植物根系對河道灘坡抗沖性影響的試驗(yàn)

拾 兵,陳 舉,張芝永

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266003)

河岸、湖岸、海岸等濱岸區(qū)域是發(fā)生土壤侵蝕的重點(diǎn)區(qū)域[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[4],全球土壤每年被侵蝕量約為600億t;而河、湖、海等濱岸區(qū)域的土壤侵蝕量約為總量的1/3。因此植物固岸抗侵蝕作用的研究迫在眉睫,意義重大。

國外學(xué)者于20世紀(jì)90年代率先開始對濱岸植物根系固岸能力進(jìn)行系統(tǒng)研究和闡述[5-11]。國內(nèi)在植物根系提高土壤抗侵蝕能力的研究方面也取得了顯著的成績。李勇等[12-15]對我國黃土高原的土壤抗沖性以及不同植物根系對提高抗沖性的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,結(jié)果表明:小于1mm的根密度及根量是植物群落改善土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高入滲強(qiáng)度和增強(qiáng)抗沖性的有效根系參數(shù);用毛根表面積比用有效根密度或根系生物量更能揭示植物群落強(qiáng)化抗沖性、固結(jié)土壤的作用機(jī)制,故建議用有效根面積(10cm×10cm土體中0.1～0.4mm的毛根表面積)作為根系豐富程度的指標(biāo)。

評價(jià)植物根系固岸抗侵蝕作用的主要方法有:①基于根系-土體抗剪強(qiáng)度的評價(jià)方法,常用指標(biāo)為根-土綜合體抗剪強(qiáng)度[16]、土壤侵蝕度[16]、岸灘安全系數(shù)[6]和根系抗拉強(qiáng)度[17-18]。②基于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的評價(jià)方法,常用指標(biāo)為土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[19-20]。③基于根系結(jié)構(gòu)參數(shù)的評價(jià)方法,常用指標(biāo)為根量密度[21]、根系面積比率[22]、根長密度、根重密度。④多指標(biāo)綜合應(yīng)用的評價(jià)方法,常用指標(biāo)為根系-土體綜合抗剪強(qiáng)度和根重密度組合評價(jià)指標(biāo)[18],根系-土體綜合抗剪強(qiáng)度和根系面積比率組合評價(jià)指標(biāo)[7],根系-土體綜合抗剪強(qiáng)度、土壤侵蝕度、根長密度和根系面積比率組合評價(jià)指標(biāo),岸灘安全系數(shù)和根系面積比率組合評價(jià)指標(biāo)。由于基于根系結(jié)構(gòu)參數(shù)的評價(jià)方法抓住了植物根系固土護(hù)岸的最本質(zhì)要素,所以這種評價(jià)方法應(yīng)用日益廣泛。本文采用基于植物根系結(jié)構(gòu)參數(shù)的根系面積比率方法來研究植物根系對河道邊灘抗沖性的作用。

1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)的主要目的是研究不同植物根系的抗沖效果,得到根系參數(shù)與沖刷量之間的關(guān)系。因試驗(yàn)主要研究對象為邊坡及灘地部分,故將該含植物河道物理模型進(jìn)行簡化,主槽為剛性光滑面,長度為10m,坡度為 1∶1000,邊坡為 1∶1.5。入口有5m 過渡段,后接3m尾水段,斷面形狀和尺度均同試驗(yàn)段且邊灘無植物。尾部有接沙漏斗,收集侵蝕泥沙,烘干后稱重。所用模型土從野外整體移植,土樣中值粒徑d50為0.9mm。從附近河灘上選取生長較密、枝葉和根系較繁茂的區(qū)域來整塊切割,整塊搬運(yùn),未擾動(dòng)原狀土體。模型放置在寬度、高度均為30 cm的水槽內(nèi),橫斷面布置如圖1所示。試驗(yàn)植物有3種:麥冬草、蘆葦和蒿草。固定流量沖刷至穩(wěn)定后,測取接沙容器內(nèi)泥沙的質(zhì)量。

圖1 物理模型橫斷面布置(單位:cm)

2 根系參數(shù)的測定

2.1 種植密度的測定

在試驗(yàn)區(qū)域或野外移植區(qū)域任意取面積約為10cm×10cm的土體,統(tǒng)計(jì)其中包含的植物株數(shù),進(jìn)而計(jì)算出植物種植密度。麥冬草、蘆葦、蒿草3個(gè)試驗(yàn)組的植物株數(shù)分別為11,12和7,可知這3個(gè)試驗(yàn)組的種植密度分別為0.11株/cm2,0.12株/cm2和0.07株/cm2。

2.2 根系面積比率及其分布測定

將根系面積比率(RAR)定義為根系面積總和與根系所處土壤剖面的比值,可以通過剖面挖溝的方法獲取RAR值,即在每個(gè)樣本植株周圍距離植株約1m處沿下坡線和上坡線挖掘2條溝渠,深度均為根系到達(dá)的最大深度。溝渠的挖掘是為了暴露植物根系土壤的剖面。根系截面可認(rèn)為是圓形的,在剖面的一定面積范圍內(nèi)通過測取每個(gè)深度截面的根徑及對應(yīng)數(shù)量得出該剖面根系RAR沿深度的分布情況。

這種方法測量的僅是單株植物的RAR,通常植物對岸坡的固土抗蝕作用還與植株的種植密度有關(guān)。因而在本試驗(yàn)及相關(guān)研究中,取1株生長良好、根系完整的植物,用清水把根上的泥沙沖洗干凈(注意不要破壞根系),測量根系的總體自由深度,然后分幾個(gè)深度范圍測取范圍內(nèi)包含的根系直徑、數(shù)目,將深度截面上的根系截面總面積與種植密度相乘,可得各深度范圍內(nèi)的RAR,見表1。

表1 各深度范圍內(nèi)的RAR

3 沖刷量的測定

試驗(yàn)流速取0.58m/s,水深取8.05cm,待含植物河道沖刷穩(wěn)定、河道斷面形態(tài)不再變化時(shí)可停止試驗(yàn)。將容器內(nèi)存儲(chǔ)的泥沙取出,烘干后稱其質(zhì)量,并根據(jù)試驗(yàn)段長度計(jì)算單位長度沖刷量,見表2。

表2 單位長度沖刷量

4 結(jié)果分析

4.1 RAR與沖刷量的關(guān)系

將試驗(yàn)平均RAR和單位長度沖刷量試驗(yàn)值點(diǎn)繪于圖2中,并用二次曲線擬合其趨勢。由圖2可以看出,在所研究的范圍內(nèi),沖刷量隨著RAR的增加而遞減。這說明植物的種植,可以減少水流對岸灘邊坡的沖刷破壞;若RAR太小,則可能失去維持土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高抗沖刷性能的作用,因其根系不足以實(shí)現(xiàn)對土體的“加筋”;維持適量的植被,可以維持河道形態(tài)穩(wěn)定。若令單位長度沖刷量為w(單位為g/cm),則擬合后的關(guān)系可用式(1)來表達(dá),擬合函數(shù)的殘差為零,相關(guān)性系數(shù)為1。

式中:r為RAR。

圖2 植物根系面積比率與單位長度沖刷量的擬合曲線

4.2 RAR縱深分布規(guī)律

根據(jù)表1中RAR縱深分布情況,通過擬合分析,發(fā)現(xiàn)3種植物的RAR隨深度分布情況具有相似形態(tài),其分布函數(shù)形式為式中:a,b,c為待定系數(shù);z為深度,cm。

表3給出了不同植物式(2)中待定系數(shù)的取值情況,各公式殘差均小于0.001 35,相關(guān)系數(shù)大于0.834,說明采用式(2)是合理的。

表3 式(2)中待定系數(shù)的取值

由式(2)和表3可知:①3種植物的RAR隨深度變化規(guī)律不同,其根本原因是植物種類導(dǎo)致根的形態(tài)和植物群落的密度不同。根的長度、根徑和種植密度等因素決定了RAR的分布。②一定深度以下,RAR是逐漸增加的;到達(dá)一定深度時(shí),RAR達(dá)到最大值,這個(gè)深度包含的根徑種類最多,數(shù)量也最多;超過這個(gè)深度,RAR又逐漸減小。植物根系在形態(tài)上基本上都是一致的,因而決定了RAR縱深分布的共同點(diǎn)。

4.3 地形變化

根據(jù)所測地形資料,點(diǎn)繪各試驗(yàn)工況地形變化曲線,見圖3(圖中橫坐標(biāo)x為距離初始地形坡腳的橫向長度,縱坐標(biāo)y為以坡腳所在點(diǎn)為高程零點(diǎn)的相對高程)。從圖3可以看出,地形的變化集中反映了不同植物群落固灘防沖的不同功效。

圖3 河道邊坡地形變化

圖3 通過對穩(wěn)定地形的數(shù)據(jù)擬合,確定各種植物的地形擬合函數(shù),由圖3可以看出,擬合曲線與沖刷后地形曲線較為吻合。3個(gè)試驗(yàn)的穩(wěn)定地形擬合函數(shù)采用了同一種函數(shù)形式:不同植物對應(yīng)的式(3)系數(shù)取值情況見表4。

表4 式(3)中待定系數(shù)的取值

5 結(jié) 論

a.不同植物的根系固灘護(hù)坡的效果是不同的。植物根系越發(fā)達(dá),根系面積比率越大,沖刷量越小,防護(hù)效果較好。

b.根系的發(fā)達(dá)程度、根的深度不但決定了抗沖效果,也決定了沖刷后的斷面形態(tài)。不同含植物河道沖刷后斷面形態(tài)具有相同形式的函數(shù)變化規(guī)律。

c.選取適宜植物類型進(jìn)行固灘護(hù)坡,有助于防止河道邊坡侵蝕,維持河道斷面的穩(wěn)定。

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