典型荒漠植被根系对塔里木河岸坡冲刷过程影响试验研究

2022-01-23陈志康宗全利蔡杭兵

长江科学院院报 2022年1期

陈志康, 宗全利, 蔡杭兵

(1.青岛农业大学资源与环境学院，山东青岛 266109； 2.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000)

1 研究背景

河岸带植被在防止水土流失、保护流域河堤等方面发挥重要作用，是流域生态系统的重要组成成员。对干旱区河流生态系统尤为重要，干旱区植被通过地上部分阻挡和减弱风沙侵蚀，地下部分通过根系串接土壤，防止河岸水土流失，是阻止流域沙漠化的重要成员[1]。近些年来，受人类活动的影响，河流生态系统自我修复的功能严重退化，恢复河流生态系统功能和维护河流健康的运转成为生态水利学研究的热点之一[2]。

植被固土固滩的作用已被长期实践证明是防止水土流失的有效方法，植被通过根系串连固结作用能够提高河岸的稳定性，另一方面通过改变河道水流结构，影响河道泥沙的横向输移展宽，提高河岸的抗侵蚀能力[3-5]。现有岸滩植被与河岸水土流失关系的研究成果多集中在岸坡有无植被、植被覆盖度及植被类型的影响，以及从水槽试验、野外试验、数值分析等多角度分析两者之间的关系[6-11]。Charlton等[12]通过野外试验就植被对不同土质河岸侵蚀影响进行了研究，表明植被的存在使得卵石河岸的展宽率降低了30%，对于砂土质河岸展宽率降低效果更显著。郭二辉等[13]研究了城市滨河不同的植被类型对坡体水土流失的影响。李强等[14]研究黄土风沙区植被对岸坡土体抗冲刷性能的影响。白玉川等[15]通过室内水槽试验研究了植被覆盖密度对河流动力演变的影响，指出植被覆盖密度越大，河床越易演变为窄深型复式河道。然而现有研究成果关于干旱区荒漠植被对河岸侵蚀影响的研究较少，宗全利等[16]对塔里木河流域荒漠植被根系固土的力学机制进行了研究，Yu等[17]从塔里木河流域植被根系对河流演变过程影响进行了研究，杨涵苑等[18]通过数值模拟对塔里木河流域植被根系对河岸边坡稳定性的影响进行了研究，表明植被根系明显提高了河岸边坡稳定系数。

尽管关于植被根系与河岸侵蚀方面的研究成果较多，但多数研究集中在河岸有无植被覆盖，根系固土的力学性能方面，干旱区荒漠植被根系在水动力学条件下对河岸冲刷过程的影响研究成果缺乏，因此本文选取塔里木河灌木红柳、乔木胡杨根系，在水动力条件下，通过室内水槽，分析了荒漠植被根系下河岸冲刷机制、崩岸机理，并定量分析了不同根系网络作用的贡献以及根土崩塌体在河道的堆积、输移特性等。

2 试验设计及方案

2.1 试验概况

试验在石河子大学水工水力学试验大厅玻璃水槽中开展，玻璃水槽长为20 m，宽为50 cm，高为50 cm，底坡为1‰。在水槽进口端设有阀门，可以控制来水流量。水槽尾端的三角量水堰用来测量流量大小。试验土体上下游端为水泥光滑抹面连接，模型土体横断面为梯形，试验土体自上游端向下编号依次为CS1、CS2、CS3，各典型断面间距为50 cm，试验模型在水槽中的具体布置如图1所示。

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device

2.2 试验方案

本次试验共5组，其中工况1-1(红柳竖直)、1-2(红柳V型)、2-1(胡杨竖直)、2-2(胡杨V型)为有根系组，工况3-1为无根系对照组，各工况下的试验具体情况见表1。

表1 试验组次Table 1 Experimental groups

试验前预先铺设河岸土体，同时对土体洒水养护。为保证各工况土体参数相同，制作模型时分层填筑压实以保证质量；为使根系能发挥较好的固土作用，根系在进行铺设土体时同步放置，根系与试验土体一同沉降固结一周后开始试验。试验开始前测量3个典型断面(CS1—CS3)初始岸坡形状，试验土体干密度为1.37～1.39 g/cm3，含水率为20.1%～20.6%，然后再进行清水冲刷过程试验。试验开始时，使玻璃水槽的上游来水以冲刷流速流入水槽，试验过程中保持水位不变，记录河岸崩塌过程中的现象和特点并不定时测量岸坡形态。

2.3 试验取样

通过手持GPS定位试验取样位置，根系取样点为塔里木河上游的沙雅大桥附近河岸(82°8′39.4″E，40°51′35.5″N)。试验所用的土体取样点位于盖孜库木乡(82°57′40″E，40°57′9″N)，取样位置如图2所示。

图2 试验取样位置示意图Fig.2 Sampling locations for the experiment

塔里木河流域内植被主要有胡杨、红柳、芦苇及骆驼刺等，胡杨、红柳根系发达，对环境适应能力强。根系取样采用挖掘剖面法。为保证根系的鲜活性，将所取的完整根系及表面的土用保鲜膜封装防止水分挥发，对其编号记录后带回实验室，保存在与生长环境相似的土壤中。试验土体取样采用环刀法，在实验室测定其物理性质。

2.3.1 试验土体性质

对土体的物理性质等进行测定，采用土工标准为《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)。所取土体主要由粉土质砂和含细粒土砂组成，其上层为粉土质砂(SM)，含水率为20.1%，干密度为1.42 g/cm3，其中细粒土含量(d<0.075 mm)占22.7%；下层为含细粒土砂(SF)，含水率为24.1%，干密度为1.37 g/cm3，细粒土含量为10.7%。试验土体为非黏性细砂，中值粒径为0.12 mm，细粒土含量为18.3%，虽为非黏性土，但具有一定的黏性，土体粒径级配含量分布如表2所示。

表2 试验土体粒径级配含量分布Table 2 Particle size distribution of test soil

2.3.2 根系特征

试验模型土体铺设前，选取植物生长态势均一、须根量相当的植株，用游标卡尺测量根系直径，植物根系直径大致范围为1.0～3.5 mm，每单株根径测量多次取其平均值。根据根系构型现场调查，根系在试验土体中以竖直和V型的形式放置[19-20]，根系沿断面等间距3 cm分布，其中V型根系夹角i取60°，根系布设如图3所示。试验中竖直放置的单株植物根径的平均值基本等于V型放置中两株植物根径之和的平均值，两者平均误差控制在±0.2 mm范围内。

图3 根系断面布置Fig.3 Schematic layout of root section

本文中不同植被根系密度以根系生物学特征参数单位土体内根表面积密度RSAD反映其对河岸冲刷过程的影响[14]。本次试验中有植被根系组在不同工况下，同一典型断面的不同根系布置方式中保证根表面积密度基本相同(平均误差为4.12%)，根系密度参数如图4所示。

图4 各典型断面根系密度参数Fig.4 Root parameters of each typical section

3 结果及分析

3.1 根系网络作用对河岸崩塌影响分析

根系网络作用指根系将较小土块胶结成较大土块的能力，可以反映河岸抗冲刷能力的强弱。试验中记上游连接端末为断面纵向起点，河岸坡脚处为河岸与河床面的分界点。试验统计得到各工况下河岸的冲刷淤积量(累计冲刷崩塌量为负，淤积量为正)如图5所示。从图5中可知，有根系河岸岸坡的崩塌量小于无根系河岸，即根系通过网络胶结作用提高了河岸土体的抗剪强度，河岸的抗冲刷能力提高。

图5 河岸沿程冲淤量Fig.5 Erosion and deposition along river bank

从图5还可知，相同植被间，V型根布置(工况1-2)河岸崩塌量(60 cm3)小于竖直布置(工况1-1)的崩塌量(92 cm3)，不难得出在相同根表面积密度(RSAD)下，V型根系网络固土作用强，即土体水稳性团聚体的数量和粒径越大，根土摩擦咬合作用越强，根系将小土块网络成大块体的能力越强，河岸越稳定。不同植被(工况1-1、2-1)在相同根系方式(竖直)下，工况1-1河岸冲刷崩塌量(92 cm3)小于工况2-1的崩塌量(98 cm3)，在相同的RSAD下红柳根系的抗拉/抗剪强度大于胡杨根系，其根土复合体产生的表观黏聚力也较大[16]。这说明红柳根系的网络固土作用更强。从图5还可看出，在水流冲刷作用下，CS3断面的累计崩塌量大于CS1断面，相对应的河床淤积量也较大。由于CS1断面的根表面积密度最大，CS3断面的最小，根表面积密度越大，根系与土颗粒的接触表面积越大，根-土咬合摩擦力越大，河岸土体稳定性越好，河岸崩塌量越小，固土能力越强。由于河道中倒伏根系的存在，对上游来沙起到阻挡缓冲作用，河床上的泥沙在CS3断面处淤积的越多。

河岸崩塌量V与根表面积密度RSAD的关系如图6所示，从图6中可知，河岸崩塌量与根表面积密度之间呈负相关。其拟合公式为

图6 河岸崩塌量与RSAD的关系Fig.6 Relationship betweenbank collapse and RSAD

V=376.05-

70.79ln(RSAD-17.03) ，

R2=0.775 。

式(1)拟合关系较好，可用作根系密度与河岸崩塌量之间定量关系式。式(1)说明随根表面积密度的增大，河岸崩塌量减小，根-土接触表面积越大，根-土之间的摩擦力越大，河岸抗冲刷能力越强。

定义根系的固土效应为有根系河岸崩塌量相对减小值和无根系河岸崩塌量之比。在根系网络作用下，河岸固土能力提高。从图7可以看出，根系对河岸的固土效应贡献值为0.12～0.42，较无根系河岸，有根系河岸的固土能力提高了12%～42%。

(1)

图7 根系固土效应区间分布值Fig.7 Interval distribu-tion of soil consolidationeffect of root system

3.2 根系布置方式对河岸固土能力的影响分析

根系在河岸中的布置方式不同，河岸的固土能力也有较大差别。由图8可知，同种植被根系河岸，较竖直布置方式，V型方式下红柳固土效应提高了96.3%，胡杨提高了109.8%。不同植被根系河岸，在同一竖直、V型根形态下，红柳的相较于胡杨的分别提高了32.7%和24.3%。

图8 典型断面不同工况下的根系固土效应Fig.8 Soil consolidation effect of root system in typicalsections under different conditions

由此可见，河岸固土能力与根系的布置方式密切相关，红柳、胡杨根系的V型方式固土效果明显好于竖直方式(分别提高96.3%、109.8%)。图9(不同小写字母表示检验结果显著)为根系布置方式对根系固土效应值的显著性检验结果。从图9可知，不同的根系布置方式下对两种植被的河岸固土能力均具有显著性差异，在相同的根系密度下，V型布置根系中土体水稳性团聚体的数量大，单位面积土体中根土复合体咬合摩擦力愈大，形成的“网络网”更牢固，河岸的抗冲能力愈强。

图9 根系不同布置方式间的显著性检验Fig.9 Significance test of different root arrangementpatterns

4 根土胶结崩塌体的堆积、分解和输移

4.1 根土胶结崩塌体的堆积特性

试验过程中的河岸断面形态变化如图10所示，从图10中可知：根土胶结体塌落河道后，在坡脚处的堆积形式类似三角形，堆积体的水下坡脚即为三角形的坡度，崩塌稳定后的三角体的坡度等于水下泥沙休止角；坡脚堆积体的平均坡比(1∶1.75)大于无根系河岸的(1∶5)。

图10 坡脚崩塌体的堆积形式Fig.10 Accumulation pattern of collapse body at slope toe

根据试验结果，不同工况下坡脚堆积体积与崩塌土体体积的占比关系如图11所示，从图11中可以看出，工况1-1下，坡脚堆积体积占崩塌土体体积比为0.19～0.28，平均占比0.24；工况1-2占比为0.41～0.49，平均占比0.46；工况2-1占比为0.16～0.23，平均占比0.21；工况2-2占比为0.35～0.42，平均占比0.39；工况3-1占比例为0.15～0.24，平均占比0.20。可以得出有根系河岸坡脚堆积体所占比例明显增大，说明由于根系在胶结体团中的穿插、缠绕作用，堆积体不易被冲刷携至下游。在相同水流条件下，V型根系下(工况1-2、2-2)坡脚堆积体占比明显大于竖直型(工况1-1、2-1)；相同的根系布置下，红柳根系河岸堆积体占比大于胡杨根系的，这与它们在该状态下具有较强的固土作用是密不可分的。

图11 不同工况下堆积体占比情况Fig.11 Proportion of accumulation underdifferent working conditions

4.2 根土胶结崩塌体的分解和输移特性

河道中崩塌块塌落后尺寸大小的变化可表示为[21]

V/V0=exp(-αt) 。

(2)

式中:V/V0为某一段时间的崩塌块体积与初始体积比；t为时间(min)；α为土体分裂系数。试验通过对实测值进行拟合得到各工况下崩塌块体的分解关系式如下。

工况1-1(红柳竖直根系河岸)为

V/V0=exp(-0.019t) ,R2=0.70 。

(3)

工况2-1(胡杨竖直根系河岸)为

V/V0=exp(-0.023t) ,R2=0.72 。

(4)

工况3-1(无根系河岸)为

V/V0=exp(-0.036t) ,R2=0.82 。

(5)

崩塌体的体积变化与时间的关系如图12所示，从图12中可以看出，河道中崩塌体的体积变化与时间呈指数递减关系。与Fukuoka[21]试验相对比，本试验(工况3-1)塌落河道的崩塌块体积随时间变化快，主要和试验土体的性质不同有关。其中Fukuoka试验为含粉砂土，本试验为细砂土，更容易被分解破坏，相应的崩塌块体积分解速快。

图12 崩塌体体积变化与时间的关系Fig.12 Volumetric change of collapse body with time

α反映了崩塌体体积的分解速率，试验得到无根系的α最大(0.036 min-1)、胡杨根系的次之(0.023 min-1)、红柳根系的最小(0.019 min-1)。可以看出有根系河岸根土胶结崩塌体分解速度慢，主要是由根土胶结体的抗剪强度大于素土试验土体造成，在相同水流下根土胶结体越难被分解。由于红柳根土复合体的抗剪强度大于胡杨的，故在同等水流条件下红柳根土崩塌体分解所需的时间最长。

定义根系牵拉系数(F)[22]为有根系河床累计淤积率(累计河床淤积量和累计河岸崩塌量之比)和无根系河床累计淤积率的比值，根系牵拉系数反映了根土胶结体在分解过程中根系的穿插、缠绕作用，使其缠绕吸附同一平面小颗粒土体越多，某一时间内挟至下游的泥沙量减少，对床面起防护作用。不同工况下的根系牵拉系数如图13所示，若F>1表示根土胶结体在分解过程中，根系对床面起防护作用，反之亦然。从图13可以看出V型根系(工况1-2、2-2)对河床的防护作用大于竖直根系(工况1-1、2-1)，在相同的根系密度下，V型根-土颗粒间土体水稳性团聚体的数量大，根-土间的咬合作用强，摩擦力大，其分解所需的水流强度愈大，在相同水流下被输移至下游的泥沙量减小，对河床的防护作用越明显。本试验中根系对河床的牵拉系数在实际中可按1.15～2.52进行估算。

图13 各工况下的根系牵拉系数Fig.13 Root’s traction coefficient underdifferent working conditions

5 河岸崩塌过程分析

根据无根系河岸试验结果，河岸冲刷初期的地形形态如图14(a)所示，从图14中可知，水流冲刷初期，河岸水位以下的砂土层淘刷形式近似弧形，下部淘空面积较大，冲刷过程概化示意如图14(b)所示。崩塌机理为在近岸水流冲刷下切作用下，坡脚处不断横向向内淘刷，导致水位上部的土层被悬空，岸坡顶部出现横向裂缝；随着裂缝进一步延伸，当上部土层达到临界状态后，上部土层发生绕轴崩塌[23]。该阶段主要与水流强度及悬空层上部土体性质有关。

图14 无根系河岸地形形态Fig.14 Morphology of rootless riparian topography

有根系河岸冲刷初期的地形形态如图15(a)所示，在近岸水流冲刷作用下，随着水位下部土层被淘刷，水下局部根系裸露，水位上部根土复合层进一步被悬空，崩塌机理为悬空层上表面出现纵向裂隙，裂隙竖向伸展，根土复合体沿滑裂面塌落河道，破坏面多为圆弧滑裂面。其水下土层淘刷形态近似三角形如图15(b)所示，较无根系河岸水下圆弧淘空面积，有根系河岸水下三角淘空面积要小，水位上部悬空层稳定性也较好；由于根系网络作用，悬空层的抗拉剪能力强，上部土层的悬空宽度也较大。