闽北地区不同植被类型下滑坡体土层入渗性能研究

袁 东 池永翔 程 刚

（1．中国地质大学环境学院，武汉 430074；2．福建省地质调查研究院，福州 350001）

闽北地区不同植被类型下滑坡体土层入渗性能研究

袁 东1池永翔2程 刚1

（1．中国地质大学环境学院，武汉 430074；2．福建省地质调查研究院，福州 350001）

闽北地区是福建省浅层滑坡灾害的多发区之一，该区残坡积土体厚度大、土层结构松散，地表人为活动强烈，暴雨后不同强度的降雨入渗是诱发该区出现不同规模滑坡的主要因素。从滑坡防治的角度出发，采用双环入渗法对不同植被类型下滑坡体表层土的入渗性能进行了研究，用Horton水分入渗模型对入渗过程进行了模拟，并分析了植物改变土壤水分入渗率的作用机理。研究结果表明：植被覆盖能增强滑坡体表层土体的入渗能力；竹林的入渗能力大于杉树林；草本植物能有效降低土壤的水分入渗率。滑体表层土体的入渗率过高，而下层入渗率又较低时，会造成上层土体产生积水，从而诱发滑坡发生。

暴雨；滑坡；水分入渗；植被类型

1 概 述

我国东南沿海地区每年台风季节受台风暴雨影响，诱发了大量的浅层松散土体滑坡。大量的统计结果证实，季节性的台风暴雨是诱发此类滑坡的关键因素。台风暴雨的强降雨渗入到滑坡体后，一方面使土壤含水率增大，基质吸力减小，从而导致非饱和土抗剪强度的减小，减小了抗滑力；另一方面，大量雨水的入渗也使得滑坡体自重增加，增大了下滑力，从而导致失稳发生。土壤水分入渗对诱发滑坡显然有相当的相关性。对于台风暴雨小时降雨量大的特点，土壤的入渗能力是控制降雨入渗的关键因素。殷坤龙认为［1］暴雨量的阈值问题随地区差别、滑坡类型差别等十分明显。魏丽、单九生等认为［2］，植被覆盖度高、生物量多和植被覆盖差、生物量低的中低山区，都可能发生滑坡灾害。同等地质环境条件下，植被覆盖率低，滑坡较易发生。但当降水强度较大时，特别是达到诱发滑坡灾害发生的临界值时，植被对滑坡体的重力作用则更加重了滑坡的发生。植被覆盖对滑坡的影响主要取决于降雨强度。徐则民、黄润秋认为［3］植被根系对土壤的加固效应作用深度一般仅为地表以下1．5 m范围内，远小于滑坡面埋深，但植物的蒸腾作用不能有效控制降雨过程中地下水位的大幅抬升及应力环境的恶化，而且植被可以显著优化地下水的补给环境，增大地下水径流模数，对斜坡蠕变及深层滑坡孕育的贡献显著。彭书生、王永波认为［4］植被延长地表积水时间，增加边坡降雨入渗的作用十分显著。这些研究表明，植被对滑坡的影响是十分复杂的，植被能增强滑坡体表层土体的入渗率，使得暴雨条件下雨水大量入渗，导致中低山区发生滑坡的几率增大。深入研究不同植被对土壤水分入渗率的影响对揭示台风暴雨诱发滑坡的机理有重要意义。

2 研究区概况

闽北地区的南平市位于闽江上游，地处武夷山脉北段东南侧，是福建、浙江、江西三省结合部。南平境内山岭耸立，中、低山、丘陵起伏，河谷错落其间，植被类型以竹林、杉树为主。南平境内山区残坡积土主要以红壤土为主，土层较厚，其中红壤土面积占76%，为变质岩系地层，构造作用及风化作用较为强烈，土层结构松散、抗剪强度和抗风化能力较低。

南平市属于典型亚热带季风气候，气候温和湿润、雨量充沛、四季分明，地区年降雨量在1 430～2 032 mm，受西太平洋热带气旋侵袭，每年7－9月份为台风季节。该区域台风暴雨有降雨强度大、持续时间长等特点，导致山体滑坡、泥石流等地质灾害频发。如2006年5月17日受“珍珠”号台风影响，造成南平市延平区总降雨量达329 mm，诱发滑坡28多处。从时间分布来看，山体滑坡多发生于台风暴雨过程中或滞后几天［5］。

本文以南平市顺昌县大历镇洋后浅层滑坡体为例，该滑坡体位于侵蚀剥蚀低山丘陵区，山顶高程313．9 m，山脊走向总体为南北向，滑坡位于山脊东侧，山坡微地貌为凹型坡，坡度上陡下缓。上部自然坡度为30°～40°，植被主要为杉木、局部竹林；下部自然坡度为10°～20°，植被主要为桔林、杉林、竹林、少量菜地，山顶至坡脚相对高差约150 m。滑坡体为第四系更新统的残坡积层，岩性为黄褐色、红褐色坡积粘土、粉质粘土和残积砂质粘性土，厚度8～10 m，下伏强风化片岩，厚度大于5 m。非饱和带厚度1～6 m。地下水类型为风化带网状孔隙、裂隙水，受大气降水补给，水量随季节变化，丰水期水量较丰富，枯水期水量贫乏。

图1 双环法入渗试验数据Fig．1 The results of double loop infiltration experiment

3 试验方法及结果

双环法能较好地控制土壤的边界条件，因而可以得到较准确的土壤垂直入渗率。本次试验使用双环入渗仪外环直径为50 cm，内环直径为25 cm，内外环高度均为50 cm。试验时将两铁环以同心圆方式摆放，压入土中10 cm深，压入时尽量不破坏地表植被、不扰动周围土壤。使用马氏流量瓶供水并保持两铁环内水头均为10 cm高，每次入渗试验进行到水分入渗速率已基本稳定为止。记录内环中单位时间内流量瓶供入的水量，除以内环面积得到地表土壤的入渗率。

本次试验在滑坡体上选取了8种代表性植被类型区进行试验，分别为：①小杉树林，树龄2年，树高1．4～1．7 m，树木间距1．5～2 m，地表无草本植物；②大杉树林，树龄5年以上，树高大于5 m，树木间距2～4 m，地表有少量草本植物；③成熟桔树林，树高2～2．5 m，间距2～3 m，地表草本植物茂盛，多为鱼腥草并夹杂少量茅草；④杂草地，无树木，地表草本植物茂盛，多为鱼腥草和茅草；⑤成熟毛竹和成熟杉树的混合林，树间距2～3 m，地表极少量草本植物；⑥成熟竹林，地表有草本植物覆盖；⑦小竹林，树高2．5～3．5 m，地表有草本植物覆盖；⑧成熟杉树林，地表草本植物茂密。所有试验区下覆土体岩性基本一致，表层为红褐色坡积粘土，厚度1～2 m，其下为残坡积砂质粘土。试验数据见图1。

4 水分入渗过程分析

试验数据的一般特点显示，各点入渗－时间曲

线呈指数函数分布，可用Horton水分入渗模型对各个试验点的试验数据进行拟合。Robert E．Horton 1940年提出水分入渗过程数学模型是建立在土壤非饱和水流基本微分方程的简化求解基础上的，即

式中：f为土壤入渗率；fc为稳定入渗率；β为比例常数，反映植被与土壤的特性；t为降雨历时。如果设定初始入渗率为f0，对方程（1）求解可得

方程（2）为土壤入渗率随时间变化的函数，对方程（2）在区间［0，t］上求定积分，得到不同植被条件下累计入渗量随时间的变化函数F（t），

将方程（2）作为拟合函数，使用Matlab软件对试验数据进行拟合，结果见表1，拟合曲线见图1。

表1 Horton水分入渗方程拟合结果Table 1 Results of fitting using Horton m odel

结果显示Horton水分入渗模型对各种植被类型下水分入渗过程拟合的相关系数均大于0．96，模拟值能较真实地反映本试验中土壤水分入渗过程。

通过使用Horton水分入渗方程对试验结果进行拟合，得出了在有压入渗条件下，不同植被类型土壤的初始渗透率和稳定入渗率，结果见表2。

表2 不同植被条件下土壤渗透性能比较Table 2 Com parison of soil infiltration performances under different vegetation conditions

入渗是指水分进入土体的过程，一般降雨入渗开始时，土体的入渗率较高，此时的入渗率称为初始入渗率；随后逐渐降低，并最终趋于一个稳定值，即稳定入渗率。表2数据显示，不同植被类型地区土体初始入渗率和稳定入渗率存在较大差异，荒地的初始入渗率和稳定入渗率均为最小，说明植物的生长能很好地提高土体的入渗性能。杉树林地区稳定入渗率最大，是因为杉树林地区存在大量的枯枝落叶，腐殖层较厚，且有大量的昆虫、软体动物等栖息繁衍造成土壤疏松。竹林地区由于常受人工挖竹笋、锄草等的影响，导致表层土体结构受到破坏，大大增加了其表层土的初始入渗率。

图2显示土壤入渗率随时间的变化关系，土壤入渗率越快，水分充满土层，达到稳渗阶段所需要的时间就相对越短。同时，土壤入渗率还直接受土层的饱和渗透系数影响，尤其是当下层土体渗透系数低于上层时，下层土体对水分入渗会产生一定的阻碍，水分垂向传导受到抑制，会造成上层土体产生积水，使上层土体提前达到饱和。上层土体的快速饱和会增大滑坡体的自重，且对下层土体产生有压入渗，这种情况易诱发山体滑坡。

图2 不同植被条件下土壤水分入渗曲线Fig．2 Curves of soil infiltration under different vegetation conditions

在没有草本植物覆盖的区域，小杉树林、大杉树林、竹、杉树混合林在入渗初始阶段，入渗率均迅速减少，在60 min后，逐渐达到其稳定入渗率（5．5 mm／min左右），大杉树林的初始渗透率和稳定渗透率与小杉树林接近。而竹、杉树混合林的初始入渗率要明显大于杉树林。

在有茂密草本植物覆盖的区域，桔树林、竹林、杉树林的入渗率变化比较接近，但稳定入渗率存在一定的差异。其中竹林的渗透率要大于杉树林和桔树林，大竹林的初始渗透率和稳定渗透率均大于小竹林，说明竹林的生长能增强滑坡体表层土体的入渗能力。

草本植物覆盖较好的区域，其初始入渗率和饱和入渗率均小于没有草被覆盖的区域。说明在林地中，草本植物能降低土壤的入渗能力。这是因为草本植物覆盖在地表，能够起到减缓地表土壤湿度、温度变化程度的作用，减小地表土壤因湿度、温度变化而产生的应力，减少微裂缝的产生。另外草本植物的根系一般为直径小于1 mm的须根，大部分根系在30 cm深的范围内，根系在滑坡体表层土壤中盘结缠绕，组成三维网状结构体。根系的这种结构以网兜作用方式将土颗粒固定起来，这种作用方式类似于混凝土中的加筋效应，增强了滑坡体表层土壤的抗剪、抗拉强度，能够减少土壤表面裂缝的产生，从而降低了土壤水分入渗速率。此外，草本植物根系在土中生长，为微生物的生长提供了必要的生存环境。微生物可分泌出一种多糖化合物的粘液质凝胶。这种多糖化合物分子将土壤颗粒有效地团聚起来，使部分非毛细孔隙缩小，或变为毛细孔隙，减小水分在土壤中的运动速度。

土壤水分入渗时间与累积入渗量的关系也能在一定程度上反映土壤水分入渗能力，各种植被条件下土壤的累计入渗量见图3，图中数据表明：在试验60 min之后，小杉树无草、竹林杉树混合林无草和大竹林加草地这三种植被类型覆盖的土壤，其累积入渗量最大；大杉树加草地和桔树林加草地的这两种植被的土壤的累计入渗量最小。其累积入渗量差异受土壤持水能力的影响，土壤空隙度越大，则持水能力越强，在相同的水分入渗速率下，达到饱和所需的时间就越久。

图3 不同植被条件下土壤的累积入渗量Fig．3 The amount of cumulative soil infiltration under different vegetation conditions

5 结 语

本文利用双环法渗水试验，获得了不同植被条件下土壤的水分入渗曲线，分析了不同植被类型土壤的水分入渗特性，初步获得以下结论及建议：

（1）土壤入渗性能与植被类型有密切的关系，植被能提高土壤的渗透能力，竹林、杉树、桔树这3种植被土壤的入渗率依次为（竹林＞杉树＞桔树）；草本植物的生长能降低林地表层土壤的入渗率。

（2）植被改善土壤入渗性的过程是缓慢的，然而其结果却不容忽视，滑体表层土体的入渗率过高，而下层入渗率又较低时，会造成上层土体产生积水。这种上层积水会增大滑坡体的自重，且对下层土体产生有压入渗，这种情况易诱发山体滑坡。

（3）对于闽北易发台风暴雨的山区，为预防滑坡灾害的发生，在种植经济林时，应尽量减少挖笋、锄草等破坏表层土壤结构的作业，保护原有的草本植被。

［1］ 殷坤龙，张桂荣，龚日祥，等．基于Web GIS的浙江省地质灾害实时预警预报系统设计［J］．水文地质工程地质，2003，（3）：19－22．（YIN Kun long，ZHANG Gui rong，GONG Ri xiang，et al．A real time warning system design of geo hazards supported by Web GIS in Zhejiang Province［J］．Hydrogeology and Engineering Geology，2003，（3）：19－22．（in Chinese））

［2］ 魏 丽，单九生，朱星球．植被覆盖对暴雨型滑坡影响的初步分析［J］．气象与减灾研究，2006，9（1）：29－33．（WEILi，SHAN Jiu sheng，ZHU Xing qiu．Prelimi nary analysis of the impact of forest cover on landslide triggered by torrential rainfall［J］．Meteorology and Dis aster Reduction Research，2006，9（1）：29－33．（in Chi nese））

［3］ 徐则民，黄润秋，唐正光，等．植被护坡的局限性及其对深层滑坡孕育的贡献［J］．岩石力学与工程学报，2005，（24）：438－450．（XU Ze min，HUANG Run qiu，TANG Zheng guang，et al．Limitations of biotechnical slope protection and contribution of vegetation to deep seated landslide preparation［J］．Journal of Rock Me chanics and Engineering，2005，（24）：438－450．（in Chinese））

［4］ 彭书生，王永波，盛 谦，等．植被增加边坡降雨入渗对边坡稳定性影响研究［J］．地下空间与工程学报，

2007，（7）：1274－1278．（PENG Shu sheng，WANG Yong bo，SHENG Qian，et al．Study on enhancement of precipitation infiltration by vegetation and its effect on slope stability［J］．Journalof Underground Space and En gineering，2007，（7）：1274－1278．（in Chinese））

［5］ 吴道荣，周伟栋，王国民．福建省台风降雨型地质灾害机理分析及防治对策［C］∥海峡西岸防抗台风抗洪抢险救灾论坛论文集，福州：福建省水利学会，2007．

［6］ 王文生，杨晓华，谢永利．公路边坡植物的护坡机理［J］．长安大学学报，2005，25（4）：26－30．（WANG Wen sheng，YANG Xiao hua，XIE Yong li．Mechanism of biotechnical protection for highway slope［J］．Journal of Chang’an University，2005，25（4）：26－30（in Chi nese））

［7］ 张治国，赵红茄．黄丘区不同地类的降雨人渗试验［J］．山西水土保持科技，1999，（2）：7－9．

［8］ 王 伟，张洪江，李 猛，等．重庆市四面山林地土壤水分入渗特性研究与评价［J］．水土保持学报，2008，

22（4）：68－72．（WANG Wei，ZHANG Hong jiang，LI Meng，etal．Research and evaluation on infiltration char acteristic of forest soil in simian mountain of chongqing［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2008，22（4）：68－72．（in Chinese））

［9］ 高 人，周广柱．辽宁东部山区几种主要森林植被类型土壤渗透性能研究［J］．农村生态环境，2002，（4）：1－4．（GAO Ren，ZHOU Guang zhu．Permeability of soils under different forest vegetation in eastern liaoning mountain region［J］．Rural Eco－Environment，2002，（4）：1－4．（in Chinese））

（编辑：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，Fuzhou 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”国家科技支撑计划重大地质灾害监测预警及应急救灾关键技术研究（1212010740906）

袁 东（1984 ），男，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事地下水科学与工程研究，（电话）13871369678（电子信箱）yd＿99＠tom．com。