劉辰光

(烏魯木齊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院(有限責(zé)任公司)二分院，新疆 石河子 832000)

1 概 述

淺層滑坡會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失后果[1]，使該區(qū)域遭受進(jìn)一步侵蝕，并且會(huì)對(duì)修建的基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重破壞，在某些情況下還會(huì)造成人員傷亡[2]。植被的覆蓋是防止淺層滑坡有效和可持續(xù)的生態(tài)工程緩解措施[3]，前人的研究已經(jīng)證明植被能夠通過不同的水力機(jī)制長(zhǎng)期增加土壤的抗剪強(qiáng)度，這種貢獻(xiàn)在很大程度上歸因于植被根系對(duì)土壤的根部加固作用[4]，但關(guān)于其水文效應(yīng)的研究卻很少。

從水文角度來看，植被主要靠調(diào)節(jié)土壤剖面的飽和度來提高土壤的抗剪強(qiáng)度，通過林冠對(duì)到達(dá)地面的降雨的衰減(即降雨攔截)、植物吸收和蒸發(fā)耦合過程產(chǎn)生的水分提取[5]。然而，植被對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響取決于許多其他因素，對(duì)其進(jìn)行全面的評(píng)估難度較大。本文提出一種基于物理的綜合模型(即基于過程的模型)，該模型由完全可測(cè)量的參數(shù)定義，是一種用于評(píng)估植被邊坡穩(wěn)定的技術(shù)。本文的目的是通過這種基于物理開源代碼的模型來評(píng)估植被對(duì)邊坡穩(wěn)定性的水文效應(yīng)。

2 研究區(qū)概況

塔西河位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉州瑪納斯縣境內(nèi)，發(fā)源于天山山脈北支依連哈比爾尕山東側(cè)，其東西分別與呼圖壁河及瑪納斯河毗鄰，南以依連哈比爾尕山分水嶺為界與和靜縣相連，北至準(zhǔn)噶爾盆地。流域地理位置介于E85°50′-E86°32′，N43°31′-N44°30′之間,流域總面積2 010 km2。本文以瑪納斯縣塔西河流域水土流失綜合治理項(xiàng)目為例，文中用到的各項(xiàng)參數(shù)均為當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)值或源自于該項(xiàng)目。

3 材料和方法

3.1 建模過程

開源代碼物理模型的建模過程見圖1。

圖1 建模過程

將植被影響邊坡穩(wěn)定性的主要過程確定后，圖2所示的概念模型就可以當(dāng)做模型組件之間關(guān)系的示意圖，并作為構(gòu)建模型代碼的第一步使用。

圖2 土壤-根體系的概念模型

對(duì)于每一個(gè)建模過程，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：選擇一個(gè)適合的物理模型及其相應(yīng)的方程；注意子模型的簡(jiǎn)潔性及其之間互補(bǔ)性。在開源代碼統(tǒng)計(jì)軟件R2.15.2中，總共構(gòu)造、改編和組裝了10個(gè)不同的子模型(表1)。對(duì)模型的簡(jiǎn)要描述在3.2節(jié)中給出。

表1 植被對(duì)淺層滑坡影響綜合模型中的子模型

3.2 模型描述

該模型在一維情景下用極限平衡法分析了各向同性根滲透無限邊坡剖面的穩(wěn)定性(安全系數(shù)，F(xiàn)oS)，該剖面具有可設(shè)定的深度、植被、氣候、土壤類型和給定的氣象條件。阻力通過莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則估算，該準(zhǔn)則適用于計(jì)算植被的水力效應(yīng)。利用實(shí)地土壤、氣候和地面植被信息對(duì)土壤剖面中的根系分布建模。植被的水文效應(yīng)是通過廣義有效應(yīng)力原理中包含吸力應(yīng)力的變量來模擬的。根據(jù)已知的土壤持水功能進(jìn)行評(píng)估，并評(píng)估不同流體流動(dòng)條件下陡峭土壤覆蓋山坡受植被影響(如降雨截留或植物吸水)的應(yīng)力狀態(tài)。

3.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型，使用研究區(qū)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行一系列模型運(yùn)行，以此說明模型的作用并深入了解植被對(duì)淺層滑坡的水文效應(yīng)，同時(shí)給出了一棵成熟橡樹的模型輸出結(jié)果。采用一因子方法進(jìn)行模型敏感性分析，用于估計(jì)獨(dú)立模型的參數(shù)變異百分比和敏感性指數(shù)。

3.4 參數(shù)校準(zhǔn)

確定關(guān)鍵模型變量作為模型的初始輸入，建立特定場(chǎng)地的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(如降雨截留、土壤保水功能)，測(cè)試某些模型組件的預(yù)測(cè)能力(如飽和導(dǎo)水率、基質(zhì)吸力、根系分布)或驗(yàn)證某些模型假設(shè)(如滲透過程)。在此步驟中還考慮了靈敏度分析(SA)和敏感參數(shù)(即靈敏度引導(dǎo)校準(zhǔn))。

4 結(jié)果和討論

4.1 模型輸出

根據(jù)實(shí)地情況，模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明：樹冠層提供的降雨截留損失將是最小的(圖3)，因此幾乎所有的降雨都將在滲入土壤之前到達(dá)地面。然而，在植被生長(zhǎng)旺盛的幾個(gè)月中，截留量估計(jì)會(huì)增加，但這最終將取決于冠層覆蓋比例。

圖3 模型輸出一：橡樹休眠期的降雨截留損失

根據(jù)模型預(yù)測(cè)，隨著降雨穩(wěn)定地滲入地下，會(huì)使土壤剖面逐漸飽和至890 mm的深度，在濕潤(rùn)過程中將吸力應(yīng)力剖面(圖4(a))從非飽和值變?yōu)轱柡椭?即0)，并在土壤的上部飽和區(qū)和下部非飽和區(qū)之間形成一個(gè)明顯的分界線。因此，土壤抗剪強(qiáng)度在該飽和區(qū)內(nèi)顯著降低，預(yù)計(jì)在500 mm以下的根區(qū)(FoS<1)會(huì)發(fā)生邊坡破壞(圖4(c))。在根區(qū)內(nèi)，由于機(jī)械根加固的影響，邊坡保持穩(wěn)定。

在土壤各向同性和流體靜力條件下(即濕潤(rùn)鋒以下)，該模型預(yù)測(cè)得到剖面中部的最大吸力應(yīng)力(圖4(c))，這是由于土柱在該點(diǎn)以上土顆粒間應(yīng)力上的重量，隨著接近系統(tǒng)下邊界時(shí)飽和度的增加而逐漸減小。當(dāng)降雨停止、滲透停止時(shí)，水通過滲透從飽和區(qū)排出，由于假定由大氣需求(即蒸發(fā))主導(dǎo)的植被對(duì)水的抽取，吸力應(yīng)力剖面恢復(fù)(圖4(a))。因此，剪切強(qiáng)度增加，邊坡的穩(wěn)定性也增加(圖4(c))，即使是在裸露邊坡的情況下(圖4(d))。

吸力應(yīng)力的動(dòng)態(tài)是量化植被對(duì)淺層滑坡的水文作用的良好指標(biāo)，這些可以在實(shí)驗(yàn)室中直接確定，但土壤的入滲或蒸發(fā)速率以及水力特性必須在原位測(cè)量。土壤剖面中根系的范圍對(duì)于邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要，需要將它的異速生長(zhǎng)模型或原位根系表征與樹木度量的建模相結(jié)合。植物的根傾向于扎根于淺層土壤，它們能保護(hù)和緩解淺層滑坡和侵蝕。

4.2 模型靈敏度

圖5證明了模型具有低敏感性和普遍低的變化指數(shù)。與地上和地下生物量相關(guān)的ω參數(shù)(圖5中14項(xiàng))是最敏感的，這表明植物物種特異性是該模型的主導(dǎo)參數(shù)。ω值較高(地下生物量相對(duì)于地上生物量較小)，說明植被的潛在水力貢獻(xiàn)較小。ω可以通過標(biāo)準(zhǔn)生物量取樣方法和通過指數(shù)模型擬合分析它們之間的關(guān)系來確定。

土壤強(qiáng)度參數(shù)c(圖5中24項(xiàng))、內(nèi)摩擦角φ(圖5中23項(xiàng))、傾角(圖5中26項(xiàng))、砂的百分比(圖5中6項(xiàng))也相對(duì)敏感，表明模型輸出的結(jié)果是與特定現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)的，應(yīng)與ω一起包含在校準(zhǔn)過程中。

上述結(jié)果表明，作為預(yù)測(cè)質(zhì)量系統(tǒng)的一部分，敏感參數(shù)是模型校準(zhǔn)步驟中最關(guān)鍵的步驟。合理的敏感參數(shù)使輸出結(jié)果更可靠，并可以在測(cè)量過程中忽略不敏感的參數(shù)，從而減少校準(zhǔn)模型的工作量。

4.3 模型校準(zhǔn)

上述模型驗(yàn)證結(jié)果已充分表明，基于物理開源代碼的模型在評(píng)估植被對(duì)邊坡穩(wěn)定性的水文效應(yīng)中的有效性。該步驟的目的是進(jìn)一步提升模型的精度及優(yōu)化其輸出結(jié)果，模型校準(zhǔn)步驟的方法或儀器列表見表2，進(jìn)行以下步驟可以得到更可靠的模型預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖4 模型輸出二

圖5 參數(shù)的靈敏度分析輸出(y軸數(shù)字的定義見表2)

表2 模型校準(zhǔn)步驟的方法或儀器列表

5 結(jié) 論

本文提出了一種簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì)的評(píng)估植被對(duì)淺層滑坡水文效應(yīng)方法。通過對(duì)其建模過程、模型作用機(jī)理、模型驗(yàn)證與參數(shù)校準(zhǔn)的描述，確定了模型的可行性。同時(shí)進(jìn)一步以研究區(qū)實(shí)況數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將其輸入模型中，輸出模型模擬結(jié)果，可以得出植被對(duì)淺層滑坡具有積極水文效應(yīng)影響的結(jié)論。植被的貢獻(xiàn)是季節(jié)性的，可以通過量化吸水蒸發(fā)引起的吸力來評(píng)估。在臨界水文條件下，只有根系的加固才能提供穩(wěn)定性。該模型需要在不同階段對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估，以確保其輸出的合理性。該方法可應(yīng)用于任何需要進(jìn)行短期評(píng)估的生態(tài)工程問題，為在更大的時(shí)間和空間范圍內(nèi)實(shí)施解決辦法奠定基礎(chǔ)。