本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第4期“水土保持科学与工程”栏目。
植被修复可以实现水土保持和增强消落带稳定性目的, 但关于在波浪作用于消落带上坡面时植物覆盖对波压力和孔隙水压力和侵蚀量的影响及关系尚不明确。为此, 设置3个波高(4、6和8 cm)、3个坡面条件(裸坡对照、30%狗牙根覆盖和60%狗牙根覆盖), 开展模拟波浪试验, 分析不同植被盖度对消落带波浪作用力和侵蚀的影响。
三峡消落带是指三峡水库运行时形成的周边水-陆交错带，高程在145~175 m之间，总面积超过348.93 km2。水库水位周期性涨落过程中的干湿交替作用导致土壤抗侵蚀性能退化，加之受到降雨径流、波浪、水位消长和重力等多营力复合或交替作用影响，导致消落带土壤侵蚀过程复杂、侵蚀程度异常强烈。监测结果表明：长江干流消落带侵蚀速率为30~75 mm/a，平均为51.5 mm/a，其中波浪侵蚀速率为21~53 mm/a，平均为36.6 mm/a，波浪侵蚀占三峡消落带侵蚀70%以上，是消落带土壤侵蚀的主要类型，已严重影响到库区周边生态环境和经济发展。
相关研究表明，水库蓄水后，风区吹程急剧增加，由风力所形成的波高、波频与成库前相比大幅度提高，加上大吨位船行船作用所产生的波浪，加剧库岸侵蚀。波浪作用坡面1个周期内可分为3个阶段：入射阶段，波浪破碎后冲击岸坡形成破波水流；上爬阶段，波浪破碎后沿坡面向上爬升形成的上爬水流；回落阶段，上爬水流至最高处后向下回流形成沿坡面向下的坡面水流。波浪反复作用下淘蚀坡面，极易在岸线形成内凹的侵蚀龛，内凹达到一定程度时，侵蚀龛上部土体在重力作用向下诱发塌陷并入库。随后，波浪又对岸坡面进一步淘蚀，再度形成新的侵蚀龛。如此反复，造成岸坡形态发生改变。在此过程中，孔隙水压力和土颗粒间产生相互作用，当产生的循环剪切力大于土体抗剪强度时，引起孔隙水压力的累计变化造成土体发生变形或液化，导致岸坡支撑力突然减小最终塌岸。
植被修复作为控制土壤侵蚀和减少水土流失的有效措施之一，是消落带生态服务功能发挥的主体。Ahmad等认为在海岸盐沼地中80 m的红树林可以消减80%的波浪。李佳皓等借助物理模型试验得出植物盖度越高，高速船行波在X和Y方向的水体流速降低越快，减少的波浪能量越多。Beeson等研究发现植被可以减少80%的河岸带侵蚀量。钟荣华等试验得出狗牙根(Cynodon dactylon)在80%盖度下的平均消浪系数为0.43，根系固土贡献率为76.2%，平均减蚀效应为97.8%。可见，目前关于植被对波浪消能减蚀作用被广泛研究，而关于植物对波浪作用于坡面表面压力和土体内部孔隙水压力的改变程度及其对侵蚀的影响尚不清楚。
因此，笔者选用三峡消落带典型土壤紫色土和自然恢复下优势物种狗牙根为研究对象，设置不同植被盖度坡面条件，并以裸地作为参照，开展室内模拟试验，分析不同试验条件下坡面波压力、土体内孔隙水压力和侵蚀量，明确狗牙根对三峡库区消落带紫色土波浪作用力和侵蚀的影响，为三峡库区消落带生态环境恢复和水土流失治理提供参考价值。
讨论：
波压力随波高增加而增加，随盖度的增加而减小。根据能量守恒定律，波高越高，重力势能越大，波压力越大。植物覆盖时，地上部分叶、茎对波浪产生一定的阻挡效果，减小波浪能量，从而降低波浪作用于坡面的波压力。孔隙水压力随着波高的增加而增加，随传感器随埋设深度的增加而减小，这与李安龙等认为孔隙水压力随着深度的增加而减小的结论是一致。植物根系主要通过自身蒸腾和基质吸水作用从表层土体中不断进行水分的吸收和孔隙水压力的消散，狗牙根根系形态为倒三角形，可以深入土体吸收较深土层的渗水。随着土体深度的增加，水分的入渗量和孔隙水压力逐步减小，从而提高土体的非饱和度、基质吸力、黏聚力和抗剪强度，对降低波浪作用对消落带的侵蚀起到一定的积极作用。
植物覆盖时产生的侵蚀量比裸坡侵蚀量降低29.31%~80.56%。究其原因，植物覆盖在坡面上可以通过地上部分和地下部分协同作用对波浪冲击形成一定的减蚀作用。一方面狗牙根地上部分可以在循环荷载作用下自由变形，植物自身摩擦力和摩擦阻力可在波浪冲击植物时消减大量的波能，同时地上部分的茎、叶能使坡表面变的粗糙，导致水流流速和波浪爬升高度同时降低，从而减少土壤侵蚀的水流分离和能量输送；另一方面由于地下部分根系的相互渗透、挤压、缠绕和穿插等作用与土体形成根-土复合体，增加土体迁移阻力并削弱波浪冲击力，从而减轻侵蚀。裸坡时，波高增加导致能量逐渐增大从而加剧侵蚀，而植被覆盖时，侵蚀量随波高的增加呈先增加后减少的变化趋势。狗牙根作为柔性植物，地上部分长8~30 cm。在试验过程中观察到，当波高达到8 cm时植物被冲倒后贴于坡面的现象。此时这部分植物茎叶可以削弱波浪对坡面的直接作用力，减小波浪在坡面上爬和回落时的能量，从而减少侵蚀量。
植物根系渗入土体会增加土体的内聚力，波浪作用在植被覆盖的坡面时，波压力可由植物茎叶进行消减，部分孔隙水压力可由根系进行消散。土体抗剪强度大部分由土颗粒产生的黏结力形成，当植物盖度较低时，地下根系分布含量也较低，波浪产生的高围压会加速土-根界面之间土颗粒中较大孔隙的填充，降低土体的变形阻力。而当植被盖度高时，地下根系含量也较高，可有效促进水分的运移和土-根界面的相容性，限制土体侧向和压缩变形，同时延缓孔隙水压力的变化、超孔隙水压力的消散和土壤有效应力的增加，形成屏障以增强土壤渗透性和抗冲性，达到固持土体的作用。消落带破坏过程是随着波压力与孔隙水压力反复升降，土颗粒随波浪冲蚀到消落带底部不断累积，当表层土体基质吸力消失后，库岸陷落压密引起超孔隙水压力突然升高，土体在重力和波浪冲击作用下产生滑动变形，库岸边坡抗剪强度瞬间降低导致失稳发生，从而破坏消落带。而植被覆盖则可以通过减小波浪作用在消落带坡面上的波压力和孔隙水压力，增强消落带的稳定性。
结论：
1) 不同波高条件下的不同部位的波压力和孔隙水压力随着狗牙根盖度的增加均呈现稳定降低的变化趋势。狗牙根覆盖可以有效降低波浪作用于消落带坡面的波压力和孔隙水压力，与裸坡相比，波压力和孔隙水压力减幅分别为2.98%~220.17%和15.47%~75.64%。
2) 波浪侵蚀量受到盖度和波高影响，随着盖度增加而减小，而与波高关系较为复杂。裸坡时侵蚀量随着波高增加而增加，但在有植被覆盖时，侵蚀量随着波高增加呈现先增加后减小的变化规律。
总体来看，狗牙根作为一种优良的草本植物，具有较好的抵抗消落带波浪侵蚀特性。本研究可为三峡库区消落带的边坡防护和植被恢复提供参考。
不同狗牙根盖度下波压力传感器压力值
不同狗牙根盖度下孔隙水压力传感器压力值
不同波高时不同狗牙根盖度下的侵蚀量
侵蚀量与盖度及波浪参数相关性分析
肖海, 张文琪, 夏振尧, 刘子睿, 张伦, 杨悦舒, 崔磊. 狗牙根覆盖对三峡库区消落带波浪作用力和侵蚀的影响[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(4): 34-40. DOI: 10.16843/j.sswc.2022007.
XIAO Hai, ZHANG Wenqi, XIA Zhenyao, LIU Zirui, ZHANG Lun, YANG Yueshu, CUI Lei. Influence of Cynodon dactylon cover on the wave force and wave erosion of purple soil in the water-level-fluctuating zone of the Three Gorges Reservoir[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(4): 34-40. DOI: 10.16843/j.sswc.2022007.
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