典型荒漠植被根系對(duì)塔里木河岸坡沖刷過(guò)程影響試驗(yàn)研究

陳志康, 宗全利, 蔡杭兵

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109； 2.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

1 研究背景

河岸帶植被在防止水土流失、保護(hù)流域河堤等方面發(fā)揮重要作用，是流域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成員。對(duì)干旱區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)尤為重要，干旱區(qū)植被通過(guò)地上部分阻擋和減弱風(fēng)沙侵蝕，地下部分通過(guò)根系串接土壤，防止河岸水土流失，是阻止流域沙漠化的重要成員[1]。近些年來(lái)，受人類活動(dòng)的影響，河流生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)的功能?chē)?yán)重退化，恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)功能和維護(hù)河流健康的運(yùn)轉(zhuǎn)成為生態(tài)水利學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[2]。

植被固土固灘的作用已被長(zhǎng)期實(shí)踐證明是防止水土流失的有效方法，植被通過(guò)根系串連固結(jié)作用能夠提高河岸的穩(wěn)定性，另一方面通過(guò)改變河道水流結(jié)構(gòu)，影響河道泥沙的橫向輸移展寬，提高河岸的抗侵蝕能力[3-5]。現(xiàn)有岸灘植被與河岸水土流失關(guān)系的研究成果多集中在岸坡有無(wú)植被、植被覆蓋度及植被類型的影響，以及從水槽試驗(yàn)、野外試驗(yàn)、數(shù)值分析等多角度分析兩者之間的關(guān)系[6-11]。Charlton等[12]通過(guò)野外試驗(yàn)就植被對(duì)不同土質(zhì)河岸侵蝕影響進(jìn)行了研究，表明植被的存在使得卵石河岸的展寬率降低了30%，對(duì)于砂土質(zhì)河岸展寬率降低效果更顯著。郭二輝等[13]研究了城市濱河不同的植被類型對(duì)坡體水土流失的影響。李強(qiáng)等[14]研究黃土風(fēng)沙區(qū)植被對(duì)岸坡土體抗沖刷性能的影響。白玉川等[15]通過(guò)室內(nèi)水槽試驗(yàn)研究了植被覆蓋密度對(duì)河流動(dòng)力演變的影響，指出植被覆蓋密度越大，河床越易演變?yōu)檎钚蛷?fù)式河道。然而現(xiàn)有研究成果關(guān)于干旱區(qū)荒漠植被對(duì)河岸侵蝕影響的研究較少，宗全利等[16]對(duì)塔里木河流域荒漠植被根系固土的力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了研究，Yu等[17]從塔里木河流域植被根系對(duì)河流演變過(guò)程影響進(jìn)行了研究，楊涵苑等[18]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)塔里木河流域植被根系對(duì)河岸邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，表明植被根系明顯提高了河岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

盡管關(guān)于植被根系與河岸侵蝕方面的研究成果較多，但多數(shù)研究集中在河岸有無(wú)植被覆蓋，根系固土的力學(xué)性能方面，干旱區(qū)荒漠植被根系在水動(dòng)力學(xué)條件下對(duì)河岸沖刷過(guò)程的影響研究成果缺乏，因此本文選取塔里木河灌木紅柳、喬木胡楊根系，在水動(dòng)力條件下，通過(guò)室內(nèi)水槽，分析了荒漠植被根系下河岸沖刷機(jī)制、崩岸機(jī)理，并定量分析了不同根系網(wǎng)絡(luò)作用的貢獻(xiàn)以及根土崩塌體在河道的堆積、輸移特性等。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

2.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在石河子大學(xué)水工水力學(xué)試驗(yàn)大廳玻璃水槽中開(kāi)展，玻璃水槽長(zhǎng)為20 m，寬為50 cm，高為50 cm，底坡為1‰。在水槽進(jìn)口端設(shè)有閥門(mén)，可以控制來(lái)水流量。水槽尾端的三角量水堰用來(lái)測(cè)量流量大小。試驗(yàn)土體上下游端為水泥光滑抹面連接，模型土體橫斷面為梯形，試驗(yàn)土體自上游端向下編號(hào)依次為CS1、CS2、CS3，各典型斷面間距為50 cm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谒壑械木唧w布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)共5組，其中工況1-1(紅柳豎直)、1-2(紅柳V型)、2-1(胡楊豎直)、2-2(胡楊V型)為有根系組，工況3-1為無(wú)根系對(duì)照組，各工況下的試驗(yàn)具體情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)組次Table 1 Experimental groups

試驗(yàn)前預(yù)先鋪設(shè)河岸土體，同時(shí)對(duì)土體灑水養(yǎng)護(hù)。為保證各工況土體參數(shù)相同，制作模型時(shí)分層填筑壓實(shí)以保證質(zhì)量；為使根系能發(fā)揮較好的固土作用，根系在進(jìn)行鋪設(shè)土體時(shí)同步放置，根系與試驗(yàn)土體一同沉降固結(jié)一周后開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始前測(cè)量3個(gè)典型斷面(CS1—CS3)初始岸坡形狀，試驗(yàn)土體干密度為1.37～1.39 g/cm3，含水率為20.1%～20.6%，然后再進(jìn)行清水沖刷過(guò)程試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，使玻璃水槽的上游來(lái)水以沖刷流速流入水槽，試驗(yàn)過(guò)程中保持水位不變，記錄河岸崩塌過(guò)程中的現(xiàn)象和特點(diǎn)并不定時(shí)測(cè)量岸坡形態(tài)。

2.3 試驗(yàn)取樣

通過(guò)手持GPS定位試驗(yàn)取樣位置，根系取樣點(diǎn)為塔里木河上游的沙雅大橋附近河岸(82°8′39.4″E，40°51′35.5″N)。試驗(yàn)所用的土體取樣點(diǎn)位于蓋孜庫(kù)木鄉(xiāng)(82°57′40″E，40°57′9″N)，取樣位置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)取樣位置示意圖Fig.2 Sampling locations for the experiment

塔里木河流域內(nèi)植被主要有胡楊、紅柳、蘆葦及駱駝刺等，胡楊、紅柳根系發(fā)達(dá)，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。根系取樣采用挖掘剖面法。為保證根系的鮮活性，將所取的完整根系及表面的土用保鮮膜封裝防止水分揮發(fā)，對(duì)其編號(hào)記錄后帶回實(shí)驗(yàn)室，保存在與生長(zhǎng)環(huán)境相似的土壤中。試驗(yàn)土體取樣采用環(huán)刀法，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其物理性質(zhì)。

2.3.1 試驗(yàn)土體性質(zhì)

對(duì)土體的物理性質(zhì)等進(jìn)行測(cè)定，采用土工標(biāo)準(zhǔn)為《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)。所取土體主要由粉土質(zhì)砂和含細(xì)粒土砂組成，其上層為粉土質(zhì)砂(SM)，含水率為20.1%，干密度為1.42 g/cm3，其中細(xì)粒土含量(d<0.075 mm)占22.7%；下層為含細(xì)粒土砂(SF)，含水率為24.1%，干密度為1.37 g/cm3，細(xì)粒土含量為10.7%。試驗(yàn)土體為非黏性細(xì)砂，中值粒徑為0.12 mm，細(xì)粒土含量為18.3%，雖為非黏性土，但具有一定的黏性，土體粒徑級(jí)配含量分布如表2所示。

表2 試驗(yàn)土體粒徑級(jí)配含量分布Table 2 Particle size distribution of test soil

2.3.2 根系特征

試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯馏w鋪設(shè)前，選取植物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)均一、須根量相當(dāng)?shù)闹仓?，用游?biāo)卡尺測(cè)量根系直徑，植物根系直徑大致范圍為1.0～3.5 mm，每單株根徑測(cè)量多次取其平均值。根據(jù)根系構(gòu)型現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，根系在試驗(yàn)土體中以豎直和V型的形式放置[19-20]，根系沿?cái)嗝娴乳g距3 cm分布，其中V型根系夾角i取60°，根系布設(shè)如圖3所示。試驗(yàn)中豎直放置的單株植物根徑的平均值基本等于V型放置中兩株植物根徑之和的平均值，兩者平均誤差控制在±0.2 mm范圍內(nèi)。

圖3 根系斷面布置Fig.3 Schematic layout of root section

本文中不同植被根系密度以根系生物學(xué)特征參數(shù)單位土體內(nèi)根表面積密度RSAD反映其對(duì)河岸沖刷過(guò)程的影響[14]。本次試驗(yàn)中有植被根系組在不同工況下，同一典型斷面的不同根系布置方式中保證根表面積密度基本相同(平均誤差為4.12%)，根系密度參數(shù)如圖4所示。

圖4 各典型斷面根系密度參數(shù)Fig.4 Root parameters of each typical section

3 結(jié)果及分析

3.1 根系網(wǎng)絡(luò)作用對(duì)河岸崩塌影響分析

根系網(wǎng)絡(luò)作用指根系將較小土塊膠結(jié)成較大土塊的能力，可以反映河岸抗沖刷能力的強(qiáng)弱。試驗(yàn)中記上游連接端末為斷面縱向起點(diǎn)，河岸坡腳處為河岸與河床面的分界點(diǎn)。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到各工況下河岸的沖刷淤積量(累計(jì)沖刷崩塌量為負(fù)，淤積量為正)如圖5所示。從圖5中可知，有根系河岸岸坡的崩塌量小于無(wú)根系河岸，即根系通過(guò)網(wǎng)絡(luò)膠結(jié)作用提高了河岸土體的抗剪強(qiáng)度，河岸的抗沖刷能力提高。

圖5 河岸沿程沖淤量Fig.5 Erosion and deposition along river bank

從圖5還可知，相同植被間，V型根布置(工況1-2)河岸崩塌量(60 cm3)小于豎直布置(工況1-1)的崩塌量(92 cm3)，不難得出在相同根表面積密度(RSAD)下，V型根系網(wǎng)絡(luò)固土作用強(qiáng)，即土體水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和粒徑越大，根土摩擦咬合作用越強(qiáng)，根系將小土塊網(wǎng)絡(luò)成大塊體的能力越強(qiáng)，河岸越穩(wěn)定。不同植被(工況1-1、2-1)在相同根系方式(豎直)下，工況1-1河岸沖刷崩塌量(92 cm3)小于工況2-1的崩塌量(98 cm3)，在相同的RSAD下紅柳根系的抗拉/抗剪強(qiáng)度大于胡楊根系，其根土復(fù)合體產(chǎn)生的表觀黏聚力也較大[16]。這說(shuō)明紅柳根系的網(wǎng)絡(luò)固土作用更強(qiáng)。從圖5還可看出，在水流沖刷作用下，CS3斷面的累計(jì)崩塌量大于CS1斷面，相對(duì)應(yīng)的河床淤積量也較大。由于CS1斷面的根表面積密度最大，CS3斷面的最小，根表面積密度越大，根系與土顆粒的接觸表面積越大，根-土咬合摩擦力越大，河岸土體穩(wěn)定性越好，河岸崩塌量越小，固土能力越強(qiáng)。由于河道中倒伏根系的存在，對(duì)上游來(lái)沙起到阻擋緩沖作用，河床上的泥沙在CS3斷面處淤積的越多。

河岸崩塌量V與根表面積密度RSAD的關(guān)系如圖6所示，從圖6中可知，河岸崩塌量與根表面積密度之間呈負(fù)相關(guān)。其擬合公式為

圖6 河岸崩塌量與RSAD的關(guān)系Fig.6 Relationship betweenbank collapse and RSAD

V=376.05-

70.79ln(RSAD-17.03) ，

R2=0.775 。

式(1)擬合關(guān)系較好，可用作根系密度與河岸崩塌量之間定量關(guān)系式。式(1)說(shuō)明隨根表面積密度的增大，河岸崩塌量減小，根-土接觸表面積越大，根-土之間的摩擦力越大，河岸抗沖刷能力越強(qiáng)。

定義根系的固土效應(yīng)為有根系河岸崩塌量相對(duì)減小值和無(wú)根系河岸崩塌量之比。 在根系網(wǎng)絡(luò)作用下， 河岸固土能力提高。從圖7可以看出，根系對(duì)河岸的固土效應(yīng)貢獻(xiàn)值為0.12～0.42，較無(wú)根系河岸，有根系河岸的固土能力提高了12%～42%。

(1)

圖7 根系固土效應(yīng)區(qū)間分布值Fig.7 Interval distribu-tion of soil consolidationeffect of root system

3.2 根系布置方式對(duì)河岸固土能力的影響分析

根系在河岸中的布置方式不同，河岸的固土能力也有較大差別。由圖8可知，同種植被根系河岸，較豎直布置方式，V型方式下紅柳固土效應(yīng)提高了96.3%，胡楊提高了109.8%。不同植被根系河岸，在同一豎直、V型根形態(tài)下，紅柳的相較于胡楊的分別提高了32.7%和24.3%。

圖8 典型斷面不同工況下的根系固土效應(yīng)Fig.8 Soil consolidation effect of root system in typicalsections under different conditions

由此可見(jiàn)，河岸固土能力與根系的布置方式密切相關(guān)，紅柳、胡楊根系的V型方式固土效果明顯好于豎直方式(分別提高96.3%、109.8%)。圖9(不同小寫(xiě)字母表示檢驗(yàn)結(jié)果顯著)為根系布置方式對(duì)根系固土效應(yīng)值的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果。從圖9可知，不同的根系布置方式下對(duì)兩種植被的河岸固土能力均具有顯著性差異，在相同的根系密度下，V型布置根系中土體水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量大，單位面積土體中根土復(fù)合體咬合摩擦力愈大，形成的“網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)”更牢固，河岸的抗沖能力愈強(qiáng)。

圖9 根系不同布置方式間的顯著性檢驗(yàn)Fig.9 Significance test of different root arrangementpatterns

4 根土膠結(jié)崩塌體的堆積、分解和輸移

4.1 根土膠結(jié)崩塌體的堆積特性

試驗(yàn)過(guò)程中的河岸斷面形態(tài)變化如圖10所示，從圖10中可知：根土膠結(jié)體塌落河道后，在坡腳處的堆積形式類似三角形，堆積體的水下坡腳即為三角形的坡度，崩塌穩(wěn)定后的三角體的坡度等于水下泥沙休止角；坡腳堆積體的平均坡比(1∶1.75)大于無(wú)根系河岸的(1∶5)。

圖10 坡腳崩塌體的堆積形式Fig.10 Accumulation pattern of collapse body at slope toe

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不同工況下坡腳堆積體積與崩塌土體體積的占比關(guān)系如圖11所示，從圖11中可以看出，工況1-1下，坡腳堆積體積占崩塌土體體積比為0.19～0.28，平均占比0.24；工況1-2占比為0.41～0.49，平均占比0.46；工況2-1占比為0.16～0.23，平均占比0.21；工況2-2占比為0.35～0.42，平均占比0.39；工況3-1占比例為0.15～0.24，平均占比0.20。可以得出有根系河岸坡腳堆積體所占比例明顯增大，說(shuō)明由于根系在膠結(jié)體團(tuán)中的穿插、纏繞作用，堆積體不易被沖刷攜至下游。在相同水流條件下，V型根系下(工況1-2、2-2)坡腳堆積體占比明顯大于豎直型(工況1-1、2-1)；相同的根系布置下，紅柳根系河岸堆積體占比大于胡楊根系的，這與它們?cè)谠摖顟B(tài)下具有較強(qiáng)的固土作用是密不可分的。

圖11 不同工況下堆積體占比情況Fig.11 Proportion of accumulation underdifferent working conditions

4.2 根土膠結(jié)崩塌體的分解和輸移特性

河道中崩塌塊塌落后尺寸大小的變化可表示為[21]

V/V0=exp(-αt) 。

(2)

式中:V/V0為某一段時(shí)間的崩塌塊體積與初始體積比；t為時(shí)間(min)；α為土體分裂系數(shù)。試驗(yàn)通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合得到各工況下崩塌塊體的分解關(guān)系式如下。

工況1-1(紅柳豎直根系河岸)為

V/V0=exp(-0.019t) ,R2=0.70 。

(3)

工況2-1(胡楊豎直根系河岸)為

V/V0=exp(-0.023t) ,R2=0.72 。

(4)

工況3-1(無(wú)根系河岸)為

V/V0=exp(-0.036t) ,R2=0.82 。

(5)

崩塌體的體積變化與時(shí)間的關(guān)系如圖12所示，從圖12中可以看出，河道中崩塌體的體積變化與時(shí)間呈指數(shù)遞減關(guān)系。與Fukuoka[21]試驗(yàn)相對(duì)比，本試驗(yàn)(工況3-1)塌落河道的崩塌塊體積隨時(shí)間變化快，主要和試驗(yàn)土體的性質(zhì)不同有關(guān)。其中Fukuoka試驗(yàn)為含粉砂土，本試驗(yàn)為細(xì)砂土，更容易被分解破壞，相應(yīng)的崩塌塊體積分解速快。

圖12 崩塌體體積變化與時(shí)間的關(guān)系Fig.12 Volumetric change of collapse body with time

α反映了崩塌體體積的分解速率，試驗(yàn)得到無(wú)根系的α最大(0.036 min-1)、胡楊根系的次之(0.023 min-1)、紅柳根系的最小(0.019 min-1)。可以看出有根系河岸根土膠結(jié)崩塌體分解速度慢，主要是由根土膠結(jié)體的抗剪強(qiáng)度大于素土試驗(yàn)土體造成，在相同水流下根土膠結(jié)體越難被分解。由于紅柳根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度大于胡楊的，故在同等水流條件下紅柳根土崩塌體分解所需的時(shí)間最長(zhǎng)。

定義根系牽拉系數(shù)(F)[22]為有根系河床累計(jì)淤積率(累計(jì)河床淤積量和累計(jì)河岸崩塌量之比)和無(wú)根系河床累計(jì)淤積率的比值，根系牽拉系數(shù)反映了根土膠結(jié)體在分解過(guò)程中根系的穿插、纏繞作用，使其纏繞吸附同一平面小顆粒土體越多，某一時(shí)間內(nèi)挾至下游的泥沙量減少，對(duì)床面起防護(hù)作用。不同工況下的根系牽拉系數(shù)如圖13所示，若F>1表示根土膠結(jié)體在分解過(guò)程中，根系對(duì)床面起防護(hù)作用，反之亦然。從圖13可以看出V型根系(工況1-2、2-2)對(duì)河床的防護(hù)作用大于豎直根系(工況1-1、2-1)，在相同的根系密度下，V型根-土顆粒間土體水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量大，根-土間的咬合作用強(qiáng)，摩擦力大，其分解所需的水流強(qiáng)度愈大，在相同水流下被輸移至下游的泥沙量減小，對(duì)河床的防護(hù)作用越明顯。本試驗(yàn)中根系對(duì)河床的牽拉系數(shù)在實(shí)際中可按1.15～2.52進(jìn)行估算。

圖13 各工況下的根系牽拉系數(shù)Fig.13 Root’s traction coefficient underdifferent working conditions

5 河岸崩塌過(guò)程分析

根據(jù)無(wú)根系河岸試驗(yàn)結(jié)果，河岸沖刷初期的地形形態(tài)如圖14(a)所示，從圖14中可知，水流沖刷初期，河岸水位以下的砂土層淘刷形式近似弧形，下部淘空面積較大，沖刷過(guò)程概化示意如圖14(b)所示。崩塌機(jī)理為在近岸水流沖刷下切作用下，坡腳處不斷橫向向內(nèi)淘刷，導(dǎo)致水位上部的土層被懸空，岸坡頂部出現(xiàn)橫向裂縫；隨著裂縫進(jìn)一步延伸，當(dāng)上部土層達(dá)到臨界狀態(tài)后，上部土層發(fā)生繞軸崩塌[23]。該階段主要與水流強(qiáng)度及懸空層上部土體性質(zhì)有關(guān)。

圖14 無(wú)根系河岸地形形態(tài)Fig.14 Morphology of rootless riparian topography

有根系河岸沖刷初期的地形形態(tài)如圖15(a)所示，在近岸水流沖刷作用下，隨著水位下部土層被淘刷，水下局部根系裸露，水位上部根土復(fù)合層進(jìn)一步被懸空，崩塌機(jī)理為懸空層上表面出現(xiàn)縱向裂隙，裂隙豎向伸展，根土復(fù)合體沿滑裂面塌落河道，破壞面多為圓弧滑裂面。其水下土層淘刷形態(tài)近似三角形如圖15(b)所示，較無(wú)根系河岸水下圓弧淘空面積，有根系河岸水下三角淘空面積要小，水位上部懸空層穩(wěn)定性也較好；由于根系網(wǎng)絡(luò)作用，懸空層的抗拉剪能力強(qiáng)，上部土層的懸空寬度也較大。

圖15 有根系河岸地形形態(tài)Fig.15 Morphology of rooted river bank

6 結(jié) 論

(1)較無(wú)植被根系河岸，有根系河岸的固土能力提高了12%～42%。同種植被根系河岸，根系布置方式對(duì)河岸的網(wǎng)絡(luò)固土作用有顯著性影響，V型根系的網(wǎng)絡(luò)固土作用更強(qiáng)；不同植被根系河岸，在相同的根系布置方式下，灌木紅柳根系的網(wǎng)絡(luò)固土作用優(yōu)于喬木胡楊根系。

(2)根土膠結(jié)崩塌體的堆積形式為三角形，且堆積體所占比例較無(wú)根系崩塌體的明顯增大。同種植被河岸V型根系下的堆積體所占比例大于豎直根系；不同植被根系河岸在相同根系布置中紅柳根系的堆積體占比大于胡楊根系的。

(3)紅柳根土膠結(jié)崩塌體在河道中的速率最慢，分解所需要的時(shí)間最長(zhǎng)，無(wú)根系崩塌體分解最快。在根土崩塌體被分解輸移下游過(guò)程中，V型根系對(duì)河床的防護(hù)作用最強(qiáng)。

(4)無(wú)植被根系河岸水下淘刷形式主要為圓弧形，下部淘空面積相對(duì)較大，上部土層被懸空達(dá)到臨界狀態(tài)后，多發(fā)生繞軸旋轉(zhuǎn)崩塌；有植被根系河岸水下淘空形式主要為三角形，淘空面積相對(duì)較小，上部懸空層穩(wěn)定性較好，多發(fā)生圓弧滑動(dòng)破壞。

由于實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性，塔里木河流域荒漠植被種類較多，本文僅選取兩種典型植被研究，實(shí)際河岸中根系分布也是復(fù)雜多樣的，不同的植被在不同的根系形態(tài)下對(duì)河岸的固土效應(yīng)有不同的結(jié)果，后續(xù)可進(jìn)一步開(kāi)展研究。本文結(jié)果可為塔里木河河道治理、岸坡防護(hù)提供參考。