何文华

(塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

对防洪效益和水资源分配日益增长的需求，导致了工程干预的增加，虽然这些工程提高了河道容量和输送能力，但也引发了一些侵蚀和沉积问题。如修建河道或清除河岸植被等措施，导致部分河岸易受侵蚀，加快河岸侵蚀速率。因此，专家学者开始应用“软工程”来改善河流生态状况，保持河岸稳定性，如采用扦插柳树、木桩护岸等生态措施。程莉等[1]利用二维有限元数学模型对植被护岸条件下河道的水流特性进行模拟分析，发现植被护岸可减小河道局部过流能力；吉红香等[2]提出在堤外滩地上种植适合当地生长的植物，能起到保护岸滩、消减波浪的作用，是一种有效的生物护岸形式；冯明等[3]提出仿木桩护岸能充分发挥河道综合功能，极大地提高了水体的生态功能。综上可发现，生物工程有助于改善河流生态状况，增强河岸抵御洪涝变化影响的能力[4-9]。因此，本文以塔里木河流域为研究背景，探究生物工程对河岸稳定性的影响。

1 概 况

塔里木河位于新疆维吾尔自治区塔里木盆地北部，发源于天山山脉及喀喇昆仑山，流域面积102万km2，全长2179km，是中国最长的内陆河。流域水资源总量为429.0亿m3，流域多年平均天然径流量为398.3亿m3，主要以冰川融雪补给为主，地下水资源量为30.7亿m3。由于塔里木河流域远离海洋，地处中纬度欧亚大陆腹地，四周高山环绕，东南部是塔克拉玛干沙漠，形成了典型的大陆性气候，具有降水稀少，蒸发强烈，四季气候悬殊，温差大，多风沙、浮尘天气，日照时间长，光热资源丰富等特点。由于长期以来塔里木河流域水资源受到不合理的开发利用，盲目开垦、乱砍滥伐、超载放牧等活动使塔里木河流域河岸稳定性下降，出现河岸侵蚀、坍塌等现象。为了改善塔里木河河岸水土侵蚀现象，本文研究利用生物工程对河岸进行防护的效果。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

为研究不同土质下植被护坡对河岸稳定性的影响，本文试验植被选择红柳，主要原因是其容易繁殖、成长迅速，茎干长而柔韧，适用于编织(见图1)，且在相对贫瘠的土壤或污染过的土质上也可自然生长，还能抵御一定的洪涝影响。对河流生态系统而言，红柳护岸是一个实用的、可持续的生态措施，既可以绿化环境，又可以增加收入，提升社会效益。

图1 红柳护岸

2.2 试验地点

为对比不同土质下红柳护岸的可行性，在塔里木河流域选择两个侵蚀较严重的地点进行试验研究，见图2。

图2 试验测试地点

第一个试验测试点位于阿拉尔大桥附近，土壤地质主要为黏土(C)，由黏性黏土和淤泥组成，颗粒间的作用力可抵抗河岸侵蚀，故堤岸每年侵蚀速度为0.3m左右。场地弯曲度为1.15，河岸角度为35°，宽深比为13.68，岸坡流量为34.10m3/s。

第二个试验测试点位于沙雅大桥附近，土壤地质主要为砾石(G)，由河流夹带的非黏性砂和砾石组成，位于凹岸外侧，堤岸每年侵蚀速度高达1.3m。场地弯曲度为1.71，河岸角度为27°，宽深比为9.57，岸坡流量为38.77m3/s。

水面坡度和岸坡流量决定总水流功率，计算黏土总水流功率为2.01kW/m，砾石总水流功率为0.88kW/m。总水流功率与河道宽度之比为特定水流功率，黏土和砾石的特定水流功率分别为0.08kW/m2和0.04kW/m2。

2.3 试验设计

黏土和砾石试验地点的红柳护岸设计特点见表1。

表1 项目设计特点

按照表1布置黏土和砾石试验场地，其中图3(a)、(b)为黏土试验地点布置前后现场，图3(c)、(d)为砾石试验地点布置前后现场。图中两个树桩栽种间距约0.5m，栽种时需要将至少三分之二的树桩嵌入土壤，以保证红柳树根在干旱时期也可存活。

图3 黏土、砾石试验地点布置现场前后

3 结果和讨论

3.1 生物性能

初期红柳生长状况是判断护岸能否长期有效的关键指标之一，因此需要测量、记录试验区红柳枝条的生长状态。随机选择黏土和砾石试验地点范围内的木桩，并对木桩上枝条长度增加的部分和枝条数量进行取样。通过精确测量取样木桩上所有可见嫩枝的长度可知，测量误差在±0.1cm内的嫩枝最长可达1.0cm，误差在±0.5cm内的嫩枝长度均超过1.0cm。大部分木桩在安装4～8周内开始发芽，1个月后所有木桩均顺利成活。

树桩存活率见表2，由表2可知，5—10月，黏土试验地点树桩存活率均在90.91%以上，具有较高成活率；砾石试验地点5—8月的树桩成活率较高，9月树桩成活率开始下降，到10月树桩存活率仅在17.00%左右，死亡的树桩大部分位于砾石上层。

表2 5—10月树桩存活率 单位：%

在黏土试验地点，下层枝条的生长速度大于上层枝条。砾石试验地点初期上层枝条生长较快，主要原因是下层树桩种植较晚，且上层枝条在生长季节早期获得了足够光照。但在6月时开始发生变化，到10月时下层枝条的平均长度已经是上层枝条的9.5倍，长达98.0cm。利用监测期间的实验数据绘出两组试验地点的枝条长度和数量，见图4。通过比较图4中两个试验地点的相同土层可知，砾石上层的枝条长度比黏土上层的枝条长度平均短15cm，砾石下层枝条长度比黏土下层枝条长度平均长8cm。

图4 两组试验地点的枝条长度和数量注 竖线表示平均值的标准误差，横坐标C-UT、C-LT分别为阿拉尔大桥处的黏土上、下层；G-UT、G-LT分别为沙雅大桥处的砾石上、下层。

就枝条数量而言，所有取样树桩上最初的发芽数量均较多，但随着时间增长，活芽数量开始减少，位于树桩顶部的枝芽开始出现大面积死亡。在黏土试验地点，5月的枝芽数量最多，每个树桩上层平均(7.0±7.1)枝，下层平均(11.7±6.7)枝，7月的枝芽数量减少了43.75%，虽有一些可再生枝芽，但随着生长季节结束，整体数量仍在下降。在砾石试验地点，枝芽数量变化更为明显，5月和6月的活芽数量增幅最大，每个树桩上层平均(12.1±7.0)枝，下层平均(13.6±5.7)枝，然而在生长季节结束时，活芽数量减少了92.40%。

从统计学角度进行分析，当试验地点相同、层数不同时，枝芽数量的差异并不显著；当试验地点不同、层数相同时，黏土上、下层的枝芽数量均比砾石上、下层少。

根据实测数据，计算并绘出两个试验地点的枝条总长度，见图5。由图5可知，5—8月砾石试验地点的枝芽生长状态比黏土试验地点好，但9—11月砾石试验地点的枝芽出现了较高的死亡率。9—11月砾石上层总枝条长度比黏土上层总枝条长度少约45倍，砾石下层总枝条长度比黏土下层总枝条长度少约2倍。

图5 试验地点枝条长度

3.2 侵蚀沉积现象

为了评估树桩的地貌功能并预测其潜力，记录种植后第一个冬季(2018年11月至2019年3月)河岸侵蚀和回填物状况。

首先在野外收集基本点高程数据，然后应用Surfer计算机中的Multi-Quadric选项软件对径向基函数进行网格化，这种网格化功能可以将随机分布数据的位置匹配到均匀分布的网格节点。径向基函数技术可根据数据点构造平滑的表面，随后获取数据“切片”绘制横截面轮廓图，见图6，该图表明随着时间的增长，砾石实验地点不同横截面均发生了不同程度的侵蚀。图中CS1～CS4为沿下游横截面方向的编号代码，黑色实心曲线为2018年11月收集的数据，黑色空心曲线为2019年3月收集的数据。

图6 砾石试验地点的横截面示意图

与黏土试验地点相比，砾石试验地点发生的侵蚀和沉积现象更为明显，这是因为砾石颗粒不均匀，颗粒间孔隙较多，容易受水流影响而改变自身状态。在两个试验地点，上游树桩受到的侵蚀普遍较高，下游侵蚀率减小。因为上游受到的剪切应力较大，导致上游出现了较严重的侵蚀现象，而下游树桩整体较稳定。在砾石试验地点，河床和回填物上出现了较明显的沉积现象，勘测区域内沉积的物质明显多于侵蚀的物质。

检查河床剖面时，发现树桩底部有明显下陷情况，在砾石试验处长达29.14cm。当树桩的根无法弥补该缺陷时，说明床料出现了损失，此时若无人为干预，该树桩护岸结构可能会失效。2个试验地点横截面积的变化百分比见表3。

表3 试验地点横截面积的变化百分比

由表3可知，该段时间内各个横截面上均发生了不同程度的侵蚀和沉积现象。根据每根桩上记录的回填物相对树桩的高度，可知黏土上层材料平均损失(-3.0±4.6)cm，下层材料平均损失(-6.2±2.9)cm，回填材料中出现-14.5cm的侵蚀现象和1.0cm的沉积现象。黏土上层27.00%的树桩回填物被侵蚀，降低了至少5cm，黏土下层中63.00%的树桩也出现了侵蚀现象。砾石上层材料平均损失(-0.7±2.6)cm，下层材料平均损失(-5.9±9.6)cm，砾石试验地点也出现-35.0cm 的侵蚀现象和9.5cm的沉积现象。

3.3 护岸模型

通过本文试验可知，在扦插树桩时，应尽可能深入土壤，以减少干燥和开裂。对于黏性较低的土壤，如砾石堤岸，需要将树桩放置在河岸下方深处，确保干旱时期木桩也可吸水。冬季来临之前，如果土壤中的植物生长不良，可以补种或用土工布覆盖，部分死桩需用新材料替换。在种植早期应避免遮阴，因为新芽生长和发育需要光合作用。具体可采用以下3种护岸形式：

a.形式1(见图7)，适用于急流河段，河流有中高河岸，同时堤岸上有大量巨石掩护，从而保护堤岸，因此只需要锚定岸上区域。因上游岸边植被部分被耕地破坏，需要在上游河岸种植木本植物，以此达到锚固、造林、改善环境的作用。

图7 形式1

b.形式2(见图8)，适用于河岸高度相对较高、缺乏护面层天然保护的河段。岸上需要锚固，可植树或种植红柳，底层种植灌木，土壤保护层种植非木本植物。岸滩由于河流的高坡度，受到的侵蚀力显著，应采用种植根系发达的植物和放置大块石相结合的方法控制和保护水土流失。

图8 形式2

c.形式3(见图9)，适用于支流河段，河床和浅滩高度适中。河岸由黑色黏土覆盖的砂砾构成，在支流河段中，应重点关注冲刷现象。在河岸较低处，可用活木桩处理，以重新固定土壤，并生成植被覆盖保护河岸。

图9 形式3

4 结 语

通过长期监测试验地点扦插红柳试验变化情况，对试验数据进行对比分析可知，扦插红柳可以减少侵蚀、降低近岸水流速度和剪切应力，达到提高河岸稳定性，对河岸提供长期、有效保护的目的。采用扦插红柳保护河岸稳定性时，黏土试验地点保护效果要优于砾石试验地点。现阶段除科学开发利用河流外，还要防止地表水和地下水状况恶化，因此利用生物工程保护、改善和恢复水资源有利于水资源的可持续发展。