河岸植被對河岸穩(wěn)定性的水文影響

呂志鵬

(河北省水文勘測研究中心，石家莊 050000)

河道變形和河道沉積物是影響河岸穩(wěn)定性的重要因素[1]。河岸不穩(wěn)定會(huì)造成土地?fù)p失、基礎(chǔ)設(shè)施破壞和下游淤積等問題[2]。當(dāng)河岸中的應(yīng)力超過阻力時(shí)，河岸會(huì)發(fā)生坍塌的情況[3]。

河岸的穩(wěn)定性受到河岸高度和坡度、土壤單位重量和其中的水量，以及河岸上的物體對河岸施加的超載的影響[4]。且通常使用安全系數(shù)來描述河岸穩(wěn)定性[5]。安全系數(shù)(Fs)通常表示為阻力與應(yīng)力之比，其中大于1表示穩(wěn)定，小于1表示不穩(wěn)定。

河岸植被受到的影響可分為力學(xué)影響和水文影響，并可進(jìn)一步細(xì)分為穩(wěn)定效應(yīng)和失穩(wěn)效應(yīng)[6]。植被主要通過力學(xué)作用而不是水文作用來影響河岸穩(wěn)定性。雖然植被在減少土壤水分的流失及增強(qiáng)河岸穩(wěn)定性的能力上得到認(rèn)可，但并未對其量化。因此，量化植被覆蓋對增強(qiáng)河岸穩(wěn)定性的影響就顯得十分重要。

1 研究方法

本文收集河北省某不穩(wěn)定河岸上3個(gè)植被試驗(yàn)區(qū)(植被類型分別為草地、灌木叢和河岸樹木)的水文和力學(xué)特性數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)用于研究河岸植被與河岸穩(wěn)定性模型之間的關(guān)系。

為了評估植被對河岸穩(wěn)定性的影響，本文使用ARS河岸穩(wěn)定性模型，并在該模型中使用水文和力學(xué)數(shù)據(jù)。在本研究中，基于3個(gè)植被區(qū)的數(shù)據(jù)建立河岸穩(wěn)定性模型。這3個(gè)模擬均采用相同的河岸剖面和固有土壤強(qiáng)度特性，但其中由孔隙水壓力、含水量引起的土壤重量變化和由植物根系引起的黏聚力變化并不相同。

2 結(jié) 果

2.1 河岸固有屬性

對河岸剖面和由鉆孔得到的數(shù)據(jù)表明，研究的河岸總共有4層。從地層學(xué)的角度來看，可分為兩個(gè)主要層(早期和晚期全新世地層)，厚度分別為1和2 m。河岸底部由黏土、砂和礫石構(gòu)成。早期全新世地層單元具有更大的內(nèi)聚力，有助于在降雨后使晚期全新世層有著更高的含水量和孔隙水壓力。

2.2 植被的水文屬性

在研究期間，河岸樹木下的樹冠截留水量可忽略不計(jì)，占總降雨量的2.9%。這一數(shù)字比預(yù)期的低，主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)的季節(jié)和降雨強(qiáng)度造成的。該地區(qū)大約2/3的年降雨量在10月份至4月份之間，當(dāng)時(shí)沒有樹冠覆蓋。此外，夏季降雨的強(qiáng)度一般來說都非常大，這大大超過了樹冠的截水能力。

孔隙水壓力的數(shù)據(jù)顯示，3種植被對河岸的影響存在顯著差異(圖1)。在30 cm深處的張力計(jì)測量得到的結(jié)果顯示，盡管2015年12月至2016年5月期間，覆蓋樹木的河岸比覆蓋灌木叢或草地的河岸的基質(zhì)吸力稍低，但就不同區(qū)域的基質(zhì)吸力而言，在冬季和春季時(shí)的差異不大。春季降雨后，覆蓋樹木的河岸會(huì)經(jīng)歷短暫的“負(fù)吸力”(正孔隙水壓力)，這會(huì)對植被造成一定的影響。5月份后，由于蒸散速率較大，與另外兩種植被相比覆蓋樹木河岸的干燥速度會(huì)更快一些。

圖1 3種包含不同植被河岸的孔隙水壓力與降雨之間的關(guān)系

比較100 cm深處的張力計(jì)測量得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種植被覆蓋下的河岸特性存在顯著差異。就土壤基質(zhì)吸力來說，覆蓋草地的河岸始終比覆蓋灌木叢的河岸高10～20 kPa。在樹木覆蓋的河岸中，這種情況更為明顯，這進(jìn)一步指出沿植物根系的大孔隙快速輸水的潛在負(fù)面影響。

一般來說，張力計(jì)越深，對降雨量測量的響應(yīng)越慢。隨著時(shí)間的推移，降雨的影響會(huì)逐漸由更深的張力計(jì)測得的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來(由200 cm深處張力計(jì)測量得到的結(jié)果可以得到)。270 cm深處的張力計(jì)測量得到的結(jié)果還顯示了冬季潮濕條件的閾值效應(yīng)。在整個(gè)2015-2016年冬季，該深度處的土壤保持著高張力，這表明所有水分都被較高處的干土吸收，但在2016年12月，較高處的干土的吸收量已經(jīng)達(dá)到極限(數(shù)值明顯超過了閾值)。因此，該深度土壤的基質(zhì)吸力出現(xiàn)快速下降。

樹木覆蓋下的河岸保持了最大的基質(zhì)吸力平均值，這在大部分時(shí)間內(nèi)會(huì)有較好的水文效益。但2017年春季，樹木覆蓋的河岸深處的土壤出現(xiàn)快速濕潤情況，這在一定程度上造成不利的水文影響。

2.3 植被對河岸穩(wěn)定性的影響

基于河岸穩(wěn)定性的不同組成部分(根系加固、樹木超載和土壤水分的改變)，分析植被對河岸穩(wěn)定性的影響。

圖2(a)顯示了干旱時(shí)期下不同樹種覆蓋下河岸的Fs存在顯著差異。白樺和梧桐對河岸的穩(wěn)定性最好，由于根系加固，河岸的Fs分別增加42%和41%。樹木的超載分別使Fs減少8%和7%。柳樹和楓香樹由于根系加固引起的Fs增加幅度較小，分別為14%和23%。樹木的超載導(dǎo)致Fs分別減少3%和6%。考慮水文效應(yīng)后，覆蓋白樺、梧桐、柳樹和楓香樹的河岸的綜合Fs分別為2.01、2.01、1.79和1.85。在所有測試植物中，柳枝稷具有最大的根系加固效果，F(xiàn)s可以增加104%。與灌木叢情況下的Fs為1.22相比，柳枝稷情況下的Fs為1.9。

圖2 在降雨量較小年和較大年不同植被覆蓋下河岸的安全系數(shù)

圖2(b)顯示了非干旱時(shí)期下不同樹種覆蓋下河岸的Fs存在顯著差異。由于地面條件較濕潤，河岸的總體穩(wěn)定性有一定程度的降低。在灌木叢的情況下，河岸的Fs小于1。對于不同類型樹木覆蓋的河岸，總體的Fs降低37%，水文影響從71%降到29%。對于草類植物覆蓋的河岸，根系加固使Fs增加49%，水文效應(yīng)使Fs減少15%。在干旱時(shí)期下，水文效應(yīng)影響的Fs占河岸總Fs的35%，根系加固影響的Fs占19%；在非干旱時(shí)期情況并不相同，水文效應(yīng)影響的Fs占河岸總Fs的16%，根系加固影響的Fs占30%。隨著力學(xué)效應(yīng)變得比水文效應(yīng)更重要，草類植物比大多數(shù)樹木更有利于河岸的穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

河岸植被通常被認(rèn)為是有利于河岸穩(wěn)定的。但本文研究發(fā)現(xiàn)河岸植被產(chǎn)生的影響可能是有益的，也可能是有害的，這取決于河岸區(qū)域之前的降雨情況。在河岸干旱的條件下，考慮水文效應(yīng)后，覆蓋白樺、梧桐、柳樹和楓香樹的河岸的綜合Fs分別為2.01、2.01、1.79和1.85。相比之下，在河岸非干旱的條件下，不同類型樹木覆蓋的河岸的總體Fs降低37%，水文影響從71%降到29%。對于草類植物覆蓋的河岸，根系加固使Fs增加49%，水文效應(yīng)使Fs減少15%。研究表明，有害的水文影響和植被超載，有較小的幾率抵消植被對河岸穩(wěn)定性的有利影響。

總之，需要更多地考慮河岸植被對河岸穩(wěn)定性的水文影響。在選擇利用植被來提高河岸穩(wěn)定性的時(shí)候，需要根據(jù)植被的水文特性以及力學(xué)特性來選擇植被類型。