郝由之，假冬冬, ，張幸農(nóng)，吳 磊，陳長英

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 江蘇 南京 210029； 2.長江保護與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098)

河流形態(tài)演變是河流動力學研究的基本問題，傳統(tǒng)的河道演變預測通常只考慮河道與水流之間的相互作用，未將河道中廣泛存在的植被因子考慮在內(nèi)[1]。事實上，植被廣泛存在于河流系統(tǒng)中，其莖干等地上組織作為一種阻力邊界會擾動水體、改變水流條件[2]，進而影響岸灘侵蝕過程、河岸穩(wěn)定性及河流形態(tài)變化；此外，植被地下根系會與土體相互纏繞、增加土質(zhì)黏性，特別是對于岸灘植被而言，可以很好地起到穩(wěn)定河勢的作用[3-4]，由此可見植被能夠通過誘發(fā)河道水動力學及岸灘穩(wěn)定土力學之間的相互反饋作用而改變河流形態(tài)，形成動力響應機制發(fā)揮其效應。

植被河道的水流特性十分復雜，不僅受千變?nèi)f化的河流形態(tài)及來水條件影響，還與植被直徑、高度、柔韌度、淹沒度及排列方式等密切相關[5-8]。通過揭示植被特性、河道形態(tài)及水動力特性之間的響應得出普適性規(guī)律，有助于深入理解河道紊流結構并豐富生態(tài)水力學理論。在考慮植被對水流特性影響的基礎上，開展植被根系固土研究，并延伸到植被對岸灘穩(wěn)定及形態(tài)演化的影響，可以綜合反映植被在河流系統(tǒng)演變過程中發(fā)揮的效應，為科學預測河流形態(tài)演變提供依據(jù)，對植被河流動力學具有重要的基礎理論意義。

1 植被對河道水流特性影響研究

1.1 植被對水流阻力影響研究

植被是河流生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物因子，但植被的存在會導致水位壅高、水流阻力增大、流速減小，因此，出于對河道行洪安全的考慮，必須了解植被對水流阻力特性的影響，才能做出可靠的洪水預報。河道水流阻力一般通過糙率系數(shù)（如曼寧系數(shù)n和摩擦阻力系數(shù)f）進行描述，它是考慮河床、河岸不規(guī)則邊界及粗糙度的綜合性系數(shù)[9]。在確定糙率系數(shù)時，首先建立帶有阻力項的水動力學模型，然后將測得的水深、流速等參數(shù)代入阻力方程，得到不同水力條件下的糙率系數(shù)，但是當河道中有植被時，受植被形狀、柔韌性、淹沒度及分布方式等因素影響，會給粗糙系數(shù)的確定增加難度。

國內(nèi)外學者對植被河道水流阻力進行了大量研究。早期，由于測量手段的限制，著重研究不同植被水流條件下糙率系數(shù)的變化[10]。傳統(tǒng)的方法是將曼寧系數(shù)n與一些用來描述流動條件的參數(shù)相關聯(lián)，建立nvR曲線，其中vR是平均速度和水力半徑的乘積。Ree[11]以n-vR關系曲線形式總結了以往植被河道水流阻力的研究成果。Kouwen 等[12]對該曲線在特定狀況下的規(guī)律進行了修改和補充，使其有了更廣泛的應用。但n-vR曲線實際上反映了曼寧系數(shù)與雷諾數(shù)的關系，并沒有體現(xiàn)出植被與水流關系的本質(zhì)，也沒有考慮植被特性參數(shù)的影響。于是很多學者[5-8]又開展了植被特性參數(shù)（如植被密度、剛度、淹沒度及植被群占河流表面積比）與糙率系數(shù)相關關系的研究。此外，唐洪武等[13]還通過水槽試驗結果建立了等效綜合糙率系數(shù)計算式，該公式將植被密度、剛度及幾何特性都考慮在內(nèi)，具有較廣的應用價值。

由于植被單元可視作尺度較大的粗糙元，水流經(jīng)過植被時可視為圓柱饒流問題，因此，除了通過糙率系數(shù)揭示植被對河道水流阻力影響之外，還可以用拖拽系數(shù)CD來描述植被對水流的阻力效應。Petryk等[14]通過建立含植被水流的力學平衡公式，得到了曼寧系數(shù)n與拖拽系數(shù)CD之間的簡單轉(zhuǎn)化關系，但同樣沒有將植被特性與拖拽系數(shù)建立相關性。隨后很多學者[15-16]針對不同特性的植被建立了相應的拖拽系數(shù)計算公式，可為具有相似性質(zhì)的植被水流阻力估算提供參考。

綜合看來，植被對河道水流阻力的影響可以通過糙率系數(shù)或拖拽系數(shù)進行很好地描述，但是植被水流阻力是一個涉及多因素、多條件的復雜問題，在針對實際問題時還需考慮特定的植被參數(shù)和水流條件，才能得出更準確的評估。

1.2 植被對床面切應力影響研究

近期研究表明，植被河道的泥沙輸移速率可能與河床切應力有關[17]，因此了解植被河道的河床切應力分布對理解沉積物輸運模式具有重要意義。在無植被河道中，存在多種估算河床切應力的方法，但由于植被會對流速剖面和湍流產(chǎn)生影響，這些方法大多不適用于有植被的河道。

對于植被河道，水體受重力作用沿流向的下滑力平衡了床面切應力和植被阻力，于是Jordanova等[18]試圖通過從下滑力中減去植物的阻力來估算床面切應力，但植被阻力和水體下滑力都比床面切應力大一個數(shù)量級，因此該方法會導致較大的不確定性。

在無植被河道中，近床面紊動能可用于估算床面切應力，因為紊動能主要由床面剪切產(chǎn)生，所以床面切應力與紊動能間存在一定聯(lián)系。而在有植被的河道中，植被產(chǎn)生的紊動占總紊動能的主要比重[19]，使得河床切應力與紊動能之間較難聯(lián)系其相關性。

Etminan等[20]利用計算流體動力學模型模擬了植被河道的床面切應力，研究表明河床切應力的空間變異性隨著植被密度的增加而增加，植被間的河床切應力也隨植被密度的增加而增加，但植被群整體導致的床面切應力沒有體現(xiàn)。Kang等[21]采用雷諾應力模型研究了含漫灘植被復式河道的河床切應力，發(fā)現(xiàn)隨著植被密度的增加，河漫灘底部剪應力整體減小，灘槽交界面和主河道底部切應力增加，其模擬結果也與試驗結果吻合很好。

目前，均勻流條件下植被河道的床面切應力可以得到較好估計，而實際河道中非均勻流情況居多。對于無植被河道，Zhang等[22]指出在減速流中，床面切應力沿流動方向減小，在加速流中，床面切應力沿流動方向增加，所以對植被河道在非均勻流條件下的床面切應力變化也有待研究。

1.3 植被對流速分布影響研究

對于淹沒和非淹沒植被，其縱向流速在垂向上的分布有較大差異。對于非淹沒植被，垂線流速分布與無植被的河道類似，除了河床附近受床面阻力影響呈對數(shù)分布之外，在整個水流深度上，縱向流速接近均勻分布。對于淹沒植被，縱向流速沿水深分布不再遵循傳統(tǒng)的對數(shù)分布規(guī)律，特別在植被頂端附近，流速會出現(xiàn)拐點，導致流速分區(qū)且具有較強的不均勻性。目前，關于流速分區(qū)現(xiàn)象，主要存在兩區(qū)劃分和三區(qū)劃分的觀點。

1.3.1 兩區(qū)劃分 兩區(qū)劃分是將流速在垂向上分為植被區(qū)和植被頂部的自由水流區(qū)兩部分。許多學者針對植被淹沒情況進行水槽試驗，并采用不同的長度尺度和速度尺度進行無量綱化，得出了多種形式的垂線流速分布公式。Stephan等[23]采用植物彎曲后的平均高度Hiv作為長度尺度、傳統(tǒng)摩阻流速u*作為速度尺度，得到了植被頂部的流速分布公式為：其中，k為卡門常數(shù)，y為距河床的高度。Kouwen等[12]采用植物高度Hv作為長度尺度、u*作為速度尺度，得出的公式為：，其中uHv為距離河床Hv處的流速?；蔽男诺萚24]采用Hiv為長度尺度、植物層頂部的摩阻流速為速度尺度（S為水槽坡度），并基于摻混長度理論得到的流速分布公式為：由此看出，采用不同的特征尺度無量綱化得到的流速分布式存在較大差異，事實上，這是由于植物種類、密度、柔韌度、幾何形狀、淹沒情況和水流條件不同，才導致了流動參量分布形式的不同，但總體趨勢較為一致，主要呈對數(shù)律分布。

1.3.2 三區(qū)劃分 相比于兩區(qū)劃分，三區(qū)劃分更加復雜，不僅分區(qū)標準未達成一致，各區(qū)所遵循的流速分布規(guī)律也不盡相同。根據(jù)流速分布，三區(qū)大致可劃分為植物中下部近床面區(qū)、植物頂部與上部水流交界區(qū)以及遠離植物頂部以上自由水流區(qū)。

文獻[25]以塑料條模擬植被進行水槽試驗，將流速以Hiv和Hv1沿水深方向進行分區(qū)，其中Hv1為一個略高于植被的高度，在0＜y≤Hiv區(qū)域，流速呈冪律分布；在Hiv＜y≤Hv1區(qū)域，流速為線性分布；在Hiv＜y≤H區(qū)域，采用不同的特征尺度進行無量綱化，得出冪律和對數(shù)率兩種流速分布形式。Carollo 等[26]提出以Y1和Y2為分界點進行三區(qū)劃分，其中Y定義為y/H，即垂向位置與水深的比值，Y1和Y2分別位于植物頂端上方和下方，通過結合混合長度理論得出了反正切函數(shù)的速度分布規(guī)律。

可以看出，選擇不同的分區(qū)節(jié)點、采用不同的特征尺度進行無量綱化，最終得到了對數(shù)律、冪律和反正切函數(shù)律多種形式的流速分布式。閆靜等[27]指出對不同的區(qū)域要采用合適的且能涵蓋植被特性和水流特性的特征尺度，進行有效的無量綱化，才能得到公認且一致的流動參數(shù)分布規(guī)律。當然，隨著計算機科學的發(fā)展，數(shù)值模擬研究在水流模擬方面得到了廣泛應用，其計算結果已經(jīng)可以很好地同水槽試驗結果相吻合，雖然未得到統(tǒng)一的流速公式，但發(fā)現(xiàn)淹沒植物的縱向流速沿垂線以植物頂端附近為拐點，總體呈反“S”型分布[28-29]。

1.4 植被對紊動特性影響研究

對于植被河道，植被層與非植被層交界處存在水流剪切作用，因此水體會產(chǎn)生強烈的紊動，水流特性隨之表現(xiàn)出復雜的三維各向異性，為了探明植被河道的紊流機理，國內(nèi)外學者從水槽試驗到數(shù)值模擬開展了一系列研究。

1.4.1 試驗研究 早期，Nepf[30]利用示蹤劑顯示圓形植被陣列內(nèi)的紊流形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)紊流尺度受到植物密度和外形的影響。在此基礎上，研究者開始探究植被剛度、淹沒度、密度、植被類型及排列方式對紊動特性的影響。López等[31]和Nezu等[32]分別以木棒和條狀薄片模擬淹沒剛性植被進行水槽試驗，并采用ADV、LDV和 PIV 測量工具進行流場測定，結果均表明紊動強度最大值出現(xiàn)在植被頂部。張英豪等[33]以苦草為研究對象，進行淹沒柔性植被水流的紊動特性研究，發(fā)現(xiàn)紊動能在冠層頂處最大，并向水面與床底進行垂向傳輸，說明對淹沒的柔性和剛性植被而言，冠層頂部速度梯度最大，水體脈動最強烈，因此，紊動強度和紊動能最大值均出現(xiàn)在該區(qū)域。吳福生等[34]對比了剛性和柔性植被在相同水流條件下的紊動特性，發(fā)現(xiàn)含剛性植被水流的紊動強度沿水深均遠大于含柔性植物水流，并且在植被冠層最明顯。此外，閆靜等[27]對淹沒剛性植被進行水槽試驗，發(fā)現(xiàn)水流紊動特性還受植被淹沒度影響，當淹沒度較小時，雷諾應力分布遵循指數(shù)分布，淹沒度較大時則滿足線性分布。

在植被密度影響方面，焦軍麗等[35]以剛性非淹沒圓形植被陣列為研究對象，探討了不同植被密度下紊動能的橫向、縱向和垂向分布規(guī)律。李艷紅等[36]分析了植被密度對紊動強度垂向分布最大值及其出現(xiàn)位置的關系，發(fā)現(xiàn)在一定植被密度范圍內(nèi)，因植被微弱的擺動和冠層邊界的不規(guī)則性，紊動強度隨植被密度增大而增大，當植被密度達到一定程度時，紊動強度隨植被密度增加而減弱。綜合植被密度及植被類型對紊動特性的影響，趙連權等[37]以天然沉水植物狐尾藻和菹草為試驗對象，發(fā)現(xiàn)植被密度較大時，紊動強度較大，且不同植被對紊動強度的影響規(guī)律相似，當植被密度較小時，紊動強度較小，但不同植被條件下紊動強度垂線分布差異較為明顯。

此外，還有學者特別針對不同類型的植被進行試驗研究，趙芳[38]以雙層植被和樹冠植被為研究對象，發(fā)現(xiàn)不同植被下的紊動強度分布有較大差異；楊克君等[39]選用不同的材料分別對喬木、灌木和野草進行模擬，并將植被布置于灘地位置，試驗結果表明，水流的紊動強度受植被種類的影響較大，但總體趨勢相同，灘地植被會引起水流紊動強度的增加，且縱向和垂向的紊動強度相當，都服從S型分布。事實上，對于灘地生長植被的復式河道而言，植被的存在不僅影響紊動特性垂向分布，對橫向分布影響也很顯著。王忖[2]對復式河道灘地種樹情況進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)灘地種樹后灘槽交界處紊動強度會顯著增大，但在主槽中心紊動強度變化不明顯。

以上研究中植被通常被設置為單一有序的排列，而在自然河道中，植被的排列方式有多種情況。樊新建等[40]針對淹沒柔性植被在矩形排列和梅花式排列兩種分布情況進行了水流特性研究，得出在植被區(qū)頂部，水流紊動特性規(guī)律相似，而在植被層區(qū)，矩形排列方式下的紊動強度高于梅花式排列情況，梅花式排列的植被阻水效應更顯著，這說明植被排列方式也是影響水流特性的重要因素。

1.4.2 數(shù)值模擬研究 在進行植被水流試驗研究的同時，很多學者也試圖利用數(shù)值模擬方法研究植被對水流特性的影響。相比模型試驗，數(shù)值模擬可準確獲得整個計算域的水動力特性，常用的數(shù)值模擬方法按照計算原理可分為雷諾平均方法（RANS）和大渦模擬方法（LES）兩大類。雷諾平均方法是指針對特定的水流條件建立雷諾平均方程，并結合紊流模型進行方程的封閉，如k-ε紊流模型、k-ω紊流模型和雷諾應力模型（RSM）等。大渦模擬方法是對斯托克斯方程進行濾波處理，大尺度渦通過控制方程直接求解，小尺度渦使用通用模型來進行模擬。

（1）雷諾平均方法。采用雷諾平均方法研究植被水流時，可以從兩種角度進行考慮。第一種是在求解動力方程時通過對動量或紊流輸運方程增加源、匯項來反映植被對水流的影響，以達到對動力方程的補充與修正；第二種是將植被直接視為一種固體圓柱邊界進行處理。

在考慮植被影響的動力方程修正方面，Wu等[41]通過在動量方程中考慮水流對植被施加的阻力，在kε模型中考慮由植被引起的紊動能產(chǎn)生與耗散，建立了深度平均紊流模型，由于模型中控制方程包含了植被密度項，因此，該模型適用于植被密度較高的情況。Zhang等[42]在動量方程和k-ε模型中均添加了植被拖拽力，建立了考慮植被影響的二維數(shù)值模型，并結合VOF方法可準確追蹤植被河道的水面波動。Hsieh等[43]在含植被水流研究時引入多孔介質(zhì)理論，多孔介質(zhì)的特點是不考慮單個植被單元的作用，而是將整個植被群視為多孔區(qū)域。吳夢瑤等[44]基于多孔介質(zhì)理論建立了植被水流模擬方法，將植被群引起的紊動能產(chǎn)生及耗散項分別引入k-ε模型的源、匯項進行模擬，發(fā)現(xiàn)該模型在捕捉植被尾流時具有較高的精度。以上模型均為二維模型，而含植被的河道水流具有復雜的三維各向異性，因此，三維水流模型的建立非常必要。劉誠等[45]將 Wu等[41]的模型擴展到非正交曲線坐標系下建立的三維數(shù)學模型，通過與試驗結果比較，發(fā)現(xiàn)該模型可以準確模擬植被河道的水動力特性。這些研究中，由于植被對水流的作用通過在動力方程中添加阻力項概化實現(xiàn)，因此，對于植被群整體的阻水效應，如尾流特征可以較好地模擬，但植被群內(nèi)部小尺度紊流特性的捕捉仍存在一定困難。

將植被視為固體邊界考慮時，文獻[46]采用穩(wěn)態(tài)雷諾時均方程和k-ε模型，研究了兩個相鄰且等直徑圓形植被斑塊繞流，并發(fā)現(xiàn)植被陣列隨橫、縱向間距改變會產(chǎn)生幾種不同的流型。楊穎宜等[47]采用標準的kε模型封閉雷諾方程，對含灘地植被的復式河道水流特性進行模擬，得到了不同淹沒高度和不同來水條件下植被對復式河道紊動能及二次流變化的影響。曾琳等[48]針對含喬木的非對稱復式河道，分別采用雷諾應力模型和標準k-ε模型進行三維水流數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結果與試驗結果對比得出雷諾應力模型比標準kε模型在模擬二次流和縱向流速時更加準確的結論。目前，植被等效為圓柱體時，研究對象多針對剛性植被，而河道中柔性植被廣泛存在，且柔性植被受水流作用發(fā)生彎曲，隨之影響河道紊流特性的變化，因此，今后的模擬中還有待加強對植被擺動、變形等動邊界問題的考慮。

總體而言，采用雷諾平均方法來模擬植被河道水流，可以從較宏觀的尺度下了解植被河道的水流特性，但對于細部流場渦流結構的模擬還存在一定困難。因此，也有學者將大渦模擬方法應用于植被水流的研究，可以得到含植被水流中更加精細的紊動特性。

（2）大渦模擬方法。Nadaoka[49]利用大渦模擬技術建立了針對計算非淹沒植被水流的二維淺水模型，并提出了沿水深方向的次水深尺度紊流概念，用以模擬三維紊流長度尺度小于水深的情況，模擬結果可以清晰地展現(xiàn)有序的大渦結構，且流速分布結果與試驗結果相吻合，但該模型在求解二維淺水方程和紊動方程時得到的是沿水深平均的結果，難以反映流速和紊動特性沿水深方向的變化。對此，宿曉輝等[50]建立了用于計算植被河道水流的三維大渦模型，其中控制方程為經(jīng)過濾波后的斯托克斯方程，控制方程中的亞網(wǎng)格項通過紊流脈動動能和特征長度進行假設，通過與試驗結果進行比較，發(fā)現(xiàn)大渦模擬技術在研究植被河道的水流紊動特性時是可靠的。此外，Su等[51]還采用三維大渦模擬方法研究了含淹沒植被的水流，結果表明該模型能較好地模擬植被水流結構和大渦的發(fā)展過程。

大渦模擬在模擬水流紊動特性的同時還可以捕捉植被尾流擴散規(guī)律及相干結構，Yan等[52]利用大渦模擬研究淹沒植被水流時，在植被冠層區(qū)內(nèi)引入了附加擴散率，可以恰當?shù)胤从硺肆枯斔?，并能說明植被莖尾流對紊流擴散的影響。Cui等[53]利用大渦模擬捕捉到了淹沒植被頂部的相干結構，并發(fā)現(xiàn)大渦模擬方法比雷諾平均方法能更有效地模擬植被水流紊動特性的各向異性。

總體而言，大渦模擬應用于植被水流研究可以將動量交換和雷諾應力顯著放大。因此，該模擬方法在模擬精細的紊動特性和相干結構時有一定優(yōu)勢，但是對計算域較大，而細部渦流復雜區(qū)域占比相對較小的情況，不宜采用大渦模擬對河道整體水流特性進行計算研究，因為大渦模擬對計算網(wǎng)格要求較高，需要劃分較為精細的網(wǎng)格，那么對應的網(wǎng)格數(shù)量必然會大大增加，從而導致運算量增大、計算效率降低。

2 植被對河道岸灘形態(tài)影響研究

隨著人類生態(tài)環(huán)保意識的日益提高，植被逐漸成為河道岸灘防護的重要元素。關于植被護岸可增強岸灘穩(wěn)定性及穩(wěn)定河勢的說法一直為多數(shù)人認可，但都是一些定性的結論，關于植被根系對岸灘穩(wěn)固的定量研究較少，實際上，植被的根系與岸灘土體相纏繞，會改變岸坡土體參數(shù)，從而使得岸坡安全系數(shù)發(fā)生變化。因此在評價植被護岸穩(wěn)定性時，將植被根系作用考慮在內(nèi)才能真正反映根系的貢獻量。

2.1 植被根系固土研究

根系生長于土壤中，當外力荷載作用于含根土時，由于根系與土體的彈性模量存在數(shù)量級差異，會導致根系與土體之間發(fā)生錯動或產(chǎn)生錯動的趨勢，此時，根與土之間產(chǎn)生摩擦力，這種摩擦力可充分調(diào)動根系的抗拉作用與土體的抗壓作用，使含根土的抗剪強度得到有效提高，從而減小土體的變形[54]。為了明確根系對土體強度的增強效果，可以采用現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗等方法進行含根土體的力學特性測試。

現(xiàn)場試驗方法包括原位十字板剪切試驗和大型直剪盒試驗。原位十字板剪切試驗可以測定根-土復合體的強度參數(shù)，但原位十字板剪切試驗只能測量土體在不排水情況下的抗剪強度，且測量結果只能反映含根土體的黏聚力而不能反映內(nèi)摩擦角[55]。原位直剪盒試驗可避免土體測樣受人為擾動，因此測量結果的精確度較高，但該試驗方法不太適用于根系分布較廣的情況[56]。

室內(nèi)試驗方法最常用的是直剪試驗，直剪試驗是采用水平切應力和垂向壓力對含根土塊進行破壞，通過試驗過程中的剪應力變化來確定根土復合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，其結果較為準確，因此在根系固土研究中廣為應用。張飛等[57]對含根土和素土進行直剪試驗，發(fā)現(xiàn)隨根系密度增加土體抗剪強度有大幅增加。除根系密度可影響土體強度外，根系的分布形式也是重要的影響因子，根系的分布形式主要包括垂直分布、水平分布及混合分布。研究表明復合型根系固土效果最好，垂直根系次之，水平根系相對最差[58]。此外，還有學者研究植被類型對土體強度的影響，Hengchaovanich[59]針對含不同植被根系的土體進行剪切試驗，發(fā)現(xiàn)含草本類植被根系土體的抗剪強度增加值是含樹木根系土體的2～3倍。自然條件下，土體含水量受季節(jié)等外因條件會發(fā)生改變，而土體含水量變化會引起土體強度的變化，對此，楊永紅等[60]測定了不同含水量條件下含根系土體的抗剪強度，結果表明根系的存在可減輕土體含水量變化對土體強度的影響。

上述試驗結果可以判定根系對土體力學特性的影響，但沒有進一步將根系作用下的土體強度參數(shù)用于岸坡穩(wěn)定性計算，實際上，對于岸灘穩(wěn)定性的評價，可基于以上植被根系的加筋固土作用研究，建立恰當?shù)母?土復合體模型，計算出岸灘的安全系數(shù)，從而對生態(tài)岸灘穩(wěn)定性進行定量評價。

2.2 植被對岸灘穩(wěn)定性影響研究

安全系數(shù)法是衡量岸坡是否穩(wěn)定常用的一種定量判斷方法。關于安全系數(shù)的計算方法通常有極限平衡法和有限元法。極限平衡法是一種歷史悠久且應用成熟的計算方法，在計算植被護岸穩(wěn)定性時，可采用Wu等[61]提出的根系加筋模型，考慮了坡體滑塌時根系起到的抗拉作用，并依據(jù)摩爾庫倫理論建立了根-土間相互作用模型，為根-土力學機制研究奠定基礎，但該模型假定坡體發(fā)生破壞時所有根系同時斷裂，因此會高估根系對坡體穩(wěn)定的貢獻量。為此，Pollen等[62]考慮到坡體發(fā)生破壞時根系斷裂的動態(tài)過程建立了纖維束模型，但該模型重點關注的是垂直根系對土體強度的加強作用，而忽略了側(cè)根的貢獻。Schwarz等[63]提出了考慮根長及分形特征的根束增強模型，該模型考慮因素全面，但計算式需要的參數(shù)較多且參數(shù)獲取過程比較繁瑣，所以模型的推廣應用具有一定的困難。

隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬方法逐漸被運用在坡體穩(wěn)定性研究中，其中最常用的數(shù)值模擬方法是有限元法，與極限平衡法相比，有限元法適用于任何復雜的構件變形，并且可以設定更真實的初始條件和邊界條件。有限元法中復雜的本構模型可以解決邊坡彈塑性、各向異性、流固耦合等方面的問題，同時能夠捕捉各單元或節(jié)點上的應力、應變及破壞情況。近年來這種方法得到了大量學者的認可，并被用來解決生態(tài)修復工程領域的實際問題。及金楠[3]通過有限元法計算了不同植被根系所提供的附加黏聚力及安全系數(shù)，為邊坡造林提供了理論性依據(jù)。宋維峰[4]結合有限元法，建立根-土復合體模型，提出了可以用于分析林木根系固土的數(shù)值分析方法，該方法能反映根系對土體的應力、應變的影響及不同類型根系對土坡穩(wěn)定的不同影響，可以幫助在岸灘造林實踐中選擇適宜的植樹類型和植樹密度。郝由之[64]在植被型岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算時，分別為植物根系、土體及根土接觸選取適宜的模型，并考慮根系與土體間的相互作用，建立基于強度折減原理的根-土分離式計算模型，分析不同植被類型及多種布設方式下岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)，提出了生態(tài)岸坡合理的植被布設方法。

有限元模型用于植被生態(tài)岸坡的穩(wěn)定性計算已取得大量成果，但是在研究岸灘穩(wěn)定性時，綜合考慮河道水體滲流作用及水流沖刷侵蝕作用對岸灘穩(wěn)定性影響的研究較少。

3 結 語

植被河道的水流特征探究取得了較好進展，在研究方法上已趨于成熟，特別是隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬結果具有較高的精度；在研究內(nèi)容上，考慮了不同的來水條件和反映植被性質(zhì)的各項參數(shù)，分析了有、無植被工況下的河道水流特性。但目前研究中，植被通常使用圓柱替代，使得關于植被枝、葉對河道阻力、河床切應力及水流紊動特性影響的定量研究較為缺乏；在數(shù)值模擬研究方面，關于柔性植被對水流影響的研究較少，需要進一步考慮植被與水流間的流固耦合關系。另外，關于河道形態(tài)邊界這一因素考慮還不全面，目前的研究成果大多集中在有植被的直線和彎曲型河道，而植被對分汊河道水流特性的研究還未能全面展開，特別是考慮不同分汊數(shù)、分汊角及各汊道寬度比情況下的植被水流特性還有待深入研究。

植被固土作用研究一般通過剪切試驗確定根系對土體抗剪強度的增強作用?；诟祵ν馏w加筋作用的研究，研究學者又開展了根系對岸坡穩(wěn)定性的定量研究，考慮了根系密度、分支特點及植被種類多種因素，建立了適用于不同情況的理論模型和數(shù)值模型，其研究結果可為岸灘生態(tài)治理提供科學參考。但目前的研究還存在一些不足，例如沒有考慮岸灘材料的非均質(zhì)性、河道水流對岸灘的侵蝕沖刷作用及水體滲流對岸灘土質(zhì)參數(shù)的影響，而這些因素也是影響岸灘穩(wěn)定性預測的關鍵要素，其中的相關響應機制還需進一步探索和發(fā)掘。

植被存在于河道水流與岸灘邊界的交接處，對水流和岸灘有著兩方面的影響。但同時考慮植被莖干對水流影響的水動力學問題、植被根系對岸灘加固的土力學問題及其之間的交替影響，系統(tǒng)研究植被對形態(tài)演變影響的研究較少，且如何綜合考慮植被對水流阻力的負面影響及植被對河勢穩(wěn)定的正面影響，使植被在河道系統(tǒng)演變中發(fā)揮最有效的作用，也是未來植被河流動力學研究的關鍵問題。