陳志康, 宗全利, 蔡杭兵

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

1 研究背景

河岸帶植被在防止水土流失、保護流域河堤等方面發(fā)揮重要作用，是流域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成員。對干旱區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)尤為重要，干旱區(qū)植被通過地上部分阻擋和減弱風沙侵蝕，地下部分通過根系串接土壤，防止河岸水土流失，是阻止流域沙漠化的重要成員[1]。近些年來，受人類活動的影響，河流生態(tài)系統(tǒng)自我修復的功能嚴重退化，恢復河流生態(tài)系統(tǒng)功能和維護河流健康的運轉成為生態(tài)水利學研究的熱點之一[2]。

植被固土固灘的作用已被長期實踐證明是防止水土流失的有效方法，植被通過根系串連固結作用能夠提高河岸的穩(wěn)定性，另一方面通過改變河道水流結構，影響河道泥沙的橫向輸移展寬，提高河岸的抗侵蝕能力[3-5]?，F(xiàn)有岸灘植被與河岸水土流失關系的研究成果多集中在岸坡有無植被、植被覆蓋度及植被類型的影響，以及從水槽試驗、野外試驗、數(shù)值分析等多角度分析兩者之間的關系[6-11]。Charlton等[12]通過野外試驗就植被對不同土質河岸侵蝕影響進行了研究，表明植被的存在使得卵石河岸的展寬率降低了30%，對于砂土質河岸展寬率降低效果更顯著。郭二輝等[13]研究了城市濱河不同的植被類型對坡體水土流失的影響。李強等[14]研究黃土風沙區(qū)植被對岸坡土體抗沖刷性能的影響。白玉川等[15]通過室內水槽試驗研究了植被覆蓋密度對河流動力演變的影響，指出植被覆蓋密度越大，河床越易演變?yōu)檎钚蛷褪胶拥馈Ｈ欢F(xiàn)有研究成果關于干旱區(qū)荒漠植被對河岸侵蝕影響的研究較少，宗全利等[16]對塔里木河流域荒漠植被根系固土的力學機制進行了研究，Yu等[17]從塔里木河流域植被根系對河流演變過程影響進行了研究，楊涵苑等[18]通過數(shù)值模擬對塔里木河流域植被根系對河岸邊坡穩(wěn)定性的影響進行了研究，表明植被根系明顯提高了河岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

盡管關于植被根系與河岸侵蝕方面的研究成果較多，但多數(shù)研究集中在河岸有無植被覆蓋，根系固土的力學性能方面，干旱區(qū)荒漠植被根系在水動力學條件下對河岸沖刷過程的影響研究成果缺乏，因此本文選取塔里木河灌木紅柳、喬木胡楊根系，在水動力條件下，通過室內水槽，分析了荒漠植被根系下河岸沖刷機制、崩岸機理，并定量分析了不同根系網(wǎng)絡作用的貢獻以及根土崩塌體在河道的堆積、輸移特性等。

2 試驗設計及方案

2.1 試驗概況

試驗在石河子大學水工水力學試驗大廳玻璃水槽中開展，玻璃水槽長為20 m，寬為50 cm，高為50 cm，底坡為1‰。在水槽進口端設有閥門，可以控制來水流量。水槽尾端的三角量水堰用來測量流量大小。試驗土體上下游端為水泥光滑抹面連接，模型土體橫斷面為梯形，試驗土體自上游端向下編號依次為CS1、CS2、CS3，各典型斷面間距為50 cm，試驗模型在水槽中的具體布置如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device

2.2 試驗方案

本次試驗共5組，其中工況1-1(紅柳豎直)、1-2(紅柳V型)、2-1(胡楊豎直)、2-2(胡楊V型)為有根系組，工況3-1為無根系對照組，各工況下的試驗具體情況見表1。

表1 試驗組次Table 1 Experimental groups

試驗前預先鋪設河岸土體，同時對土體灑水養(yǎng)護。為保證各工況土體參數(shù)相同，制作模型時分層填筑壓實以保證質量；為使根系能發(fā)揮較好的固土作用，根系在進行鋪設土體時同步放置，根系與試驗土體一同沉降固結一周后開始試驗。試驗開始前測量3個典型斷面(CS1—CS3)初始岸坡形狀，試驗土體干密度為1.37～1.39 g/cm3，含水率為20.1%～20.6%，然后再進行清水沖刷過程試驗。試驗開始時，使玻璃水槽的上游來水以沖刷流速流入水槽，試驗過程中保持水位不變，記錄河岸崩塌過程中的現(xiàn)象和特點并不定時測量岸坡形態(tài)。

2.3 試驗取樣

通過手持GPS定位試驗取樣位置，根系取樣點為塔里木河上游的沙雅大橋附近河岸(82°8′39.4″E，40°51′35.5″N)。試驗所用的土體取樣點位于蓋孜庫木鄉(xiāng)(82°57′40″E，40°57′9″N)，取樣位置如圖2所示。

圖2 試驗取樣位置示意圖Fig.2 Sampling locations for the experiment

塔里木河流域內植被主要有胡楊、紅柳、蘆葦及駱駝刺等，胡楊、紅柳根系發(fā)達，對環(huán)境適應能力強。根系取樣采用挖掘剖面法。為保證根系的鮮活性，將所取的完整根系及表面的土用保鮮膜封裝防止水分揮發(fā)，對其編號記錄后帶回實驗室，保存在與生長環(huán)境相似的土壤中。試驗土體取樣采用環(huán)刀法，在實驗室測定其物理性質。

2.3.1 試驗土體性質

對土體的物理性質等進行測定，采用土工標準為《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)。所取土體主要由粉土質砂和含細粒土砂組成，其上層為粉土質砂(SM)，含水率為20.1%，干密度為1.42 g/cm3，其中細粒土含量(d<0.075 mm)占22.7%；下層為含細粒土砂(SF)，含水率為24.1%，干密度為1.37 g/cm3，細粒土含量為10.7%。試驗土體為非黏性細砂，中值粒徑為0.12 mm，細粒土含量為18.3%，雖為非黏性土，但具有一定的黏性，土體粒徑級配含量分布如表2所示。

表2 試驗土體粒徑級配含量分布Table 2 Particle size distribution of test soil

2.3.2 根系特征

試驗模型土體鋪設前，選取植物生長態(tài)勢均一、須根量相當?shù)闹仓辏糜螛丝ǔ邷y量根系直徑，植物根系直徑大致范圍為1.0～3.5 mm，每單株根徑測量多次取其平均值。根據(jù)根系構型現(xiàn)場調查，根系在試驗土體中以豎直和V型的形式放置[19-20]，根系沿斷面等間距3 cm分布，其中V型根系夾角i取60°，根系布設如圖3所示。試驗中豎直放置的單株植物根徑的平均值基本等于V型放置中兩株植物根徑之和的平均值，兩者平均誤差控制在±0.2 mm范圍內。

圖3 根系斷面布置Fig.3 Schematic layout of root section

本文中不同植被根系密度以根系生物學特征參數(shù)單位土體內根表面積密度RSAD反映其對河岸沖刷過程的影響[14]。本次試驗中有植被根系組在不同工況下，同一典型斷面的不同根系布置方式中保證根表面積密度基本相同(平均誤差為4.12%)，根系密度參數(shù)如圖4所示。

圖4 各典型斷面根系密度參數(shù)Fig.4 Root parameters of each typical section

3 結果及分析

3.1 根系網(wǎng)絡作用對河岸崩塌影響分析

根系網(wǎng)絡作用指根系將較小土塊膠結成較大土塊的能力，可以反映河岸抗沖刷能力的強弱。試驗中記上游連接端末為斷面縱向起點，河岸坡腳處為河岸與河床面的分界點。試驗統(tǒng)計得到各工況下河岸的沖刷淤積量(累計沖刷崩塌量為負，淤積量為正)如圖5所示。從圖5中可知，有根系河岸岸坡的崩塌量小于無根系河岸，即根系通過網(wǎng)絡膠結作用提高了河岸土體的抗剪強度，河岸的抗沖刷能力提高。

圖5 河岸沿程沖淤量Fig.5 Erosion and deposition along river bank

從圖5還可知，相同植被間，V型根布置(工況1-2)河岸崩塌量(60 cm3)小于豎直布置(工況1-1)的崩塌量(92 cm3)，不難得出在相同根表面積密度(RSAD)下，V型根系網(wǎng)絡固土作用強，即土體水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量和粒徑越大，根土摩擦咬合作用越強，根系將小土塊網(wǎng)絡成大塊體的能力越強，河岸越穩(wěn)定。不同植被(工況1-1、2-1)在相同根系方式(豎直)下，工況1-1河岸沖刷崩塌量(92 cm3)小于工況2-1的崩塌量(98 cm3)，在相同的RSAD下紅柳根系的抗拉/抗剪強度大于胡楊根系，其根土復合體產(chǎn)生的表觀黏聚力也較大[16]。這說明紅柳根系的網(wǎng)絡固土作用更強。從圖5還可看出，在水流沖刷作用下，CS3斷面的累計崩塌量大于CS1斷面，相對應的河床淤積量也較大。由于CS1斷面的根表面積密度最大，CS3斷面的最小，根表面積密度越大，根系與土顆粒的接觸表面積越大，根-土咬合摩擦力越大，河岸土體穩(wěn)定性越好，河岸崩塌量越小，固土能力越強。由于河道中倒伏根系的存在，對上游來沙起到阻擋緩沖作用，河床上的泥沙在CS3斷面處淤積的越多。

河岸崩塌量V與根表面積密度RSAD的關系如圖6所示，從圖6中可知，河岸崩塌量與根表面積密度之間呈負相關。其擬合公式為

圖6 河岸崩塌量與RSAD的關系Fig.6 Relationship betweenbank collapse and RSAD

V=376.05-

70.79ln(RSAD-17.03) ，

R2=0.775 。

式(1)擬合關系較好，可用作根系密度與河岸崩塌量之間定量關系式。式(1)說明隨根表面積密度的增大，河岸崩塌量減小，根-土接觸表面積越大，根-土之間的摩擦力越大，河岸抗沖刷能力越強。

定義根系的固土效應為有根系河岸崩塌量相對減小值和無根系河岸崩塌量之比。 在根系網(wǎng)絡作用下， 河岸固土能力提高。從圖7可以看出，根系對河岸的固土效應貢獻值為0.12～0.42，較無根系河岸，有根系河岸的固土能力提高了12%～42%。

(1)

圖7 根系固土效應區(qū)間分布值Fig.7 Interval distribu-tion of soil consolidationeffect of root system

3.2 根系布置方式對河岸固土能力的影響分析

根系在河岸中的布置方式不同，河岸的固土能力也有較大差別。由圖8可知，同種植被根系河岸，較豎直布置方式，V型方式下紅柳固土效應提高了96.3%，胡楊提高了109.8%。不同植被根系河岸，在同一豎直、V型根形態(tài)下，紅柳的相較于胡楊的分別提高了32.7%和24.3%。

圖8 典型斷面不同工況下的根系固土效應Fig.8 Soil consolidation effect of root system in typicalsections under different conditions

由此可見，河岸固土能力與根系的布置方式密切相關，紅柳、胡楊根系的V型方式固土效果明顯好于豎直方式(分別提高96.3%、109.8%)。圖9(不同小寫字母表示檢驗結果顯著)為根系布置方式對根系固土效應值的顯著性檢驗結果。從圖9可知，不同的根系布置方式下對兩種植被的河岸固土能力均具有顯著性差異，在相同的根系密度下，V型布置根系中土體水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量大，單位面積土體中根土復合體咬合摩擦力愈大，形成的“網(wǎng)絡網(wǎng)”更牢固，河岸的抗沖能力愈強。

圖9 根系不同布置方式間的顯著性檢驗Fig.9 Significance test of different root arrangementpatterns

4 根土膠結崩塌體的堆積、分解和輸移

4.1 根土膠結崩塌體的堆積特性

試驗過程中的河岸斷面形態(tài)變化如圖10所示，從圖10中可知：根土膠結體塌落河道后，在坡腳處的堆積形式類似三角形，堆積體的水下坡腳即為三角形的坡度，崩塌穩(wěn)定后的三角體的坡度等于水下泥沙休止角；坡腳堆積體的平均坡比(1∶1.75)大于無根系河岸的(1∶5)。

圖10 坡腳崩塌體的堆積形式Fig.10 Accumulation pattern of collapse body at slope toe

根據(jù)試驗結果，不同工況下坡腳堆積體積與崩塌土體體積的占比關系如圖11所示，從圖11中可以看出，工況1-1下，坡腳堆積體積占崩塌土體體積比為0.19～0.28，平均占比0.24；工況1-2占比為0.41～0.49，平均占比0.46；工況2-1占比為0.16～0.23，平均占比0.21；工況2-2占比為0.35～0.42，平均占比0.39；工況3-1占比例為0.15～0.24，平均占比0.20?？梢缘贸鲇懈岛影镀履_堆積體所占比例明顯增大，說明由于根系在膠結體團中的穿插、纏繞作用，堆積體不易被沖刷攜至下游。在相同水流條件下，V型根系下(工況1-2、2-2)坡腳堆積體占比明顯大于豎直型(工況1-1、2-1)；相同的根系布置下，紅柳根系河岸堆積體占比大于胡楊根系的，這與它們在該狀態(tài)下具有較強的固土作用是密不可分的。

圖11 不同工況下堆積體占比情況Fig.11 Proportion of accumulation underdifferent working conditions

4.2 根土膠結崩塌體的分解和輸移特性

河道中崩塌塊塌落后尺寸大小的變化可表示為[21]

V/V0=exp(-αt) 。

(2)

式中:V/V0為某一段時間的崩塌塊體積與初始體積比；t為時間(min)；α為土體分裂系數(shù)。試驗通過對實測值進行擬合得到各工況下崩塌塊體的分解關系式如下。

工況1-1(紅柳豎直根系河岸)為

V/V0=exp(-0.019t) ,R2=0.70 。

(3)

工況2-1(胡楊豎直根系河岸)為

V/V0=exp(-0.023t) ,R2=0.72 。

(4)

工況3-1(無根系河岸)為

V/V0=exp(-0.036t) ,R2=0.82 。

(5)

崩塌體的體積變化與時間的關系如圖12所示，從圖12中可以看出，河道中崩塌體的體積變化與時間呈指數(shù)遞減關系。與Fukuoka[21]試驗相對比，本試驗(工況3-1)塌落河道的崩塌塊體積隨時間變化快，主要和試驗土體的性質不同有關。其中Fukuoka試驗為含粉砂土，本試驗為細砂土，更容易被分解破壞，相應的崩塌塊體積分解速快。

圖12 崩塌體體積變化與時間的關系Fig.12 Volumetric change of collapse body with time

α反映了崩塌體體積的分解速率，試驗得到無根系的α最大(0.036 min-1)、胡楊根系的次之(0.023 min-1)、紅柳根系的最小(0.019 min-1)?？梢钥闯鲇懈岛影陡聊z結崩塌體分解速度慢，主要是由根土膠結體的抗剪強度大于素土試驗土體造成，在相同水流下根土膠結體越難被分解。由于紅柳根土復合體的抗剪強度大于胡楊的，故在同等水流條件下紅柳根土崩塌體分解所需的時間最長。

定義根系牽拉系數(shù)(F)[22]為有根系河床累計淤積率(累計河床淤積量和累計河岸崩塌量之比)和無根系河床累計淤積率的比值，根系牽拉系數(shù)反映了根土膠結體在分解過程中根系的穿插、纏繞作用，使其纏繞吸附同一平面小顆粒土體越多，某一時間內挾至下游的泥沙量減少，對床面起防護作用。不同工況下的根系牽拉系數(shù)如圖13所示，若F>1表示根土膠結體在分解過程中，根系對床面起防護作用，反之亦然。從圖13可以看出V型根系(工況1-2、2-2)對河床的防護作用大于豎直根系(工況1-1、2-1)，在相同的根系密度下，V型根-土顆粒間土體水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量大，根-土間的咬合作用強，摩擦力大，其分解所需的水流強度愈大，在相同水流下被輸移至下游的泥沙量減小，對河床的防護作用越明顯。本試驗中根系對河床的牽拉系數(shù)在實際中可按1.15～2.52進行估算。

圖13 各工況下的根系牽拉系數(shù)Fig.13 Root’s traction coefficient underdifferent working conditions

5 河岸崩塌過程分析

根據(jù)無根系河岸試驗結果，河岸沖刷初期的地形形態(tài)如圖14(a)所示，從圖14中可知，水流沖刷初期，河岸水位以下的砂土層淘刷形式近似弧形，下部淘空面積較大，沖刷過程概化示意如圖14(b)所示。崩塌機理為在近岸水流沖刷下切作用下，坡腳處不斷橫向向內淘刷，導致水位上部的土層被懸空，岸坡頂部出現(xiàn)橫向裂縫；隨著裂縫進一步延伸，當上部土層達到臨界狀態(tài)后，上部土層發(fā)生繞軸崩塌[23]。該階段主要與水流強度及懸空層上部土體性質有關。

圖14 無根系河岸地形形態(tài)Fig.14 Morphology of rootless riparian topography

有根系河岸沖刷初期的地形形態(tài)如圖15(a)所示，在近岸水流沖刷作用下，隨著水位下部土層被淘刷，水下局部根系裸露，水位上部根土復合層進一步被懸空，崩塌機理為懸空層上表面出現(xiàn)縱向裂隙，裂隙豎向伸展，根土復合體沿滑裂面塌落河道，破壞面多為圓弧滑裂面。其水下土層淘刷形態(tài)近似三角形如圖15(b)所示，較無根系河岸水下圓弧淘空面積，有根系河岸水下三角淘空面積要小，水位上部懸空層穩(wěn)定性也較好；由于根系網(wǎng)絡作用，懸空層的抗拉剪能力強，上部土層的懸空寬度也較大。

圖15 有根系河岸地形形態(tài)Fig.15 Morphology of rooted river bank

6 結 論

(1)較無植被根系河岸，有根系河岸的固土能力提高了12%～42%。同種植被根系河岸，根系布置方式對河岸的網(wǎng)絡固土作用有顯著性影響，V型根系的網(wǎng)絡固土作用更強；不同植被根系河岸，在相同的根系布置方式下，灌木紅柳根系的網(wǎng)絡固土作用優(yōu)于喬木胡楊根系。

(2)根土膠結崩塌體的堆積形式為三角形，且堆積體所占比例較無根系崩塌體的明顯增大。同種植被河岸V型根系下的堆積體所占比例大于豎直根系；不同植被根系河岸在相同根系布置中紅柳根系的堆積體占比大于胡楊根系的。

(3)紅柳根土膠結崩塌體在河道中的速率最慢，分解所需要的時間最長，無根系崩塌體分解最快。在根土崩塌體被分解輸移下游過程中，V型根系對河床的防護作用最強。

(4)無植被根系河岸水下淘刷形式主要為圓弧形，下部淘空面積相對較大，上部土層被懸空達到臨界狀態(tài)后，多發(fā)生繞軸旋轉崩塌；有植被根系河岸水下淘空形式主要為三角形，淘空面積相對較小，上部懸空層穩(wěn)定性較好，多發(fā)生圓弧滑動破壞。

由于實際問題的復雜性，塔里木河流域荒漠植被種類較多，本文僅選取兩種典型植被研究，實際河岸中根系分布也是復雜多樣的，不同的植被在不同的根系形態(tài)下對河岸的固土效應有不同的結果，后續(xù)可進一步開展研究。本文結果可為塔里木河河道治理、岸坡防護提供參考。