要集中在5～10月，降雨量為610.70 mm，月平均蒸發量99.81 mm，月平均降雨量54.93 mm。2022年度，柳家村隧洞氣象自動監測站總蒸發量為949.08 mm；總降雨量819.785 mm，降雨量主要集中在5～10月，降雨量為725.605 mm；月平均蒸發量 79.09 mm，月平均降雨量68.32 mm。2023年度，柳家村隧洞氣象自動監測站總蒸發量為935.16 mm，比2022年度減少13.92 mm，總降雨量891.15 mm，比2022年度增加71.365 mm，降雨量主要集中在5～10月，降雨量為761.2 mm，比2022年度增加35.595 mm。2021年干旱指數為1.64，2022年干旱指數為1.04，2023年干旱指數為0.94。

該監測植被類型為針葉常綠闊葉混交林，植被群落是云南松-馬桑-紫莖澤蘭群落（圖6（a））。喬木層組成主要是云南松（Pinus yunnanensis）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、白柯（Lithocarpus dealbatus），覆蓋率達80%以上；灌木層組成主要是鐵仔（Myrsine africana）、白柯（Lithocarpus dealbatus）、野拔子（Elsholtzia rugulosa）、川梨（Pyrus pashia）等，覆蓋率達60%以上；草本層組成主要是紫莖澤蘭（Ageratina adenophora），草本層覆蓋度40%。結合點位與周邊植被生長發育來看，目前該點植被覆蓋度約為90%。從無人機監測數據來看，該點位周邊30 m范圍真彩色合成影像表明該點位周邊喬木及灌叢生長狀況均較好（圖6（b）），該區域范圍內NDVI均值約為0.86（圖6（c）），該區域內植被冠層覆蓋度約為0.69（圖6（d））。

2.2 討 論

植被生長受到地下水埋深的影響，張高強等［14］發現渾善達克沙地的地表植被適生的地下水埋深為 1.5～8.0 m。齊蕊等［15］研究結果表明該區域地下水埋深為1～3 m時，對高覆蓋度植被的出現最為有利，當地下水埋深大于7 m時，其對地表植被的生長特性基本無影響；本文中兩個監測位點的管道埋深都較深，QHJCZK1點位孔口高程比初始水位高199.18 m，ZK1603點位孔口高程比初始水位高25.97 m，這對植被影響可能較小。已有研究表明，氣候條件（氣溫、降水等）是影響植被群落空間分布和覆蓋度的因素之一［16-18］。

香爐山隧洞氣象自動監測站的數據表明，該區域的干旱指數從2021～2023年都大于0.5且小于1，處于濕潤帶，說明該區域氣候較為濕潤，降雨可以補充較多的水分。柳家村隧洞氣象自動監測站的數據表明，該區域從最初2021年的干旱指數為1.64，處于半濕潤帶，到2023年的干旱指數為0.94轉變為濕潤帶，說明近年來該區域氣候也有向濕潤變化的趨勢。盡管云南省應急管理廳的公告顯示，大理、楚雄等在4，5月都出現了不同程度的干旱預警，監測點的地下水水位都有或多或少的下降，但是從整體來看該區域干旱指數較低，處于半濕潤帶或者濕潤帶，表明降雨量得到了有效的補充。該研究是在秋冬轉換季開展的現場調查，植被狀況依然維持較好（覆蓋度較高），兩個監測點附近深埋隧洞施工對植被的影響較小?？紤]到后續施工隧洞的封堵，降水補給后地下水水位逐步得到恢復，地下水水位下降的情況會得到進一步的緩解。

3 結 語

雖然在2023年，大理、楚雄等研究區域出現過較短時間的干旱預警，但是從全年來看，研究區域仍然處于半濕潤或者濕潤帶，兩個監測點位周邊植被在生長季末期依然保持較好的狀態，在氣候變化和工程建設等人類活動綜合影響下，深埋隧洞施工地下水水位變化對植被的影響有限。下一步，還需要進一步關注淺埋段隧洞施工地下水水位變化對植被的影響。針對發現的植被影響點位，開展土壤水分、植物生理指標等監測，如葉片光合-光響應、蒸騰速率和樹干液流的日變化等，更深入地揭示“地下水-土壤水-植被”的關系。

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（編輯：李 晗）

Influence study of groundwater level change on vegetation in deep-buried tunnel construction

XU Chunsen1，ZHU Zhenya1，WANG Jianwen2，JING Zhaoxia1，XU Wenjie3，LI Min2，YU Hang3

（1.Changjiang Water Resources Protection Institute，Wuhan 430051，China； 2.Construction Administration Bureau of Central Yunnan Water Diversion Project，Kunming 650051，China； 3.Yunnan Geological Engineering Second Survey Institute Co.，Ltd.，Kunming 650218，China）

Abstract：

The water diversion project in central Yunnan Province has a long water transmission line，a large scale of water transfer，and complex groundwater along the project.Tunnel construction had inevitably changed the water level and direction of groundwater，which may affect the structure and function of vegetation along the line.In order to explore the influence of groundwater level on vegetation in deep tunnel construction，two typical groundwater monitoring sites，Dali section and Chuxiong section were selected to analyze the characteristics of groundwater level change in typical monitoring points，and the rainfall and evaporation in this area were analyzed by meteorological monitoring data.Combined with on-site sample investigation and UAV shooting，the vegetation change characteristics of the monitoring sites were analyzed.The results showed that the vegetation around the two monitoring points was still in good condition at the end of the growing season，and the influence of groundwater level change on vegetation was limited under the comprehensive influence of climate change and human activities such as engineering construction.The research results can provide a reference for the ecological environment protection of tunnel construction.

Key words：

deep-buried tunnel； groundwater level； influence on vegetation； on-site sample investigation； UAV； water diversion project in central Yunnan Province