黃河源區(qū)彎曲河流河岸帶抗剪特性

朱海麗1，2

(1．青海大學地質(zhì)工程系，青海西寧810016;2．中國科學院青海鹽湖研究所，青海西寧810008)

彎曲河流河道的穩(wěn)定發(fā)育與植被作用的研究，是當前地貌學、河床演變學等的重要課題之一。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究成果較少。濱河植被的良好發(fā)育對抵抗水流沖刷、增強河岸穩(wěn)定、穩(wěn)定河型、維護和恢復(fù)水體生態(tài)健康具有重要作用［1-4］。Parker等［5-6］提出，河岸邊植被能夠增大河岸的粗糙率，抑制河岸崩岸的發(fā)生。Hubble等［7］提出，濱河植被是影響河岸侵蝕現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展的重要因素。河岸帶的坍塌塊體具有減小河岸流速、使河寬變窄的作用［8］。宋孝玉等［9］提出，根系具有推遲、延緩和縮短產(chǎn)流、產(chǎn)沙時間的作用，恢復(fù)演變20年的草地土壤，抗沖性提高了10倍。目前，多數(shù)研究從植被根系數(shù)量、密度、根表面積等方面來評價植被抗沖力，并且取得較多研究成果，認為植被根系能夠提高土壤抗沖力，但對根系參數(shù)與抗沖力的函數(shù)關(guān)系表達不一，難以進行定量比較。在水流沖刷作用下，河岸土體主要發(fā)生塌落或滑移等破壞形式，因此用抗剪強度來研究河岸物質(zhì)抵抗水流沖刷特性是一個重要的指標。基于此，筆者重點在黃河源區(qū)彎曲小河河岸帶展開定量研究，分析濱河植被根-土復(fù)合體力學強度。這對于認識濱河植被提高河岸抗沖能力、減少彎曲河流凹岸坍塌破壞頻率具有非常重要的研究意義。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)基本概況 研究區(qū)選取黃河源區(qū)河南縣蘭木錯曲彎曲河流，位于34°26′N，101°29′E。地勢總趨勢是東北高，西南低。研究區(qū)域位于青海省東南部黃南藏族自治州河南縣，水資源量豐富，總?cè)丝诩s17萬，以藏族為主，主要從事牧業(yè)生產(chǎn)。該區(qū)域海拔3 400～4 200 m，屬高原亞寒帶濕潤氣候區(qū)，冷季漫長寒冷，多大風，暖季短暫，氣候濕潤多雨。年均氣溫在-4℃以下，大部分地區(qū)氣溫高于5℃的積溫小于650℃，多年平均降水量為329～505 mm，多為降雪和暴雨形式，干濕季節(jié)分明，水熱同帶。研究區(qū)植被類型較簡單，以山地草甸、高寒草甸和高山草原化草甸為主。

1．2 試驗區(qū)土體物理特征 為了解研究區(qū)草甸型彎曲小河的河岸物質(zhì)組成情況，在研究區(qū)內(nèi)選取2個彎曲河道對河岸物質(zhì)組成的物理特性進行測定，包括含水率、密度、液限、塑限等指標;分別采取篩分法進行顆粒分析;采用環(huán)刀法，測定土樣的密度;采用烘干法，測定土樣含水量。經(jīng)測定，凸岸土體含水率為29．73% ～66．95%，密度為1．18 ～1．74 g/cm3，液限為 45．0% ～50．5%，塑限為 30．4% ～31．1%;凹岸土體含水率為29．73% ～79．15%，密度為 1．22 ～1．67 g/cm3。通過篩分試驗，發(fā)現(xiàn)河灣凹岸在垂直深度0～50 cm范圍內(nèi)為黏土層，有些河灣凹岸黏土層厚度可達90 cm，在垂直深度50 cm范圍以下為細砂及卵礫石層，為典型黏土和細砂組成的二元結(jié)構(gòu)，有利于河岸物質(zhì)組成的抗沖性能。這對于彎曲小河的河道穩(wěn)定性有積極作用。

1．3 試驗區(qū)植被特征 研究區(qū)彎曲河流河岸帶植物種類繁多，以中生、濕中生植物為建群種或優(yōu)勢種，主要有矮嵩草(Kobresia humilis)、早熟禾(Poa annua)、垂穗披堿草(Elymus nutans)、青海苔草(Carex qinghaiensis)等，伴生種有二裂委陵菜(Potentilla bifurca)、黃花韭(Allium chysanthum)、乳白香青(Anaphalis lactea)、毛茛(Ranunculus acris)、甘肅棘豆(Oxytropis kansuensis)、金露梅(Potentilla fruticosa)等。河流兩岸植被覆蓋有差異，且河流沖積岸辛普森指數(shù)(D)或香農(nóng)-威納指數(shù)(H)比淤積岸高［10］。

試驗點河岸植被發(fā)育較好，地下根系十分發(fā)育，尤其以禾本科、莎草科草本植物須根發(fā)達，根系平均密度為0．07/(g·cm3)。根徑多為小于1 mm的須根，根系密度表現(xiàn)出隨土壤剖面深度的增加而下降的特征，根系主要集中于0～40 cm土層內(nèi)，最長可達120 cm。

1．4 根－土復(fù)合體原狀試樣的制取 為深入分析河岸帶根-土復(fù)合體抗剪強度在垂直方向隨植物根系在地下分布變化而產(chǎn)生的變化，分別在從距研究區(qū)河岸地表面垂直距離為5、20、30 cm的深度取樣，并且進行原位直接剪切試驗。取樣的深度主要依據(jù)草、灌植物根系的地下分布特征而定。試樣采用直徑為6．18 cm、高為2 cm的環(huán)刀進行原位分層取樣。將取得的原狀試樣裝入環(huán)刀盒內(nèi)，并用膠帶密封后帶回實驗室，開展室內(nèi)直接剪切試驗，測定根-土復(fù)合體抗剪強度。不同深度的根-土復(fù)合體直接剪切試驗設(shè)有3組重復(fù)。為保證試驗結(jié)果接近實際，直剪試驗均在試樣取回7 d內(nèi)完成。

1．5 直接剪切試驗方法 直接剪切試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型直接剪切試驗儀。試驗時，首先通過計算機開啟土工試驗數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，將原位取得的根-土復(fù)合體原狀試樣放在剪切盒內(nèi)上、下兩塊透水石之間，然后由杠桿系統(tǒng)通過加壓活塞和透水石對試件分級施加50、100、200、300 kPa垂直壓力，再通過電動手輪以2．4 mm/min的轉(zhuǎn)速對下盒施加水平推力，使試樣在上、下盒的水平接觸面上產(chǎn)生剪切變形，直至破壞。剪應(yīng)力的大小可借助與上盒接觸的量力環(huán)的變形值計算確定。該試驗是將同一深度根-土復(fù)合體的幾個試樣分別在不同的垂直壓力作用下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到破壞時的剪應(yīng)力，然后根據(jù)庫侖定律，得出草甸型河岸由植物根系組成的根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角(φ)和黏聚力(c)。土的抗剪強度可用庫侖公式來表達，即

式中，τ為土的抗剪強度，kPa;σ為土的剪切面上的垂直應(yīng)力，kPa;c為土的內(nèi)聚力，kPa;φ為土的內(nèi)摩擦角，°。

2 結(jié)果與分析

研究區(qū)河灣凹岸主要受到水流的淘刷作用，尤其在每年洪水季節(jié)易發(fā)生崩岸現(xiàn)象，而凸岸主要受到水流沉積作用，不斷淤積成岸。由表1可知，在研究區(qū)兩處河灣的凹岸和凸岸，在0～30 cm垂直深度范圍內(nèi)根-土復(fù)合體的平均密度隨著深度的增大而增大，而含水量則總體表現(xiàn)為隨深度增大而減小。在河灣兩岸取原狀剪切試樣，進行直接剪切試驗，并且對各個剪切破壞的試樣進行含根量統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)植被根系在0～5 cm范圍內(nèi)分布較多，根密度最大可達0．12 g/cm3，且隨著深度增大，根量呈減少趨勢。

從表1和圖1可以看出，河灣兩岸的根-土復(fù)合體黏聚力在根系作用下明顯增大，而內(nèi)摩擦角變化無明顯規(guī)律。草甸型河岸帶根-土復(fù)合體平均黏聚力可達到18 kPa，較不含根黏土的黏聚力值平均高達220%。隨著取樣深度的增大，河灣凹岸和凸岸的根-土復(fù)合體抗剪強度指標黏聚力總體表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，即研究區(qū)兩個河灣凹岸根-土復(fù)合體黏聚力隨深度的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，而凸岸根-土復(fù)合體黏聚力隨深度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，且凹岸根-土復(fù)合體黏聚力比凸岸根-土復(fù)合體黏聚力平均高約10%。這主要是由于研究區(qū)河灣凸岸是在水流沉積作用下逐漸成岸，植被在河岸定居生長時期相對較短，其根-土復(fù)合體層深度相對凹岸要小，部分地段在地表以下30 cm就出現(xiàn)砂礫石層，因此在地表以下0～5 cm植被根系較發(fā)達，黏聚力值較大，而達到地表下20 cm左右時，根量減小幅度相對較大，相應(yīng)地黏聚力值減小;當達到地表下30 cm左右時，由于砂礫石的出現(xiàn)而使黏聚力增大。

表1 研究區(qū)河灣兩岸不同垂直距離下根－土復(fù)合體物理力學參數(shù)

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)河岸帶在0～30 cm垂直深度范圍內(nèi)，根-土復(fù)合體的平均密度隨著深度的增大而增大，而含水量則總體表現(xiàn)為隨深度增大而減小。地下植被根系在0～5 cm范圍內(nèi)分布較多，根密度最大可達0．12 g/cm3，且隨著深度的增大，根量呈減少趨勢。

(2)草甸型河岸帶根-土復(fù)合體平均黏聚力可達到18 kPa，其中河灣凹岸植被生長較穩(wěn)定且覆蓋度大，根-土復(fù)合體黏聚力比凸岸根-土復(fù)合體黏聚力平均高約10%，表明植物根系作用對河岸帶根-土復(fù)合體抗剪強度的影響較大。

(3)河灣兩岸根－土復(fù)合體平均含水量較高，平均可達41%，其抗剪強度隨著含水量的增大而減小，表明水分進入根－土復(fù)合體后，土顆粒間的結(jié)合力減小，從而降低了復(fù)合體的抗剪強度。由含水量增加造成的土體固結(jié)減弱或根土分離等，往往會引起水土流失。同時，暴雨等強降雨會使土體的含水量急劇升高，影響濱河岸土體的穩(wěn)定性。這也是研究區(qū)在每年洪水期常發(fā)生凹岸坍塌現(xiàn)象的影響因素之一。

［1］黃凱，郭懷成，劉永，等．河岸帶生態(tài)系統(tǒng)退化機制及其恢復(fù)研究進展［J］．應(yīng)用生態(tài)學報，2007(6):1373 －1382．

［2］張建春，彭補拙．河岸帶研究及其退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建［J］．生態(tài)學報，2003(1):56－63．

［3］王隨繼，倪晉仁，王光謙．河型的時空演變模式及其間關(guān)系［J］．清華大學學報(自然科學版)，2000(S1):96 －100．

［4］BRIAN D，RICHTER，HOLLY E，et al．Prescribing flood regimes to sustain riparian ecosystems along meandering rivers［J］．Conservation biology，2000，14(5):1467 －1478．

［5］PARKER G，SHIMIZU Y，WILKERSON GV．A new framework for modeling the migration of meandering rivers［J］．Earth surface processes and landforms，2011，36:70 －86．

［6］DAVISR J，GREGORY K J．A new distinct mechanism of river bank erosion in a forested catchment［J］．Journal of hydrology，1994，157:1 －11．

［7］HUBBLE T CT，DOCKER B B，RUTHERFURD I D．The role of riparian trees in maintaining riverbank stability:A review of Australian experience and practice［J］．Ecological engineering，2010，38:292 －304．

［8］朱海麗，李志威，胡夏嵩，等．黃河源草甸型彎曲河流的懸臂式崩岸機制［J］．水利學報，2015，43(7):836 －843．

［9］宋孝玉，康紹忠，史文娟，等．長武黃土溝壑區(qū)不同下墊面條件農(nóng)田產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及其影響因素［J］．水土保持學報，2000，14(2):28 －30．

［10］朱海麗，王兆印，李志威．黃河源區(qū)濱河草甸對彎曲河流河道演變的影響［J］．人民黃河，2013，35(4):41 －44．