PAM對寒區(qū)粉壤土堤防護坡產流產沙特征的影響

劉鴻濤, 李起龍, 韓 宇, 蔡 碟, 勵其其, 龍昱帆

(1.長春工程學院 水利與環(huán)境工程學院, 長春 130012;2.吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室, 長春 130012;3.內蒙古農業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院, 呼和浩特 010018; 4.中國農業(yè)大學 水利與土木工程學院, 北京 100083)

堤防是防御洪水泛濫，確保城鎮(zhèn)居民安全和工農業(yè)生產的重要措施，其背水坡面在受到降雨徑流侵蝕之后容易產生薄弱斷面，影響其運行期的安全。第二松花江干流流域為溫帶季風性氣候，流域內堤防多為填方土堤。開展第二松花江流域粉壤土堤防坡面產流產沙規(guī)律研究，對該地區(qū)堤防護坡侵蝕治理具有重要意義。

水力侵蝕是目前世界上分布最廣，危害極大的一種土壤侵蝕類型；面蝕是水力侵蝕的一種形式，是坡面徑流侵蝕的最初階段；在面蝕的諸多影響因素中，坡度是重要因素之一[1-3]，其影響程度僅次于植被覆蓋度。坡度對坡面侵蝕的演變發(fā)展過程和侵蝕強度起著重要作用，其大小在一定程度上決定了徑流的沖刷與搬運能力[4]。黑土區(qū)坡面侵蝕過程研究表明，坡面侵蝕量隨著坡度增加而增大，而坡面徑流量隨坡度的變化尚有爭議[5-7]。近些年來，化學調控措施被引入到防治水土流失的研究中。PAM是一種是線型高分子化合物，可溶于水且具有很強的黏聚作用，在水土流失嚴重的黃土高原地區(qū)，PAM的施用更加重要。施加PAM可以使土壤凝聚力和抗侵蝕力增強、減少水土流失[8-9]。根據(jù)相關學者的研究成果，相同PAM濃度施用對象不同時，對土壤徑流量影響也不同[10-11]。由此可見，對于不同地區(qū)的土壤類型以及PAM施用量的多少對產流產沙的影響不盡相同。盡管有很多關于PAM對土壤侵蝕的研究，但由于試驗條件的不同，所以PAM用量對產流產沙的影響尚無統(tǒng)一結論。

通過室外模擬降雨試驗，研究黑土區(qū)粉壤土堤防護坡在不同PAM濃度和坡度影響下的坡面產流產沙規(guī)律，旨在深入了解黑土區(qū)坡面產流產沙規(guī)律，得到有效的防治土壤侵蝕的措施，同時綜合前人研究成果，以期能為該區(qū)域堤防坡面侵蝕防治工作提供理論指導。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗設計

試驗土壤取自前郭縣第二松花江干流堤防外坡地，取土深度為表層20 cm。堤防坡比為1∶3，坡長8～10 m。土壤機械組成采用激光粒度分析法，黏粒含量為6.82%，粉粒含量為58.70%，砂粒含量為34.48%，土壤類型為粉壤土，土壤容重1.3 g/m3。詹敏[12]和張憲奎[13]等指出黑土區(qū)土壤侵蝕是由高強度短歷時降雨引起，且降雨歷時在30～60 min；產生侵蝕的短歷時瞬時降雨強度范圍23.4～103.2 mm/h?；谏鲜鰳藴屎驮囼瀸嶋H情況，本試驗降雨強度選取80 mm/h；第一組試驗下墊面條件為PAM濃度3 g/m2，選取4個不同坡度；第二組試驗選取坡度15°，下墊面條件為5個均勻施加不同PAM濃度的坡面。4個不同坡度和5個不同PAM濃度的進行試驗，共9個場次。坡度及PAM濃度等參數(shù)見表1。

表1 試驗設計

試驗采用Norton降雨模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用振蕩式原理模擬自然條件下的降雨。降雨強度9.5～100 mm/h，降雨均勻度大于80%，降雨面積2 m×5 m，降雨高度6 m。X-Scan手持快速激光掃描儀測量范圍0.15～4 m，激光頭分辨率為0.1 mm，測量速度550 000次/s。通過特征拼接和標記點定位的方式測量地貌，以三維圖形方式顯示測量數(shù)據(jù)。降雨使用可移動式變坡徑流槽，規(guī)格為長1.5 m，寬0.4 m，深0.4 m，坡度變化范圍0°～30°。徑流槽底部均勻打孔，徑流槽前段設置“V”字形集流槽。

1.2 試驗方法

試驗土壤除去雜質，過5.0 mm 篩網(wǎng)后進行風干和混合處理。為精確模擬河道邊坡填筑的真實情況，采用分層填土方式。在裝填上層土壤之前先對下層土壤進行打毛、灑水濕潤，保證兩層土壤緊密融合，以防土層分離。

每次試驗開始前先清除徑流槽內土壤，重新裝土。然后取出部分土壤與PAM顆粒均勻拌和，對徑流槽內土壤打毛和灑水，將拌和均勻土壤鋪設在徑流槽內，對坡面進行預降雨至坡面土壤飽和為止，為了防止土壤水分蒸發(fā)、結皮，使用塑料薄膜覆蓋徑流槽，靜置24 h。在降雨場地內均勻布置4個蒸發(fā)皿率定雨強，當降雨均勻度大于80%時開始試驗。降雨歷時1 h，記錄開始產流時間，產流開始后每隔3 min收集1次徑流泥沙樣，每次收集時間10 s，用秒表記錄取樣時間。采用高錳酸鉀染色法測坡面流速，產流開始后每隔3 min測1次流速。降雨結束后，使用激光掃描儀掃描坡面獲取地表三維數(shù)據(jù)。將徑流泥沙和總徑流泥沙樣品靜置沉淀，使用量筒測量產流量，徑流泥沙用烘箱烘干至恒重，電子秤記錄產沙重。

將每次測得產流量和產沙量使用Excel進行處理，得到取樣時間段內產流率和產沙率。采用Origin繪制產流率和產沙率的變化曲線；采用Geomagic Studio對坡面三維點云數(shù)據(jù)進行處理，從而獲得坡面數(shù)據(jù)；然后將坡面數(shù)據(jù)導入ArcGIS中，進行灰度映射，侵蝕較為嚴重區(qū)域用黑色表示，提取侵蝕嚴重的區(qū)域(以侵蝕深度≥20 mm作為提取標準)。

2 結果與分析

2.1 PAM濃度和坡度對堤防坡面產流產沙的影響

2.1.1 PAM濃度和坡度對堤防坡面產流的影響 圖1A為在雨強和坡度相同時，不同下墊面條件下產流率隨降雨歷時出現(xiàn)不同程度的波動。如圖1B所示，平均產流率以3 g/m2為分界點，大于3 g/m2產流率隨濃度增大而減小，濃度小于3 g/m2產流率隨濃度增大而增大。3 g/m2平均產流率相比0 g/m2減小了約20%；不同PAM濃度均表現(xiàn)出土壤入滲增大，平均產流率降低了10.6%～20%，并且平均產流率先減小后增大，即0 g/m2>5 g/m2>4 g/m2>2 g/m2>3 g/m2。分析得出PAM濃度在一定范圍內，可以打開土壤下滲通道，提高土壤入滲率，減小徑流，超出這個范圍時土壤入滲率減小，徑流增大。

圖1 坡面產流率、平均產流率變化曲線

圖2顯示雨強和下墊面條件相同時，不同坡度每分鐘產流率趨勢差異較大，隨降雨歷時先急劇增長，后出現(xiàn)不同幅度的波動，但總體趨勢為增大。在顯著性水平為0.05時，使用單因素方差對每分鐘產流率進行分析，發(fā)現(xiàn)坡度對坡面產流率有顯著性影響，平均水平差異較大。圖2B顯示在下墊面條件相同時，15°和20°坡面平均產流率相近，25°坡面平均產流率急劇減小，但都大于10°坡面平均產流率。即平均產流率15°>20°>25°>10°。在坡度較大時，受雨面積減小，在同一入滲的條件下，坡面徑流量理論上應該逐漸遞減，但本次試驗以15°坡面為分界點，>15°時產流率隨坡度增大而減小，<15°時產流率隨坡度增大而增大。

圖2 坡面產流率、平均產流率變化曲線

2.1.2 PAM濃度和坡度對堤防坡面產沙的影響 圖3A顯示在雨強、坡度相同時，不同PAM濃度產沙率趨勢變化顯著。PAM濃度為0，2，3，5 g/m2坡面每分鐘產沙率隨降雨歷時先增大，后出現(xiàn)不同程度的波動，未趨于穩(wěn)定。PAM濃度為4 g/m2坡面每分鐘產沙率隨降雨歷時先緩慢增大，后趨于穩(wěn)定。不同坡面每分鐘產沙率隨著PAM濃度的增大，產沙率逐漸減小。對不同濃度下每分鐘產沙率，在顯著性水平為0.05時，使用單因素方差對每分鐘產流率進行分析，發(fā)現(xiàn)濃度對產沙率影響顯著。且平均產沙率0 g/m2[0.077 76 kg/(m2·min)]>2 g/m2[0.061 88 kg/(m2·min)]>3 g/m2[0.056 81 kg/(m2·min)]>4 g/m2[0.049 27 kg/(m2·min)]>5 g/m2[0.036 94 kg/(m2·min)]。

圖3 不同PAM濃度坡面產沙率變化曲線

圖3B顯示在80 mm/h降雨強度下，不同坡度產沙率趨勢變化較大。坡度為10°，15°，20°坡面產沙率呈現(xiàn)先急劇增大后緩慢減小的趨勢；25°坡面產沙率呈現(xiàn)先急劇增大，后出現(xiàn)較大的波動。隨著坡度的增大，坡面產沙率為增大趨勢。在顯著性水平為0.05時，使用單因素方差對每分鐘產流率進行分析，發(fā)現(xiàn)坡度對產沙率影響顯著。且平均產沙率25°[0.083 93 kg/(m2·min)]>20°[0.065 10 kg/(m2·min)]>15°[0.056 81 kg/(m2·min)]>10°[0.051 28 kg/(m2·min)]。

為了更好地分析平均產沙率與坡度和PAM濃度的關系，將三者進行擬合，結果表明:平均產沙率與坡度和PAM濃度的關系可以用冪函數(shù)Se=a·Sb·Cd表示。式中：Se為平均產沙率[kg/(m2·min)]；S為坡度(°)；C為PAM濃度(g/m2)；a，b，d均為擬合參數(shù)。

表2為不同坡度和PAM濃度與產沙率的經(jīng)驗方程。產沙率隨降雨歷時的變化規(guī)律可以用冪函數(shù)進行描述，產沙率(Se)與坡度(S)是正相關，坡度越大，產沙率越大；與濃度(C)為負相關，濃度越大產沙率越小，決定系數(shù)為0.86，顯著性水平為0.05。圖4為平均產沙率與PAM濃度和坡度擬合圖形。

表2 不同坡度與PAM濃度條件下產沙率的經(jīng)驗方程

2.2 PAM濃度和坡度對地方坡面流速的影響

坡面徑流是水力侵蝕發(fā)生、發(fā)展的主要動力，流速是坡面徑流最重要的水力學要素[14-16]。在試驗中通過染色法測定流速v，同時根據(jù)監(jiān)測到的水溫，獲得雷諾系數(shù)，從而獲得修正系數(shù)α。已有研究表明，在PAM單獨使用情況下，由于其水溶液黏性較強，會影響土壤水分的運動[17]。PAM的用量越大，這種黏滯作用也越大[18]，從而引起水分入滲阻力的增大，土壤飽和導水率降低也越多[19]。

圖4 平均產沙率對PAM濃度和坡度的響應

圖5為坡面施加PAM后流速隨著其濃度和坡度變化的情況。在PAM濃度一定時，流速隨坡度增大，先增大后趨于穩(wěn)定，這表明施加PAM后坡面流速隨坡度增大是在一定范圍內的。在坡度不變時，流速在PAM濃度為0～2 g/m2內趨于穩(wěn)定，在2～5 g/m2內先減小后增大，總體趨勢為減小。

對修正流速與坡度和PAM濃度進行擬合，結果表明:修正流速與坡度和PAM濃度的關系可以用冪函數(shù)V=e·Sf·Ch·表示。式中：V為修正流速(m/s)；S為坡度(°)；C為PAM濃度(g/m2)；e，f，h均為擬合參數(shù)。

表3為PAM濃度和坡度與修正流速的經(jīng)驗方程。流速隨降雨歷時的變化規(guī)律可以用冪函數(shù)進行描述，流速與坡度是正相關，坡度越大，流速越大；與濃度為負相關，濃度越大流速越小，決定系數(shù)為0.68，顯著性水平為0.05。圖6為修正流速與坡度和PAM濃度擬合圖形。

圖5 修正流速變化曲線

表3 不同坡度與PAM濃度條件下流速的經(jīng)驗方程

圖6 修正流速對PAM濃度和坡度的響應

2.3 坡面侵蝕的形態(tài)特征

水力侵蝕在不同階段表現(xiàn)出不同的形式，同時會影響產流產沙，因而分析其形態(tài)對研究坡面產流產沙規(guī)律有重要的意義。相同坡度下，未施加PAM和PAM濃度3 g/m2為例進行分析。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，0 g/m2坡面侵蝕主要發(fā)生在坡面中上部，施加PAM坡面侵蝕區(qū)域呈現(xiàn)較均勻分布，兩個坡面都是以面蝕為主，伴有濺蝕。0 g/m2侵蝕嚴重區(qū)域主要表現(xiàn)為片狀，侵蝕區(qū)域集中，面積較大，部分呈現(xiàn)出跌坎特征，侵蝕深度為24～48 mm；PAM坡面侵蝕嚴重區(qū)域主要表現(xiàn)為鱗片狀，侵蝕嚴重區(qū)域為較集中，面積較大，部分出現(xiàn)層狀特征，侵蝕深度為21～36 mm。通過提取坡面侵蝕區(qū)域，發(fā)現(xiàn)0 g/m2侵蝕嚴重區(qū)域面積為0.293 2 m2，占坡面面積的48.86%；PAM坡面侵蝕嚴重區(qū)域面積為0.133 2 m2，占坡面面積的22.2%，施加PAM后使得坡面侵蝕嚴重區(qū)域相比于0 g/m2減小了約54.57%。施加PAM后坡面侵蝕程度減緩，說明施加PAM起到了防止侵蝕的效果。0 g/m2受到薄層水流沖刷明顯，侵蝕特征主要為片蝕，侵蝕區(qū)域為片狀。PAM坡面受到雨滴濺蝕的影響，坑洼感較強，侵蝕區(qū)域連續(xù)，加上薄層水流沖刷，局部出現(xiàn)高地，這可能是因為PAM與土壤拌和不均勻導致的。

3 討論與結論

3.1 討 論

本文在坡度為15°時，研究不同PAM濃度對坡面產流產沙和流速規(guī)律的影響。結果發(fā)現(xiàn)：隨著PAM濃度的增大，坡面平均產流率先減小后增大，但相較于裸地施加PAM的坡面土壤入滲能力增大，坡面的平均產沙率減小。正如張淑芬[20]、裴崢等[21]和李清溪等[22]研究，PAM能夠維護土壤團聚體的結構并形成新的團聚體，與水相互作用產生的黏聚作用能有效緩解雨滴對土壤的表面打擊并抑制結皮的形成，增加坡面地表糙度，從而可以增加土壤的入滲能力，減少地表徑流，防止水土流失。此次試驗中，流速隨PAM濃度變化較大，其中4 g/m2坡面流速最小，徑流量3 g/m2的坡面最小。Govers[23]、Nearing等[24]、王林華[25]研究表明，坡面流速受到坡面地表糙度和徑流量的影響，流速與徑流量呈正相關，與地表糙度呈負相關。本試驗施加PAM對坡面產流和產沙的研究結果與以上學者一致，而流速在PAM作用下與徑流量和地表糙度的關系需要進一步論證。

在下墊面條件為3 g/m2時，研究不同坡度對坡面產流產沙和流速規(guī)律的影響。結果發(fā)現(xiàn)：坡面平均產流率隨坡度增大呈先增大后減小趨勢，平均產沙率隨坡度增大而增大，且隨著產沙率的增大，坡面侵蝕程度增大，地表糙度也相應增大。產流率受坡度影響大，以15°為轉折點，先增大后減小，在10°～15°，20°～25°兩個區(qū)間內變化明顯。王麗[9]和王全九[26]等研究得出，當15°和20°時，其徑流量相近，當坡度25°時，徑流量急劇減小。然而，坡面流速隨著坡度的變化未出現(xiàn)較大波動，流速在15°時達到最大，后趨于穩(wěn)定。Govers[23]、Nearing等[24]、王林華[25]、和繼軍等[27]研究表明，坡度對流速影響不大，坡度增大侵蝕增加，地表糙度相應增大，從而流速不增大。劉俊體等[28]認為，隨著坡度增大，細溝流速呈減小趨勢，且在10°～15°存在一個流速轉折坡度。本試驗坡度對產流產沙及流速的研究與上述學者相近，但關于流速轉折坡度需要進一步論證。

圖7 不同PAM濃度坡面侵蝕

通過野外調查和試驗研究發(fā)現(xiàn)，細溝侵蝕占坡面總侵蝕量的70%以上，細溝形態(tài)對坡面侵蝕有重要影響，并以細溝割裂度作為評判細溝侵蝕和形態(tài)的標準[29-30]。李桂芳等[7]、耿曉東[31]、郝好鑫等[32]以粉壤土為坡面侵蝕研究對象，發(fā)現(xiàn)黑土不易發(fā)生細溝侵蝕。本次試驗中，坡度為15°，降雨強度為80 mm/h時未出現(xiàn)明顯的細溝侵蝕，主要以面蝕為主。由于坡面匯流面積較小，坡長較短，這種情況下很難產生較大流量的徑流，侵蝕受到一定的限制，侵蝕形態(tài)無法進一步演變發(fā)育[33]，因此本次試驗并未出現(xiàn)明顯的細溝侵蝕特征。

3.2 結 論

(1) 相同坡度下，PAM濃度3 g/m2的坡面較0 g/m2的坡面的平均產沙率降低23.64%，平均產流率減小16.78%，0 g/m2上施加適量濃度的PAM使得土壤入滲能力增強，徑流量減小，對坡面沖刷減弱，坡面侵蝕量減小。隨著施加PAM濃度的增大，坡面平均產沙率降低20.42%～52.49%。坡面平均產流率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。本次試驗PAM濃度在3 g/m2時坡面產流率最小，土壤入滲效果最好，超過時產流率增大。

(2) 下墊面條件相同時，坡面平均產沙率隨坡度的增大而增大。坡面平均產流率在15°和20°時差異不大，坡度為25°時平均產流率急劇減小，且3個坡面平均產流率均大于10°坡面。

(3) 坡面侵蝕形態(tài)主要表現(xiàn)為濺蝕和面蝕，施加PAM使得侵蝕嚴重區(qū)域的面積相較0 g/m2減小了54.57%，能夠有效起到控制侵蝕的效果。在實際的堤防工程中具有應用價值。