不同土質(zhì)條件下植被護(hù)坡對(duì)河岸穩(wěn)定性的影響

何文華

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

對(duì)防洪效益和水資源分配日益增長的需求，導(dǎo)致了工程干預(yù)的增加，雖然這些工程提高了河道容量和輸送能力，但也引發(fā)了一些侵蝕和沉積問題。如修建河道或清除河岸植被等措施，導(dǎo)致部分河岸易受侵蝕，加快河岸侵蝕速率。因此，專家學(xué)者開始應(yīng)用“軟工程”來改善河流生態(tài)狀況，保持河岸穩(wěn)定性，如采用扦插柳樹、木樁護(hù)岸等生態(tài)措施。程莉等[1]利用二維有限元數(shù)學(xué)模型對(duì)植被護(hù)岸條件下河道的水流特性進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)植被護(hù)岸可減小河道局部過流能力；吉紅香等[2]提出在堤外灘地上種植適合當(dāng)?shù)厣L的植物，能起到保護(hù)岸灘、消減波浪的作用，是一種有效的生物護(hù)岸形式；馮明等[3]提出仿木樁護(hù)岸能充分發(fā)揮河道綜合功能，極大地提高了水體的生態(tài)功能。綜上可發(fā)現(xiàn)，生物工程有助于改善河流生態(tài)狀況，增強(qiáng)河岸抵御洪澇變化影響的能力[4-9]。因此，本文以塔里木河流域?yàn)檠芯勘尘埃骄可锕こ虒?duì)河岸穩(wěn)定性的影響。

1 概 況

塔里木河位于新疆維吾爾自治區(qū)塔里木盆地北部，發(fā)源于天山山脈及喀喇昆侖山，流域面積102萬km2，全長2179km，是中國最長的內(nèi)陸河。流域水資源總量為429.0億m3，流域多年平均天然徑流量為398.3億m3，主要以冰川融雪補(bǔ)給為主，地下水資源量為30.7億m3。由于塔里木河流域遠(yuǎn)離海洋，地處中緯度歐亞大陸腹地，四周高山環(huán)繞，東南部是塔克拉瑪干沙漠，形成了典型的大陸性氣候，具有降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，四季氣候懸殊，溫差大，多風(fēng)沙、浮塵天氣，日照時(shí)間長，光熱資源豐富等特點(diǎn)。由于長期以來塔里木河流域水資源受到不合理的開發(fā)利用，盲目開墾、亂砍濫伐、超載放牧等活動(dòng)使塔里木河流域河岸穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)河岸侵蝕、坍塌等現(xiàn)象。為了改善塔里木河河岸水土侵蝕現(xiàn)象，本文研究利用生物工程對(duì)河岸進(jìn)行防護(hù)的效果。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

為研究不同土質(zhì)下植被護(hù)坡對(duì)河岸穩(wěn)定性的影響，本文試驗(yàn)植被選擇紅柳，主要原因是其容易繁殖、成長迅速，莖干長而柔韌，適用于編織(見圖1)，且在相對(duì)貧瘠的土壤或污染過的土質(zhì)上也可自然生長，還能抵御一定的洪澇影響。對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)而言，紅柳護(hù)岸是一個(gè)實(shí)用的、可持續(xù)的生態(tài)措施，既可以綠化環(huán)境，又可以增加收入，提升社會(huì)效益。

圖1 紅柳護(hù)岸

2.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

為對(duì)比不同土質(zhì)下紅柳護(hù)岸的可行性，在塔里木河流域選擇兩個(gè)侵蝕較嚴(yán)重的地點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，見圖2。

圖2 試驗(yàn)測試地點(diǎn)

第一個(gè)試驗(yàn)測試點(diǎn)位于阿拉爾大橋附近，土壤地質(zhì)主要為黏土(C)，由黏性黏土和淤泥組成，顆粒間的作用力可抵抗河岸侵蝕，故堤岸每年侵蝕速度為0.3m左右。場地彎曲度為1.15，河岸角度為35°，寬深比為13.68，岸坡流量為34.10m3/s。

第二個(gè)試驗(yàn)測試點(diǎn)位于沙雅大橋附近，土壤地質(zhì)主要為礫石(G)，由河流夾帶的非黏性砂和礫石組成，位于凹岸外側(cè)，堤岸每年侵蝕速度高達(dá)1.3m。場地彎曲度為1.71，河岸角度為27°，寬深比為9.57，岸坡流量為38.77m3/s。

水面坡度和岸坡流量決定總水流功率，計(jì)算黏土總水流功率為2.01kW/m，礫石總水流功率為0.88kW/m?？偹鞴β逝c河道寬度之比為特定水流功率，黏土和礫石的特定水流功率分別為0.08kW/m2和0.04kW/m2。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

黏土和礫石試驗(yàn)地點(diǎn)的紅柳護(hù)岸設(shè)計(jì)特點(diǎn)見表1。

表1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)特點(diǎn)

按照表1布置黏土和礫石試驗(yàn)場地，其中圖3(a)、(b)為黏土試驗(yàn)地點(diǎn)布置前后現(xiàn)場，圖3(c)、(d)為礫石試驗(yàn)地點(diǎn)布置前后現(xiàn)場。圖中兩個(gè)樹樁栽種間距約0.5m，栽種時(shí)需要將至少三分之二的樹樁嵌入土壤，以保證紅柳樹根在干旱時(shí)期也可存活。

圖3 黏土、礫石試驗(yàn)地點(diǎn)布置現(xiàn)場前后

3 結(jié)果和討論

3.1 生物性能

初期紅柳生長狀況是判斷護(hù)岸能否長期有效的關(guān)鍵指標(biāo)之一，因此需要測量、記錄試驗(yàn)區(qū)紅柳枝條的生長狀態(tài)。隨機(jī)選擇黏土和礫石試驗(yàn)地點(diǎn)范圍內(nèi)的木樁，并對(duì)木樁上枝條長度增加的部分和枝條數(shù)量進(jìn)行取樣。通過精確測量取樣木樁上所有可見嫩枝的長度可知，測量誤差在±0.1cm內(nèi)的嫩枝最長可達(dá)1.0cm，誤差在±0.5cm內(nèi)的嫩枝長度均超過1.0cm。大部分木樁在安裝4～8周內(nèi)開始發(fā)芽，1個(gè)月后所有木樁均順利成活。

樹樁存活率見表2，由表2可知，5—10月，黏土試驗(yàn)地點(diǎn)樹樁存活率均在90.91%以上，具有較高成活率；礫石試驗(yàn)地點(diǎn)5—8月的樹樁成活率較高，9月樹樁成活率開始下降，到10月樹樁存活率僅在17.00%左右，死亡的樹樁大部分位于礫石上層。

表2 5—10月樹樁存活率 單位：%

在黏土試驗(yàn)地點(diǎn)，下層枝條的生長速度大于上層枝條。礫石試驗(yàn)地點(diǎn)初期上層枝條生長較快，主要原因是下層樹樁種植較晚，且上層枝條在生長季節(jié)早期獲得了足夠光照。但在6月時(shí)開始發(fā)生變化，到10月時(shí)下層枝條的平均長度已經(jīng)是上層枝條的9.5倍，長達(dá)98.0cm。利用監(jiān)測期間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出兩組試驗(yàn)地點(diǎn)的枝條長度和數(shù)量，見圖4。通過比較圖4中兩個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的相同土層可知，礫石上層的枝條長度比黏土上層的枝條長度平均短15cm，礫石下層枝條長度比黏土下層枝條長度平均長8cm。

圖4 兩組試驗(yàn)地點(diǎn)的枝條長度和數(shù)量注 豎線表示平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差，橫坐標(biāo)C-UT、C-LT分別為阿拉爾大橋處的黏土上、下層；G-UT、G-LT分別為沙雅大橋處的礫石上、下層。

就枝條數(shù)量而言，所有取樣樹樁上最初的發(fā)芽數(shù)量均較多，但隨著時(shí)間增長，活芽數(shù)量開始減少，位于樹樁頂部的枝芽開始出現(xiàn)大面積死亡。在黏土試驗(yàn)地點(diǎn)，5月的枝芽數(shù)量最多，每個(gè)樹樁上層平均(7.0±7.1)枝，下層平均(11.7±6.7)枝，7月的枝芽數(shù)量減少了43.75%，雖有一些可再生枝芽，但隨著生長季節(jié)結(jié)束，整體數(shù)量仍在下降。在礫石試驗(yàn)地點(diǎn)，枝芽數(shù)量變化更為明顯，5月和6月的活芽數(shù)量增幅最大，每個(gè)樹樁上層平均(12.1±7.0)枝，下層平均(13.6±5.7)枝，然而在生長季節(jié)結(jié)束時(shí)，活芽數(shù)量減少了92.40%。

從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度進(jìn)行分析，當(dāng)試驗(yàn)地點(diǎn)相同、層數(shù)不同時(shí)，枝芽數(shù)量的差異并不顯著；當(dāng)試驗(yàn)地點(diǎn)不同、層數(shù)相同時(shí)，黏土上、下層的枝芽數(shù)量均比礫石上、下層少。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算并繪出兩個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的枝條總長度，見圖5。由圖5可知，5—8月礫石試驗(yàn)地點(diǎn)的枝芽生長狀態(tài)比黏土試驗(yàn)地點(diǎn)好，但9—11月礫石試驗(yàn)地點(diǎn)的枝芽出現(xiàn)了較高的死亡率。9—11月礫石上層總枝條長度比黏土上層總枝條長度少約45倍，礫石下層總枝條長度比黏土下層總枝條長度少約2倍。

圖5 試驗(yàn)地點(diǎn)枝條長度

3.2 侵蝕沉積現(xiàn)象

為了評(píng)估樹樁的地貌功能并預(yù)測其潛力，記錄種植后第一個(gè)冬季(2018年11月至2019年3月)河岸侵蝕和回填物狀況。

首先在野外收集基本點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用Surfer計(jì)算機(jī)中的Multi-Quadric選項(xiàng)軟件對(duì)徑向基函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格化，這種網(wǎng)格化功能可以將隨機(jī)分布數(shù)據(jù)的位置匹配到均勻分布的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。徑向基函數(shù)技術(shù)可根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造平滑的表面，隨后獲取數(shù)據(jù)“切片”繪制橫截面輪廓圖，見圖6，該圖表明隨著時(shí)間的增長，礫石實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)不同橫截面均發(fā)生了不同程度的侵蝕。圖中CS1～CS4為沿下游橫截面方向的編號(hào)代碼，黑色實(shí)心曲線為2018年11月收集的數(shù)據(jù)，黑色空心曲線為2019年3月收集的數(shù)據(jù)。

圖6 礫石試驗(yàn)地點(diǎn)的橫截面示意圖

與黏土試驗(yàn)地點(diǎn)相比，礫石試驗(yàn)地點(diǎn)發(fā)生的侵蝕和沉積現(xiàn)象更為明顯，這是因?yàn)榈[石顆粒不均勻，顆粒間孔隙較多，容易受水流影響而改變自身狀態(tài)。在兩個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)，上游樹樁受到的侵蝕普遍較高，下游侵蝕率減小。因?yàn)樯嫌问艿降募羟袘?yīng)力較大，導(dǎo)致上游出現(xiàn)了較嚴(yán)重的侵蝕現(xiàn)象，而下游樹樁整體較穩(wěn)定。在礫石試驗(yàn)地點(diǎn)，河床和回填物上出現(xiàn)了較明顯的沉積現(xiàn)象，勘測區(qū)域內(nèi)沉積的物質(zhì)明顯多于侵蝕的物質(zhì)。

檢查河床剖面時(shí)，發(fā)現(xiàn)樹樁底部有明顯下陷情況，在礫石試驗(yàn)處長達(dá)29.14cm。當(dāng)樹樁的根無法彌補(bǔ)該缺陷時(shí)，說明床料出現(xiàn)了損失，此時(shí)若無人為干預(yù)，該樹樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)可能會(huì)失效。2個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)橫截面積的變化百分比見表3。

表3 試驗(yàn)地點(diǎn)橫截面積的變化百分比

由表3可知，該段時(shí)間內(nèi)各個(gè)橫截面上均發(fā)生了不同程度的侵蝕和沉積現(xiàn)象。根據(jù)每根樁上記錄的回填物相對(duì)樹樁的高度，可知黏土上層材料平均損失(-3.0±4.6)cm，下層材料平均損失(-6.2±2.9)cm，回填材料中出現(xiàn)-14.5cm的侵蝕現(xiàn)象和1.0cm的沉積現(xiàn)象。黏土上層27.00%的樹樁回填物被侵蝕，降低了至少5cm，黏土下層中63.00%的樹樁也出現(xiàn)了侵蝕現(xiàn)象。礫石上層材料平均損失(-0.7±2.6)cm，下層材料平均損失(-5.9±9.6)cm，礫石試驗(yàn)地點(diǎn)也出現(xiàn)-35.0cm 的侵蝕現(xiàn)象和9.5cm的沉積現(xiàn)象。

3.3 護(hù)岸模型

通過本文試驗(yàn)可知，在扦插樹樁時(shí)，應(yīng)盡可能深入土壤，以減少干燥和開裂。對(duì)于黏性較低的土壤，如礫石堤岸，需要將樹樁放置在河岸下方深處，確保干旱時(shí)期木樁也可吸水。冬季來臨之前，如果土壤中的植物生長不良，可以補(bǔ)種或用土工布覆蓋，部分死樁需用新材料替換。在種植早期應(yīng)避免遮陰，因?yàn)樾卵可L和發(fā)育需要光合作用。具體可采用以下3種護(hù)岸形式：

a.形式1(見圖7)，適用于急流河段，河流有中高河岸，同時(shí)堤岸上有大量巨石掩護(hù)，從而保護(hù)堤岸，因此只需要錨定岸上區(qū)域。因上游岸邊植被部分被耕地破壞，需要在上游河岸種植木本植物，以此達(dá)到錨固、造林、改善環(huán)境的作用。

圖7 形式1

b.形式2(見圖8)，適用于河岸高度相對(duì)較高、缺乏護(hù)面層天然保護(hù)的河段。岸上需要錨固，可植樹或種植紅柳，底層種植灌木，土壤保護(hù)層種植非木本植物。岸灘由于河流的高坡度，受到的侵蝕力顯著，應(yīng)采用種植根系發(fā)達(dá)的植物和放置大塊石相結(jié)合的方法控制和保護(hù)水土流失。

圖8 形式2

c.形式3(見圖9)，適用于支流河段，河床和淺灘高度適中。河岸由黑色黏土覆蓋的砂礫構(gòu)成，在支流河段中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注沖刷現(xiàn)象。在河岸較低處，可用活木樁處理，以重新固定土壤，并生成植被覆蓋保護(hù)河岸。

圖9 形式3

4 結(jié) 語

通過長期監(jiān)測試驗(yàn)地點(diǎn)扦插紅柳試驗(yàn)變化情況，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知，扦插紅柳可以減少侵蝕、降低近岸水流速度和剪切應(yīng)力，達(dá)到提高河岸穩(wěn)定性，對(duì)河岸提供長期、有效保護(hù)的目的。采用扦插紅柳保護(hù)河岸穩(wěn)定性時(shí)，黏土試驗(yàn)地點(diǎn)保護(hù)效果要優(yōu)于礫石試驗(yàn)地點(diǎn)?，F(xiàn)階段除科學(xué)開發(fā)利用河流外，還要防止地表水和地下水狀況惡化，因此利用生物工程保護(hù)、改善和恢復(fù)水資源有利于水資源的可持續(xù)發(fā)展。