宗全利，陳志康，蔡杭兵，秦 鵬，劉春霞，金 凱

·農(nóng)業(yè)水土工程·

典型荒漠植被根系對(duì)黏性岸坡侵蝕過程的影響

宗全利1,2，陳志康2，蔡杭兵2，秦 鵬1，劉春霞1，金 凱1

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

植被根系對(duì)岸坡侵蝕具有明顯影響作用，為定量揭示植被根系對(duì)黏性岸坡侵蝕過程的網(wǎng)絡(luò)作用、護(hù)擋作用和牽拉作用，開展紅柳和胡楊典型植被根系的概化水槽試驗(yàn)。結(jié)果表明：1）在根系網(wǎng)絡(luò)作用下，黏性岸坡固土能力顯著提高，有植被根系比無植被提高了30%～56%，其中紅柳根系比胡楊根系平均提高了24.2%；2）不同布置方式的固土效果差異較大，紅柳和胡楊根系固土效應(yīng)V型布置比豎直布置分別提高了27.1%和18.6%；3）根系護(hù)擋作用對(duì)坡腳保護(hù)作用顯著，有植被岸坡近岸縱向時(shí)均流速和無量綱紊動(dòng)能分別減小至無植被的45%～67%和75%～91%；4）根系牽拉作用主要表現(xiàn)在對(duì)岸坡崩塌根土黏結(jié)體的堆積和分解以及床面淤積的影響等，其中牽拉作用越強(qiáng)，崩塌堆積體的體積占比就越大，根土黏結(jié)體被分解時(shí)間也越長，試驗(yàn)結(jié)果得到根系牽拉作用對(duì)河床保護(hù)貢獻(xiàn)值平均提高了20%。研究結(jié)果可為干旱區(qū)荒漠植被固土護(hù)堤作用機(jī)理提供技術(shù)支持和理論參考。

侵蝕；根系；紅柳；胡楊；黏性岸坡；網(wǎng)絡(luò)作用；護(hù)擋作用；牽拉作用

0 引 言

干旱地區(qū)荒漠植被根系發(fā)達(dá)，其保持岸坡穩(wěn)定和固土護(hù)堤作用尤為重要。岸坡植被根系與土體的相互作用將使得岸坡橫向變形和穩(wěn)定性發(fā)生變化，進(jìn)而影響河床縱向變形并對(duì)整個(gè)岸坡的侵蝕過程產(chǎn)生重要影響，與沒有植被覆蓋相比差異較大[1]。

植被會(huì)影響岸坡橫向侵蝕速率，有植被岸坡橫向侵蝕速率比沒有植被岸坡低[2-3]。如Billi等[4-6]利用大量調(diào)查數(shù)據(jù)和試驗(yàn)方法得到植被缺乏河流其平面形態(tài)一般為蜿蜒形；趙清賀等[7]通過野外試驗(yàn)表明植被的存在可以有效提高土壤的抗侵蝕能力并減少侵蝕產(chǎn)沙量和降低侵蝕泥沙中值粒徑；白玉川等[8-9]研究了不同植被種植密度等岸坡邊界條件對(duì)河流動(dòng)力過程的影響響應(yīng)，得到河岸植被種植對(duì)河灣穩(wěn)定性及河岸抗沖刷能力起到了積極的作用，但增加了近岸垂向沖刷；Yu等[10-13]對(duì)塔里木河和黃河源頭支流植被影響河流平面形態(tài)作用分析表明塔里木河河岸植被覆蓋稀疏，且由于河岸由致密根系、細(xì)沙和淤泥組成缺乏黏土，河岸強(qiáng)度和對(duì)彎曲運(yùn)動(dòng)的限制均有限；宗全利等[14-15]對(duì)塔里木河流域紅柳、甘草、駱駝刺、蘆葦、胡楊、白刺6種植被根系的根-土復(fù)合體試驗(yàn)，表明根系作用使土體黏聚力由3.14～16.51 kPa提高至9.43～28.30 kPa。

為了評(píng)價(jià)植被根系對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響，Zhu等[16]研究草甸型蜿蜒河流中植被對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響，并利用提出的河岸穩(wěn)定性方法計(jì)算了崩塌土體的寬度，修正了Wu模型中系數(shù)；Yu等[17-21]利用BSTEM模型定量分析了不同植被根系特征對(duì)岸坡穩(wěn)定性的重要作用，得出植被根系可以有效加固未固結(jié)河岸，控制河岸侵蝕，使堤岸強(qiáng)度提高63.6%～88.2%，增強(qiáng)河岸穩(wěn)定性。

植被根系對(duì)岸坡侵蝕具有明顯影響，但現(xiàn)有研究僅局限于植被根系對(duì)岸坡侵蝕影響的結(jié)果，對(duì)于在水動(dòng)力作用下，岸坡侵蝕過程中植被根系的定量影響卻很少關(guān)注，現(xiàn)有植被根系與土體相互作用研究成果也不能綜合反映根系密度、縱向和橫向分布等對(duì)岸坡侵蝕過程的定量影響。為此，本文在塔里木河流域選取典型荒漠植被根系（胡楊和紅柳），結(jié)合水槽試驗(yàn)，定量研究岸坡侵蝕過程中根系的網(wǎng)絡(luò)作用、護(hù)擋作用和牽拉作用，揭示植被根系對(duì)岸坡侵蝕過程的定量影響，研究結(jié)果可為進(jìn)一步研究干旱區(qū)荒漠植被固土護(hù)堤作用機(jī)理提供技術(shù)支持和理論參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置及模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在石河子大學(xué)水工水力學(xué)試驗(yàn)大廳中完成，試驗(yàn)水槽長20 m、寬50 cm、高50 cm，底坡為0.1%。水槽進(jìn)口設(shè)有調(diào)節(jié)流量大小閥門，水槽末端的尾門可控制水位，尾部設(shè)三角形量水堰測量水槽中的流量。試驗(yàn)段上、下游用水泥面塑造連接過渡段，中間為模型段，具體布置如圖1a所示。自試驗(yàn)土體斷面開始，每隔40 cm設(shè)1個(gè)觀測斷面，共設(shè)有5個(gè)觀測斷面，即CS1-CS5；模型中斷面形態(tài)為梯形，底寬20 cm、頂寬10 cm、高度20 cm，邊坡= 1:2，如圖1 b所示。

圖1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)土體分別來源于塔里木河干流河岸的非黏性土和當(dāng)?shù)氐鸵合尢烊火ね?，?jīng)測定天然黏土的塑性指數(shù)為19，中值粒徑為0.015 mm。由于天然黏土黏性大，實(shí)驗(yàn)室水流條件下難以起動(dòng)，為此將其與天然非黏性土按1:4比例混合成試驗(yàn)土體?；旌虾笸馏w自然含水率為18.3%，干密度為1.45 g/cm3，塑性指數(shù)12，中值粒徑為0.076 mm，屬亞黏土。為保證各工況土體參數(shù)相同，制作模型坡體時(shí)分層填筑壓實(shí)以保證質(zhì)量。試驗(yàn)坡體土的干密度控制在1.43～1.45 g/cm3，含水率控制在18.1%～18.6%范圍。

1.2 植被根系布置及特征指標(biāo)

塔里木河流域?qū)俚湫偷臏貛Ц珊荡箨懶詺夂?，流域?nèi)干燥多風(fēng)，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈；地表土主要為沙質(zhì)土壤，透水性好。胡楊喜光、抗熱、抗大氣干旱、抗鹽堿、抗風(fēng)沙，能忍受荒漠中干旱的環(huán)境，適宜沙質(zhì)土壤；紅柳根系發(fā)達(dá)，既耐干又耐水濕，抗風(fēng)能力強(qiáng)，耐鹽堿土，具有較強(qiáng)的適應(yīng)干旱荒漠環(huán)境的特征，在沙質(zhì)和黏土質(zhì)鹽堿化土壤中均可很好生長[22-23]。因此，塔里木河流域特殊的氣候和土壤條件形成了喬木以胡楊、灌木以紅柳為優(yōu)勢種的植被群落。胡楊和紅柳根系發(fā)達(dá)，具有明顯增強(qiáng)岸坡抗侵蝕的能力[24]。因此，試驗(yàn)選取天然生長的胡楊和紅柳根系，研究岸坡在根系作用下的侵蝕過程。根據(jù)根系構(gòu)型現(xiàn)場調(diào)查，胡楊和紅柳根系在天然土體中多為豎直向下分布，但在水土條件較好時(shí)也會(huì)形成水平根系發(fā)達(dá)的構(gòu)型[25]。因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中根系在土體中主要以豎直和V型2種形式布置，其中V型根系夾角取60°，并沿?cái)嗝娴乳g距分布，平均間距為4 cm，具體如圖2所示。試驗(yàn)前用游標(biāo)卡尺測量根系直徑，且為保證精度每單株測量多次取其均值。

注：h為根系植入土體中深度，cm；i為根系夾角，（°）。

1.3 試驗(yàn)方案

為使試驗(yàn)土體盡可能與原狀土體接近，試驗(yàn)開始前至少一周將坡體鋪設(shè)完畢，每天灑水養(yǎng)護(hù)，使土體在重力作用下自然沉降，根系在土體進(jìn)行鋪設(shè)時(shí)同步放置。試驗(yàn)開始時(shí)，首先從水槽上游注水，使水流以很小流速（小于起動(dòng)流速）慢慢流入，當(dāng)水位緩緩上升至離岸坡頂部5～10 cm，停止注水。浸泡1～2 h后，沿5個(gè)典型斷面（CS1～CS5）測量靜水中岸灘穩(wěn)定坡度的形狀，然后再進(jìn)行清水條件下的岸坡侵蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)前后均對(duì)土體物理性質(zhì)進(jìn)行測試，包括干密度和含水率等。試驗(yàn)過程中維持水位不變，根據(jù)岸坡侵蝕和崩塌情況隨時(shí)測量岸坡形態(tài)，并對(duì)崩塌過程和特點(diǎn)及崩塌塊的尺寸大小等進(jìn)行記錄，具體如下：

1）試驗(yàn)組次

試驗(yàn)在相同水流條件下，進(jìn)行不用植被根系類型和不同布置方式下的岸坡侵蝕過程試驗(yàn)，試驗(yàn)共有5個(gè)工況：紅柳-豎直、紅柳-V、胡楊-豎直、胡楊-V、無根系。根系類型考慮當(dāng)?shù)貎?yōu)勢物種紅柳和胡楊，并與無植被根系結(jié)果進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)；根系布置方式有豎直和V型2種；水位基本維持在12.2 cm左右，水流作用時(shí)間為64 min，流量為34 L/s。

2）流速測量

當(dāng)岸灘上的土體開始侵蝕時(shí)，沿3個(gè)斷面測量流速分布，流速采用Nortek 公司生產(chǎn)的ADV流速儀進(jìn)行測量。流速場平面上的測點(diǎn)布置，沿水流方向斷面間距為40 cm，在設(shè)置的5個(gè)坡體典型斷面基礎(chǔ)上，分別取CS3、CS4、CS5這3個(gè)斷面為測流斷面；沿河寬方向布置7根垂線，垂線間距為5 cm，每條垂線測量3～5個(gè)點(diǎn)流速。

1.4 計(jì)算方法

紊動(dòng)能可表示為[26]

式中v(t)、v(t)、v(t)分別為縱向、橫向及垂向的脈動(dòng)流速，m/s。

當(dāng)水流的剪切力大于岸坡土體的抗剪切能力時(shí)，位于水流與泥沙交界面上的黏性顆粒團(tuán)可被水流淘刷帶走，岸坡坡度變陡，穩(wěn)定性降低；當(dāng)穩(wěn)定性降低到一定程度后，岸坡便會(huì)發(fā)生崩塌。崩岸發(fā)生后，有根系岸坡以根土黏結(jié)體團(tuán)形式塌落水中，無根系岸坡以大塊體黏性顆粒團(tuán)掉落水中，堆積在坡腳附近的河床，對(duì)河床起到一定的保護(hù)作用。從土力學(xué)-邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)角度出發(fā)，黏性岸坡穩(wěn)定性力學(xué)分析考慮整個(gè)滑體力矩平衡，即總抗滑力矩等于總滑動(dòng)力矩，得到黏性岸坡的穩(wěn)定安全系數(shù)F

式中c為土條的黏聚力（kN/m2）；l為土條的滑面長度（m）；W為土條的重力（kN）；θ為土條滑面的傾角（°）；φ為土條的內(nèi)摩擦角（°）。

對(duì)于黏性土岸坡，岸坡的安全系數(shù)隨其每一塊土條底部滑裂面角θ增大而減小，坡腳堆積體坡度越大的岸坡會(huì)發(fā)生二次崩岸的可能性越大，直到坡腳處堆積體的坡比小于水下泥沙休止角，崩岸不會(huì)發(fā)生。

當(dāng)根土黏結(jié)體的抗剪切應(yīng)力小于水流切應(yīng)力時(shí)，根土黏結(jié)體團(tuán)被破壞，分解為較小的黏性顆粒團(tuán)隨水流被挾至下游。Fukuoka[27]研究認(rèn)為河道中崩塌塊塌落后尺寸大小的變化可表示為

式中V/V為一段時(shí)間后崩塌塊體積與初始體積比；為時(shí)間，min；為土體分裂系數(shù)，與土體剪切應(yīng)力及黏聚力有關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各典型斷面根系特征

為評(píng)價(jià)不同根系特征對(duì)岸坡侵蝕過程的影響，以植物根系特征評(píng)價(jià)的2個(gè)重要指標(biāo)根長密度R（單位土體內(nèi)根系長度）和根表面積密度R（單位土體內(nèi)根系表面積）反映根系在土體中的含量和分布情況[28]。為保證試驗(yàn)結(jié)果可比性，試驗(yàn)中在不同工況下，同一典型斷面的根系布置方式中根系密度基本相同。不同試驗(yàn)組次下各典型斷面的根系特征指標(biāo)如圖3所示，從圖中可以看出，相同斷面位置的根長密度R和根表面積密度R基本相同，R平均誤差為2.85%，R平均誤差為4.05%。為分析不同根系含量結(jié)果，不同斷面位置（間距0.4m）的根長密度R和表面積密度R有所差異，其中RCS2和CS5斷面較大，平均值分別為145′10-3m2/cm3和134.5′10-3cm2/cm3，其他3個(gè)斷面較?。?01.5～119.5′10-3cm2/cm3）；RCS5斷面最大（198.5′10-3m2/cm3），CS3斷面最?。?03.3′10-3m2/cm3）。

注：CS1、CS2、CS3、CS4、CS5距起始斷面分別為40、80、120、160、200cm。TR，紅柳；PE，胡楊。

2.2 根系網(wǎng)絡(luò)作用分析

2.2.1 岸坡侵蝕過程分析

植被根系交織穿插會(huì)把較小結(jié)構(gòu)土塊組成大土塊形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)作用），增強(qiáng)岸坡抗剪切能力和穩(wěn)定性。圖4為有根系和無根系岸坡在水流沖刷作用下侵蝕崩塌情況，從圖中可以看出，有根系岸坡在水流沖刷作用下，坡腳處形成小凹槽，隨著水流進(jìn)一步淘刷，凹槽上部的根土黏結(jié)體滑落水中，對(duì)坡腳起了一定的保護(hù)作用，坡腳處水流紊動(dòng)較無根系坡腳處較弱。對(duì)于無根系作用岸坡，在水流淘刷作用下，坡腳內(nèi)凹，凹槽上部土塊以大體積塌落為主，與有植被根系相比，相同水流條件下崩塌更為嚴(yán)重，坡腳水流紊動(dòng)交織現(xiàn)象明顯。

圖4 有根系和無根系岸坡在水流沖刷作用下侵蝕崩塌情況

根系在土體中將較小土塊粘結(jié)成較大土塊的能力（根系網(wǎng)絡(luò)作用）一定程度上決定了岸侵蝕能力的強(qiáng)弱，圖5為有無根系岸坡的崩塌與沖淤情況。從圖中可以看出，有植被根系岸坡的崩塌程度低于無植被岸坡，且岸坡崩退較無根系弱，但淤積后床面侵蝕較嚴(yán)重。而無植被岸坡河床床面淤積較厚，岸坡崩退較強(qiáng)。這是因?yàn)樵诟稻W(wǎng)絡(luò)作用下岸坡抗侵蝕能力提高，岸坡中小土塊體在根系網(wǎng)絡(luò)作用下形成較大土塊后，提高了岸坡的穩(wěn)定性。此外，無論是紅柳根系還是胡楊根系，豎直布置的岸坡崩退程度較V型布置嚴(yán)重，說明根系在土體中V型布置所起到的網(wǎng)絡(luò)作用均優(yōu)于根系單一豎直布置，體現(xiàn)了V型布置根系對(duì)岸坡崩塌的抑制作用較強(qiáng)，這種情況與天然河道中的植被根系形態(tài)實(shí)際情況也是符合的。

2.2.2 根系網(wǎng)絡(luò)固土效應(yīng)分析

以岸坡坡腳處為岸坡與床面的分界點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)不同工況下岸坡崩塌量與床面沖淤量值，如圖6所示。從圖中可知，同種植被情況下，V型布置（紅柳-V）岸坡侵蝕量（110 cm3）小于豎直布置岸坡侵蝕量（142 cm3），說明根系密度（R）相同條件下，V型根系網(wǎng)絡(luò)作用強(qiáng)于單一豎直根，即根系與土體的接觸表面積越大，在岸坡土體中將較小土塊黏接大塊體的能力越強(qiáng)，岸坡的穩(wěn)定性越好。不同植被組（紅柳-豎直、胡楊-豎直）對(duì)比，胡楊岸坡崩塌總量（153 cm3）大于紅柳（135 cm3），這是因?yàn)樵谙嗤?i>R下紅柳根系的抗剪強(qiáng)度大于胡楊根系，紅柳根土復(fù)合體產(chǎn)生的表觀黏聚力大于胡楊根土復(fù)合體，紅柳根系的網(wǎng)絡(luò)固土作用優(yōu)于胡楊[14]。

圖5 有無根系岸坡典型斷面的崩退情況

圖6 岸坡崩塌及河床沖淤變化情況

定義根系作用下岸坡崩塌減小量與無根系岸坡崩塌量之比為根系網(wǎng)絡(luò)固土效應(yīng)，用百分?jǐn)?shù)表示根系網(wǎng)絡(luò)固土的效應(yīng)程度，試驗(yàn)結(jié)果如圖7a中所示。從圖中可以看出，相同根系V型布置的網(wǎng)絡(luò)作用固土效應(yīng)基本都大于豎直布置，紅柳V型布置較豎直布置固土效應(yīng)平均提高了27.1%，胡楊根系平均提高了18.6%；不同植被根系間，在同一豎直、V型布置形態(tài)下，紅柳根系相比于胡楊根系分別提高了19.6%和28.1%?？傮w上，紅柳根系網(wǎng)絡(luò)作用更強(qiáng)，比胡楊的固土效應(yīng)平均提高了24.2%。

將根系網(wǎng)絡(luò)固土效應(yīng)的百分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)值，即為根系網(wǎng)絡(luò)固土效應(yīng)值，表示根系網(wǎng)絡(luò)固土效應(yīng)的大小。經(jīng)過與無植被根系進(jìn)行對(duì)比，得到各斷面的根系網(wǎng)絡(luò)固土效應(yīng)值的變化范圍，如圖7b所示。從圖中可以看出根系的網(wǎng)絡(luò)固土效果顯著，試驗(yàn)得到的固土效應(yīng)值為0.27～0.56，較無植被岸坡，有植被岸坡的固土效應(yīng)值提高了30%～56%。

2.3 根系護(hù)擋作用分析

2.3.1 根系護(hù)擋作用對(duì)近岸流速影響分析

植被根系會(huì)受水流侵蝕而導(dǎo)致部分根系外露，減小上游水流阻力，并對(duì)上游沖來土塊起阻擋緩沖作用（護(hù)擋作用）。根系護(hù)擋作用對(duì)坡腳的保護(hù)會(huì)使近岸流場發(fā)生改變，保護(hù)岸坡進(jìn)一步被侵蝕，一定程度上減小了岸坡泥沙崩塌對(duì)河床的補(bǔ)充，崩岸現(xiàn)象得以緩解。以胡楊根系與無植被根系相比較，岸坡侵蝕進(jìn)行至40 min時(shí)，近岸縱向流速分布及岸坡形狀如圖8。

從圖中可以看出，CS3、CS4斷面在靠近岸坡處有植被根系流速均比無植被根系流速小，根系直接作用處近岸流速小近一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于裸露根系的護(hù)擋作用，靠近岸坡其流速逐漸減小，沿河寬方向流速呈現(xiàn)一個(gè)數(shù)量級(jí)上的明顯變化。有植被岸坡在根系護(hù)擋作用下，近岸縱向時(shí)均流速減小為無植被岸坡的45%～67%。

圖7 各典型斷面根系固土效應(yīng)

2.3.2 根系護(hù)擋作用對(duì)近岸紊動(dòng)能影響分析

圖9為胡楊-豎直工況及無根系下CS3、CS4、CS5斷面的無量綱紊動(dòng)能/(0.52)值的變化，代表斷面平均流速。圖中將各典型斷面無量綱紊動(dòng)能變化分為：Ⅰ為左岸邊璧區(qū)，Ⅱ?yàn)橹行膮^(qū)，Ⅲ為近岸區(qū)。從圖中可以看出Ⅰ區(qū)紊動(dòng)能值最大，較Ⅲ區(qū)最大增至5.21倍，可見邊璧區(qū)的水流擾動(dòng)劇烈。相較于無植被岸坡，有植被岸坡斷面的Ⅱ區(qū)紊動(dòng)能增大至1.05～1.18倍，這是由于根土黏結(jié)體塌落在河床后，上游來水的沖刷使得黏結(jié)體團(tuán)塊被分解破壞，部分的根系裸露倒伏水中，改變了其中心區(qū)的流場結(jié)構(gòu)，增加了水流對(duì)其周圍黏結(jié)塊團(tuán)的隨機(jī)擾動(dòng)幾率。此外，擾動(dòng)幾率的增加與根系密度有一定的聯(lián)系，R較大的斷面（其中CS5的R大于CS3），其中心區(qū)的紊動(dòng)能變化也較大，CS5斷面的紊動(dòng)能為CS3的1.13倍，水流對(duì)其擾動(dòng)幾率增大。

注：流速單位為m·s-1。

注：k為紊動(dòng)能，m2·s-2；U為斷面平均流速，m·s-1；I、II、III分別指左岸邊璧區(qū)、中心區(qū)和近岸區(qū)。

對(duì)比Ⅲ區(qū)的變化，可看出無植被根系近岸處的紊動(dòng)能有增大的趨勢，較Ⅱ區(qū)最大增至1.32倍，較強(qiáng)的紊動(dòng)作用加大了對(duì)坡腳的擾動(dòng)作用，使得坡腳處土顆粒的咬合松動(dòng)，導(dǎo)致侵蝕進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)比之下，有植被根系岸坡坡腳處紊動(dòng)能急劇減小，由于根系的護(hù)擋作用對(duì)坡腳起了防護(hù)作用，其侵蝕得到了有效的抑制，其近岸區(qū)的紊動(dòng)能減小為無植被岸坡的75%～91%。

2.4 根系牽拉作用分析

2.4.1 根系作用下崩塌土體的堆積方式及特點(diǎn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到：黏性土體在河床坡腳處的淤積形式類似三角形，三角形的表面坡角近似等于河岸泥沙的水下休止角。以崩塌較嚴(yán)重的CS5斷面為例（圖10a），有植被岸坡的坡腳坡度略大于無植被岸坡的，在相同根系密度、布置方式下，紅柳根系（TR）水下坡比較胡楊（PE）大。從式（2）中不難說明原因，相同水力要素情況下，有根系岸坡安全系數(shù)高于無根系岸坡，當(dāng)臨界崩岸時(shí)（F=1），有根系坡腳土體滑裂角大于無根系，宗全利等[14-15]研究表明相同根系密度下，紅柳根系抗剪強(qiáng)度大于胡楊根系抗剪強(qiáng)度。所以相同岸坡條件、水力因素下紅柳安全系數(shù)較高，崩岸穩(wěn)定后水下坡比略大于胡楊坡腳處坡比。

圖10b為不同根系特征下坡腳堆積體的占比關(guān)系，從圖中得出紅柳根系岸坡下，堆積體體積占比最大，占崩塌體體積的0.26～0.41，平均占比0.33；胡楊根系岸坡下，堆積體積占崩塌體體積比例為0.13～0.31，平均占比0.24；區(qū)間占比值總體符合正態(tài)分布，總體體現(xiàn)出紅柳根系下堆積體體積大于胡楊根系。前面提到相同條件下紅柳根系的固土作用優(yōu)于胡楊，當(dāng)塌落的根土黏結(jié)體堆積在坡腳后，紅柳根系的崩塌塊堆積量多，被分解挾至下游的泥沙少，最終河床上的淤積厚，間接反映出紅柳根系根土黏結(jié)力強(qiáng)。

2.4.2 根系作用下崩塌土體分解過程

土顆粒緊密附著在根系四周，即使根系在水中飄動(dòng)，土粒也不易被沖走（牽拉作用），從而增強(qiáng)岸坡土體抗侵蝕能力并限制岸坡橫向發(fā)展。崩塌塊體塌落水中，堆積在坡腳處，短時(shí)間內(nèi)對(duì)河床起一定保護(hù)作用[29]。圖 11反應(yīng)了崩塌塊塌落河床后的分解情況。從圖中可以看出，隨著水流的持續(xù)沖刷，崩塌體的體積隨時(shí)間的增加逐漸減小。

本試驗(yàn)得到無植被崩塌塊體積占比變化與時(shí)間的關(guān)系為

紅柳根系（紅柳-豎直）定量關(guān)系為

胡楊根系（胡楊-豎直）定量關(guān)系為

上述各式?jīng)Q定系數(shù)基本在0.85左右，說明擬合效果較好。從圖中看出塌落河道后的崩塌塊體積占比與沖刷時(shí)間呈指數(shù)遞減關(guān)系，這與Fukuoka[27]試驗(yàn)得到的一致，間接證明本文試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。與圖中Fukuoka試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比看出，本試驗(yàn)下塌落河道的崩塌塊體積的分解速度快，這主要與試驗(yàn)土體性質(zhì)不同有關(guān)。Fukuoka試驗(yàn)土體為含粉砂黏性土，本試驗(yàn)所用土體為含細(xì)沙黏性土，所以本文試驗(yàn)土體的黏性要小，黏性越小，土體越易分解破壞，故本試驗(yàn)得到的崩塌塊體積分解速度相對(duì)要快。

土體分裂系數(shù)反映了崩塌體體積的分解速率，試驗(yàn)得到紅柳根系、胡楊根系、無根系崩塌塊的體積平均分解速率由小到大分別為8.24×10-3、1.23×10-2、1.87×10-2/min。由于與土體剪切應(yīng)力有關(guān)，同等條件下根土復(fù)合體的剪應(yīng)力大于無根系土體，根土復(fù)合體在同等水流條件下較難被分解，故無根系崩塌塊分解的最快。在根土黏結(jié)體分解過程中，根土之間的黏結(jié)力強(qiáng)弱（根系牽拉作用）影響其破壞時(shí)間的長短，根系牽拉作用越強(qiáng)，緊密附著在根系周圍的黏土顆粒越多，破壞所需要的時(shí)間越長。紅柳根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度大于胡楊根土復(fù)合體，其值小，紅柳根土黏結(jié)塊的分解速率最小。得出紅柳根系的牽拉作用強(qiáng)于胡楊根系，分解所需的時(shí)間最長。

2.4.3 河床淤積分析

參考文獻(xiàn)[30]方法，用坡腳處累計(jì)河床淤積量與累計(jì)岸坡崩塌量之比代表累計(jì)淤積率。圖12a給出了河床累計(jì)淤積率與根長密度的試驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出河床累計(jì)淤積率與根長密度呈正相關(guān)，根長密度越大，累計(jì)淤積率越大，相應(yīng)河床上的淤積量越大。根長密度R反映根系在岸坡土體中的穿插和纏繞能力，其值越大，表明纏繞同一平面小顆粒土體微粒越強(qiáng)，從而土體抗侵蝕的能力越強(qiáng)[31]。上述試驗(yàn)結(jié)果表明：根長密度越大，說明根系與土體之間穿插纏繞的越緊密，根系的牽拉作用越強(qiáng)，床面的抗侵蝕能力就會(huì)越強(qiáng)。

圖12b為累計(jì)淤積率在不同斷面的沿程變化情況，其變化范圍為0.17～0.42，無植被根系岸坡的累計(jì)淤積率變化范圍為0.23～0.32左右；將相同斷面的有植被根系與無植被根系的累計(jì)淤積率進(jìn)行比較，可以得到兩者的差異基本在0.2左右，從河床淤積角度分析得到根系牽拉作用對(duì)河床保護(hù)的貢獻(xiàn)值平均提高了20%左右。

圖12 累計(jì)淤積率ADR與RLD的關(guān)系及累計(jì)淤積率沿程變化

上述是用河床泥沙的相對(duì)淤積程度來表示根系牽拉作用。實(shí)際河床泥沙的淤積程度還與坡腳處的水流紊動(dòng)程度等有關(guān)，水流紊動(dòng)越劇烈，泥沙越不容易淤積。根據(jù)圖9中根系對(duì)紊動(dòng)能影響結(jié)果可知：根系的存在使得邊璧區(qū)和中心區(qū)的紊動(dòng)能增加，這就在一定程度上造成水流結(jié)構(gòu)的紊動(dòng)，從而影響用累計(jì)淤積率表示根系牽拉作用的不確定性。圖12中胡楊-V條件下各斷面以及胡楊-豎直CS5斷面處的累計(jì)淤積率均低于無植被條件，這主要是因?yàn)榫植扛荡┎逯車裁嫔显斐伤魑蓜?dòng)較劇烈，加劇了對(duì)床面的沖刷，導(dǎo)致一定程度上河床的泥沙淤積量大幅減小，從而使得胡楊-V條件下試驗(yàn)結(jié)果與其他條件不一致。這也反映出有植被根系作用河岸侵蝕及河床淤積等試驗(yàn)結(jié)果的復(fù)雜性，為以后進(jìn)一步相關(guān)研究提供一定的借鑒。

3 結(jié) 論

1）在根系網(wǎng)絡(luò)作用下，黏性岸坡固土能力顯著提高。相同植被根系V型放置較豎直放置，紅柳固土效應(yīng)提高了27.1%，胡楊提高了18.6%；相同放置方式下，紅柳根系比胡楊根系分別提高了19.6%（豎直）和28.1%（V型）；紅柳根系網(wǎng)絡(luò)作用更強(qiáng)，比胡楊根系固土效應(yīng)平均提高了24.2%；較無植被岸坡，有植被岸坡的抗侵蝕能力提高了30%～56%。

2）根系的護(hù)擋作用改變了近岸水流流場，對(duì)坡腳起了防護(hù)作用，其侵蝕得到了有效的抑制；有植被岸坡近岸縱向時(shí)均流速減小至無植被岸坡的45%～67%，無量綱紊動(dòng)能減小至75%～91%。

3）根系牽拉作用主要表現(xiàn)在對(duì)岸坡崩塌根土黏結(jié)體的堆積和分解以及床面淤積的影響等，其中牽拉作用越強(qiáng)，崩塌堆積體的體積占比越大，紅柳根系（堆積體體積平均占比0.33）崩塌土體的堆積多于胡楊（0.24），說明紅柳根系根土黏結(jié)力強(qiáng)于胡楊；同樣，牽拉作用越強(qiáng)，根土黏結(jié)體進(jìn)一步被分解時(shí)間就越長，試驗(yàn)得到崩塌塊體積大小與沖刷時(shí)間呈指數(shù)遞減關(guān)系，且紅柳根土黏結(jié)塊的分解速率小于胡楊，其牽拉作用大于胡楊根系；根長密度與河床累計(jì)淤積率成正相關(guān)，反映了根系在淤床中的穿插纏繞能力，附著在根系四周不易被水流沖走的黏土粒團(tuán)越多，河床淤積量越大；根據(jù)累計(jì)淤積率沿程變化試驗(yàn)結(jié)果得到根系牽拉作用對(duì)河床保護(hù)貢獻(xiàn)值平均提高了20%左右。

本文以紅柳和胡楊為典型植被根系，通過試驗(yàn)研究了植被根系對(duì)黏性岸坡侵蝕的影響過程，研究結(jié)果可為干旱區(qū)荒漠植被根系固土護(hù)坡技術(shù)提供一定補(bǔ)充；但荒漠植被種類眾多，本文未涉及其他更多植被根系，且植被根系在實(shí)際河岸中的分布方式復(fù)雜多樣，其他形式放置方式下根系作用的研究等也有待今后進(jìn)一步開展。

[1]Gran K B, Tal M, Wartman E D. Co-evolution of riparian vegetation and channel dynamics in an aggrading braided river system, Mount Pinatubo, Philippines[J]. Earth Surface Process and Landforms, 2015, 40(8): 1101-1115.

[2]Helen L M, David L H. Interactions between riparian vegetation and fluvial processes within tropical Southeast Asia: Synthesis and future directions for research [J]. Progress in Physical Geography, 2014, 38(6): 716-733.

[3]Vargas-Luna A, Duró G, Crosato A, et al. Morphological adaptation of river channels to vegetation establishment: A laboratory study[J]. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 2019, 124(7): 1981-1995.

[4]Billi P, Demissie B, Nyssen J, et al. Meander hydromorphology of ephemeral streams: Similarities and differences with perennial rivers[J]. Geomorphology, 2018, 319: 35-46.

[5]Camporeale C, Perucca E, Ridolfi L, et al. Modeling the interactions between river morpho dynamics and riparian vegetation[J]. Reviews of Geophysics, 2013, 28(3): 379-414.

[6]van Dijk W M, Teske R, van de Lageweg W I, et al. Effects of vegetation distribution on experimental river channel dynamics[J]. Water Resource Research, 2013, 49(11): 7558-7574.

[7]趙清賀，冀曉玉，徐珊珊，等. 河岸植被對(duì)坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙的阻控效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(13): 170-178. Zhao Qinghe, Ji Xiaoyu, Xu Shanshan, et al. Inhibiting effect of riparian vegetation on erosion and sediment yield of slope runoff[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 170-178. (in Chinese with English abstract)

[8]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 Yuchuan, Yang Shuqing, Xu Haijue. Experimental analysis of river evolution under different planting densities of riparian vegetation[J]. Jouranl of Hydroelectric Engineering, 2018, 37(11): 107-120. (in Chinese with English abstract)

[9]楊樹青，白玉川，徐海玨，等. 河岸植被覆蓋影響下的河流演化動(dòng)力特性分析[J]. 水利學(xué)報(bào)，2018，49(8)：995-1006. Yang Shuqing, Bai Yuchuan, Xu Haijue, et al. Dynamic characteristics of river evolution under the influence of riparian vegetation cover[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(8): 995-1006. (in Chinese with English abstract)

[10]Yu G A, Disse M, Huang H Q, et al. River network evolution and fluvial process responses to human activity in a hyper-arid environment: Case of the Tarim River in Northwest China [J]. Catena, 2016, 147: 96-109.

[11]Yu G A, Li Z W, Disse M, et al. Sediment dynamics of an allogenic river channel in a very arid environment[J]. Hydrological Processes, 2017, 31: 2050-2061.

[12]Li Z W, Yu G A, Brierley G J, et al. Vegetative impacts upon bedload transport capacity and channel stability for differing alluvial planforms in the Yellow River source zone[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2016, 20: 3013-3025.

[13]Li Z W, Yu G A, Brierley G J, et al. Migration and cutoff of meanders in the hyperarid environment of the middle Tarim River, northwestern China[J]. Geomorphology, 2017, 276: 116-124.

[14]宗全利，馮博，蔡杭兵，等. 塔里木河流域河岸植被根系護(hù)坡的力學(xué)機(jī)制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，37(5)：1290-1300. Zong Quanli, Feng Bo, Cai Hangbing, et al. Study on mechanical mechanism of riverbank protection from desert riparian vegetation roots in Tarim River basin[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2018, 37(5): 1290-1300. (in Chinese with English abstract)

[15]Feng B, Zong Q L, Cai H B, et al. Calculation of increased soil shear strength from desert plant roots[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2019,12(16): 1-12

[16]Zhu H L, Hu X S, Li Z W, et al. The influences of riparian vegetation on bank failures of a small meadow-type meandering river[J]. Water, 2018, 10(692): 1-15

[17]Yu G A, Li Z W, Yang H Y, et al. Effects of riparian plant roots on the unconsolidated bank stability of meandering channels in the Tarim River, China[J]. Geomorphology, 2020, 351: 1-12.

[18]Krzeminska D, Kerkhof T, Skaalsveen K, et al. Effect of riparian vegetation on stream bank stability in small agricultural Catchments[J]. Catena, 2019, 172: 87-96.

[19]李志威，郭楠，胡旭躍，等. 基于BSTEM模型的黃河源草甸型彎曲河流崩岸過程模擬[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，27(3)：509-519. Li Zhiwei, Guo Nan, Hu Xuyue, et al. Modeling of bank failure processes of meadow-type meandering river using BSTEM in the Yellow River Source[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2019, 27(3): 509-519. (in Chinese with English abstract)

[20]Zong Q L, Xia J Q, Zhou M R, et al. Modelling of the bank retreat process of a composite riverbank in the Jingjiang Reach using the improved BSTEM[J]. Hydrological Processes, 2017, 31(26): 4669-4681.

[21]Midgley T L, Fox G A, Heeren D M. Evaluation of the bank stability and toe erosion model (BSTEM) for predicting lateral retreat on composite streambanks[J]. Geomorphology, 2012, 145/146: 107-114.

[22]柯映明，沈占鋒，李均力，等. 1994-2018年新疆塔河干流農(nóng)作物播種面積時(shí)空變化及影響因素分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(18)：180-188. Ke Yingming, Shen Zhanfeng, Li Junli, et al. Temporal and spatial change of sown area of crop and its influencing factors in main stream of Tarim River from 1994 to 2018[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 180-188. (in Chinese with English abstract)

[23]王海珍，韓路，徐雅麗，等. 控水處理對(duì)胡楊、灰胡楊生長特性及水分利用效率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(增刊2)：195-201. Wang Haizhen, Han Lu, Xu Yali, et al. Effects of water stress on growth characteristics and water use efficiency ofand[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(Supp. 2): 195-201. (in Chinese with English abstract)

[24]陳亞寧. 新疆塔里木河流域生態(tài)水文問題研究[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010：517-520.

[25]井家林. 極端干旱區(qū)綠洲胡楊根系空間分布特征及其構(gòu)型研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2014. Jing Jialin. Research on the Root System Distribution and Architecture of Populus Euphratica in the Extremely Arid Region[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[26]Blanckaert K J, Graf W H. Mean flow and turbulence in open-channel bend[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2001, 127(10): 835-847.

[27]Fukuoka S. Erosion processes of natural riverbank[C]// Proceedings of 1st International Symposium on Hydraulic Measurement, Beijing: CHES＆IAHR, 1994: 222-229.

[28]李強(qiáng)，劉國彬，張正，等. 黃土風(fēng)沙區(qū)根系強(qiáng)化抗沖性土體構(gòu)型的定量化研究[J]. 中國水土保持科學(xué)，2017，15(3)：99-104. Li Qiang, Liu Guobin, Zhang Zheng, et al. Quantitative studies on root reinforcement resisting flow-induced erosion in the sandy loess region[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2017, 15(3): 99-104. (in Chinese with English abstract)

[29]夏軍強(qiáng)，宗全利，許全喜，等. 下荊江二元結(jié)構(gòu)河岸土體特性及崩岸機(jī)理[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2013，24(6)：810-820. Xia Junqiang, Zong Quanli, Xu Quanxi, et al. Soil properties and erosion mechanisms of composite riverbanks in Lower Jingjiang Reach[J]. Advances in Water Science, 2013, 24(6): 810-820. (in Chinese with English abstract)

[30]余明輝，陳曦，魏紅艷，等. 不同近岸河床組成情況下河岸崩塌試驗(yàn)[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2016，27(2)：176-185. Yu Minghui, Chen Xi, Wei Hongyan, et al. Experimental of the influence of different near-bank riverbed compositions on bank failure[J]. Advances in Water Science, 2016, 27(2): 176-185. (in Chinese with English abstract)

[31]諶蕓，何丙輝，練彩霞，等. 三峽庫區(qū)陡坡根-土復(fù)合體抗沖性能[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36(16)：5173-5181. Chen Yun, He Binghui, Lian Caixia, et al. Root-soil system anti-scourability on steep slopes in the Three Gorges Reservoir Area[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(16): 5173-5181. (in Chinese with English abstract)

Effects of typical desert vegetation roots on the erosion process of cohesive riverbank

Zong Quanli1,2, Chen Zhikang2, Cai Hangbing2, Qin Peng1, Liu Chunxia1, Jin Kai1

(1.,,266109,;2.,,832000,)

Desert vegetation roots of various species can contribute to the soil shear strength, and thereby to effectively stabilize the riverbank slope, particularly in the Tarim River Basin with the serious soil erosion. Tamarix ramosissima (TR) and(PE) are the dominant plant species in typical shrubs and trees, respectively, where both have significant positive effects on the riverbank erosion. In this study, taking the vegetation roots of TR and PE in the Tarim River Basin as the study objects, the influence of desert vegetation roots on the erosion process of cohesive riverbank was investigated systematically via a generalized laboratory experiment. In the experimental design, the roots were mainly arranged in two forms of vertical and V-shaped with the angles of 90° and 60°, respectively. Subsequently, the roots were equally spaced along the section with an average spacing of 4cm. The results showed that: 1) the capacity of soil consolidation in the cohesive riverbank was significantly improved under the action of the roots network. Specifically, the erosion resistance of riverbank with roots increased by 30% to 56%, compared with that without roots. The roots of TR increased by 19.6% for the vertical layout, and 28.1% for the V-shaped, compared with that of PE, indicating that the capacity of soil consolidation varied in types of roots. The roots of TR and PE for the V-shaped increased by 27.1% and 18.6%, respectively, compared with that for the vertical layout, indicating that the capacity of soil consolidation varied in the layout methods of roots. Generally, the effect of roots network of TR increased by 24.2% on average, compared with that of PE. 2) There was a significant protection of roots retaining effect on the riverbank, mainly aiming to change the near-shore flow field, and protect the bank toe. The experiment results show that the vertical average velocity and turbulent energy of flow near the riverbank with roots were reduced to 45%-67% and 75%-91%, respectively, compared with that without roots. 3) The roots pulling effect was mainly explored by the impact on the accumulation and decomposition of the collapsed root-soil blocks and the deposition in riverbed. Consequently, the experimental results demonstrated that the roots pulling effect can be much stronger, as the increase in the volume of collapsed block accumulation. Specifically, the TR root with the average value of accumulation, 0.33, has more collapsed blocks than that of PE with the value of 0.24, indicating that the adhesion strength of root-soil blocks for the TR was stronger than that of PE. Furthermore, the roots pulling effect can be enhanced, as the increase in the time for further decomposition of the root-soil blocks. Two relationships of exponential functions were also obtained between the volume of collapsed blocks and scouring time for the TR and PE roots. The decomposed rate of root-soil blocks for the TR was lower than that for PE, whereas, the pulling effect of TR was greater than that of PE. In addition, the roots length density was positively correlated with the cumulative deposition rate of the riverbed, reflecting the interpenetration and winding ability of the roots. The contribution value of roots pulling effect to riverbed protection increased by about 20%, according to the cumulative deposition rate. These data can be used to reveal the effects of different vegetation roots on the erosion processes of cohesive riverbank, including the network, retaining and pulling effects. As such, this findings can also provide a sound technical support to the soil reinforcement and riverbank protection by the vegetation roots in arid desert areas.

erosion; roots;;; cohesive riverbank; network effect; retaining effect; pulling effect

宗全利，陳志康，蔡杭兵，等. 典型荒漠植被根系對(duì)黏性岸坡侵蝕過程的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(18)：90-98.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.012 http://www.tcsae.org

Zong Quanli, Chen Zhikang, Cai Hangbing, et al. Effects of typical desert vegetation roots on the erosion process of cohesive riverbank[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 90-98. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.012 http://www.tcsae.org

2020-07-03

2020-09-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51569029)；青島農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才科研基金（1119031）

宗全利，博士，教授。主要從事河流動(dòng)力學(xué)方面研究。Email：quanli1871@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.012

TV 149.2；S157

A

1002-6819(2020)-18-0090-09