何文華

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

對防洪效益和水資源分配日益增長的需求，導(dǎo)致了工程干預(yù)的增加，雖然這些工程提高了河道容量和輸送能力，但也引發(fā)了一些侵蝕和沉積問題。如修建河道或清除河岸植被等措施，導(dǎo)致部分河岸易受侵蝕，加快河岸侵蝕速率。因此，專家學(xué)者開始應(yīng)用“軟工程”來改善河流生態(tài)狀況，保持河岸穩(wěn)定性，如采用扦插柳樹、木樁護岸等生態(tài)措施。程莉等[1]利用二維有限元數(shù)學(xué)模型對植被護岸條件下河道的水流特性進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)植被護岸可減小河道局部過流能力；吉紅香等[2]提出在堤外灘地上種植適合當?shù)厣L的植物，能起到保護岸灘、消減波浪的作用，是一種有效的生物護岸形式；馮明等[3]提出仿木樁護岸能充分發(fā)揮河道綜合功能，極大地提高了水體的生態(tài)功能。綜上可發(fā)現(xiàn)，生物工程有助于改善河流生態(tài)狀況，增強河岸抵御洪澇變化影響的能力[4-9]。因此，本文以塔里木河流域為研究背景，探究生物工程對河岸穩(wěn)定性的影響。

1 概 況

塔里木河位于新疆維吾爾自治區(qū)塔里木盆地北部，發(fā)源于天山山脈及喀喇昆侖山，流域面積102萬km2，全長2179km，是中國最長的內(nèi)陸河。流域水資源總量為429.0億m3，流域多年平均天然徑流量為398.3億m3，主要以冰川融雪補給為主，地下水資源量為30.7億m3。由于塔里木河流域遠離海洋，地處中緯度歐亞大陸腹地，四周高山環(huán)繞，東南部是塔克拉瑪干沙漠，形成了典型的大陸性氣候，具有降水稀少，蒸發(fā)強烈，四季氣候懸殊，溫差大，多風(fēng)沙、浮塵天氣，日照時間長，光熱資源豐富等特點。由于長期以來塔里木河流域水資源受到不合理的開發(fā)利用，盲目開墾、亂砍濫伐、超載放牧等活動使塔里木河流域河岸穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)河岸侵蝕、坍塌等現(xiàn)象。為了改善塔里木河河岸水土侵蝕現(xiàn)象，本文研究利用生物工程對河岸進行防護的效果。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

為研究不同土質(zhì)下植被護坡對河岸穩(wěn)定性的影響，本文試驗植被選擇紅柳，主要原因是其容易繁殖、成長迅速，莖干長而柔韌，適用于編織(見圖1)，且在相對貧瘠的土壤或污染過的土質(zhì)上也可自然生長，還能抵御一定的洪澇影響。對河流生態(tài)系統(tǒng)而言，紅柳護岸是一個實用的、可持續(xù)的生態(tài)措施，既可以綠化環(huán)境，又可以增加收入，提升社會效益。

圖1 紅柳護岸

2.2 試驗地點

為對比不同土質(zhì)下紅柳護岸的可行性，在塔里木河流域選擇兩個侵蝕較嚴重的地點進行試驗研究，見圖2。

圖2 試驗測試地點

第一個試驗測試點位于阿拉爾大橋附近，土壤地質(zhì)主要為黏土(C)，由黏性黏土和淤泥組成，顆粒間的作用力可抵抗河岸侵蝕，故堤岸每年侵蝕速度為0.3m左右。場地彎曲度為1.15，河岸角度為35°，寬深比為13.68，岸坡流量為34.10m3/s。

第二個試驗測試點位于沙雅大橋附近，土壤地質(zhì)主要為礫石(G)，由河流夾帶的非黏性砂和礫石組成，位于凹岸外側(cè)，堤岸每年侵蝕速度高達1.3m。場地彎曲度為1.71，河岸角度為27°，寬深比為9.57，岸坡流量為38.77m3/s。

水面坡度和岸坡流量決定總水流功率，計算黏土總水流功率為2.01kW/m，礫石總水流功率為0.88kW/m?？偹鞴β逝c河道寬度之比為特定水流功率，黏土和礫石的特定水流功率分別為0.08kW/m2和0.04kW/m2。

2.3 試驗設(shè)計

黏土和礫石試驗地點的紅柳護岸設(shè)計特點見表1。

表1 項目設(shè)計特點

按照表1布置黏土和礫石試驗場地，其中圖3(a)、(b)為黏土試驗地點布置前后現(xiàn)場，圖3(c)、(d)為礫石試驗地點布置前后現(xiàn)場。圖中兩個樹樁栽種間距約0.5m，栽種時需要將至少三分之二的樹樁嵌入土壤，以保證紅柳樹根在干旱時期也可存活。

圖3 黏土、礫石試驗地點布置現(xiàn)場前后

3 結(jié)果和討論

3.1 生物性能

初期紅柳生長狀況是判斷護岸能否長期有效的關(guān)鍵指標之一，因此需要測量、記錄試驗區(qū)紅柳枝條的生長狀態(tài)。隨機選擇黏土和礫石試驗地點范圍內(nèi)的木樁，并對木樁上枝條長度增加的部分和枝條數(shù)量進行取樣。通過精確測量取樣木樁上所有可見嫩枝的長度可知，測量誤差在±0.1cm內(nèi)的嫩枝最長可達1.0cm，誤差在±0.5cm內(nèi)的嫩枝長度均超過1.0cm。大部分木樁在安裝4～8周內(nèi)開始發(fā)芽，1個月后所有木樁均順利成活。

樹樁存活率見表2，由表2可知，5—10月，黏土試驗地點樹樁存活率均在90.91%以上，具有較高成活率；礫石試驗地點5—8月的樹樁成活率較高，9月樹樁成活率開始下降，到10月樹樁存活率僅在17.00%左右，死亡的樹樁大部分位于礫石上層。

表2 5—10月樹樁存活率 單位：%

在黏土試驗地點，下層枝條的生長速度大于上層枝條。礫石試驗地點初期上層枝條生長較快，主要原因是下層樹樁種植較晚，且上層枝條在生長季節(jié)早期獲得了足夠光照。但在6月時開始發(fā)生變化，到10月時下層枝條的平均長度已經(jīng)是上層枝條的9.5倍，長達98.0cm。利用監(jiān)測期間的實驗數(shù)據(jù)繪出兩組試驗地點的枝條長度和數(shù)量，見圖4。通過比較圖4中兩個試驗地點的相同土層可知，礫石上層的枝條長度比黏土上層的枝條長度平均短15cm，礫石下層枝條長度比黏土下層枝條長度平均長8cm。

圖4 兩組試驗地點的枝條長度和數(shù)量注 豎線表示平均值的標準誤差，橫坐標C-UT、C-LT分別為阿拉爾大橋處的黏土上、下層；G-UT、G-LT分別為沙雅大橋處的礫石上、下層。

就枝條數(shù)量而言，所有取樣樹樁上最初的發(fā)芽數(shù)量均較多，但隨著時間增長，活芽數(shù)量開始減少，位于樹樁頂部的枝芽開始出現(xiàn)大面積死亡。在黏土試驗地點，5月的枝芽數(shù)量最多，每個樹樁上層平均(7.0±7.1)枝，下層平均(11.7±6.7)枝，7月的枝芽數(shù)量減少了43.75%，雖有一些可再生枝芽，但隨著生長季節(jié)結(jié)束，整體數(shù)量仍在下降。在礫石試驗地點，枝芽數(shù)量變化更為明顯，5月和6月的活芽數(shù)量增幅最大，每個樹樁上層平均(12.1±7.0)枝，下層平均(13.6±5.7)枝，然而在生長季節(jié)結(jié)束時，活芽數(shù)量減少了92.40%。

從統(tǒng)計學(xué)角度進行分析，當試驗地點相同、層數(shù)不同時，枝芽數(shù)量的差異并不顯著；當試驗地點不同、層數(shù)相同時，黏土上、下層的枝芽數(shù)量均比礫石上、下層少。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，計算并繪出兩個試驗地點的枝條總長度，見圖5。由圖5可知，5—8月礫石試驗地點的枝芽生長狀態(tài)比黏土試驗地點好，但9—11月礫石試驗地點的枝芽出現(xiàn)了較高的死亡率。9—11月礫石上層總枝條長度比黏土上層總枝條長度少約45倍，礫石下層總枝條長度比黏土下層總枝條長度少約2倍。

圖5 試驗地點枝條長度

3.2 侵蝕沉積現(xiàn)象

為了評估樹樁的地貌功能并預(yù)測其潛力，記錄種植后第一個冬季(2018年11月至2019年3月)河岸侵蝕和回填物狀況。

首先在野外收集基本點高程數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用Surfer計算機中的Multi-Quadric選項軟件對徑向基函數(shù)進行網(wǎng)格化，這種網(wǎng)格化功能可以將隨機分布數(shù)據(jù)的位置匹配到均勻分布的網(wǎng)格節(jié)點。徑向基函數(shù)技術(shù)可根據(jù)數(shù)據(jù)點構(gòu)造平滑的表面，隨后獲取數(shù)據(jù)“切片”繪制橫截面輪廓圖，見圖6，該圖表明隨著時間的增長，礫石實驗地點不同橫截面均發(fā)生了不同程度的侵蝕。圖中CS1～CS4為沿下游橫截面方向的編號代碼，黑色實心曲線為2018年11月收集的數(shù)據(jù)，黑色空心曲線為2019年3月收集的數(shù)據(jù)。

圖6 礫石試驗地點的橫截面示意圖

與黏土試驗地點相比，礫石試驗地點發(fā)生的侵蝕和沉積現(xiàn)象更為明顯，這是因為礫石顆粒不均勻，顆粒間孔隙較多，容易受水流影響而改變自身狀態(tài)。在兩個試驗地點，上游樹樁受到的侵蝕普遍較高，下游侵蝕率減小。因為上游受到的剪切應(yīng)力較大，導(dǎo)致上游出現(xiàn)了較嚴重的侵蝕現(xiàn)象，而下游樹樁整體較穩(wěn)定。在礫石試驗地點，河床和回填物上出現(xiàn)了較明顯的沉積現(xiàn)象，勘測區(qū)域內(nèi)沉積的物質(zhì)明顯多于侵蝕的物質(zhì)。

檢查河床剖面時，發(fā)現(xiàn)樹樁底部有明顯下陷情況，在礫石試驗處長達29.14cm。當樹樁的根無法彌補該缺陷時，說明床料出現(xiàn)了損失，此時若無人為干預(yù)，該樹樁護岸結(jié)構(gòu)可能會失效。2個試驗地點橫截面積的變化百分比見表3。

表3 試驗地點橫截面積的變化百分比

由表3可知，該段時間內(nèi)各個橫截面上均發(fā)生了不同程度的侵蝕和沉積現(xiàn)象。根據(jù)每根樁上記錄的回填物相對樹樁的高度，可知黏土上層材料平均損失(-3.0±4.6)cm，下層材料平均損失(-6.2±2.9)cm，回填材料中出現(xiàn)-14.5cm的侵蝕現(xiàn)象和1.0cm的沉積現(xiàn)象。黏土上層27.00%的樹樁回填物被侵蝕，降低了至少5cm，黏土下層中63.00%的樹樁也出現(xiàn)了侵蝕現(xiàn)象。礫石上層材料平均損失(-0.7±2.6)cm，下層材料平均損失(-5.9±9.6)cm，礫石試驗地點也出現(xiàn)-35.0cm 的侵蝕現(xiàn)象和9.5cm的沉積現(xiàn)象。

3.3 護岸模型

通過本文試驗可知，在扦插樹樁時，應(yīng)盡可能深入土壤，以減少干燥和開裂。對于黏性較低的土壤，如礫石堤岸，需要將樹樁放置在河岸下方深處，確保干旱時期木樁也可吸水。冬季來臨之前，如果土壤中的植物生長不良，可以補種或用土工布覆蓋，部分死樁需用新材料替換。在種植早期應(yīng)避免遮陰，因為新芽生長和發(fā)育需要光合作用。具體可采用以下3種護岸形式：

a.形式1(見圖7)，適用于急流河段，河流有中高河岸，同時堤岸上有大量巨石掩護，從而保護堤岸，因此只需要錨定岸上區(qū)域。因上游岸邊植被部分被耕地破壞，需要在上游河岸種植木本植物，以此達到錨固、造林、改善環(huán)境的作用。

圖7 形式1

b.形式2(見圖8)，適用于河岸高度相對較高、缺乏護面層天然保護的河段。岸上需要錨固，可植樹或種植紅柳，底層種植灌木，土壤保護層種植非木本植物。岸灘由于河流的高坡度，受到的侵蝕力顯著，應(yīng)采用種植根系發(fā)達的植物和放置大塊石相結(jié)合的方法控制和保護水土流失。

圖8 形式2

c.形式3(見圖9)，適用于支流河段，河床和淺灘高度適中。河岸由黑色黏土覆蓋的砂礫構(gòu)成，在支流河段中，應(yīng)重點關(guān)注沖刷現(xiàn)象。在河岸較低處，可用活木樁處理，以重新固定土壤，并生成植被覆蓋保護河岸。

圖9 形式3

4 結(jié) 語

通過長期監(jiān)測試驗地點扦插紅柳試驗變化情況，對試驗數(shù)據(jù)進行對比分析可知，扦插紅柳可以減少侵蝕、降低近岸水流速度和剪切應(yīng)力，達到提高河岸穩(wěn)定性，對河岸提供長期、有效保護的目的。采用扦插紅柳保護河岸穩(wěn)定性時，黏土試驗地點保護效果要優(yōu)于礫石試驗地點?，F(xiàn)階段除科學(xué)開發(fā)利用河流外，還要防止地表水和地下水狀況惡化，因此利用生物工程保護、改善和恢復(fù)水資源有利于水資源的可持續(xù)發(fā)展。