河岸植被对河岸稳定性的水文影响

吕志鹏

(河北省水文勘测研究中心，石家庄 050000)

河道变形和河道沉积物是影响河岸稳定性的重要因素[1]。河岸不稳定会造成土地损失、基础设施破坏和下游淤积等问题[2]。当河岸中的应力超过阻力时，河岸会发生坍塌的情况[3]。

河岸的稳定性受到河岸高度和坡度、土壤单位重量和其中的水量，以及河岸上的物体对河岸施加的超载的影响[4]。且通常使用安全系数来描述河岸稳定性[5]。安全系数(Fs)通常表示为阻力与应力之比，其中大于1表示稳定，小于1表示不稳定。

河岸植被受到的影响可分为力学影响和水文影响，并可进一步细分为稳定效应和失稳效应[6]。植被主要通过力学作用而不是水文作用来影响河岸稳定性。虽然植被在减少土壤水分的流失及增强河岸稳定性的能力上得到认可，但并未对其量化。因此，量化植被覆盖对增强河岸稳定性的影响就显得十分重要。

1 研究方法

本文收集河北省某不稳定河岸上3个植被试验区(植被类型分别为草地、灌木丛和河岸树木)的水文和力学特性数据。这些数据用于研究河岸植被与河岸稳定性模型之间的关系。

为了评估植被对河岸稳定性的影响，本文使用ARS河岸稳定性模型，并在该模型中使用水文和力学数据。在本研究中，基于3个植被区的数据建立河岸稳定性模型。这3个模拟均采用相同的河岸剖面和固有土壤强度特性，但其中由孔隙水压力、含水量引起的土壤重量变化和由植物根系引起的黏聚力变化并不相同。

2 结 果

2.1 河岸固有属性

对河岸剖面和由钻孔得到的数据表明，研究的河岸总共有4层。从地层学的角度来看，可分为两个主要层(早期和晚期全新世地层)，厚度分别为1和2 m。河岸底部由黏土、砂和砾石构成。早期全新世地层单元具有更大的内聚力，有助于在降雨后使晚期全新世层有着更高的含水量和孔隙水压力。

2.2 植被的水文属性

在研究期间，河岸树木下的树冠截留水量可忽略不计，占总降雨量的2.9%。这一数字比预期的低，主要是因为该地区的季节和降雨强度造成的。该地区大约2/3的年降雨量在10月份至4月份之间，当时没有树冠覆盖。此外，夏季降雨的强度一般来说都非常大，这大大超过了树冠的截水能力。

孔隙水压力的数据显示，3种植被对河岸的影响存在显著差异(图1)。在30 cm深处的张力计测量得到的结果显示，尽管2015年12月至2016年5月期间，覆盖树木的河岸比覆盖灌木丛或草地的河岸的基质吸力稍低，但就不同区域的基质吸力而言，在冬季和春季时的差异不大。春季降雨后，覆盖树木的河岸会经历短暂的“负吸力”(正孔隙水压力)，这会对植被造成一定的影响。5月份后，由于蒸散速率较大，与另外两种植被相比覆盖树木河岸的干燥速度会更快一些。

图1 3种包含不同植被河岸的孔隙水压力与降雨之间的关系

比较100 cm深处的张力计测量得到的结果发现，3种植被覆盖下的河岸特性存在显著差异。就土壤基质吸力来说，覆盖草地的河岸始终比覆盖灌木丛的河岸高10～20 kPa。在树木覆盖的河岸中，这种情况更为明显，这进一步指出沿植物根系的大孔隙快速输水的潜在负面影响。

一般来说，张力计越深，对降雨量测量的响应越慢。随着时间的推移，降雨的影响会逐渐由更深的张力计测得的数据表现出来(由200 cm深处张力计测量得到的结果可以得到)。270 cm深处的张力计测量得到的结果还显示了冬季潮湿条件的阈值效应。在整个2015-2016年冬季，该深度处的土壤保持着高张力，这表明所有水分都被较高处的干土吸收，但在2016年12月，较高处的干土的吸收量已经达到极限(数值明显超过了阈值)。因此，该深度土壤的基质吸力出现快速下降。

树木覆盖下的河岸保持了最大的基质吸力平均值，这在大部分时间内会有较好的水文效益。但2017年春季，树木覆盖的河岸深处的土壤出现快速湿润情况，这在一定程度上造成不利的水文影响。

2.3 植被对河岸稳定性的影响

基于河岸稳定性的不同组成部分(根系加固、树木超载和土壤水分的改变)，分析植被对河岸稳定性的影响。

图2(a)显示了干旱时期下不同树种覆盖下河岸的Fs存在显著差异。白桦和梧桐对河岸的稳定性最好，由于根系加固，河岸的Fs分别增加42%和41%。树木的超载分别使Fs减少8%和7%。柳树和枫香树由于根系加固引起的Fs增加幅度较小，分别为14%和23%。树木的超载导致Fs分别减少3%和6%。考虑水文效应后，覆盖白桦、梧桐、柳树和枫香树的河岸的综合Fs分别为2.01、2.01、1.79和1.85。在所有测试植物中，柳枝稷具有最大的根系加固效果，Fs可以增加104%。与灌木丛情况下的Fs为1.22相比，柳枝稷情况下的Fs为1.9。

图2 在降雨量较小年和较大年不同植被覆盖下河岸的安全系数

图2(b)显示了非干旱时期下不同树种覆盖下河岸的Fs存在显著差异。由于地面条件较湿润，河岸的总体稳定性有一定程度的降低。在灌木丛的情况下，河岸的Fs小于1。对于不同类型树木覆盖的河岸，总体的Fs降低37%，水文影响从71%降到29%。对于草类植物覆盖的河岸，根系加固使Fs增加49%，水文效应使Fs减少15%。在干旱时期下，水文效应影响的Fs占河岸总Fs的35%，根系加固影响的Fs占19%；在非干旱时期情况并不相同，水文效应影响的Fs占河岸总Fs的16%，根系加固影响的Fs占30%。随着力学效应变得比水文效应更重要，草类植物比大多数树木更有利于河岸的稳定。

3 结 论

河岸植被通常被认为是有利于河岸稳定的。但本文研究发现河岸植被产生的影响可能是有益的，也可能是有害的，这取决于河岸区域之前的降雨情况。在河岸干旱的条件下，考虑水文效应后，覆盖白桦、梧桐、柳树和枫香树的河岸的综合Fs分别为2.01、2.01、1.79和1.85。相比之下，在河岸非干旱的条件下，不同类型树木覆盖的河岸的总体Fs降低37%，水文影响从71%降到29%。对于草类植物覆盖的河岸，根系加固使Fs增加49%，水文效应使Fs减少15%。研究表明，有害的水文影响和植被超载，有较小的几率抵消植被对河岸稳定性的有利影响。

总之，需要更多地考虑河岸植被对河岸稳定性的水文影响。在选择利用植被来提高河岸稳定性的时候，需要根据植被的水文特性以及力学特性来选择植被类型。