刘景青，刘 真

(1.涝坡水利服务中心，山东 莒南 276600；2.日照市水利局，山东 日照 276800)

香根草作为一种禾本科植物原产印度和非洲大陆，由于它具有根系发达，且向地下纵深发展的生物学特性，近年来，在生物工程及水土保持中受到越来越多的重视，有些工程已将香根草种植在下游斜坡上，用于海堤或河堤保护。目前，河流管理的可持续发展越来越受到世界各国的重视。在这方面，由于我国国土广袤，河流及地质问题复杂，在河流管理及水土保持方面还不完善，河岸及海岸侵蚀问题时有发生，小部分堤坝安全隐患尚未完全排除。考虑到经济性因素，刚性结构保护措施只能被运用于重要的结构分段，难以被运用于河岸、海岸线和堤岸的全长。此外，坚硬的工程结构通常并不美观，难以同时兼顾美化环境的需求。

众所周知，河流不仅包括无生命物质(水流、沉积物)，还包括有机体。植被会产生流动阻力， 造成河流流速降低，水位上升。因此，在对河流动力系统进行研究的时候，应该考虑河道中的植被。凡姚申等学者观察到初始侵蚀过程开始于超临界流动区域内从坡顶和坡脚处的任何地方。大量的海堤或河堤的破坏是由波浪或水流漫溢破坏引起的。为了尽量减少自然灾害的影响并实现农业生产的目标，必须重视堤防的维护。对于土堤或河堤，漫顶是对下游斜坡破坏最大的因素之一。水渗入堤顶、下游斜坡，会降低土体的抗剪阻力，造成下游斜坡的破坏，最终可能导致整个堤坝的破坏。

在下游边坡种植植被，可以利用植物屏障增加表面粗糙度，减慢流速，增加水流的能量消散，从而减少水流对斜坡的漫顶侵蚀。近年来，香根草作为海堤或河堤的防护植物被广泛应用于预防土地漫流防护。然而，对于水流与香根草相互影响的过程和特性，以及覆盖草的海堤或河流堤岸在溢流过程中堤坡的流动特性的了解仍然有限。为了进一步研究香根草对降低水流流速的作用，本研究的重点是探讨有植被覆盖的明渠水流阻力及其水力特性。

1 材料及方法

1.1 实验水槽中的材料设置

本研究通过在实验室设计建造水循环水槽，进行了一个小规模的物理模型试验，研究了植被(5%和20%阻塞的商业可用植被模型)对水流特性的影响。考虑到坡面上流量不同，在室内进行了不同密度的植被覆盖试验如图1所示。植被覆盖的3个不同阶段是：①无植被情况；②行植被类型或2D植被情况，保持比率分别为0.25(5cm间距情况)和0.75(15cm间距情况)(其中，比率=植被行内间距宽度与植被行宽度之比，此处使用5cm和15cm间距以及20cm固定植被宽度)；③全植被情况，即边坡和河床上有植被覆盖，最后将所有结果与无植被情况进行比较。在水槽的中部建造了一个木堤模型，沿着水槽的长度将其分开，形成一侧的主流(称为上游)和另一侧的漫滩(称为下游)。模型尺寸为高0.25m，顶宽0.25m，长1.5m，上游和下游坡度分别为3H∶1V和2H∶1V，如图2所示。

图1 实验装置俯视图

图2 试验设备剖面图(a)正视图和(b)俯视图

实验取0.018、0.013、0.010m3/s三种不同单位流量(下文流量1、流量2、流量3)的稳态流。纵向流速和水深沿水槽中心线在26个点测量，间隔0.10m，直到模型上游波峰，随后从波峰到水槽末端间隔0.05m，实验直到建立稳定的流动条件后停止。在整个测试过程中，比例因子(模型中的变量与其原型的相应变量的比率)0.0625保持恒定。本实验测量了水槽中有和没有植被的情况下的水流速度和水深。植被模型的高度保持不变，为0.05m，宽度和长度保持与考虑到紧急水流条件的路堤模型相同。

1.2 数据采集

本文实验采用电磁流量计测量流量大小；使用电磁速度计测量通道和模型中心线处的流速。水面高程在与速度剖面相同的位置通过点规(精度高达0.1mm)测量，点规固定并安装在可移动的滑架上，如图3所示。

图3 数据测量装置

2 结果分析与讨论

流动阻力是植被流动参数的强函数。流动参数，即溢流深度、溢流速度、弗劳德数(Fr)、雷诺数(Re)等，用前面部分提到的3种不同流量测量。模型和原型之间通过弗劳德相似定律检验的越顶高度、速度和流量的阈值进行比较，并在前人研究和案例研究的基础上得出实验结果在允许范围内。

如图4(a)所示，在无植被条件下，上游水流是静态的，在坝顶前端至坝顶段为加速亚临界流状态，通过波峰上的水流为临界流，而波峰其余部分为超临界流状态，同时下游斜坡上的超临界流进一步向下延伸。

图4 溢流的水力特性

如图4(b)所示，在有植被覆盖的条件下，上游水流是静态的，增加了路堤顶部和下游斜坡的亚临界流。两种情况下的流动本质上都是湍流，但由于陡坡和茂密植被覆盖的共同作用，有植被覆盖的情况比没有植被的情况亚临界区高出2倍以上。分析表明，植被可以通过多种方式保护堤防，但最重要的一种是将土壤表面的水流速度降低到导致侵蚀所需值以下。

由于植被阻塞影响倒水造成的漫顶速度百分比变化如图5所示。在80%孔隙度(20%堵塞)的情况下，由于堵塞和植被的阻力，通过增加水深(无植被覆盖工况的1.5倍)，发现平均漫顶速度显著降低(50%)。对于行距为5cm的植被，行型或2D植被的漫顶速度降低也很大。而在行型或2D(15cm间距或0.75比率)和稀疏植被密度情况下的全植被效应中，漫顶速度降低和水深增加都很小。最大漫顶速度的降低是由于20%的植被阻挡和阻力的全植被效应。

图5 不同行型和二维植被的漫顶速度与部分植被覆盖情况下全植被效应的比较

不同流量情况下，与无植被覆盖的情况相比，由于行类型或2D和全覆盖植被效应，导致沿路堤坡面平均流速随水深增加而减小，百分比如图6所示。无论是行类型植被还是间距为5cm(比率为0.25)的二维植被，以及5%阻塞的全覆盖植被，坡面速度的降低几乎相同。研究表明植被覆盖显著降低了水的平均坡速，在80%孔隙率(即20%阻塞率)的情况下，与无植被覆盖状况相比，植被覆盖增加了4倍的水深，使平均坡速降低了65%。

图6 不同行型或2D植被与无植被覆盖情况下全植被效应的坡速比较

与无植被覆盖情况相比，由于行类型或2D和全植被效应，不同流量下河床流速的降低百分比变化如图7所示。由图7可知，其下降趋势与斜坡流速几乎相同。然而，由于植被的阻力，在孔隙度为80%(即堵塞率为20%)的情况下，回水效应增加了6倍，平均河床流速降低了78%。

图7 不同行型或2D植被与无植被覆盖情况下全植被效应下游河床流速比较

如图8所示，由于20%阻塞，土堤漫顶在边坡上产生较大的紊流速度，并且在超临界流区域内，特别是在边坡不连续点，即坝顶或坝堤坡脚处，可能发生初始侵蚀。弗劳德数(Fr)在斜坡上的变化范围为2.32～4.66，在无植被覆盖情况下，在河床上的变化范围为3.96～5.36。由图8可知，由于稀疏空间内的高流速，15cm行距(比率0.75)植被的斜坡上出现超临界流，但是由于5cm行距(比率0.25)时，通过密集植被控制流量，整个斜坡和河床的流量是次临界流，图中，距离1、2、3分别表示行间距5、15、20cm植被情况，以下图中所示意义相同，不再赘述。另一方面，对于5%和20%的阻塞率，亚临界流出现在斜坡和植被覆盖的河床上，但是与所有情况相比，20%阻塞的速度降低要高得多，如图9所示。

图8 与无植被覆盖情况相比，20%阻塞的行类型2D植被效应的弗劳德数沿边坡距离变化图

如图9—10所示，对于5cm和15cm间距(0.25和0.75比率)的行植被类型，河床上的2D类型行植被以及斜坡和河床上的所有植被情况都没有超临界条件。室内试验结果表明，路堤边坡、坡脚和路基均未出现超临界流现象，特别是在行距为5cm或植被覆盖面积为20%的情况下。因此，通过增加植被的阻塞效应，可以显著降低在斜坡、趾部和河床处的流速。

图9 与无植被覆盖状况相比，由于不同的阻塞效应，全覆盖植被的弗劳德数沿坡度变化规律图

图10 与无植被覆盖情况相比，20%阻塞的行类型2D植被效应在坝趾和下游河床的弗劳德数变化规律图

3 结语

在土堤上种植植被具有经济性且环保性的特点。本研究探讨了不同植被条件对斜坡漫流水力特性的影响，并得出以下结论。

(1) 在路堤边坡和河床的整个植被阻塞率为20%时，平均漫顶、坡度和河床水流速度的最大降幅最大。

(2) 无论是行距为5cm的2D植被还是全分布植被的情况，20%的阻塞植被覆盖都表明在路堤的边坡、坝趾和河床都没有超临界流动条件。

(3) 5cm间距(0.25比率)的行类型2D植被比其他类型的植被更有效。

(4) 粗糙度单元间距也是减小路堤坡面流速以保持亚临界流的影响因素。

(5) 研究结果表明，植被是稳定河堤或海岸堤防的有效和创新的解决方案。