黃河中游砒砂巖區(qū)抗蝕促生技術研究

肖培青，姚文藝，申震洲，焦　鵬

(黃河水利科學研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003)

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黃河中游砒砂巖區(qū)抗蝕促生技術研究

肖培青，姚文藝，申震洲，焦鵬

(黃河水利科學研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003)

抗蝕促生技術；W-OH促生材料；砒砂巖改性材料；二元立體配置模式；砒砂巖區(qū)；黃河中游

砒砂巖區(qū)是黃土高原生態(tài)環(huán)境極度脆弱、土壤侵蝕最為劇烈的區(qū)域，同時又是黃河粗泥沙集中來源區(qū)，研究砒砂巖區(qū)抗蝕促生技術具有重要意義。在對以往有關砒砂巖區(qū)水土流失治理技術研究成果綜述的基礎上，重點介紹了近年來的抗蝕促生技術，包括研發(fā)的適合于黃河中游砒砂巖地區(qū)的抗蝕促生材料、砒砂巖改性筑壩材料，以及砒砂巖地區(qū)抗蝕促生措施二元立體配置模式。據(jù)野外試驗觀測，抗蝕促生試驗小區(qū)徑流量減少70%以上、產沙量減少91%以上，表明研發(fā)的抗蝕促生材料和創(chuàng)建的二元立體配置模式達到了防治砒砂巖區(qū)水土流失和快速修復生態(tài)的目的。

砒砂巖區(qū)域約為1.67萬km2，主要分布在以內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗為中心的晉陜蒙接壤區(qū)[1]。發(fā)源于砒砂巖區(qū)的多條黃河一級支流如皇甫川、窟野河、十大孔兌(孔兌，蒙古語，指河谷)成為黃河多沙粗沙的主要來源。該區(qū)平均每年進入黃河的2億t泥沙中，有1億t為粗泥沙，且?guī)缀跞坑俜e在黃河下游河道中，占到黃河下游河道每年平均淤積量的25%。大量粗泥沙淤積使黃河下游河道成為聞名于世的“地上懸河”，顯著降低了河道排洪能力，對黃河下游兩岸及相關地區(qū)的防洪安全構成了極大的威脅。砒砂巖地區(qū)立地條件差、水資源匱乏，生物措施難以全面實施。另外，砒砂巖黏性極低、孔隙率很高，加之強度小，難以作為淤地壩等水土保持工程建設的材料，使攔沙很有效的淤地壩工程措施難以實施。因此，砒砂巖區(qū)治理難度極大，現(xiàn)有技術措施難以有效解決砒砂巖區(qū)嚴重的水土流失問題，砒砂巖區(qū)水土流失有效治理技術仍是需要突破的關鍵技術之一。開展黃河中游砒砂巖區(qū)抗蝕促生技術集成與示范研究，開發(fā)有效治理砒砂巖區(qū)水土流失的關鍵技術，對于保障黃河流域生態(tài)安全具有重大意義。

1　砒砂巖區(qū)水土流失治理研究回顧

砒砂巖地區(qū)水土流失治理措施主要有生物措施和工程措施兩大類。1985年，水利專家錢正英提出“以開發(fā)沙棘資源作為加速黃土高原治理的一個突破口”，開始了砒砂巖區(qū)生物治理水土流失的新戰(zhàn)略。之后，畢慈芬等提出以沙棘植物柔性壩來攻克砒砂巖地區(qū)水土流失的新構想，這是因為沙棘植物叢具有攔沙固沙的作用，并且可以過水，故稱為植物柔性壩[2]。1998年水利部啟動實施晉陜蒙砒砂巖沙棘生態(tài)工程，開始了利用沙棘大規(guī)模治理砒砂巖區(qū)水土流失的工作[3]。然而，植物柔性壩僅能在砒砂巖侵蝕溝的底部種植，不能解決砒砂巖區(qū)坡面及溝坡的水土流失問題。綏德水土保持科學試驗站曾在砒砂巖地區(qū)開展了淤地壩建設試驗，所用材料主要為溝口沉積物和砒砂巖風化物。近期，陜西省地產開發(fā)服務總公司、中國科學院地理科學與資源研究所、西安理工大學聯(lián)合開發(fā)了用沙和砒砂巖造地的技術[4]，該項研究基于砒砂巖與沙兩種物質結構在成土中具有互補性的原理，提出了通過合理配方，將砒砂巖與沙組合，復配成為新型“土壤”的人造耕地的技術。但是，該項技術主要用于沙地改造，還難以有效解決大面積砒砂巖區(qū)的水土流失防治問題。2011年，西北農林科技大學開展了砒砂巖區(qū)EN-1固化劑固化邊坡抗沖穩(wěn)定性機理試驗研究[5]。EN-1固化劑是在20世紀50年代末由美國化學家雷諾教授研制出的一種利用現(xiàn)場土壤修路的新型土壤穩(wěn)固劑，在水力侵蝕、重力侵蝕和風力侵蝕交互耦合的侵蝕環(huán)境下還不能滿足固土、抗蝕、促生、蓄水的綜合性能要求，難以解決砒砂巖區(qū)溝道陡坡侵蝕治理的問題。

2　抗蝕促生技術

2.1W-OH抗蝕促生材料

W-OH抗蝕促生材料是在原有親水性聚氨酯材料的基礎上融合納米改性、組成結構改變及功能材料復合技術，由異氰酸酯、聚醚多元醇和多種功能性改性材料在特定溫度、時間、配比條件下經(jīng)過聚合而得到的改性親水性聚氨酯復合材料[6]。

將含水率約為30%的砒砂巖放入到直徑50 mm、高度5 000 mm的透明亞克力管中，表面分別用濃度為3%、4%、5%的W-OH和0.5%的保水劑Aquasorb進行噴灑，形成厚度約為1 mm的固結層，然后分別于0、6、18、42、90、162、258、618、810、1 050、1 290 h，在距表面10～15 cm深的位置取砒砂巖試樣測定其含水率，測定結果見圖1。由圖1看出，空白組砒砂巖試樣含水率降低較為迅速，而噴灑不同濃度W-OH及Aquasorb的試樣含水率下降緩慢，與空白試樣相比，時間越長保水效果越明顯；在歷時800 h后，不加抗蝕促生材料的空白試樣含水率從約21%降至約12%，而加抗蝕促生材料的試樣同期含水率基本維持不變。相同時間內，噴灑不同濃度W-OH的試樣含水率相差不大，說明噴灑濃度為3%就可以取得較好的保水效果。

圖1　不同濃度W-OH抗蝕促生材料的保水效果

W-OH抗蝕促生材料具有較高的保水性能，其原因是砒砂巖原巖內部松散，顆粒棱角分明，黏結性差，而噴灑W-OH溶液后在砒砂巖顆粒表面形成包裹層，使得砒砂巖顆粒變大，表面開始變得粗糙，密集性提高，相對提高了顆粒間的接觸面積，且W-OH在砒砂巖表面形成了一層凝膠體，提高了其黏結性，并且能阻止水分從砒砂巖中蒸發(fā)流失。

2.2砒砂巖改性材料筑壩

砒砂巖遇水膨脹潰散的主要原因是其巖石成分中含有大量的易膨脹潰散的親水性蒙脫石，在砒砂巖中添加抑制蒙脫石等礦物的改性劑、膠凝抑制劑以后，能明顯降低其膨脹性，同時其力學強度可得到顯著改善。根據(jù)這一原理，通過大量篩選試驗研究，成功研發(fā)了砒砂巖改性材料，并于2015年建設了一座砒砂巖改性材料淤地壩示范工程(圖2)。

砒砂巖改性材料筑壩技術是利用力學、化學試驗等進行材料及筑壩工藝的模擬分析，并進一步現(xiàn)場驗證壩體設計方案及改性材料筑壩關鍵工序，建立相應的反饋機制，形成研發(fā)設計—室內模擬—現(xiàn)場驗證反饋的原巖改性材料筑壩技術。砒砂巖改性材料淤地壩建在皇甫川流域的二老虎溝小流域，由壩體和放水工程兩大件組成，壩高10.03 m，控制流域面積0.31 km2，總庫容3.26萬m3，攔泥庫容0.44萬m3，淤積年限10年。根據(jù)國家關于淤地壩壩體的穩(wěn)定性、透水性等工程力學性能及攔蓄泥沙功能的相關指標標準要求，在筑壩實施過程中，對分層碾壓筑壩材料的力學參數(shù)進行了檢測，主要測試參數(shù)包括干密度、含水率、滲流系數(shù)，以及抗剪強度、內摩擦角等。研究結果表明，材料的最優(yōu)含水量在11%左右，不同碾壓層的滲流系數(shù)都在1.8×10-7m/s以下，砒砂巖改性后抗剪強度由48 kPa增加到74 kPa，內摩擦角大于35°，改性材料滿足規(guī)范要求[7]。此淤地壩的建成為在砒砂巖區(qū)利用改性材料建設淤地壩提供了范例，可為砒砂巖區(qū)水土流失治理提供技術支撐。

圖2　砒砂巖改性材料淤地壩

2.3二元立體配置治理技術集成與示范模式

砒砂巖地區(qū)侵蝕類型多，水蝕是主要侵蝕類型，一般發(fā)生在坡頂、坡面，重力侵蝕發(fā)生在坡度大于40°的陡坡和溝坡，崩塌主要發(fā)生在60°以上的溝坡上。砒砂巖區(qū)溝谷地產沙量占小流域總產沙量的79.39%～84.14%，溝間地產沙量占總產沙量的15.86%～20.61%[8]，砒砂巖的產流和產沙能力均高于當?shù)氐狞S土和風沙土[9]。通過野外調查分析，覆沙砒砂巖穩(wěn)定角度集中在35°左右，覆蓋黃土的砒砂巖坡面穩(wěn)定角度在35°～45°，白色砒砂巖裸露坡面的坡度集中在35°～70°，紅白交錯層坡度集中在35°～45°，少量坡面坡度大于70°[10]?；谂皫r地區(qū)的侵蝕環(huán)境及侵蝕規(guī)律，開展了適合種植于坡頂、坡面、溝坡和溝床的植被類型研究、不同類型植被的空間立體配置模式及其對環(huán)境影響的調控機制研究，提出了砒砂巖治理的二元立體配置模式，即抗蝕促生材料措施-工程措施-生物措施有機組合的措施單元、坡面-溝道系統(tǒng)地貌單元相適配的水土流失治理集成技術與模式，見圖3。

如圖3所示，二元立體配置示范區(qū)分為5個區(qū)，A區(qū)為梁峁頂，B區(qū)為70°以上的坡面，C區(qū)為35°～70°的坡面，D區(qū)為35°以下的緩坡，E區(qū)為溝道。不同的空間結構分別配置不同的治理措施。梁峁頂?shù)貏萜教?，適宜營造大面積人工林，配置模式為油松(A1)+沙棘(A3)，溝沿線維護措施采取的配置模式為在距離溝沿2～3 m處營造2行檸條(A2)護崖林帶，并在距離溝沿1.5～2 m處挖截流溝(A0)。70°以上的坡面植被難以生長，治理措施為噴灑濃度6%以上的W-OH進行完全固化(B0)，防止水蝕和風蝕，進而穩(wěn)定坡面。35°～70°坡面治理措施采取植物措施與工程措施相結合的方式，深挖魚鱗坑整地，種植沙棘(C1)+冰草(C2)，林間挖淺坑條播草籽，噴施濃度為4%～6%的W-OH(C0)。35°以下坡面土壤松軟，適宜植物生長，治理措施為沙棘(D1)+冰草、披堿草(D2)，坡腳植沙柳疏林(D0)，同時在坡面開挖水平溝種植沙棘，噴施濃度為2%～4%的W-OH，達到促生滯水攔沙的目的。溝道水分充足、土壤疏松，適宜草本植物和根系發(fā)達的喬灌植被生長，采取柳樹(E1)+沙柳(E2)、沙棘(E3)+冰草(E4)組成的植物措施，并在V形溝道的適當位置布置沙柳或沙棘柔性壩以控制溝道側向侵蝕。在示范區(qū)下游的干流溝道適當位置修建砒砂巖改性材料淤地壩(E0)，用于攔沙造地。

圖3　二元立體配置模式示意

3　示范區(qū)抗蝕促生試驗效果

大面積示范試驗表明，在砒砂巖區(qū)創(chuàng)建的二元立體配置模式達到了防治水土流失和快速修復生態(tài)的目的，砒砂巖抗蝕促生示范區(qū)建設效果如圖4。砒砂巖治理試驗區(qū)種植的林草，經(jīng)過4個月的生長期，生長高度達100 cm以上，覆蓋度達到75%以上，說明研發(fā)的抗蝕促生材料具有較好的促生功能，示范區(qū)二元立體配置模式在促生、抗蝕兩方面均取得了明顯效果。

圖4　示范區(qū)植被覆蓋狀況

根據(jù)2014—2016年每年7—9月對示范區(qū)徑流小區(qū)的野外觀測，共發(fā)生6次產流，通過徑流泥沙實測資料分析，與無措施的裸露對照區(qū)相比，布設抗蝕促生措施的治理小區(qū)不僅植被生長良好，而且產流產沙量明顯減少，徑流量減少70%以上，產沙量減少91%以上(表1)，2016年8月11日最大次降雨的減流效益達到93.8%，減沙效益達到97.5%。試驗結果表明，研發(fā)的抗蝕促生材料、抗蝕固結材料初步達到了設計的功能，提出的砒砂巖抗蝕促生治理模式是可行的。

表1　抗蝕促生措施減流減沙效益

[1] 王愿昌,吳永紅,寇權,等.砒砂巖分布范圍界定與類型區(qū)劃分[J].中國水土保持科學,2007,5(1):4-8.

[2] 畢慈芬,李桂芬.沙棘在治理砒砂地區(qū)水土流失中的特殊功能[J].水利水電快報,1998,19(18):1-3.

[3] 尤代強.大力發(fā)展沙棘資源是減少入黃粗泥沙的好措施[J].沙棘,2004,17(4):4-6.

[4] 韓霽昌,劉彥隨,羅林濤.毛烏素沙地砒砂巖與沙快速復配成土核心技術研究[J].中國土地科學,2012,26(8):87-94.

[5] 蘇濤,張興昌.EN-1對砒砂巖固化土坡面徑流水動力學特征的影響[J].農業(yè)機械學報,2011,42(11):490-495.

[6] 梁止水,楊才千,吳智仁.W-OH與砒砂巖固結體力學性能研究[J].人民黃河,2016,38(6):30-34.

[7] 楊大令,張婷婷,韓俊南,等.利用改性砒砂巖修筑淤地壩研究[J].人民黃河,2016,38(6):42-45.

[8] 王曉.“粒度分析法”在小流域泥沙來源研究中的應用[J].水土保持研究,2002,9(3):42-43.

[9] 唐政洪,蔡強國,李忠武,等.內蒙古砒砂巖地區(qū)風蝕、水蝕及重力侵蝕交互作用研究[J].水土保持學報,2001,15(2):25-29.

[10] 喬貝,張磊,馮偉風,等.砒砂巖區(qū)典型坡面穩(wěn)定特征及空間組合結構[J].人民黃河,2016,38(6):26-29.

(責任編輯徐素霞)

國家科技支撐計劃項目(2013BAC05B04)

S157.2；TV882.1

B

1000-0941(2016)09-0073-03

肖培青(1972—)，女，河南衛(wèi)輝市人，教授級高級工程師，博士，主要從事土壤侵蝕過程模擬研究。

2016-08-03