閩北地區(qū)不同植被類型下滑坡體土層入滲性能研究

袁 東 池永翔 程 剛

（1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，武漢 430074；2．福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州 350001）

閩北地區(qū)不同植被類型下滑坡體土層入滲性能研究

袁 東1池永翔2程 剛1

（1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，武漢 430074；2．福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州 350001）

閩北地區(qū)是福建省淺層滑坡災(zāi)害的多發(fā)區(qū)之一，該區(qū)殘坡積土體厚度大、土層結(jié)構(gòu)松散，地表人為活動(dòng)強(qiáng)烈，暴雨后不同強(qiáng)度的降雨入滲是誘發(fā)該區(qū)出現(xiàn)不同規(guī)?；碌闹饕蛩?。從滑坡防治的角度出發(fā)，采用雙環(huán)入滲法對(duì)不同植被類型下滑坡體表層土的入滲性能進(jìn)行了研究，用Horton水分入滲模型對(duì)入滲過(guò)程進(jìn)行了模擬，并分析了植物改變土壤水分入滲率的作用機(jī)理。研究結(jié)果表明：植被覆蓋能增強(qiáng)滑坡體表層土體的入滲能力；竹林的入滲能力大于杉樹林；草本植物能有效降低土壤的水分入滲率?；w表層土體的入滲率過(guò)高，而下層入滲率又較低時(shí)，會(huì)造成上層土體產(chǎn)生積水，從而誘發(fā)滑坡發(fā)生。

暴雨；滑坡；水分入滲；植被類型

1 概 述

我國(guó)東南沿海地區(qū)每年臺(tái)風(fēng)季節(jié)受臺(tái)風(fēng)暴雨影響，誘發(fā)了大量的淺層松散土體滑坡。大量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果證實(shí)，季節(jié)性的臺(tái)風(fēng)暴雨是誘發(fā)此類滑坡的關(guān)鍵因素。臺(tái)風(fēng)暴雨的強(qiáng)降雨滲入到滑坡體后，一方面使土壤含水率增大，基質(zhì)吸力減小，從而導(dǎo)致非飽和土抗剪強(qiáng)度的減小，減小了抗滑力；另一方面，大量雨水的入滲也使得滑坡體自重增加，增大了下滑力，從而導(dǎo)致失穩(wěn)發(fā)生。土壤水分入滲對(duì)誘發(fā)滑坡顯然有相當(dāng)?shù)南嚓P(guān)性。對(duì)于臺(tái)風(fēng)暴雨小時(shí)降雨量大的特點(diǎn)，土壤的入滲能力是控制降雨入滲的關(guān)鍵因素。殷坤龍認(rèn)為［1］暴雨量的閾值問(wèn)題隨地區(qū)差別、滑坡類型差別等十分明顯。魏麗、單九生等認(rèn)為［2］，植被覆蓋度高、生物量多和植被覆蓋差、生物量低的中低山區(qū)，都可能發(fā)生滑坡災(zāi)害。同等地質(zhì)環(huán)境條件下，植被覆蓋率低，滑坡較易發(fā)生。但當(dāng)降水強(qiáng)度較大時(shí)，特別是達(dá)到誘發(fā)滑坡災(zāi)害發(fā)生的臨界值時(shí)，植被對(duì)滑坡體的重力作用則更加重了滑坡的發(fā)生。植被覆蓋對(duì)滑坡的影響主要取決于降雨強(qiáng)度。徐則民、黃潤(rùn)秋認(rèn)為［3］植被根系對(duì)土壤的加固效應(yīng)作用深度一般僅為地表以下1．5 m范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于滑坡面埋深，但植物的蒸騰作用不能有效控制降雨過(guò)程中地下水位的大幅抬升及應(yīng)力環(huán)境的惡化，而且植被可以顯著優(yōu)化地下水的補(bǔ)給環(huán)境，增大地下水徑流模數(shù)，對(duì)斜坡蠕變及深層滑坡孕育的貢獻(xiàn)顯著。彭書生、王永波認(rèn)為［4］植被延長(zhǎng)地表積水時(shí)間，增加邊坡降雨入滲的作用十分顯著。這些研究表明，植被對(duì)滑坡的影響是十分復(fù)雜的，植被能增強(qiáng)滑坡體表層土體的入滲率，使得暴雨條件下雨水大量入滲，導(dǎo)致中低山區(qū)發(fā)生滑坡的幾率增大。深入研究不同植被對(duì)土壤水分入滲率的影響對(duì)揭示臺(tái)風(fēng)暴雨誘發(fā)滑坡的機(jī)理有重要意義。

2 研究區(qū)概況

閩北地區(qū)的南平市位于閩江上游，地處武夷山脈北段東南側(cè)，是福建、浙江、江西三省結(jié)合部。南平境內(nèi)山嶺聳立，中、低山、丘陵起伏，河谷錯(cuò)落其間，植被類型以竹林、杉樹為主。南平境內(nèi)山區(qū)殘坡積土主要以紅壤土為主，土層較厚，其中紅壤土面積占76%，為變質(zhì)巖系地層，構(gòu)造作用及風(fēng)化作用較為強(qiáng)烈，土層結(jié)構(gòu)松散、抗剪強(qiáng)度和抗風(fēng)化能力較低。

南平市屬于典型亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和濕潤(rùn)、雨量充沛、四季分明，地區(qū)年降雨量在1 430～2 032 mm，受西太平洋熱帶氣旋侵襲，每年7－9月份為臺(tái)風(fēng)季節(jié)。該區(qū)域臺(tái)風(fēng)暴雨有降雨強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，導(dǎo)致山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。如2006年5月17日受“珍珠”號(hào)臺(tái)風(fēng)影響，造成南平市延平區(qū)總降雨量達(dá)329 mm，誘發(fā)滑坡28多處。從時(shí)間分布來(lái)看，山體滑坡多發(fā)生于臺(tái)風(fēng)暴雨過(guò)程中或滯后幾天［5］。

本文以南平市順昌縣大歷鎮(zhèn)洋后淺層滑坡體為例，該滑坡體位于侵蝕剝蝕低山丘陵區(qū)，山頂高程313．9 m，山脊走向總體為南北向，滑坡位于山脊東側(cè)，山坡微地貌為凹型坡，坡度上陡下緩。上部自然坡度為30°～40°，植被主要為杉木、局部竹林；下部自然坡度為10°～20°，植被主要為桔林、杉林、竹林、少量菜地，山頂至坡腳相對(duì)高差約150 m?；麦w為第四系更新統(tǒng)的殘坡積層，巖性為黃褐色、紅褐色坡積粘土、粉質(zhì)粘土和殘積砂質(zhì)粘性土，厚度8～10 m，下伏強(qiáng)風(fēng)化片巖，厚度大于5 m。非飽和帶厚度1～6 m。地下水類型為風(fēng)化帶網(wǎng)狀孔隙、裂隙水，受大氣降水補(bǔ)給，水量隨季節(jié)變化，豐水期水量較豐富，枯水期水量貧乏。

圖1 雙環(huán)法入滲試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig．1 The results of double loop infiltration experiment

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

雙環(huán)法能較好地控制土壤的邊界條件，因而可以得到較準(zhǔn)確的土壤垂直入滲率。本次試驗(yàn)使用雙環(huán)入滲儀外環(huán)直徑為50 cm，內(nèi)環(huán)直徑為25 cm，內(nèi)外環(huán)高度均為50 cm。試驗(yàn)時(shí)將兩鐵環(huán)以同心圓方式擺放，壓入土中10 cm深，壓入時(shí)盡量不破壞地表植被、不擾動(dòng)周圍土壤。使用馬氏流量瓶供水并保持兩鐵環(huán)內(nèi)水頭均為10 cm高，每次入滲試驗(yàn)進(jìn)行到水分入滲速率已基本穩(wěn)定為止。記錄內(nèi)環(huán)中單位時(shí)間內(nèi)流量瓶供入的水量，除以內(nèi)環(huán)面積得到地表土壤的入滲率。

本次試驗(yàn)在滑坡體上選取了8種代表性植被類型區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，分別為：①小杉樹林，樹齡2年，樹高1．4～1．7 m，樹木間距1．5～2 m，地表無(wú)草本植物；②大杉樹林，樹齡5年以上，樹高大于5 m，樹木間距2～4 m，地表有少量草本植物；③成熟桔樹林，樹高2～2．5 m，間距2～3 m，地表草本植物茂盛，多為魚腥草并夾雜少量茅草；④雜草地，無(wú)樹木，地表草本植物茂盛，多為魚腥草和茅草；⑤成熟毛竹和成熟杉樹的混合林，樹間距2～3 m，地表極少量草本植物；⑥成熟竹林，地表有草本植物覆蓋；⑦小竹林，樹高2．5～3．5 m，地表有草本植物覆蓋；⑧成熟杉樹林，地表草本植物茂密。所有試驗(yàn)區(qū)下覆土體巖性基本一致，表層為紅褐色坡積粘土，厚度1～2 m，其下為殘坡積砂質(zhì)粘土。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

4 水分入滲過(guò)程分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一般特點(diǎn)顯示，各點(diǎn)入滲－時(shí)間曲

線呈指數(shù)函數(shù)分布，可用Horton水分入滲模型對(duì)各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。Robert E．Horton 1940年提出水分入滲過(guò)程數(shù)學(xué)模型是建立在土壤非飽和水流基本微分方程的簡(jiǎn)化求解基礎(chǔ)上的，即

式中：f為土壤入滲率；fc為穩(wěn)定入滲率；β為比例常數(shù)，反映植被與土壤的特性；t為降雨歷時(shí)。如果設(shè)定初始入滲率為f0，對(duì)方程（1）求解可得

方程（2）為土壤入滲率隨時(shí)間變化的函數(shù)，對(duì)方程（2）在區(qū)間［0，t］上求定積分，得到不同植被條件下累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化函數(shù)F（t），

將方程（2）作為擬合函數(shù)，使用Matlab軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表1，擬合曲線見(jiàn)圖1。

表1 Horton水分入滲方程擬合結(jié)果Table 1 Results of fitting using Horton m odel

結(jié)果顯示Horton水分入滲模型對(duì)各種植被類型下水分入滲過(guò)程擬合的相關(guān)系數(shù)均大于0．96，模擬值能較真實(shí)地反映本試驗(yàn)中土壤水分入滲過(guò)程。

通過(guò)使用Horton水分入滲方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得出了在有壓入滲條件下，不同植被類型土壤的初始滲透率和穩(wěn)定入滲率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同植被條件下土壤滲透性能比較Table 2 Com parison of soil infiltration performances under different vegetation conditions

入滲是指水分進(jìn)入土體的過(guò)程，一般降雨入滲開始時(shí)，土體的入滲率較高，此時(shí)的入滲率稱為初始入滲率；隨后逐漸降低，并最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值，即穩(wěn)定入滲率。表2數(shù)據(jù)顯示，不同植被類型地區(qū)土體初始入滲率和穩(wěn)定入滲率存在較大差異，荒地的初始入滲率和穩(wěn)定入滲率均為最小，說(shuō)明植物的生長(zhǎng)能很好地提高土體的入滲性能。杉樹林地區(qū)穩(wěn)定入滲率最大，是因?yàn)樯紭淞值貐^(qū)存在大量的枯枝落葉，腐殖層較厚，且有大量的昆蟲、軟體動(dòng)物等棲息繁衍造成土壤疏松。竹林地區(qū)由于常受人工挖竹筍、鋤草等的影響，導(dǎo)致表層土體結(jié)構(gòu)受到破壞，大大增加了其表層土的初始入滲率。

圖2顯示土壤入滲率隨時(shí)間的變化關(guān)系，土壤入滲率越快，水分充滿土層，達(dá)到穩(wěn)滲階段所需要的時(shí)間就相對(duì)越短。同時(shí)，土壤入滲率還直接受土層的飽和滲透系數(shù)影響，尤其是當(dāng)下層土體滲透系數(shù)低于上層時(shí)，下層土體對(duì)水分入滲會(huì)產(chǎn)生一定的阻礙，水分垂向傳導(dǎo)受到抑制，會(huì)造成上層土體產(chǎn)生積水，使上層土體提前達(dá)到飽和。上層土體的快速飽和會(huì)增大滑坡體的自重，且對(duì)下層土體產(chǎn)生有壓入滲，這種情況易誘發(fā)山體滑坡。

圖2 不同植被條件下土壤水分入滲曲線Fig．2 Curves of soil infiltration under different vegetation conditions

在沒(méi)有草本植物覆蓋的區(qū)域，小杉樹林、大杉樹林、竹、杉樹混合林在入滲初始階段，入滲率均迅速減少，在60 min后，逐漸達(dá)到其穩(wěn)定入滲率（5．5 mm／min左右），大杉樹林的初始滲透率和穩(wěn)定滲透率與小杉樹林接近。而竹、杉樹混合林的初始入滲率要明顯大于杉樹林。

在有茂密草本植物覆蓋的區(qū)域，桔樹林、竹林、杉樹林的入滲率變化比較接近，但穩(wěn)定入滲率存在一定的差異。其中竹林的滲透率要大于杉樹林和桔樹林，大竹林的初始滲透率和穩(wěn)定滲透率均大于小竹林，說(shuō)明竹林的生長(zhǎng)能增強(qiáng)滑坡體表層土體的入滲能力。

草本植物覆蓋較好的區(qū)域，其初始入滲率和飽和入滲率均小于沒(méi)有草被覆蓋的區(qū)域。說(shuō)明在林地中，草本植物能降低土壤的入滲能力。這是因?yàn)椴荼局参锔采w在地表，能夠起到減緩地表土壤濕度、溫度變化程度的作用，減小地表土壤因濕度、溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力，減少微裂縫的產(chǎn)生。另外草本植物的根系一般為直徑小于1 mm的須根，大部分根系在30 cm深的范圍內(nèi)，根系在滑坡體表層土壤中盤結(jié)纏繞，組成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體。根系的這種結(jié)構(gòu)以網(wǎng)兜作用方式將土顆粒固定起來(lái)，這種作用方式類似于混凝土中的加筋效應(yīng)，增強(qiáng)了滑坡體表層土壤的抗剪、抗拉強(qiáng)度，能夠減少土壤表面裂縫的產(chǎn)生，從而降低了土壤水分入滲速率。此外，草本植物根系在土中生長(zhǎng)，為微生物的生長(zhǎng)提供了必要的生存環(huán)境。微生物可分泌出一種多糖化合物的粘液質(zhì)凝膠。這種多糖化合物分子將土壤顆粒有效地團(tuán)聚起來(lái)，使部分非毛細(xì)孔隙縮小，或變?yōu)槊?xì)孔隙，減小水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)速度。

土壤水分入滲時(shí)間與累積入滲量的關(guān)系也能在一定程度上反映土壤水分入滲能力，各種植被條件下土壤的累計(jì)入滲量見(jiàn)圖3，圖中數(shù)據(jù)表明：在試驗(yàn)60 min之后，小杉樹無(wú)草、竹林杉樹混合林無(wú)草和大竹林加草地這三種植被類型覆蓋的土壤，其累積入滲量最大；大杉樹加草地和桔樹林加草地的這兩種植被的土壤的累計(jì)入滲量最小。其累積入滲量差異受土壤持水能力的影響，土壤空隙度越大，則持水能力越強(qiáng)，在相同的水分入滲速率下，達(dá)到飽和所需的時(shí)間就越久。

圖3 不同植被條件下土壤的累積入滲量Fig．3 The amount of cumulative soil infiltration under different vegetation conditions

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用雙環(huán)法滲水試驗(yàn)，獲得了不同植被條件下土壤的水分入滲曲線，分析了不同植被類型土壤的水分入滲特性，初步獲得以下結(jié)論及建議：

（1）土壤入滲性能與植被類型有密切的關(guān)系，植被能提高土壤的滲透能力，竹林、杉樹、桔樹這3種植被土壤的入滲率依次為（竹林＞杉樹＞桔樹）；草本植物的生長(zhǎng)能降低林地表層土壤的入滲率。

（2）植被改善土壤入滲性的過(guò)程是緩慢的，然而其結(jié)果卻不容忽視，滑體表層土體的入滲率過(guò)高，而下層入滲率又較低時(shí)，會(huì)造成上層土體產(chǎn)生積水。這種上層積水會(huì)增大滑坡體的自重，且對(duì)下層土體產(chǎn)生有壓入滲，這種情況易誘發(fā)山體滑坡。

（3）對(duì)于閩北易發(fā)臺(tái)風(fēng)暴雨的山區(qū)，為預(yù)防滑坡災(zāi)害的發(fā)生，在種植經(jīng)濟(jì)林時(shí)，應(yīng)盡量減少挖筍、鋤草等破壞表層土壤結(jié)構(gòu)的作業(yè)，保護(hù)原有的草本植被。

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（編輯：王 慰）

Research on Soil Infiltration Performances under Different Vegetations in landslides of Northern Fujian Province

YUAN Dong1，CHIYong xiang2，CHENG Gang1
（1．College of Environment，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2．Fujian Institute of Geological Survey，F(xiàn)uzhou 350001，China）

Northern Fujian Province is a shallow landslide disaster area，where exists thick residual colluvium，loose soil structure and strongman made surface activities，themain factors of inducing different scale landslides are dif ferent intensities of rainfall infiltration after a heavy rainstorm．From the view of landslide prevention，this paper u ses double loop infiltrationmethod to research the effectof different vegetation types on surface soil infiltration，ana lyzes themechanism of vegetation changing the soil infiltration rate，and simulates the process of infiltration using Horton model．The results show that vegetation will increase soil infiltration capacity，the infiltration capacity of bamboos is stronger than cedar forest，herbaceous plants can effectively reduce the rate of soil infiltration．Itwill re sult in the upper soil storing water and induce landslide if the infiltration of landslide surface soil is too high while the soil infiltration in lower stratum is low rate．

heavy rainfall；landslide；soil infiltration； vegetation type

P641

A

1001－5485（2010）05－0008－05

2010 01 26

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警及應(yīng)急救災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)研究（1212010740906）

袁 東（1984 ），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事地下水科學(xué)與工程研究，（電話）13871369678（電子信箱）yd＿99＠tom．com。