基于植被护坡的河道浅层滑坡防护技术

刘辰光

(乌鲁木齐市水利勘测设计院(有限责任公司)二分院，新疆 石河子 832000)

1 概 述

浅层滑坡会导致严重的水土流失后果[1]，使该区域遭受进一步侵蚀，并且会对修建的基础设施造成严重破坏，在某些情况下还会造成人员伤亡[2]。植被的覆盖是防止浅层滑坡有效和可持续的生态工程缓解措施[3]，前人的研究已经证明植被能够通过不同的水力机制长期增加土壤的抗剪强度，这种贡献在很大程度上归因于植被根系对土壤的根部加固作用[4]，但关于其水文效应的研究却很少。

从水文角度来看，植被主要靠调节土壤剖面的饱和度来提高土壤的抗剪强度，通过林冠对到达地面的降雨的衰减(即降雨拦截)、植物吸收和蒸发耦合过程产生的水分提取[5]。然而，植被对边坡稳定性的影响取决于许多其他因素，对其进行全面的评估难度较大。本文提出一种基于物理的综合模型(即基于过程的模型)，该模型由完全可测量的参数定义，是一种用于评估植被边坡稳定的技术。本文的目的是通过这种基于物理开源代码的模型来评估植被对边坡稳定性的水文效应。

2 研究区概况

塔西河位于新疆维吾尔自治区昌吉州玛纳斯县境内，发源于天山山脉北支依连哈比尔尕山东侧，其东西分别与呼图壁河及玛纳斯河毗邻，南以依连哈比尔尕山分水岭为界与和静县相连，北至准噶尔盆地。流域地理位置介于E85°50′-E86°32′，N43°31′-N44°30′之间,流域总面积2 010 km2。本文以玛纳斯县塔西河流域水土流失综合治理项目为例，文中用到的各项参数均为当地实测值或源自于该项目。

3 材料和方法

3.1 建模过程

开源代码物理模型的建模过程见图1。

图1 建模过程

将植被影响边坡稳定性的主要过程确定后，图2所示的概念模型就可以当做模型组件之间关系的示意图，并作为构建模型代码的第一步使用。

图2 土壤-根体系的概念模型

对于每一个建模过程，应注意以下几点：选择一个适合的物理模型及其相应的方程；注意子模型的简洁性及其之间互补性。在开源代码统计软件R2.15.2中，总共构造、改编和组装了10个不同的子模型(表1)。对模型的简要描述在3.2节中给出。

表1 植被对浅层滑坡影响综合模型中的子模型

3.2 模型描述

该模型在一维情景下用极限平衡法分析了各向同性根渗透无限边坡剖面的稳定性(安全系数，FoS)，该剖面具有可设定的深度、植被、气候、土壤类型和给定的气象条件。阻力通过莫尔-库仑破坏准则估算，该准则适用于计算植被的水力效应。利用实地土壤、气候和地面植被信息对土壤剖面中的根系分布建模。植被的水文效应是通过广义有效应力原理中包含吸力应力的变量来模拟的。根据已知的土壤持水功能进行评估，并评估不同流体流动条件下陡峭土壤覆盖山坡受植被影响(如降雨截留或植物吸水)的应力状态。

3.3 模型验证

为了验证模型，使用研究区实地数据进行一系列模型运行，以此说明模型的作用并深入了解植被对浅层滑坡的水文效应，同时给出了一棵成熟橡树的模型输出结果。采用一因子方法进行模型敏感性分析，用于估计独立模型的参数变异百分比和敏感性指数。

3.4 参数校准

确定关键模型变量作为模型的初始输入，建立特定场地的经验关系(如降雨截留、土壤保水功能)，测试某些模型组件的预测能力(如饱和导水率、基质吸力、根系分布)或验证某些模型假设(如渗透过程)。在此步骤中还考虑了灵敏度分析(SA)和敏感参数(即灵敏度引导校准)。

4 结果和讨论

4.1 模型输出

根据实地情况，模型预测结果表明：树冠层提供的降雨截留损失将是最小的(图3)，因此几乎所有的降雨都将在渗入土壤之前到达地面。然而，在植被生长旺盛的几个月中，截留量估计会增加，但这最终将取决于冠层覆盖比例。

图3 模型输出一：橡树休眠期的降雨截留损失

根据模型预测，随着降雨稳定地渗入地下，会使土壤剖面逐渐饱和至890 mm的深度，在湿润过程中将吸力应力剖面(图4(a))从非饱和值变为饱和值(即0)，并在土壤的上部饱和区和下部非饱和区之间形成一个明显的分界线。因此，土壤抗剪强度在该饱和区内显著降低，预计在500 mm以下的根区(FoS<1)会发生边坡破坏(图4(c))。在根区内，由于机械根加固的影响，边坡保持稳定。

在土壤各向同性和流体静力条件下(即湿润锋以下)，该模型预测得到剖面中部的最大吸力应力(图4(c))，这是由于土柱在该点以上土颗粒间应力上的重量，随着接近系统下边界时饱和度的增加而逐渐减小。当降雨停止、渗透停止时，水通过渗透从饱和区排出，由于假定由大气需求(即蒸发)主导的植被对水的抽取，吸力应力剖面恢复(图4(a))。因此，剪切强度增加，边坡的稳定性也增加(图4(c))，即使是在裸露边坡的情况下(图4(d))。

吸力应力的动态是量化植被对浅层滑坡的水文作用的良好指标，这些可以在实验室中直接确定，但土壤的入渗或蒸发速率以及水力特性必须在原位测量。土壤剖面中根系的范围对于边坡稳定性至关重要，需要将它的异速生长模型或原位根系表征与树木度量的建模相结合。植物的根倾向于扎根于浅层土壤，它们能保护和缓解浅层滑坡和侵蚀。

4.2 模型灵敏度

图5证明了模型具有低敏感性和普遍低的变化指数。与地上和地下生物量相关的ω参数(图5中14项)是最敏感的，这表明植物物种特异性是该模型的主导参数。ω值较高(地下生物量相对于地上生物量较小)，说明植被的潜在水力贡献较小。ω可以通过标准生物量取样方法和通过指数模型拟合分析它们之间的关系来确定。

土壤强度参数c(图5中24项)、内摩擦角φ(图5中23项)、倾角(图5中26项)、砂的百分比(图5中6项)也相对敏感，表明模型输出的结果是与特定现场有关的，应与ω一起包含在校准过程中。

上述结果表明，作为预测质量系统的一部分，敏感参数是模型校准步骤中最关键的步骤。合理的敏感参数使输出结果更可靠，并可以在测量过程中忽略不敏感的参数，从而减少校准模型的工作量。

4.3 模型校准

上述模型验证结果已充分表明，基于物理开源代码的模型在评估植被对边坡稳定性的水文效应中的有效性。该步骤的目的是进一步提升模型的精度及优化其输出结果，模型校准步骤的方法或仪器列表见表2，进行以下步骤可以得到更可靠的模型预测结果。

图4 模型输出二

图5 参数的灵敏度分析输出(y轴数字的定义见表2)

表2 模型校准步骤的方法或仪器列表

5 结 论

本文提出了一种简单、快速、经济的评估植被对浅层滑坡水文效应方法。通过对其建模过程、模型作用机理、模型验证与参数校准的描述，确定了模型的可行性。同时进一步以研究区实况数据为基础数据，将其输入模型中，输出模型模拟结果，可以得出植被对浅层滑坡具有积极水文效应影响的结论。植被的贡献是季节性的，可以通过量化吸水蒸发引起的吸力来评估。在临界水文条件下，只有根系的加固才能提供稳定性。该模型需要在不同阶段对模型进行评估，以确保其输出的合理性。该方法可应用于任何需要进行短期评估的生态工程问题，为在更大的时间和空间范围内实施解决办法奠定基础。