塔里木河植被根系對河岸沖刷特性影響的現(xiàn)場試驗(yàn)

宗全利 張禹洋 唐瑞澤 湯驊 劉華利 李琳

摘要：為研究現(xiàn)場條件下植被根系對河岸沖刷特性的定量影響，設(shè)計(jì)制作了沖刷試驗(yàn)裝置，在塔里木河干流上游選取了4個(gè)典型位置，開展了胡楊、蘆葦、紅柳和駱駝刺4種典型根系的18組土體起動(dòng)切應(yīng)力和沖刷系數(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：① 起動(dòng)切應(yīng)力隨根系含量增大基本呈冪函數(shù)關(guān)系增大，且相同根系含量對應(yīng)起動(dòng)切應(yīng)力紅柳最大，胡楊和駱駝刺次之，蘆葦最小;分析了單位根系含量變化對起動(dòng)切應(yīng)力的影響效果，其順序?yàn)轳橊劥?胡楊>紅柳>蘆葦。② 建立了起動(dòng)切應(yīng)力與根系體積密度的定量關(guān)系式;根系的存在可以減小土體沖刷系數(shù)，其值隨根系含量增大基本呈冪函數(shù)關(guān)系減小，且單位根系含量增加對沖刷系數(shù)的減小效果次序?yàn)轳橊劥?胡楊>紅柳>蘆葦。③ 建立了有、無根系影響的沖刷系數(shù)與起動(dòng)切應(yīng)力冪函數(shù)關(guān)系式，并與已有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析;本文試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有研究結(jié)果規(guī)律一致，但對應(yīng)的系數(shù)和指數(shù)均有所差異。研究成果能為塔里木河植被護(hù)坡和河岸沖刷過程計(jì)算提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沖刷特性;起動(dòng)切應(yīng)力;沖刷系數(shù);植被根系;現(xiàn)場試驗(yàn);塔里木河

中國分類號(hào)：TV149.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2024）02-0232-12

收稿日期：2023-09-12;網(wǎng)絡(luò)出版日期：2024-01-10

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：//link.cnki.net/urlid/32.1309.P.20240110.1448.002

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022B03024-2）;國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51569029）

作者簡介：宗全利（1979—），男，山東臨朐人，教授，博士，主要從事河流動(dòng)力學(xué)方面研究。

E-mail：zongql@qau.edu.cn

通信簡介：李琳，E-mail：lilin_xjau@163.com

植被根系通過對河岸沖刷過程侵蝕特性的影響，可以減少水流沖刷^［1］。但現(xiàn)有研究成果多以植被影響的水槽試驗(yàn)和過程模擬為主^［2-3］，缺少植被根系對土體侵蝕特性影響的現(xiàn)場測試資料。因此，通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究植被根系對岸坡土體沖刷特性影響，對植被護(hù)坡和河岸沖刷定量計(jì)算均具有重要意義。

河岸土體沖刷特性主要與起動(dòng)切應(yīng)力和沖刷系數(shù)2個(gè)參數(shù)有關(guān)。目前對這2個(gè)參數(shù)的測定主要通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)，如Toan^［4］通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)測試了越南紅河岸坡土體起動(dòng)切應(yīng)力和侵蝕率;Palermo等^［5］通過水槽試驗(yàn)研究了水流射流沖擊作用下起動(dòng)切應(yīng)力估算方法;He等^［6］對黃河下游黏性土體沖刷速率進(jìn)行了試驗(yàn)研究;張文皎等^［7］采用高速水流噴射試驗(yàn)分析了底泥的起動(dòng)輸移規(guī)律;Wahl^［8］對4種不同的黏性土壤進(jìn)行了52次室內(nèi)水流噴射試驗(yàn)，得到最佳沖刷參數(shù)擬合方法;宗全利等^［9］利用水槽沖刷試驗(yàn)裝置，對荊江河岸黏性土起動(dòng)切應(yīng)力和沖刷系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn);劉明瀟等^［10］利用水槽結(jié)合水下攝影，對床面泥沙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了精細(xì)觀測。綜上，實(shí)驗(yàn)室測定土體沖刷特性參數(shù)可方便調(diào)節(jié)水流和邊界條件，但缺點(diǎn)在于試驗(yàn)土體為重塑土，與天然狀態(tài)差異較大，難以準(zhǔn)確反映自然沖刷條件，所得結(jié)果與現(xiàn)場結(jié)果差異較大，不能直接用于實(shí)際河岸沖刷的計(jì)算。

現(xiàn)場試驗(yàn)可以直接獲取實(shí)際岸坡的沖刷參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了相關(guān)研究^［11-12］。2007年美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）發(fā)布了水流噴射標(biāo)準(zhǔn)測量方法（D5852），并得到了廣泛應(yīng)用^［13-14］。Karmaker等^［15］通過水流噴射方法對印度Brahmaputra河岸土體進(jìn)行了沖刷特性參數(shù)的現(xiàn)場測定，得到了土體沖刷系數(shù)和起動(dòng)切應(yīng)力的定量結(jié)果;Wynn^［16］使用水流噴射試驗(yàn)裝置，現(xiàn)場測量了植被對河岸土體沖刷特性的影響。ASTM的D5852是目前現(xiàn)場測量土體沖刷特性參數(shù)比較流行的方法，得到了廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)有成果中關(guān)于植被根系影響下沖刷特性的研究結(jié)果很少。

本文通過在塔里木河干流上游河段進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，獲得4種典型植被根系條件下河岸土體沖刷系數(shù)和起動(dòng)切應(yīng)力值，分析岸坡植被對河岸土體沖刷特性的影響關(guān)系，為后續(xù)河岸側(cè)向沖刷過程計(jì)算提供實(shí)測數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置及原理

1.1.1 試驗(yàn)裝置

參考ASTM的D5852標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)制作了現(xiàn)場試驗(yàn)裝置。裝置分為供水和水流噴射兩部分，其中，供水部分由調(diào)節(jié)水閥、支架、注水軟管、水泵組成;水流噴射部分由噴射管、噴嘴、測針、浸沒水箱、擋流板和基礎(chǔ)環(huán)等組成。其中，噴射管長70 cm、內(nèi)徑10 cm，噴嘴直徑0.4 cm，測針直徑0.35 cm、長110 cm，浸沒水箱高25 cm、內(nèi)徑10 cm，基礎(chǔ)環(huán)高10 cm、內(nèi)徑10 cm。具體如圖1所示。

1.1.2 試驗(yàn)原理

起動(dòng)切應(yīng)力為水流產(chǎn)生的切應(yīng)力在噴射水流下方最大沖刷處達(dá)到峰值，該臨界狀態(tài)水流切應(yīng)力即為土體的起動(dòng)切應(yīng)力，具體計(jì)算原理如下：

式中：_i為水流在土體表面產(chǎn)生的應(yīng)力峰值，N/m²;₀為噴嘴處產(chǎn)生的初始應(yīng)力，N/m²;J_p為噴嘴潛在射流長度，m;J_i為噴嘴距土體表面沖刷中心距離，m;C_d為擴(kuò)散常數(shù)，取6.3;d₀為噴嘴直徑，d₀=0.004 m;C_f為摩擦系數(shù)，文中試驗(yàn)裝置的C_f為0.004 16;ρ為水的密度，ρ=1 000 kg/m³;U₀為噴嘴處流速，m/s;g為重力加速度，m/s²;h為水頭差，m。

結(jié)合式（1）—式（4）可以得出_i的簡化方程式：

噴射水流在土體沖刷中心表面產(chǎn)生最大切應(yīng)力，當(dāng)沖刷深度不變時(shí)，水流產(chǎn)生的應(yīng)力與土體起動(dòng)切應(yīng)力達(dá)到平衡，此時(shí)J_i稱為平衡深度，代入式（5）中得到_i，即為土體起動(dòng)切應(yīng)力。

沖刷系數(shù)通過Hanson方法^［17］進(jìn)行計(jì)算：

k_d=0.003exp（385I_j）（6）

式中：k_d為沖刷系數(shù)，cm³/（N·s）;I_j為射流指數(shù)，繪制D_s/t和U₀/（t）^-0.931關(guān)系圖（D_s為沖刷距離），用最小二乘法擬合直線，其斜率即為射流指數(shù)。

1.2 試驗(yàn)步驟及組次安排

1.2.1 試驗(yàn)步驟

（1） 選擇合適的試驗(yàn)地點(diǎn)，安裝儀器，將基礎(chǔ)環(huán)均勻推入試驗(yàn)土體中，直至土體表面與基礎(chǔ)環(huán)表面相平，如圖2（a）所示。

（2） 固定基礎(chǔ)環(huán)與浸沒水箱，用軟管連接進(jìn)水口和水泵（圖2（b））。

（3） 用擋流板擋住噴嘴，打開排氣閥排出氣體，開始供水;待浸沒水箱充滿水后，將擋流板移開，開始沖刷試驗(yàn)（圖2（c）—圖2（d））;在開始試驗(yàn)30 s和120 s時(shí)分別用測針測量沖刷深度，之后每隔120 s測一次沖刷深度，直至連續(xù)2次測針讀數(shù)不變化，表明此時(shí)土體沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束（圖2（e））。

（4） 試驗(yàn)完成后，收集基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)根系，測量所有根系長度、直徑，得到根系體積，并計(jì)算占基礎(chǔ)環(huán)土體體積（3 140 cm³）的百分?jǐn)?shù)，即根體積密度（D_RV）（圖2（f））。

1.2.2 試驗(yàn)組次

根據(jù)已有現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，塔里木河上游共有29種植被，出現(xiàn)頻率較高的有15種，喬木主要是胡楊，灌木和草本植被主要有蘆葦、紅柳、駱駝刺等^［18］。因此，選擇胡楊、蘆葦分別代表喬木和草本植被，紅柳和駱駝刺代表灌木植被，以4種典型植被根系土體作為研究對象，在2022年8—9月進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，具體組次安排見表1。為了進(jìn)行對比，每個(gè)試驗(yàn)位置同時(shí)進(jìn)行了無根系土體的沖刷試驗(yàn)。

1.3 河岸土體物理性質(zhì)

分別對現(xiàn)場試驗(yàn)4個(gè)位置的土體取樣，測量其主要物理性質(zhì)和級(jí)配情況，結(jié)果見表1和圖3?？梢钥闯?，4個(gè)試驗(yàn)位置土體物理性質(zhì)基本相同，干密度范圍為1.17～1.27 g/cm³，均值為1.21 g/cm³;中值粒徑范圍為0.042～0.053 mm，平均值為0.048 mm；土體含水率范圍為12.9%～29.8%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)土體物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，塔里木河干流河岸土體主要為非黏性土體。非黏性土起動(dòng)主要以單顆粒運(yùn)動(dòng)為主，粒徑大小對起動(dòng)條件具有重要影響，起動(dòng)切應(yīng)力與粒徑大小定量關(guān)系的研究比較成熟，相關(guān)成果也較多且均經(jīng)過了大量試驗(yàn)驗(yàn)證。本文以經(jīng)過驗(yàn)證可靠的非黏性土體起動(dòng)切應(yīng)力計(jì)算公式對試驗(yàn)土體的起動(dòng)切應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，以此來驗(yàn)證現(xiàn)場試驗(yàn)得到結(jié)果的可靠性。

當(dāng)中值粒徑小于2.0 mm時(shí)，土體起動(dòng)切應(yīng)力常用下式進(jìn)行計(jì)算^［17］：

τ_c=0.044×16.2×d₅₀（7）

式中：τ_c為起動(dòng)切應(yīng)力，N/m²;d₅₀為土體中值粒徑，mm。

根據(jù)式（7）計(jì)算得到4個(gè)現(xiàn)場試驗(yàn)地點(diǎn)土體起動(dòng)切應(yīng)力值，與相應(yīng)無根系土體起動(dòng)切應(yīng)力現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，實(shí)測和計(jì)算結(jié)果基本一致，最小誤差為1.2%，最大誤差為2.5%，均小于5%，在允許范圍內(nèi)，可以保證現(xiàn)場試驗(yàn)裝置的主要參數(shù)（C_d、C_f）和相應(yīng)方法的準(zhǔn)確性。

2.2 起動(dòng)切應(yīng)力結(jié)果及分析

為分析植被根系對土體起動(dòng)切應(yīng)力的定量影響，現(xiàn)場測得了4種典型植被根系下的土體起動(dòng)切應(yīng)力值;并在試驗(yàn)結(jié)束后獲取根系特征指標(biāo)，計(jì)算D_RV，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，4種植被根系對應(yīng)河岸土體起動(dòng)切應(yīng)力均大于無根系數(shù)值，說明植被根系存在可以增強(qiáng)土體的起動(dòng)切應(yīng)力值。由表1和表2可知，Ⅲ處土體含水率相對較高（29.8%）、干密度較大（1.27 g/cm³），所以，Ⅲ處無根系的起動(dòng)切應(yīng)力高于其他試驗(yàn)點(diǎn)，而沖刷系數(shù)較低，表明該試驗(yàn)點(diǎn)土體不容易起動(dòng)、抗沖刷能力較強(qiáng)。

需要指出，本文主要討論根體積密度對起動(dòng)切應(yīng)力和沖刷系數(shù)的影響，但實(shí)際上根系的形狀、分布等因素也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。圖5給出了沖刷后4種典型植被根系的分布情況，可以看出，在沖刷過程中，4種典型植被根系都比較集中和垂直分布，這也是得到本文結(jié)果的前提條件。

2.2.1 不同植被類型對起動(dòng)切應(yīng)力的影響

不同植被類型對應(yīng)起動(dòng)切應(yīng)力與根體積密度的關(guān)系如圖6所示。從圖6中可以看出，在一定根系范圍內(nèi)（D_RV=0.28%～4.22%），起動(dòng)切應(yīng)力隨根體積密度的增加而增大，但不同植被增強(qiáng)起動(dòng)切應(yīng)力的強(qiáng)度不同?？傮w上，相同根體積密度對應(yīng)的紅柳起動(dòng)切應(yīng)力最大，其次為胡楊和駱駝刺，蘆葦最小。

同時(shí)，4種植被根系基本在D_RV=1.0%～1.5%范圍相互交叉。當(dāng)D_RV<1.0%時(shí)，相同根體積密度下對應(yīng)駱駝刺起動(dòng)切應(yīng)力最大，蘆葦最小，說明在此范圍內(nèi)根系增強(qiáng)起動(dòng)切應(yīng)力的能力為駱駝刺>胡楊>蘆葦（紅柳無此范圍根體積密度試驗(yàn)結(jié)果）;當(dāng)D_RV>1.5%時(shí)，相同根體積密度下對應(yīng)紅柳起動(dòng)切應(yīng)力最大，蘆葦最小，說明在此范圍內(nèi)根系增強(qiáng)起動(dòng)切應(yīng)力的能力為紅柳>胡楊>蘆葦（駱駝刺無此范圍根體積密度試驗(yàn)結(jié)果）;當(dāng)1.0%≤D_RV≤1.5%時(shí)，相同根體積密度下對應(yīng)胡楊起動(dòng)切應(yīng)力最大，蘆葦最小，說明在此范圍內(nèi)根系增強(qiáng)起動(dòng)切應(yīng)力的能力為胡楊>駱駝刺>蘆葦（紅柳無此范圍根體積密度試驗(yàn)結(jié)果）。受現(xiàn)場試驗(yàn)條件限制，本文含根系試驗(yàn)組次相對較少，得到的4種植被根系交叉點(diǎn)范圍可能會(huì)隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)的增加有所變化，但基本變化趨勢不會(huì)改變，上述結(jié)果應(yīng)用僅限于4種植被根體積密度范圍D_RV<4.22%。

根據(jù)上述結(jié)果可知，每種植被根系均能增強(qiáng)土體起動(dòng)切應(yīng)力，但由于其根系特征并不完全相同，所以增強(qiáng)機(jī)理也并不一致。如蘆葦為禾本植物，須根較發(fā)達(dá)，但根系剛度較低，所以蘆葦主要通過加筋作用將松散土體聯(lián)結(jié)為復(fù)合體，形成加筋土，所以在上述4種典型植被中，蘆葦對起動(dòng)切應(yīng)力增強(qiáng)作用最弱；紅柳為小喬木或灌木植物，根系主要為一條主根，須根較少，主根剛度較高，其主要通過錨固作用穩(wěn)固土體，所以在根體積密度較大時(shí)（D_RV>1.5%），紅柳表現(xiàn)出最強(qiáng)的增強(qiáng)作用；胡楊為木本植物，根系較粗，具有一定的剛度，主要通過錨固作用可以將淺層不穩(wěn)定土體與深處較為穩(wěn)定土層進(jìn)行穩(wěn)固，其對起動(dòng)切應(yīng)力增強(qiáng)作用與紅柳類似；駱駝刺為灌木植物，根系既有縱橫交錯(cuò)的須根，也有垂直向下的粗根，主根剛度較高，且垂向發(fā)育深度較大，通過錨固和加筋2種作用提高起動(dòng)切應(yīng)力，所以駱駝刺在根體積密度中等（0.5%≤D_RV≤1.5%）下，也表現(xiàn)出較強(qiáng)的增強(qiáng)作用。

2.2.2 不同根體積密度對起動(dòng)切應(yīng)力的影響規(guī)律

將不同根體積密度對應(yīng)起動(dòng)切應(yīng)力值與相同條件下無根系結(jié)果進(jìn)行比較，得到4種典型植被不同根體積密度對起動(dòng)切應(yīng)力的增強(qiáng)效果（百分?jǐn)?shù)），如圖7所示。

從圖7中可以看出，4種典型植被根系中，相同根體積密度下駱駝刺對起動(dòng)切應(yīng)力的增強(qiáng)效果最大，胡楊和紅柳次之，蘆葦最小。說明根體積密度增大相同值時(shí)，駱駝刺對起動(dòng)切應(yīng)力增強(qiáng)效果最明顯，而蘆葦最不明顯。如D_RV保持1.0%增幅，駱駝刺、胡楊、紅柳、蘆葦起動(dòng)切應(yīng)力分別增加24.0%、11.8%、10.5%和6.2%。進(jìn)一步說明單位根體積密度變化對起動(dòng)切應(yīng)力的影響為駱駝刺>胡楊>紅柳>蘆葦。

根據(jù)Kothyari等^［19］的試驗(yàn)結(jié)果，可建立土體起動(dòng)切應(yīng)力與根體積密度的定量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

τ_cr=aρ^b_dD^d_RV（8）

式中：τ_cr為根系影響下的土體起動(dòng)切應(yīng)力，N/m²;ρ_d為土體干密度，t/m³;a、b和d分別為系數(shù)和指數(shù)，須通過試驗(yàn)確定。

根據(jù)塔里木河原型土體河岸沖刷特性水槽試驗(yàn)結(jié)果^［20］，式（8）中系數(shù)b=5.11。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同D_RV對應(yīng)起動(dòng)切應(yīng)力擬合關(guān)系，得到不同植被類型和土體物理性質(zhì)（干密度）下起動(dòng)切應(yīng)力與D_RV的定量關(guān)系式：

駱駝刺：τ_cr=0.017 6ρ^5.11_dD^{0.100 6}_RV， R²=0.963 5（12）

受試驗(yàn)組次較少影響，式（9）—式（12）擬合系數(shù)不是很高，a、b和d不確定性也較大，今后需要補(bǔ)充更多現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完善不同類型植被對應(yīng)的系數(shù)和指數(shù)值。

2.3 沖刷系數(shù)結(jié)果及分析

2.3.1 不同植被類型對沖刷系數(shù)的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果（表2）可知，4種植被根系對應(yīng)河岸土體沖刷系數(shù)均小于無根系值，說明植被根系的存在可以減小土體沖刷系數(shù)。根系對土體沖刷系數(shù)的這種減小作用，可以有效減弱河岸土體的沖刷，從而保護(hù)河岸側(cè)向侵蝕。

4種典型植被下對應(yīng)沖刷系數(shù)與根體積密度的關(guān)系，如圖8所示。從圖8中可以看出，在一定范圍內(nèi)（D_RV=0.28%～4.22%），土體沖刷系數(shù)隨根體積密度的增加而減小。這主要是因?yàn)楦荡嬖谔岣吡送馏w抗沖能力，從而降低了沖刷系數(shù)。以蘆葦為例，隨著D_RV從0.51%增加到3.88%，沖刷系數(shù)從5.82×10^-2cm³/（N·s）減少到2.14×10^-2cm³/（N·s）。

與起動(dòng)切應(yīng)力規(guī)律類似，4種植被根系對應(yīng)沖刷系數(shù)與D_RV曲線也存在相互交叉。其中，胡楊和蘆葦基本在D_RV=1.5%附近相互交叉;紅柳和蘆葦在D_RV=3.6%附近相互交叉。當(dāng)D_RV<1.5%時(shí)，相同根體積密度下對應(yīng)駱駝刺沖刷系數(shù)最小，胡楊最大，說明在此范圍內(nèi)植被根系影響沖刷系數(shù)的能力為駱駝刺<蘆葦<胡楊（紅柳無此范圍根體積密度試驗(yàn)結(jié)果）;當(dāng)1.5%≤D_RV≤3.6%時(shí)，相同根體積密度下對應(yīng)胡楊沖刷系數(shù)最小，紅柳最大，在此范圍內(nèi)植被根系增強(qiáng)沖刷系數(shù)的能力為胡楊<蘆葦<紅柳（駱駝刺無此范圍根體積密度試驗(yàn)結(jié)果）;當(dāng)D_RV>3.6%時(shí)，根系增強(qiáng)沖刷系數(shù)的能力為紅柳<蘆葦（胡楊和駱駝刺無此范圍根體積密度試驗(yàn)結(jié)果）。

2.3.2 不同根體積密度對沖刷系數(shù)的影響規(guī)律

將不同根體積密度對應(yīng)沖刷系數(shù)值與相同條件下無根系對應(yīng)值進(jìn)行比較，得到4種典型植被根體積密度對沖刷系數(shù)的減小效果（百分比），如圖9所示。從圖9中可以看出，隨著根體積密度增加，沖刷系數(shù)減小效果逐漸增強(qiáng)。以駱駝刺為例，隨著D_RV由0.28%增加到1.09%，沖刷系數(shù)減小效果由31.9%提升到61.8%。

4種典型植被根系中，相同根體積密度變化下駱駝刺對沖刷系數(shù)的減小效果最大，其次為胡楊，紅柳次之，蘆葦最小。說明增大相同根體積密度時(shí)，駱駝刺對沖刷系數(shù)的減小效果最明顯，而蘆葦相對最不明顯。如D_RV保持1.0%增幅，駱駝刺、胡楊、紅柳、蘆葦沖刷系數(shù)會(huì)分別增加38.0%、34.8%、19.6%、14.7%。進(jìn)一步說明單位根體積密度變化對沖刷系數(shù)的影響為駱駝刺>胡楊>紅柳>蘆葦，這與根系對起動(dòng)切應(yīng)力影響的試驗(yàn)結(jié)果一致。

3 討論

3.1 無植被根系影響下沖刷系數(shù)與起動(dòng)切應(yīng)力的關(guān)系

將無根系影響下沖刷系數(shù)和起動(dòng)切應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10所示。從圖10中可以看出，沖刷系數(shù)隨著起動(dòng)切應(yīng)力的增大而減小，基本呈冪函數(shù)關(guān)系，兩者定量關(guān)系如下：

k_d=7.0×10^-5τ_c^-2.01（13）

由于原型試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，式（13）擬合系數(shù)R²=0.60并不是很高。Hanson等^［17］對美國密西西比的Yalobusha河流進(jìn)行了83組現(xiàn)場沖刷試驗(yàn)得到k_d=2.0×10^-7τ^-0.5_c;Karmaker等^［15］對印度Brahmaputra河岸進(jìn)行了58組現(xiàn)場試驗(yàn)得到k_d=3.1×10^-6τ^-0.185_c。將式（13）與這2個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)土體沖刷系數(shù)隨起動(dòng)切應(yīng)力變化的規(guī)律均一致。從而可以看出，河岸土體沖刷系數(shù)與起動(dòng)切應(yīng)力之間確實(shí)存在一定的數(shù)量關(guān)系，但不同河岸由于土體物理性質(zhì)不同，沖刷系數(shù)與起動(dòng)切應(yīng)力的關(guān)系式也并不相同，主要與土體黏粒含量（d<0.005 mm）、干密度、含水率等物理性質(zhì)有關(guān)^［9］。

與Hanson等^［17］和Karmaker等^［15］結(jié)果對比，本文現(xiàn)場試驗(yàn)所獲得的塔里木河干流河岸土體沖刷系數(shù)值均大于相同起動(dòng)切應(yīng)力條件下的其他結(jié)果。具體原因主要為：① 從黏粒含量分析，Hanson等^［17］試驗(yàn)土體黏粒含量為50%～80%，Karmaker等^［15］試驗(yàn)土體黏粒含量也在50%以上，本文4組試驗(yàn)土體的黏粒含量為0～7.0%，相對較低，土體更容易沖刷，所以對應(yīng)沖刷系數(shù)值大;② 從干密度角度分析，Hanson等^［17］和Karmaker等^［15］的干密度分別為1.12～1.53 t/m³和1.80 t/m³，本文試驗(yàn)土體干密度范圍為1.17～1.27 t/m³，相對較小，土壤較松散，對應(yīng)沖刷系數(shù)值也會(huì)較大;③ 從含水量角度分析，Hanson等^［17］和Karmaker等^［15］的含水率分別為22.8%和33.0%，本文試驗(yàn)土體的含水率均值為19.0%，相對較低，塔里木河河岸土體又屬于無黏性土體，所以更容易被沖刷。根據(jù)以上分析，本文試驗(yàn)土體由于黏粒含量少、土體干密度和含水率較小且屬于非黏性土體，所以現(xiàn)場測得的沖刷系數(shù)較大。

3.2 植被根系影響下沖刷系數(shù)與起動(dòng)切應(yīng)力的定量關(guān)系

將現(xiàn)場測得的根系作用下土體沖刷系數(shù)和起動(dòng)切應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對比（圖10），可以看出，與無根系土體規(guī)律相同，有根系影響的沖刷系數(shù)也隨著起動(dòng)切應(yīng)力的增大而減小，且基本呈冪函數(shù)關(guān)系，兩者定量關(guān)系如下：

k_dr=2.0×10^-5τ^-2.366_cr（14）

式中：k_dr為植被根系影響下的土體沖刷系數(shù)，cm³/（N·s）。

Wynn^［16］對美國維吉尼亞西南部25個(gè)植被覆蓋河岸進(jìn)行了142組試驗(yàn)，得到k_dr=3.1×10^-6-0.37_cr?？梢?，本文試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有結(jié)果規(guī)律一致，即有植被根系影響的土體沖刷系數(shù)隨著起動(dòng)切應(yīng)力增大呈冪函數(shù)遞減變化，但對應(yīng)的系數(shù)和指數(shù)均有所差異，這除了與試驗(yàn)土體物理性質(zhì)有關(guān)外，還與根系含量、根系直徑大小等根系特征有關(guān)。

Wynn^［16］試驗(yàn)土體黏粒含量在50%以上，在土壤深度15 cm以內(nèi)，根系直徑在0.5～2.0 mm范圍的D_RV為0.5%～<1.5%，2.0～5.0 mm范圍的D_RV為1.5%～<2.0%，5.0～10.0 mm范圍的D_RV=2.0%。本文根系直徑在0～1.5 mm范圍的D_RV=0.01%～1.23%（均值為0.27%），1.5～3.0 mm范圍的D_RV=0.03%～1.34%（均值為0.30%），3.0～4.5 mm范圍的D_RV=0.11%～1.55%（均值為0.75%），4.5～10.0 mm范圍的D_RV=0.01%～2.51%（均值為0.45%）?？傮w上，本文試驗(yàn)根體積密度較集中在3.0～4.5 mm直徑范圍，且各直徑范圍的D_RV均低于Wynn^［16］試驗(yàn)土體根體積密度，所以根系對沖刷系數(shù)的減小效果相對較弱，這也是導(dǎo)致相同起動(dòng)切應(yīng)力條件下本文沖刷系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果比Wynn^［16］試驗(yàn)大的原因之一。

受到現(xiàn)場試驗(yàn)條件的限制，含根系試驗(yàn)組次相對較少，式（14）擬合結(jié)果應(yīng)用僅限于4種植被根體積密度范圍D_RV<4.22%。今后應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)場試驗(yàn)的根系直徑和含量的范圍，以期獲得范圍更廣和樣本數(shù)據(jù)更多的試驗(yàn)結(jié)果，確保統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)制作了水流噴射試驗(yàn)裝置，對塔里木河上游河岸有、無植被根系土體進(jìn)行了現(xiàn)場沖刷試驗(yàn)，得到了典型植被根系對起動(dòng)切應(yīng)力和沖刷系數(shù)的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1） 通過4種典型植被起動(dòng)切應(yīng)力現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)根系的存在可以增強(qiáng)土體起動(dòng)切應(yīng)力，相同根體積密度對應(yīng)起動(dòng)切應(yīng)力紅柳最大，其次為胡楊和駱駝刺，蘆葦最小，這主要與根系特征差異及其對起動(dòng)切應(yīng)力的增強(qiáng)機(jī)理不同有關(guān)。

（2） 起動(dòng)切應(yīng)力隨根體積密度的增大基本呈冪函數(shù)關(guān)系增大，單位根體積密度增大對起動(dòng)切應(yīng)力的增強(qiáng)效果順序?yàn)轳橊劥?胡楊>紅柳>蘆葦，并在此基礎(chǔ)上建立了起動(dòng)切應(yīng)力與根體積密度的定量關(guān)系式。

（3） 河岸土體沖刷系數(shù)隨根體積密度的增加基本呈冪函數(shù)關(guān)系減小，單位根體積密度變化對沖刷系數(shù)的減小效果次序?yàn)轳橊劥?胡楊>紅柳>蘆葦。

（4） 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果揭示了有、無植被根系作用下沖刷系數(shù)隨起動(dòng)切應(yīng)力的變化規(guī)律，與已有成果的規(guī)律一致，即有、無植被根系影響下土體沖刷系數(shù)均隨起動(dòng)切應(yīng)力增大呈冪函數(shù)遞減變化，但塔里木河沖刷系數(shù)均比相同條件下其他公式計(jì)算值大，這除了與試驗(yàn)土體物理性質(zhì)有關(guān)外，還與根系含量、直徑大小等特征有關(guān);據(jù)此擬合得到了塔里木河岸坡非黏性土體植被根系影響下沖刷系數(shù)與起動(dòng)切應(yīng)力之間的定量關(guān)系式。

參考文獻(xiàn)：

［1］張珂，李可，朱海麗，等.黃河源高寒草甸河岸帶根-土復(fù)合體抗沖特性［J］.泥沙研究，2022，47（2）：43-50.（ZHANG K，LI K，ZHU H L，et al.Impact on the resistance of soil-root composite of riparian alpine meadow in the source region of the Yellow River［J］.Journal of Sediment Research，2022，47（2）：43-50.（in Chinese））

［2］白玉川，楊樹青，徐海玨.不同河岸植被種植密度情況下河流演化試驗(yàn)分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2018，37（11）：107-120.（BAI Y C，YANG S Q，XU H J.Experiment and analysis of river evolution under different planting densities of riparian vegetation［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2018，37（11）：107-120.（in Chinese））

［3］GASSER E，SCHWARZ M，SIMON A，et al.A review of modeling the effects of vegetation on large wood recruitment processes in mountain catchments［J］.Earth-Science Reviews，2019，194：350-373.

［4］TOAN D T.Assessing the erosion characteristics and relationship with geotechnical properties for soils at the Red Riverbank，Hanoi，Vietnam［J］.Arabian Journal of Geosciences，2023，16（3）：216.

［5］PALERMO M，PAGLIARA S，BOMBARDELLI F A.Theoretical approach for shear-stress estimation at 2D equilibrium scour holes in granular material due to subvertical plunging jets［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2020，146（4）：04020009.

［6］HE N，YANG L Q，XU L J，et al.Experimental study on the scouring rate of cohesive soil in the Lower Yellow River［J］.Coatings，2022，12（3）：418.

［7］張文皎，趙連軍，王仲梅，等.射流沖刷底泥起動(dòng)輸移規(guī)律及機(jī)理［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2023，34（6）：960-970.（ZHANG W J，ZHAO L J，WANG Z M，et al.Law and mechanism of sediment starting and transportation during jet scouring process［J］.Advances in Water Science，2023，34（6）：960-970.（in Chinese））

［8］WAHL T L.Methods for analyzing submerged jet erosion test data to model scour of cohesive soils［J］.Transactions of the ASABE，2021，64（3）：785-799.

［9］宗全利，夏軍強(qiáng)，張翼，等.荊江段河岸粘性土體抗沖特性試驗(yàn)［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2014，25（4）：567-574.（ZONG Q L，XIA J Q，ZHANG Y，et al.Experimental study on scouring characteristics of cohesive bank soil in the Jingjiang reach［J］.Advances in Water Science，2014，25（4）：567-574.（in Chinese））

［10］劉明瀟，GUALA M，孫東坡.基于水下攝影的床面泥沙運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2021，32（3）：449-457.（LIU M X，GUALA M，SUN D P.Experimental study on the property of bed load motion based on the underwater photography technology［J］.Advances in Water Science，2021，32（3）：449-457.（in Chinese））

［11］DUNNE K B J，ARRATIA P E，JEROLMACK D J.A new method for in situ measurement of the erosion threshold of river channels［J］.Water Resources Research，2022，58（8）：e2022WR032407.

［12］LIU X L，ZHENG J W，ZHANG H，et al.Sediment critical shear stress and geotechnical properties along the modern Yellow River Delta，China［J］.Marine Georesources & Geotechnology，2018，36（8）：875-882.

［13］ASTM.D5852-00，standard test method for erodibility determination of soil in the field or in the laboratory by the jet index method［S］ASTM International：100 Barr Harbor Drive，2007.

［14］HANSON G J，COOK K R.Apparatus，test procedures，and analytical methods to measure soil erodibility in situ［J］.Applied Engineering in Agriculture，2004，20（4）：455-462.

［15］KARMAKER T，DUTTA S.Erodibility of fine soil from the composite river bank of Brahmaputra in India［J］.Hydrological Processes，2011，25（1）：104-111.

［16］WYNN T M.The effects of vegetation on stream bank erosion［R］.Blacksburg：Department of Biological Systems Engineering，2004：113-120.

［17］HANSON G J，SIMON A.Erodibility of cohesive streambeds in the loess area of the Midwestern USA［J］.Hydrological Processes，2001，15（1）：23-38.

［18］鄭奕.塔里木河上游與下游地區(qū)天然植被群落特征對比分析［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2008，22（1）：152-156.（ZHENG Y.Comparative analysis on plant community characteristics in the upper and lower reaches of Tarim River［J］.Journal of Arid Land Resources and Environment，2008，22（1）：152-156.（in Chinese））

［19］KOTHYARI U C，HASHIMOTO H，HAYASHI K.Effect of tall vegetation on sediment transport by channel flows［J］.Journal of Hydraulic Research，2009，47（6）：700-710.

［20］蔡杭兵，宗全利，陳志康.紅柳根系對塔里木河岸坡土體起動(dòng)規(guī)律影響研究［J］.人民長江，2020，51（2）：38-42.（CAI H B，ZONG Q L，CHEN Z K.Study on influence of red willow root system on starting law of soil on bank of Tarim River［J］.Yangtze River，2020，51（2）：38-42.（in Chinese））

Field experiment on the influence of vegetation roots on riverbank erosion

characteristics in the Tarim River

The study is financially supported by the Key R&D Program of Xinjiang Uygur Autonomous Region，China （No.2022B03024-2） and the National Natural Science Foundation of China （No.51569029）.

ZONG Quanli¹，ZHANG Yuyang¹，TANG Ruize²，TANG Hua²，LIU Huali³，LI Lin⁴

（1. College of Resources and Environment，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China;

2. College of

Water Conservancy and Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi 832000，China;

3. Xinjiang Tarim

River Basin Management Bureau，Kuerle 841000，China;

4. College of Water Conservancy and

Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Abstract：To investigate the quantitative influence of vegetation roots on the erosion characteristics of the river bank under field conditions，an erosion test device was designed，and 18 groups of in-situ tests of critical shear stress and erodibility coefficient were carried out.Four typical locations in the upper reaches of the Tarim River and four typical vegetation roots were selected，including Populus euphratica （PE），Phragmites australis （PA），Tamarix ramosissima （TR），and Alhagi sparsifolia （AS）.According to the experimental results，the critical shear stress of the soil basically increases as a power function with the increase in root content.Among the four studied vegetation roots，the TR roots exhibited the largest critical shear stress at the same root content，followed by PE and AS，while the PA roots exhibited the smallest value.The increased effects of the critical shear stress with unit root content increase for the four vegetation species were analysed.The order was AS>PE>TR>PA.The quantitative relationship between the critical shear stress and root volume density was established.The existence of roots can reduce the soil erodibility coefficient.It decreases with the increase in root content.With the increase in unit root content，the order of the decreased effects of the erodibility coefficient for the four vegetation species was AS>PE>TR>PA.Based on in-situ test results，the power function relationships between the soil erodibility coefficient and critical shear stress were obtained with and without root influence，and compared to existing experimental results.The experimental results in this study are consistent with the existing studies，except that the corresponding coefficients and exponents are different.This study can provide a reference for riverbank protection by vegetation roots and calculation of the bank erosion process in the Tarim River.

Key words：erosion characteristics;critical shear stress;erodibility coefficient;vegetation roots;field experiment;Tarim River