PAM對(duì)不同雨強(qiáng)下黑土區(qū)土質(zhì)堤防侵蝕的影響

劉鴻濤, 鄭琪嚴(yán), 李起龍, 趙瑞娟, 李曉軍

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012;2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春 130012; 3.廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司,廣州 510000; 4.松遼水利委員會(huì), 長(zhǎng)春 130012; 5.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司, 長(zhǎng)春 130000)

東北黑土區(qū)侵蝕特征為水力侵蝕為主的多營(yíng)力復(fù)合侵蝕,東北地區(qū)雨季短、降雨集中、多暴雨易造成超滲產(chǎn)流而帶來(lái)土壤侵蝕[1-2]。部分東北堤防由于建筑的年代較早,土質(zhì)坡面缺乏養(yǎng)護(hù),又受到長(zhǎng)周期波浪沖擊和內(nèi)部滲流對(duì)堤防坡面穩(wěn)定性造成破壞,以及高雨強(qiáng)、短歷時(shí)降雨所造成的邊坡侵蝕[3]。加之氣候的影響,東北黑土區(qū)堤防受到凍融作用影響堤防土壤性質(zhì)和阻滲性能,在極端降雨條件下,容易產(chǎn)生薄弱斷面,造成滑坡。因此,開(kāi)展基于堤防土壤治理措施下黑土區(qū)堤防坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律研究,有助于東北堤防護(hù)坡侵蝕破壞防控技術(shù)的發(fā)展。

水力侵蝕是我國(guó)東北黑土區(qū)的主要侵蝕類(lèi)型,黑土區(qū)受水力侵蝕面積達(dá)到18.27萬(wàn)km2[4]。降雨是水力侵蝕的動(dòng)力因素,降雨可通過(guò)降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨量等因素來(lái)影響水力侵蝕的發(fā)生發(fā)展[5-6]。有學(xué)者通過(guò)研究觀察指出降雨特性因子中降雨強(qiáng)度是影響土壤侵蝕的關(guān)鍵[7]。黑土區(qū)降雨多為短歷時(shí)、高雨強(qiáng),這為黑土區(qū)坡面侵蝕的發(fā)生提供了足夠的原動(dòng)力[8-9]。針對(duì)東北地區(qū)高雨強(qiáng)的特點(diǎn),國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量有針對(duì)性的試驗(yàn)研究工作,發(fā)現(xiàn)不同的降雨強(qiáng)度對(duì)坡面的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙率、坡面的侵蝕量以及侵蝕形態(tài)影響并不相同,但具體產(chǎn)生的影響需要進(jìn)一步探索[10-13]。由于高雨強(qiáng)的作用,黑土區(qū)坡面侵蝕嚴(yán)重,將化學(xué)調(diào)控措施引入到坡面侵蝕防治,來(lái)增強(qiáng)坡面的抗侵蝕性能成為近年來(lái)討論比較多的話(huà)題,為解決坡面侵蝕問(wèn)題提供了新思路。PAM作為一種線型水溶性高分子化合物,PAM溶解于土壤中的水后,其分子與土壤顆粒互相作用,促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成,土壤的結(jié)構(gòu)系數(shù)、各級(jí)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體、沉降系數(shù)都得到明顯的提高[14-17]。萬(wàn)佳蕾[18]研究PAM對(duì)江西黃泥紅土、麻砂泥紅土等4種江西典型土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)生影響發(fā)現(xiàn),各坡面的徑流量明顯提升,減沙效果明顯。馮浩等[19]向陜北黃綿土坡面施加PAM發(fā)現(xiàn),施加PAM后起到了減流的效果,也起到了減沙效果。由此可見(jiàn),PAM對(duì)土壤的改造效果與土壤的類(lèi)型和PAM的施用量多少有關(guān)。不同的PAM施用方法對(duì)坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響也會(huì)產(chǎn)生差異。學(xué)者發(fā)現(xiàn)以溶液形式施用的效果優(yōu)于直接干施的效果,不同濃度和分子量的PAM對(duì)坡面侵蝕形態(tài)的影響也成為近年來(lái)研究的熱門(mén)問(wèn)題[20-22]。由于各地區(qū)坡面的土壤條件不同,關(guān)于PAM對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響仍需進(jìn)一步的研究。

本文通過(guò)對(duì)比不同雨強(qiáng)下施加不同濃度PAM堤防坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征,來(lái)探究PAM對(duì)堤防坡面減流減沙效益、相關(guān)水力學(xué)參數(shù)以及對(duì)土壤侵蝕形態(tài)的影響,為東北黑土區(qū)堤防施用PAM防治土壤侵蝕提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與供試土壤

人工模擬降雨試驗(yàn)于2021年6—8月在長(zhǎng)春工程學(xué)院水利館完成。試驗(yàn)土樣取自李家屯伊丹河堤防背水坡地,取土深度20 cm,土壤容重為1.3 g/cm3。土壤機(jī)械組成采用激光粒度分析法,供試土壤類(lèi)型為壤質(zhì)土,其中粒徑2.0～0.02 mm,土壤含量為57.14%,粒徑0.02～0.002 mm土壤含量為22.15%,<0.002 mm土壤含量為20.71%。

1.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)所用的主要設(shè)備包括:人工降雨模擬器、徑流試驗(yàn)槽、三維激光掃描儀和烘干箱等。下噴式模擬降雨器,使用擺噴式噴頭,降雨強(qiáng)度60～300 mm/h,由壓力和噴嘴尺寸決定,降雨均勻度大于80%,有效降雨范圍2 m×5 m,降雨高度6 m。可移動(dòng)變坡徑流槽,規(guī)格為長(zhǎng)×寬×高(1 500 mm×400 mm×400 mm),坡度變化范圍0°～30°,徑流槽底部均勻打孔,徑流槽前端設(shè)有“V”字形集流槽,底端設(shè)置集流孔。X-Scan三維激光掃描儀,采用手持快速掃描,通過(guò)散斑條紋投影的原理對(duì)坡面地形進(jìn)行掃描,掃描速度為每秒550 000次測(cè)量,精度0.1 mm。最后通過(guò)特征拼接,標(biāo)記定點(diǎn)位的方法,將掃描后的地形拼接在一起。烘干箱,采用熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由能在高溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)和風(fēng)道組成,提高工作室內(nèi)溫度均勻度。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究不同降雨強(qiáng)度條件下,PAM濃度對(duì)黑土區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響,本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩個(gè)降雨強(qiáng)度60,90 mm/h,坡度為15°,PAM濃度為0,2,3,4,5 g/m2。雨強(qiáng)的選定主要依據(jù)詹敏[23]和張憲奎[24]等研究成果,引起東北土壤侵蝕的降雨一般具有短歷時(shí)高雨強(qiáng)的特點(diǎn),降雨歷時(shí)在30～60 min,實(shí)測(cè)短歷時(shí)瞬時(shí)降雨強(qiáng)度在23.4～103.2 mm/h。坡度的選用與伊丹河流域堤防一致。

1.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)開(kāi)始前將所取供試土壤除去碎石和植物根茬等雜質(zhì)后,過(guò)5.0 mm篩網(wǎng),然后進(jìn)行風(fēng)干、均勻拌和等處理。采用拌土撒施法向坡面施加PAM。為盡可能真實(shí)地還原堤防背水坡面填筑的情況,采取分層鋪土方式,徑流槽底部均勻打孔,并在底層依次鋪設(shè)紗布、10 cm厚沙子,保證土壤中的水可以自由下滲;然后每5 cm為一層裝填土壤,在鋪設(shè)上層土壤之前將下層土壤打毛,以防兩次填土出現(xiàn)分層現(xiàn)象。為消除邊界效應(yīng)的影響,將徑流槽四周邊壁土壤盡量壓實(shí)。為了保證試驗(yàn)條件一致,對(duì)試驗(yàn)坡面進(jìn)行預(yù)降雨至坡面土壤飽和為止,預(yù)降雨完成24 h后開(kāi)始試驗(yàn)。降雨試驗(yàn)開(kāi)始前,在降雨區(qū)域內(nèi)均勻放置4個(gè)蒸發(fā)皿測(cè)定降雨強(qiáng)度和均勻度,采用均勻性計(jì)算公式計(jì)算均勻度,當(dāng)均勻度達(dá)到80%以上時(shí)開(kāi)始降雨試驗(yàn)。降雨歷時(shí)為1 h,產(chǎn)流開(kāi)始后記錄產(chǎn)流時(shí)間,每隔3 min采集一次徑流泥沙樣,每次采集時(shí)長(zhǎng)10 s,使用秒表記錄取樣時(shí)間。

用染色劑法測(cè)得坡面表層水流流速。降雨結(jié)束后,使用溫度計(jì)測(cè)量徑流樣品溫度,計(jì)算水流黏滯系數(shù)。將試驗(yàn)收集的泥沙樣品靜置沉淀,待泥沙沉淀后使用量筒測(cè)量徑流。將測(cè)量完成的泥沙樣品放置到105℃的勺烘箱內(nèi)烘干,稱(chēng)量其重量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel將測(cè)得的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量進(jìn)行處理,采用Origin繪制產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的變化曲線。采用ArcGIS對(duì)坡面侵蝕圖像進(jìn)行處理,進(jìn)行灰度映射,侵蝕嚴(yán)重區(qū)域用黑色表示,提取侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域(以侵蝕深度≥20 mm作為提取標(biāo)準(zhǔn))。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨強(qiáng)度下PAM濃度對(duì)堤防坡面產(chǎn)流的影響

圖1—2為不同降雨強(qiáng)度下各坡面的產(chǎn)流情況。在相同的PAM濃度下,各個(gè)坡面的產(chǎn)流率均隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大,坡面產(chǎn)流率波動(dòng)也隨之增大。施加PAM條件下的坡面產(chǎn)流率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)比裸地坡面相對(duì)延后一些,這是因?yàn)楣腆wPAM顆粒與土攪拌后,需要吸收水分溶解后才可發(fā)揮作用。在兩種降雨條件下,隨著PAM濃度的增加,坡面的平均產(chǎn)流量呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì),在PAM濃度為3 g/m2平均產(chǎn)流率開(kāi)始轉(zhuǎn)折。施加PAM的坡面平均產(chǎn)流率均小于未施加PAM的坡面。在降雨強(qiáng)度為90 mm/h條件下,平均產(chǎn)流率的排序?yàn)? g/m2>5 g/m2>2 g/m2>4 g/m2>3 g/m2。3 g/m2平均產(chǎn)流率相比0 g/m2減小了約15.7%,平均產(chǎn)流率降低了2.5%～15.7%,;在降雨強(qiáng)度為60 mm/h條件下,平均產(chǎn)流率的排序?yàn)? g/m2>5 g/m2>2 g/m2>4 g/m2>3 g/m2。3 g/m2平均產(chǎn)流率相比0 g/m2減小了約13.3%,平均產(chǎn)流率降低了6.7%～13.3%。根據(jù)分析可得出結(jié)論,PAM有著提高土壤入滲減少?gòu)搅鞯淖饔?但當(dāng)PAM濃度超出一定范圍,將會(huì)阻礙坡面徑流下滲,產(chǎn)流率也將隨之增大。

圖1 降雨強(qiáng)度90 mm/h下不同PAM濃度對(duì)產(chǎn)流率的影響Fig. 1 Effect of different PAM concentrations on abortion rates at rainfall intensity of 90 mm/h

圖2 降雨強(qiáng)度60 mm/h下不同PAM濃度對(duì)產(chǎn)流率的影響Fig. 2 Effects of different PAM concentrations on abortion rates at rainfall intensity of 60 mm/h

本次試驗(yàn)中平均產(chǎn)流率隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大;隨PAM濃度的增大先減小后增大,但均小于未施加PAM坡面的平均產(chǎn)流率。將降雨強(qiáng)度和PAM濃度與施加PAM后坡面平均產(chǎn)流率進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)三者的關(guān)系可以用二元冪函數(shù)進(jìn)行描述,擬合方程為:

MP=1.7172I0.8208P0.0758

(R2=0.9348,p=0.05)

(1)

式中:MP為平均產(chǎn)流率(mm/h);I為降雨強(qiáng)度(mm/h);P為PAM濃度(g/m2)。

可見(jiàn),平均產(chǎn)流率(MP)與降雨強(qiáng)度(I)和PAM濃度(P)呈正相關(guān),且降雨強(qiáng)度的冪指數(shù)(0.820 8)顯著大于PAM濃度的冪指數(shù)(0.075 8),即降雨強(qiáng)度對(duì)平均產(chǎn)流率的影響大于PAM濃度的影響。

2.2 不同降雨強(qiáng)度下PAM濃度對(duì)堤防坡面產(chǎn)沙的影響

圖3—4為不同降雨條件下各坡面產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)的變化情況。在降雨初期產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)的增加而增加,在20 min左右出現(xiàn)不同程度的減小趨勢(shì)。降雨強(qiáng)度90 mm/h的產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)的波動(dòng)要大于60 mm/h的坡面。其原因在于雨滴對(duì)坡面打擊能量增大,水流紊動(dòng)強(qiáng)度增大,水流的挾沙能力增強(qiáng)。降雨強(qiáng)度90 mm/h條件下不同PAM濃度的坡面產(chǎn)沙率是60 mm/h條件下坡面產(chǎn)沙率的1.35～1.43倍。其中未施加PAM坡面與施加PAM的坡面相比,前期產(chǎn)沙率增長(zhǎng)規(guī)律相似;在后期產(chǎn)沙率減小程度大于施加PAM的坡面,可以看出在降雨的中后期施加PAM的坡面產(chǎn)沙率會(huì)更穩(wěn)定。兩種雨強(qiáng)工況下,施加PAM可以有效地減小坡面產(chǎn)沙率,降低了土壤侵蝕量。降雨強(qiáng)度90 mm/h時(shí),施加PAM的減沙效率為17.47%～56.81%;降雨強(qiáng)度60 mm/h時(shí),施加PAM的減沙效率為9.42%～45.41%。隨著坡面PAM施加量的加大,平均產(chǎn)沙率在逐漸減小,呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。根據(jù)分析對(duì)比我們發(fā)現(xiàn),濃度5 g/m2坡面產(chǎn)沙率大于其他施加PAM的坡面,而相比于0 g/m2的坡面產(chǎn)沙率仍在減小。

圖3 降雨強(qiáng)度90 mm/h不同PAM濃度對(duì)產(chǎn)沙率的影響Fig. 3 Effects of different PAM concentrations of rainfall intensity of 90 mm/h on sand production rate

圖4 降雨強(qiáng)度60 mm/h不同PAM濃度對(duì)產(chǎn)沙率的影響Fig. 4 Effects of rainfall intensity of 60 mm/h on sand production rate by different PAM concentrations

本次試驗(yàn)中平均產(chǎn)沙率隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大,隨著PAM濃度的增大而減小。將降雨強(qiáng)度和PAM濃度與施加PAM后的坡面平均產(chǎn)沙率進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)三者的關(guān)系可以用二元冪函數(shù)進(jìn)行描述,相關(guān)關(guān)系用擬合方程來(lái)表示,平均產(chǎn)沙率(ME)與降雨強(qiáng)度(I)為正相關(guān),與PAM濃度(P)為負(fù)相關(guān)。且降雨強(qiáng)度的冪指數(shù)(1.299 )顯著大于PAM濃度的冪指數(shù)(-0.314 ),即降雨強(qiáng)度對(duì)平均產(chǎn)沙率的影響大于PAM濃度對(duì)平均產(chǎn)沙率的影響。擬合方程為:

ME=0.000261I1.299P-0.314

(R2=0.9886,p=0.05)

(2)

式中:ME為平均產(chǎn)沙率〔kg/(m2·min)〕;I為降雨強(qiáng)度(mm/h);P為PAM濃度(g/m2)。

2.3 不同降雨條件下PAM濃度與坡面水沙關(guān)系

由表1可知,在降雨強(qiáng)度90 mm/h和60 mm/h兩種降雨條件下,與PAM濃度0 g/m2坡面徑流量和產(chǎn)沙量相比較,3 g/m2坡面徑流量分別減少了24.36%,15.53%,產(chǎn)沙量分別減少了34.78%,38.74%;4 g/m2的坡面徑流量分別減少了16.26%,12.48%,產(chǎn)沙量分別減少了44.24%,51.33%; PAM濃度5 g/m2時(shí),坡面產(chǎn)沙量最小,分別減少了52.12%,55.36%,但是5 g/m2的坡面徑流量減少了9.43%,1.92%。分析得出施加PAM可以有效地降低坡面的徑流量,但PAM濃度大于3 g/m2時(shí),PAM對(duì)坡面徑流的調(diào)控效果隨濃度增大逐漸減弱。坡面的產(chǎn)沙量隨著PAM濃度的增大均呈現(xiàn)顯著減小的趨勢(shì)。隨著PAM濃度的增加,坡面的產(chǎn)沙率將減小。出于對(duì)產(chǎn)流、產(chǎn)沙效果考慮,認(rèn)為PAM濃度4 g/m2對(duì)坡面侵蝕綜合預(yù)防效果最好。

表1 坡面徑流產(chǎn)沙量Table 1 Slope runoff sand production scale

2.4 不同降雨強(qiáng)度下PAM濃度對(duì)坡面流速的影響

圖5—6為不同降雨強(qiáng)度條件下各坡面的流速情況。兩種雨強(qiáng)下,施加不同濃度PAM的坡面在整個(gè)降雨歷時(shí)中流速呈現(xiàn)出降雨初期增加,當(dāng)流速達(dá)到一定之后,開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。與對(duì)照組相比,施加PAM坡面流速在降雨歷時(shí)中期之前略小。其原因在于降雨初期PAM與降水結(jié)合發(fā)揮了自身的粘結(jié)作用,增大了坡面阻力,使坡面的流速減小。另外,施加PAM的坡面面對(duì)降雨的擊濺作用會(huì)形成水跌,進(jìn)一步地減慢流速。到了降雨的后期,隨著降雨匯流對(duì)坡面的沖刷,坡面PAM濃度下降,流速的差異將不再明顯。不同降雨強(qiáng)度下的波動(dòng)程度有所差異,降雨強(qiáng)度為90 mm/h坡面流速波動(dòng)要大于60 mm/h,這說(shuō)明降雨強(qiáng)度的增加雨強(qiáng)對(duì)流速的擾動(dòng)也隨之加大。從平均流速變化曲線中看出,同一雨強(qiáng)下,PAM對(duì)流速的降低效果存在拐點(diǎn),降雨強(qiáng)度60 mm/h,90 mm/h最小流速分別發(fā)生在4 g/m2,3 g/m2坡面。且施加PAM的坡面平均流速均小于未施加PAM的坡面。流速的減慢會(huì)導(dǎo)致水流徑流剪切力的減低,有利于土壤抗侵蝕性能的增強(qiáng)。

圖5 降雨強(qiáng)度60 mm/h下不同PAM濃度對(duì)流速的影響Fig. 5 The influence of different PAM concentrations on the flow velocity under the rainfall intensity of 60 mm/h

圖6 降雨強(qiáng)度90 mm/h下不同PAM濃度對(duì)流速的影響Fig. 6 The influence of different PAM concentrations on the flow velocity under the rainfall intensity of 90 mm/h

本次試驗(yàn)中平均流速隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大,隨著PAM濃度的增大先減小后增大。將不同降雨強(qiáng)度和PAM濃度與平均流速進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)三者的關(guān)系可以用二元冪函數(shù)進(jìn)行描述,決定系數(shù)0.942 9,顯著性水平0.05。平均流速(MV)與降雨強(qiáng)度(I)的冪指數(shù)(0.558 4)呈正相關(guān),與PAM濃度(P)的冪指數(shù)(-0.058)呈負(fù)相關(guān)。且降雨強(qiáng)度的冪指數(shù)大于PAM濃度的冪指數(shù),即降雨強(qiáng)度對(duì)平均流速的影響大于PAM濃度的對(duì)平均流速的影響。擬合方程為:

MV=0.0047I0.5584P-0.0580

(R2=0.9429,p=0.05)

(3)

式中:MV為平均流速(m/s);I為降雨強(qiáng)度(mm/h);P為PAM濃度(g/m2)。

2.5 坡面侵蝕動(dòng)力學(xué)分析

雷諾數(shù)(Re)作為判別水流型態(tài)的無(wú)量綱參數(shù),根據(jù)明渠均勻流判別準(zhǔn)則,Re<500時(shí),為層流;500≤Re≤2000時(shí),為過(guò)渡流;當(dāng)Re>2000,為紊流。根據(jù)表2中數(shù)據(jù)可知,兩種雨強(qiáng)下,雷諾數(shù)隨著PAM濃度的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。雨強(qiáng)的增加,雷諾數(shù)也開(kāi)始增加。其原因在于雨強(qiáng)的增加導(dǎo)致坡面的徑流量開(kāi)始增加,徑流量的大小影響了雷諾數(shù)的變化。也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)降雨過(guò)程中雷諾數(shù)的變化也與坡面的侵蝕狀態(tài)的變化有關(guān)[25]。

表2 不同降雨強(qiáng)度-PAM濃度條件下坡面水動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2 Slope hydrodynamic parameters under different rainfall intensity-PAM concentration conditions

弗洛德數(shù)(Fr)表征慣性力和重力比值的無(wú)量綱數(shù),綜合體現(xiàn)了水流流速和水深大小的關(guān)系。當(dāng)Fr<1時(shí),水流為緩流;Fr=1時(shí),水流為臨界流;當(dāng)Fr>1時(shí),水流為急流。本次試驗(yàn)各坡面的弗洛德數(shù)均小于1,水流流態(tài)為緩流。根據(jù)之前學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)弗洛德數(shù)小于0.8時(shí),坡面侵蝕狀態(tài)以面蝕為主[26]。侵蝕溝深度也相對(duì)較淺。弗羅德數(shù)隨PAM的變化規(guī)律性不強(qiáng),這可能與PAM在坡面的施用不均所導(dǎo)致。

徑流剪切力(τ)是描述徑流流動(dòng)對(duì)坡面的侵蝕能力的參數(shù)。徑流剪切力越大,被剝離的土壤顆粒越多。將本次試驗(yàn)降雨強(qiáng)度(I)和PAM濃度(P)與徑流剪切力(τ)進(jìn)行多元回歸分析,冪函數(shù)擬合方程為:

τ=0.7420I0.2398P0.1006

(R2=0.8886,p<0.05)

(4)

由回歸方程分析可知,徑流剪切力與降雨強(qiáng)度和PAM濃度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系,且降雨強(qiáng)度對(duì)徑流剪切力的影響要大于PAM濃度。

水流功率(ω)是剝蝕定量的土壤所需的功率。兩種雨強(qiáng)下,未施加PAM的坡面水流功率最大。隨著降雨強(qiáng)度的增加,水流功率也顯著增加。將降雨強(qiáng)度(I)和PAM濃度(P)與水流功率(ω)進(jìn)行多元回歸分析,三者關(guān)系式如下:

ω=0.003I0.8199P0.0755

(R2=0.9349,p<0.05)

(5)

單位水流功率(U)被表述為單位重量水體對(duì)坡面做功而消耗的功率。將降雨強(qiáng)度(I)和PAM濃度(P)與水流功率(U)進(jìn)行多元回歸分析,三者關(guān)系式如下:

U=0.0012I0.5521P-0.0350

(R2=0.9274,p<0.05)

(6)

2.6 坡面侵蝕的形態(tài)特征

坡面的侵蝕不但造成嚴(yán)重的土壤流失,且其塑造的侵蝕形態(tài)對(duì)坡面徑流侵蝕動(dòng)力機(jī)制有重要影響,研究坡面侵蝕的形態(tài)特征對(duì)揭示坡面土壤侵蝕本質(zhì)有重要意義。不同雨強(qiáng)下,未施加PAM和PAM濃度4 g/m2為例進(jìn)行分析。從圖7A—B中可知,在降雨強(qiáng)度60 mm/h時(shí),坡面侵蝕主要以面蝕為主。0 g/m2坡面中、下部侵蝕較為嚴(yán)重。施加PAM的坡面受到降雨濺蝕作用,坡面的坑洼感較強(qiáng),隨著施加量的增大,坡面侵蝕量逐漸減小,坡面也愈加平整。PAM濃度4 g/m2坡面的防侵蝕效果最好,通過(guò)提取出侵蝕嚴(yán)重區(qū)域,侵蝕嚴(yán)重區(qū)域提取的侵蝕深度≥2 cm,其施加PAM最大侵蝕深度2.57 cm,坡面平均侵蝕深度為1.04 cm,侵蝕嚴(yán)重區(qū)域面積為0.051 m2,占坡比面積比例的8.5%。從圖7C—D中可知,坡面仍以面蝕為主,但由于雨強(qiáng)的增加,坡面出現(xiàn)了細(xì)溝。相比60 mm/h坡面,由于雨強(qiáng)的增加,坡面侵蝕嚴(yán)重區(qū)域面積、最大深度、侵蝕平均深度均有所上升。施加PAM坡面均起到了防侵蝕的效果,此雨強(qiáng)下,4 g/m2的防侵蝕效果最好,相比3 g/m2坡面侵蝕區(qū)域減小了0.055 m2,平均侵蝕深度減少了0.246 cm,防侵蝕能力提升最為明顯(表3)。

表3 降雨強(qiáng)度和PAM濃度與坡面侵蝕形態(tài)參數(shù)Table 3 Rainfall intensity and PAM concentration and slope erosion morphological parameters table

注:圖中黃色為受侵蝕區(qū)域。圖7 60 mm/h,90 mm/h雨強(qiáng)下不同PAM濃度坡面侵蝕形態(tài)Fig. 7 60 mm/h, 90 mm/h rain intensity under different PAM concentration slope erosion patterns

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

目前學(xué)者對(duì)東北土壤水力侵蝕的研究大多集中于坡耕地以及丘陵地區(qū)土壤侵蝕,對(duì)堤防坡面土壤侵蝕的研究相對(duì)較少。東北黑土區(qū)堤防坡面土壤侵蝕狀況相比坡耕地和自然丘陵?duì)顩r有所不同。首先,堤防坡面的土壤含水量相對(duì)較大,在降雨條件下更容易發(fā)生產(chǎn)流,引起土壤侵蝕現(xiàn)象。土壤含水量較大也將導(dǎo)致坡面受凍融作用更為嚴(yán)重,導(dǎo)致堤防坡面土壤性質(zhì)和滲透特性的變化。齊吉琳等[27]研究發(fā)現(xiàn)堤防經(jīng)過(guò)凍脹作用后體積將增大9%,最終造成土壤孔隙率增加。凍融作用重疊在水蝕工程中,將間接地加大水土流失程度。王恩姮等[28]研究不同含水率東北典型土壤受凍融作用后土壤團(tuán)聚體組成,發(fā)現(xiàn)有水分補(bǔ)充時(shí),加劇了團(tuán)聚體的拆分,<2 mm干篩團(tuán)聚體和0.25～1 mm水穩(wěn)團(tuán)聚體含量顯著上升。其次東北耕地及漫崗的坡度一般為1°～8°,而堤防坡面的坡度一般為1∶3。坡度的大小決定了徑流的沖刷和搬運(yùn)能力,這也決定了東北堤防坡面侵蝕與其他侵蝕的不同之處。李洪麗等[29]研究發(fā)現(xiàn)同一降雨條件下,黑土區(qū)坡面在12°～15°存在一個(gè)臨界坡度,當(dāng)坡度<12°時(shí),隨著坡度的增加,坡面的侵蝕程度將加重;當(dāng)坡度超過(guò)臨界坡度后,坡面的侵蝕程度將大幅下降。劉青泉等[30]發(fā)現(xiàn)降雨量和徑流水深隨著坡度的增大而減小;而坡面流速、坡面的徑流剪切力都存在臨界坡度。東北黑土區(qū)堤防土壤侵蝕在土壤特性、侵蝕環(huán)境等方面相比其他侵蝕差異顯著,所以對(duì)東北堤防侵蝕機(jī)理進(jìn)行深入研究,將有助于東北堤防的防治。

土壤本身的特性對(duì)PAM的施用效果起著關(guān)鍵性作用,正如于健[31]、唐澤軍[32]、劉紀(jì)根[33]等研究,對(duì)于土壤本身結(jié)構(gòu)較好的土壤,PAM的加入能夠維護(hù)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),打通土壤的下滲路徑,提高土壤的入滲。對(duì)于結(jié)構(gòu)較差的土壤,施加PAM反而會(huì)降低其入滲。PAM的施用效果也會(huì)受到雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)等多方因素共同影響,正如王輝等[34]PAM對(duì)砂黃土入滲特性研究結(jié)果表明,大雨強(qiáng)短歷時(shí)的降雨條件下施加PAM的坡面土壤入滲效果會(huì)提高,但在長(zhǎng)時(shí)間的降雨溶解和淋溶下,PAM的減流作用將受到削減,將會(huì)影響入滲的效果。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),PAM的施用量和土壤的抗侵蝕能力并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,超出或少于適宜的濃度都會(huì)對(duì)防侵蝕效果產(chǎn)生影響。正如夏海江[35]、員學(xué)鋒[36]等研究表明,當(dāng)濃度過(guò)小時(shí),改良土壤的效果不明顯,無(wú)法打開(kāi)土壤的下滲通道;當(dāng)濃度過(guò)大時(shí)過(guò)量的PAM并不能充分發(fā)揮作用,還可能阻塞原有的下滲路徑,導(dǎo)致土壤入滲率的降低。所以說(shuō)PAM的施用應(yīng)先考慮到土壤結(jié)構(gòu)、氣候因素、施用方法等因素的影響,才可達(dá)到預(yù)期的效果,并非濃度越大,效果越好。

3.2 結(jié) 論

(1) 在同一降雨條件下,向黑土區(qū)壤質(zhì)土堤防坡面施加PAM減流減沙效果明顯,最大可減流82.9%,最大可減沙43.19%。隨著向堤防坡面施加的PAM濃度增加,坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙趨勢(shì)并不相同。隨著施加PAM濃度的增加,坡面的產(chǎn)沙量而減少;坡面的產(chǎn)流量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。從坡面侵蝕和經(jīng)濟(jì)角度考慮,適用于該地堤防的PAM濃度為3 g/m2。

(2) 計(jì)算黑土區(qū)堤防坡面水流的雷諾數(shù)(Re)和弗羅德數(shù)(Fr),辨別出水流形態(tài)為層流,流態(tài)為緩流。徑流剪切力、水流功率、單位水流功率與降雨強(qiáng)度和PAM濃度展現(xiàn)出良好的冪函數(shù)關(guān)系,降雨強(qiáng)度對(duì)參數(shù)的影響較大。

(3) 堤防坡面的侵蝕形態(tài)主要以面蝕為主,施加PAM使得侵蝕嚴(yán)重區(qū)域的面積相較未施加PAM坡面減少了70.38%,起到了一定的侵蝕控制效果。隨著降雨強(qiáng)度的增加,堤防坡面的侵蝕方式從面蝕開(kāi)始向細(xì)溝侵蝕發(fā)展。