植被根系加固对运河岸坡稳定性的量化评估与机制研究

为解决荷兰及三角洲地区运河岸坡保护中自然解决方案的量化难题，研究人员采用螺旋提取技术对三种常见河岸植被（Salix fragilis L.、Salix purpurea L.和Crataegus laevigata DC.）的根系加固效应进行原位测量，并结合Bank Stability and Toe Erosion Model（BSTEM）模拟岸坡稳定性。研究发现根系显著提升岸坡安全系数（FS从1.08增至2.46），并揭示存在临界根系加固阈值，为生态工程实践提供科学依据。

　　

运河和河岸的稳定性对经济、生态和航运至关重要，但传统硬质防护措施如抛石（riprap）不仅破坏生态系统，还增加碳排放。随着自然解决方案（Nature-based Solutions）的兴起，植被根系加固成为研究热点。然而，根系加固效应的原位量化一直是技术难点，尤其在空间异质性高的河岸环境中。荷兰代尔夫特理工大学的研究团队通过创新性应用螺旋提取技术（corkscrew extraction），结合Bank Stability and Toe Erosion Model（BSTEM）模型，系统评估了三种典型河岸植被的力学贡献及其对岸坡稳定性的影响，相关成果发表于《Ecological Engineering》。

研究采用螺旋提取装置原位测量根系加固强度，通过力-位移曲线分析峰值强度和能量耗散，并计算Root Area Ratio（RAR，根系截面积比）。同时利用BSTEM模拟不同水文、几何条件下的岸坡稳定性，输入参数分为三组：基于RipRoot纤维束模型的预测值（G1）、螺旋提取实验实测值（G2）和专家经验值（G3）。样本来自荷兰两处试验点，包括未受保护的河岸（Hortus Botanicus of TU Delft）和受钢板桩保护的运河岸（Middenmeer）。

3.1. Site 1, plot 1-Salix fragilis L.
研究发现SF根系62%的生物量和65%的RAR集中在0–125 mm浅层，RAR与归一化峰值力（R²=0.65）和能量（R²=0.62）呈正相关。力-位移曲线显示两类行为：Ⅰ型为快速达到峰值后衰减，Ⅱ型为持续上升，反映根系逐步断裂或滑移。

3.2. Site 1, plot 2-Salix purpurea L.
SP在深层（250–500 mm）表现出更高加固效应，但RAR与力学参数的关联性较弱。实验中发现明显的断裂声，对应力-位移曲线的骤降，证实根系断裂主导抵抗机制。

3.3. Site 2, plot 1-Crataegus laevigata DC.
CL的RAR随深度锐减，53%集中于表层，但部分深层样本因根系滑移导致强度异常，显示根系失效模式（断裂vs滑移）对加固效果的关键影响。

3.4. Modelling results
BSTEM模拟表明，植被使岸坡安全系数（FS）从裸土的1.08（临界稳定）提升至2.46（稳定）。值得注意的是，当根系加固超过临界值（如G2中16.8 kPa）后，FS不再显著增加，提示生态工程需瞄准该阈值优化植被配置。

研究结论指出，螺旋提取技术能高效量化根系加固，且SF和CL在浅层、SP在深层表现突出。讨论部分强调，混合植被策略可兼顾力学强化与生态多样性，但需考虑植被自重对稳定性的潜在负面影响。该研究为河岸生态工程设计提供了实证基础，未来需扩大样本量并整合季节性变化和根系力学特性数据。螺旋提取技术的局限性（如小样本偏差、垂直剪切面与实际破坏面的差异）也提示需进一步开发校准方法。