微生物誘導(dǎo)礦化加固粉土坡面的徑流與侵蝕特性

邵光輝，楊 智，唐 彪，劉 鵬，黃容聘，趙志峰

1. 南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037；2. 南京林業(yè)大學 江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，南京 210037

1 引言

中國的黃土高原是地球上分布最集中、面積最大的黃土區(qū)，也是世界上水土流失最嚴重的地區(qū)之一（李宗善等，2019；Ni et al., 2019）。流經(jīng)黃土高原的黃河攜帶大量泥沙在其下游形成了大面積的沖積平原。黃土經(jīng)黃河的剝蝕、搬運和沉積，成為了黃河下游沖積平原的主要沉積物——粉土。這些粉土具有難壓實、易沖刷、強度低的特點。在該地區(qū)的道路、水利和農(nóng)業(yè)工程中，常常出現(xiàn)由于降雨沖刷引發(fā)的路堤、河壩、堤岸以及自然邊坡的侵蝕破壞與水土流失問題（宋修廣等，2010）。采用水泥或高分子固化劑的化學加固是提高粉土抗侵蝕能力的常用方法（Wang et al., 2019；馬征等，2020）。但是生產(chǎn)水泥的過程高耗能、高排放，而高分子固化劑易在土中長期殘留、難以降解。人們期待能夠有更加綠色、環(huán)保的固土材料提高粉土的抗侵蝕問題。

微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）是一種微生物礦化過程，利用其機理可以膠結(jié)加固松散土體，具有綠色環(huán)保的特點。該技術(shù)可以提高土壤的抗侵蝕性能、改善土壤的強度、剛度和滲透性（Mortensen et al., 2011; Jiang et al., 2017），近年來引起廣大學者的關(guān)注，并嘗試將其應(yīng)用于不同種類巖土體的表面抗侵蝕防護。

Gomez等（2015）開展了微生物固化砂土表面的現(xiàn)場試驗，在砂土表層形成了厚2.5 cm的表面固化層，水流侵蝕測試表明微生物固化層的抗侵蝕能力顯著高于未處理砂土。 Salifu等（2016）嘗試將MICP技術(shù)用于加固海岸前濱砂坡，用以抵抗潮汐侵蝕，微生物膠結(jié)砂顯著改善了邊坡穩(wěn)定性和抗侵蝕性，展現(xiàn)了護坡抗侵蝕的巨大潛力。劉璐等（2016）采用噴灑法的MICP技術(shù)處理細砂堤壩表層，開展了水流侵蝕模型試驗，結(jié)果表明，微生物加固堤壩表層能有效提高其抗侵蝕與抗?jié)B能力。邵光輝等（2017）采用以中砂為骨料的微生物砂漿對粉土坡面進行防護處理，坡面防護層貫入阻力達310 kPa，浸水強度損失率和崩解率低，具有良好的水穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。謝約翰等（2019）用噴灑法對黏性土表層進行微生物加固后，發(fā)現(xiàn)土樣的崩解速率遠低于未加固素土，土樣的細顆粒質(zhì)量分數(shù)減少，粗粒土質(zhì)量分數(shù)增加，土樣表面結(jié)皮，提高了黏性土的抗侵蝕能力。Kou等（2020）研究了不同坡角下微生物固化砂坡的抗海浪沖刷侵蝕能力，發(fā)現(xiàn)砂坡的抗侵蝕能力與表面硬化層的貫入阻力呈非線性關(guān)系，經(jīng)微生物加固處理后，砂坡內(nèi)的砂粒之間存在連鎖膠結(jié)現(xiàn)象，提高了砂的抗侵蝕能力。

本研究通過室內(nèi)模擬降雨沖刷試驗，分析微生物誘導(dǎo)礦化加固對粉土坡面徑流水動力參數(shù)的影響，以及粉土坡面的降雨侵蝕性能變化規(guī)律，探討影響加固粉土坡面徑流與侵蝕特性的因素及其相互關(guān)系，為微生物固土技術(shù)在水土保持和工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供科學基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 試驗土樣

粉土取自于江蘇省鹽城市，土粒比重ds=2.7，液限wL=21.2%，塑性指數(shù)Ip=8.0，粒徑分布在<0.01、0.01~0.05、>0.05~0.1和0.1~1.0 mm的土壤顆粒質(zhì)量分數(shù)分別為9.72%、54.3%、28.91%和7.07%。試驗前將土樣置于105.5℃恒溫烘箱中烘干48 h。

2.2 菌種、營養(yǎng)液及膠結(jié)液

巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii)來自德國菌種保藏中心（DSMZ33）。每L營養(yǎng)液含15 g胰蛋白胨、5 g大豆蛋白胨、5 g NaCl、20 g尿素，加入去離子水并調(diào)節(jié)pH至7.3，經(jīng)121℃高溫蒸汽滅菌20 min。將菌種接種至營養(yǎng)液中，在30℃和135 r/min的培養(yǎng)條件下恒溫振蕩培養(yǎng)20 h后制成菌液，濃度OD600為1.6，酶活性控制在8.0 mM urea hydrolysed/ min左右。在用于粉土表面噴灑前，將菌液用營養(yǎng)液稀釋至濃度為1.2×106CFU/mL。

膠結(jié)液是尿素與氯化鈣的等摩爾濃度混合溶液，采用0.75 mol/L和1.00 mol/L兩種濃度的膠結(jié)液進行試驗。

2.3 試驗裝置

降雨裝置如圖1，該裝置主要由雨滴發(fā)生器、降雨支架、沖刷槽、集水槽等組成。雨滴發(fā)生器的有效降雨面積為90 cm×30 cm，降雨均勻性系數(shù)K=0.89＞0.85，能夠理想地模擬自然降雨（Mohamed et al., 2019；Zhang et al., 2017）。模擬降雨強度Q=216 mm/h，達到暴雨級別（Jiang et al., 2014）。沖刷槽是不銹鋼材質(zhì)的無蓋淺槽（120 cm×30 cm× 5 cm），底部均勻分布直徑5 mm的孔洞供沖刷過程中下滲雨水流出。通過調(diào)整沖刷槽下墊塊可以改變試樣的坡度。

圖1 降雨裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of rainfall device

2.4 試樣制備與試驗方法

在沖刷槽底部鋪一層土工布，將粉土均勻鋪設(shè)在土工布上并壓實整平，粉土厚度5 cm，干密度為1.38 g/cm3，孔隙比0.96。向試樣表面均勻噴灑用營養(yǎng)液稀釋后的菌液，噴灑完畢后靜置 8 h，讓細菌在表層土體孔隙中繁殖生長；然后噴灑膠結(jié)液，靜置16 h，完成一輪加固。根據(jù)試驗規(guī)劃（表1）重復(fù)上述操作完成試樣加固，用于降雨沖刷試驗。同期制備4組未加固裸土試樣作為對照組，按照坡度10°、15°、20°和25°分別進行降雨沖刷試驗。

表1 試驗參數(shù)Table 1 Parameters of experiment

制備上述加固試樣的平行樣，向試樣表面噴灑純水使其完全飽和，繼續(xù)噴灑直至自由水面超過土樣表面3 cm時停止噴水，用秒表記錄水完全滲入土體的時間，計算表面入滲速率。采用PS-MPT-A 型微型貫入儀測定粉土表層的貫入強度（邵光輝等，2017）。

模擬降雨試驗中，采用用高錳酸鉀示蹤法（Zhang et al., 2017） 測定徑流流速。 起流后，在前5 min，每隔1 min測量一次坡面徑流流速；5 min后至第15 min，每隔2 min測量一次坡面徑流流速，至第20 min停止降雨。每次流速測量結(jié)束后更換集水槽，量測徑流量，并將集水槽靜置后收集所有泥沙放入105.5℃烘箱烘干48 h，稱取沖刷出的泥沙干質(zhì)量。

2.5 試驗數(shù)據(jù)處理

（1）弗勞德數(shù)（Fγ）：用于判斷雨水沖刷坡面時水流是急流或是緩流。計算式（Wu et al., 2019）為：

式中：v為坡面徑流流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；h為徑流深度，m；Q為T時間內(nèi)徑流量，m3；b為坡面徑流寬度，m；T為取樣間隔時間，s。

（2）阻力系數(shù)（f）：反映細溝下墊面對水流的阻礙能力。計算式（Tian et al., 2017; Guo et al., 2011）為：

式中：J為水力坡度，無量綱參數(shù)，取坡角的正弦值。

（3）徑流剪切力（τ）：表示引起坡面土壤顆粒分離并輸移的動力。計算式（Tian et al., 2017）為：

式中：γ為水的重度，N·m-3。

（4）徑流系數(shù)（ψ）：單位時間內(nèi)徑流量與降水量之比，反映降水除入滲之外形成坡面徑流的比例。計算式（Ali et al., 2020）為：

式中：It為徑流總量，m3；F為坡面沖刷面積，m2；Ht為總降雨量，mm。

（5）土壤剝蝕率（Dr）：反映坡面徑流在單位時間、單位面積上所沖刷出的泥沙質(zhì)量。計算式（Tian et al., 2017）為：

式中：M為測量時間T內(nèi)的產(chǎn)沙量，g；L為坡長，m。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 徑流水動力參數(shù)

弗勞德數(shù)、阻力系數(shù)與徑流剪切力能夠反映坡面徑流的狀態(tài)，以及與坡面土壤之間的相互作用。圖2是試驗過程中的弗勞德數(shù)、阻力系數(shù)與徑流剪切力隨時間的變化曲線。可見，降雨沖刷試驗過程中，加固前后的粉土坡面徑流水動力特征參數(shù)隨產(chǎn)流后降雨時間的變化而變化。

弗勞德數(shù)可判斷徑流的緩、急狀態(tài)，阻力系數(shù)用以表征坡面流所受阻力的大小。土體加固前后的弗勞德數(shù)均在1~8之間（圖2a），但是加固粉土坡面的弗勞德數(shù)較未加固粉土大幅降低，試樣表面徑流始終處于急流狀態(tài)（李永紅等，2015）。在產(chǎn)流后的前段0~3 min，以濺蝕為主，流速不斷增加，弗勞德數(shù)迅速上升，阻力系數(shù)大幅度下降，坡面較為完整；產(chǎn)流后3~5 min，以面蝕為主，坡面表層未膠結(jié)或弱膠結(jié)的土顆粒被剝蝕，坡面發(fā)生崩解并出現(xiàn)細溝，表面粗糙度增大，流速減緩，弗勞德數(shù)和阻力系數(shù)分別減小和增大并趨于穩(wěn)定。對于未加固裸土，徑流流速達到峰值后略有下降，坡面迅速形成沖溝，徑流匯集于沖溝；加固后的土樣則維持較長時間的面流狀態(tài)后才出現(xiàn)細溝侵蝕。

圖2 徑流水動力參數(shù)隨產(chǎn)流后降雨時間的變化Fig. 2 Variation of runoff hydrodynamic parameters with rainfall time after runoff generation

坡面徑流阻力主要有顆粒阻力、形態(tài)阻力、波阻力和降雨阻力（田凱等，2010），本試驗的坡面徑流的阻力主要來源于土表顆粒阻力和降雨阻力。試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)，加固粉土的表面較未加固的裸土表面更加光滑，不易形成濺蝕坑。圖2b顯示，加固試樣在產(chǎn)流后的前段0~3 min阻力系數(shù)顯著低于未加固裸土試樣，裸土試樣出現(xiàn)更多、更深的濺蝕坑增加了徑流阻力，表明微生物加固后的坡面有效地抑制了降雨的濺蝕。產(chǎn)流3 min后，不同噴灑量、加固輪數(shù)下試樣的阻力系數(shù)接近，表明噴灑量、加固輪數(shù)對阻力系數(shù)影響不大。

由圖2c可見，不同加固參數(shù)的加固粉土徑流剪切力隨產(chǎn)流后降雨時間的變化趨勢一致，經(jīng)歷初期下降、回升后，產(chǎn)流后5 min進入穩(wěn)定狀態(tài)，徑流穩(wěn)定后的徑流剪切力介于0.55~0.7 Pa之間。未加固的裸土在產(chǎn)流后0~3 min的徑流剪切力高于加固粉土，但是隨沖刷時間延長迅速下降并保持在0.4 Pa左右的較低水平。分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可以發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)流后0~5 min，雨水下滲速度較大，大量雨水直接滲入到土體內(nèi)部，徑流量較小，徑流剪切力也較弱。在產(chǎn)流5 min后，土體內(nèi)部孔隙水接近飽和，下滲速度降低，水流以表面徑流為主，徑流剪切力逐漸增大。對比圖2c中B3和B6試樣可見，二者加固參數(shù)組合不同，但是加固材料總消耗量相同，在產(chǎn)流后0~5 min，B6試樣的徑流剪切力遠高于B3試樣，進入穩(wěn)定階段后，差距縮小。其他對應(yīng)加固試樣之間也呈現(xiàn)類似情形。這一結(jié)果表明，在膠結(jié)材料等量消耗的情況下，對于采用低濃度膠結(jié)液、低加固輪數(shù)、高單次噴灑量的參數(shù)組合加固的粉土坡面，徑流剪切力更小。而膠結(jié)液濃度、加固輪數(shù)、單次噴灑量的單因素變化對徑流剪切力影響不明顯。

3.2 徑流量

在徑流穩(wěn)定階段，降雨沖刷引起的坡面侵蝕主要受徑流量和流速控制。雨水落至坡面后，一部分直接滲入到土體內(nèi)部，另一部分則形成表面徑流。在總降雨量一定的情況下，雨水入滲量越大則徑流量越低。徑流系數(shù)能夠反映單位時間內(nèi)徑流量與降雨量之比（Ali et al., 2020），因此，分析徑流系數(shù)隨坡面條件的變化能夠揭示微生物誘導(dǎo)礦化加固粉土坡面對徑流量的影響規(guī)律。

圖3是徑流系數(shù)與入滲速率的關(guān)系，徑流系數(shù)與入滲速率呈線性負相關(guān)（R2=0.857）。圖4是不同貫入強度坡面的徑流系數(shù)和入滲速率，徑流系數(shù)與坡面的貫入強度呈指數(shù)正相關(guān)（R2=0.824），入滲速率與貫入強度呈二次負相關(guān)（R2=0.930）。對比圖3與圖4可見，坡面加固強度越高，坡面入滲速率越低，入滲土體內(nèi)部的雨水占比越小，徑流系數(shù)越大。已有研究表明，微生物加固土的強度與碳酸鈣的生成量正相關(guān)（劉漢龍等，2019）。對于微生物誘導(dǎo)礦化加固的粉土坡面，強度越高則硬化層中碳酸鈣的生成量越大，碳酸鈣在增大土顆粒之間的黏結(jié)強度的同時，也填充了土體內(nèi)的部分孔隙空間，導(dǎo)致坡面的雨水入滲速率降低，表面徑流量增大。

圖3 徑流系數(shù)與入滲速率的關(guān)系Fig. 3 Relationship of runoff coefficient and infiltration velocity

圖4 不同貫入強度坡面的入滲速率與徑流系數(shù)Fig. 4 Infiltration velocity and runoff coefficient of slope surface with different penetration strength

圖5是不同坡度的微生物加固粉土坡面的徑流系數(shù)和徑流剪切力。坡度從10°增加到25°，徑流系數(shù)由0.919增大到0.947，近似線性增長（R2=0.956），但增幅僅3%。表明微生物加固粉土坡面的坡度對徑流系數(shù)一定影響，但影響不大。坡度越大，坡面徑流流速越快，雨水入滲占比越小，導(dǎo)致徑流系數(shù)越大。隨著坡度增大，徑流剪切力明顯提高，坡度從10°增加到25°，徑流剪切力提高了96%。徑流系數(shù)與坡度之間呈指數(shù)正相關(guān)（R2=0.964）。

圖5 不同坡度下的徑流系數(shù)與徑流剪切力Fig. 5 Runoff coefficient and runoff shear stress of different slopes

3.3 土壤剝蝕率

（1）剝蝕率隨時間的變化

圖6是不同加固參數(shù)下的剝蝕率隨產(chǎn)流后降雨時間的變化曲線。由圖6a可見，坡度15°的未加固裸土坡面的剝蝕率隨產(chǎn)流后降雨時間快速增長，產(chǎn)流后降雨9 min內(nèi)，試樣就已全部被剝蝕，最大瞬時剝蝕率達85.2 g/（m2s）。微生物加固后的坡面的剝蝕率隨沖刷時間緩慢增長。其中，采用較低膠結(jié)液濃度、加固輪數(shù)和單次噴灑量的試樣剝蝕率增幅最大，但最大瞬時剝蝕率不超過21.1 g/（m2s）。采用較高的膠結(jié)液濃度、加固輪數(shù)和單次噴灑量的試樣對降雨侵蝕的控制效果較好，最大瞬時剝蝕率僅為5.2 g/（m2s）。單次噴灑量0.42 L/m2的試樣剝蝕率小于單次噴灑量0.21 L/m2的試樣。在加固過程中，提高單次噴灑量的實質(zhì)是增加了菌液與膠結(jié)液的入滲深度，進而增大了粉土表層固化硬殼的厚度，有利于提高坡面抗侵蝕能力。

圖6b是加固前后不同坡度坡面剝蝕率隨產(chǎn)流后降雨時間的變化曲線。隨著坡度增大，試樣的剝蝕率增大，并且裸土試樣的坡度對剝蝕率的影響較加固試樣更顯著。坡度越大，表面徑流流速和雨水沿坡面的重力分力也越大，直接穿過坡面下滲到土體內(nèi)部的水量越少，導(dǎo)致坡面土顆粒剝蝕程度加劇。

圖6 剝蝕率隨產(chǎn)流后降雨時間的變化Fig. 6 Variation of detachment rate with rainfall time after runoff generation

坡度由10°增大到25°，裸土試樣在產(chǎn)流后降雨7~13 min內(nèi)就全部被剝蝕完畢，土壤最大瞬時剝蝕率達118.4 g/（m2s）；加固試樣至產(chǎn)流后降雨20 min試驗結(jié)束，仍保持相對完整，不同坡度下的土壤最大瞬時剝蝕率僅為2.4~21.2 g/（m2s）。微生物加固處理極大地降低了粉土坡面的剝蝕率。

（2）加固強度對剝蝕率的影響

圖7是產(chǎn)流后降雨0~20 min內(nèi)的平均剝蝕率與坡面加固層貫入強度之間的關(guān)系?？梢姡骄鶆兾g率與坡面加固層貫入強度呈指數(shù)負相關(guān)（R2=0.822）。對于15°的坡面，未加固裸土的平均剝蝕率為45.6 g/（m2s），微生物加固后的平均剝蝕率降至4.6~15.245.6 g/（m2s）。坡面強度的提升是其抗侵蝕能力的根本來源，坡面的硬化不僅抵抗了雨滴的濺蝕破壞，而且有效控制了坡面徑流產(chǎn)生的面蝕與細溝侵蝕。（3）徑流剪切力對剝蝕率的影響

圖7 平均剝蝕率與加固層貫入強度的關(guān)系Fig. 7 Relationship of average detachment rate and reinforced crust penetration strength

徑流剪切力是引起土壤剝蝕的重要因素，若徑流剪切力大于臨界徑流剪切力，與表面徑流直接接觸的土顆粒將會被剝蝕，導(dǎo)致試樣表面破壞（Zhu et al., 2010）。對比分析圖6a和圖2c可見，采用同樣膠結(jié)液濃度，加固4輪和6輪試樣的徑流剪切力在穩(wěn)定后的數(shù)值接近，而加固4輪試樣的剝蝕率要大于加固6輪試樣，表明在同等徑流剪切力作用下，更多的加固輪數(shù)有利于降低剝蝕率。同樣加固輪次的條件下，膠結(jié)液濃度1.00 mol/L的試樣徑流剪切力比膠結(jié)液濃度0.75 mol/L的試樣大；剝蝕率變化規(guī)律與之相反，膠結(jié)液濃度1.00 mol/L的試樣與膠結(jié)液濃度0.75 mol/L的試樣相比，剝蝕率平均降低了17.7%，與未加固裸土相比最大降低了94.0%。

在等坡度條件下，雖然微生物加固后與加固前相比，坡面徑流量有所增加，會引起徑流剪切力增大，但是相比之下，微生物加固使土體強度的提高幅度更大，遠遠超出了徑流剪切力增加對坡面抗侵蝕能力帶來的負面影響，最終使加固后的粉土坡面抗侵蝕能力顯著提升。

圖8是同等加固條件下粉土坡面徑流剪切力對剝蝕率的影響。可見，坡度增大引起的徑流剪切力增加對剝蝕率有很大影響，剝蝕率與徑流剪切力呈線性正相關(guān)（R2=0.912）。李永紅等（2015）對工程堆積體坡面徑流水動力學特性分析，也發(fā)現(xiàn)有在類似的規(guī)律。已有研究表明，土坡細溝侵蝕時，剝蝕率與徑流剪切力及臨界徑流剪切力之差存在正比例關(guān)系，其比例系數(shù)為可蝕性參數(shù)（Zhu et al., 2010）。根據(jù)圖8中的擬合式可知，本研究中的微生物加固粉土坡面的可蝕性參數(shù)Kr=2.32×10-2s/m，臨界徑流剪切力τ0=0.5 Pa。對比圖2c中加固粉土坡面在徑流穩(wěn)定后的徑流剪切力0.55~0.7 Pa，可見，降雨沖刷的實際徑流剪切力略高于坡面的臨界徑流剪切力，導(dǎo)致坡面剝蝕率雖然不高，但是剝蝕依然能夠持續(xù)進行。

圖8 徑流剪切力對剝蝕率的影響Fig. 8 Influence of runoff shear stress on detachment rate

4 討論

微生物誘導(dǎo)礦化加固砂土能夠達到10 MPa以上的強度（劉漢龍等，2019）。但是，粉土、黏土等細粒土的微生物固化卻常常難以達到固化砂土同等的效果。與砂土相比，粉土的孔隙尺寸更小，且與脲酶微生物的個體尺寸數(shù)量級接近（Feng et al., 2016）。因此，土體孔隙與微生物個體的幾何相容性成為制約微生物加固粉土、黏土等細粒土效果的重要因素（Lee et al., 2013; 謝約翰等，2019）。采用表面直接噴灑菌液方式對粉土邊坡表面固化防護難以獲得理想的效果（邵光輝等，2017）。如何運用微生物誘導(dǎo)礦化作用簡單又有效地對粉土坡面進行防護，是該技術(shù)實用化必須面對的現(xiàn)實問題。彭邦陽等（2018）將菌液與海相粉土拌合后，對其進行表面入滲法的微生物加固，最終形成6 cm厚的加固硬層。但是在實際的坡面防護中，對表層土先進行菌液拌和再噴灑膠結(jié)液固化的方法還不夠簡便。本研究嘗試采用將常用濃度的菌液（108~109CFU/mL）用營養(yǎng)液稀釋到很低的濃度（1.2×106CFU/mL），再噴灑到粉土表面，以避免微生物個體在通過粉土孔隙時聚集成團引起阻塞。因為所采用的巴氏芽孢桿菌是需氧—厭氧兼性微生物，當菌液滲入粉土后，利用菌液中的營養(yǎng)物質(zhì)與靜置時間，微生物能夠在粉土孔隙內(nèi)正常繁殖增生到足夠濃度（薛雙，2017），以滿足誘導(dǎo)礦化作用的需要。試驗結(jié)果表明，該方法比微生物砂漿加固粉土坡面更為便利，且具有良好的抗降雨沖刷能力。

微生物誘導(dǎo)礦化加固粉土坡面改變了其徑流水動力學特性，加固后與加固前相比，徑流的弗勞德數(shù)平均降低50%，在降雨前期的阻力系數(shù)平均降低66%，在徑流穩(wěn)定期二者阻力系數(shù)接近，徑流剪切力平均提高52%。這些結(jié)果均表明，粉土坡面經(jīng)微生物加固后，表面粗糙度降低，更利于徑流沿坡面快速流動。剝蝕率與徑流剪切力之間有較好的相關(guān)性（R2=0.912）。李永紅等（2015）對黏土坡面的沖刷試驗得到的細溝侵蝕土壤可蝕性參數(shù)為2.63×10-2s/m。本試驗得到的微生物加固粉土坡面的可蝕性參數(shù)為 2.32×10-2s/m，臨界水流剪切力為0.5 Pa。加固粉土坡面的可蝕性參數(shù)與黏土坡面較為接近。因為本試驗中加固的裸土坡面在短時間內(nèi)就全部剝蝕流失，沒有穩(wěn)定的薄層水流面蝕過程，所以未能獲得其可蝕性參數(shù)和臨界徑流剪切力的有效值。以張樂濤等（2013）試驗獲得的粉土坡面薄層水流侵蝕的臨界徑流剪切力值為0.02 Pa作為對比參考，可見，微生物固化粉土坡面的臨界水流剪切力遠的大于未防護粉土坡面的薄層水流臨界水流剪切力。

土壤抗侵蝕能力不僅取決于土壤的物理性質(zhì)，還取決于坡度、坡長等因素。Shi等（2020）基于黏土坡面沖刷試驗發(fā)現(xiàn)，坡度對徑流量的影響呈線性正相關(guān)，影響相對較小，當坡度從10°增加到25°時，由于重力的影響，徑流率線性增加18%。這與本研究中微生物加固粉土坡面的徑流系數(shù)隨坡度變化的趨勢具有相似性，區(qū)別在于微生物加固粉土坡面的坡度對徑流量的影響幅度很小。坡面的侵蝕性還與坡長有關(guān)，Meyer等（1989）發(fā)現(xiàn)，當坡度為20°以上時，隨著坡長增加，邊坡土壤剝蝕率更大，但在大坡度時坡長的影響并不明顯。土壤剝蝕率與坡長呈負相關(guān)，降雨強度越大，負相關(guān)性越強（Zhang et al., 2017）。本文只研究了恒定坡長的情況，但是根據(jù)已有成果可以推斷，對于微生物固化后的粉土邊坡，隨著坡長增加，表面徑流流速會減慢，土壤剝蝕率隨之降低。

由于試驗條件所限，本研究只進行了產(chǎn)流后20 min的暴雨沖刷試驗，在這一過程中，未處理裸露粉土坡面瞬時剝蝕率隨時間加速增長直至全部剝蝕流失，而微生物誘導(dǎo)礦化加固粉土坡面只出現(xiàn)了部分剝蝕，瞬時剝蝕率增速隨時間呈現(xiàn)先增后減的情況，并未能觀測到加固粉土坡面的極限抗沖刷時間。因此，本研究獲得的微生物加固粉土坡面徑流水動力學參數(shù)之間的關(guān)系與剝蝕率變化規(guī)律更適用于徑流穩(wěn)定階段。對于微生物加固粉土坡面的密集溝蝕與層下流侵蝕的規(guī)律，仍有待進一步研究。

5 結(jié)論

本文通過模擬降雨沖刷試驗，研究了微生物誘導(dǎo)礦化加固前后粉土坡面的水動力參數(shù)和徑流特征變化規(guī)律，分析了水動力參數(shù)之間的相關(guān)性以及對土壤剝蝕率的影響，主要得到以下結(jié)論：

（1）在微生物誘導(dǎo)礦化加固前后，粉土坡面的徑流水動力參數(shù)值發(fā)生明顯變化。加固后與加固前相比，坡面徑流的弗勞德數(shù)平均下降50%；在降雨前期的阻力系數(shù)平均下降66%，徑流穩(wěn)定后二者阻力系數(shù)接近；徑流剪切力平均提高52%。

（2）加固粉土坡面的徑流特性與水動力參數(shù)、坡面特性及坡度相關(guān)。徑流系數(shù)與坡面入滲速率呈線性負相關(guān)（R2=0.857），與加固層貫入強度呈指數(shù)負相關(guān)（R2=0.824），與坡度正相關(guān)（R2=0.956）但影響幅度較??；入滲速率與加固層貫入強度呈二次負相關(guān)（R2=0.930）；徑流剪切力與坡度呈指數(shù)正相關(guān)（R2=0.964）。采用不同加固參數(shù)處理的粉土坡面水動力參數(shù)之間存在差異。

（3）加固粉土坡面的剝蝕率與加固層貫入強度呈指數(shù)負相關(guān)（R2=0.822），與徑流剪切力線性正相關(guān)（R2=0.912），臨界徑流剪切力為0.5 Pa。對于坡度10~25°的粉土坡面，微生物加固能將其剝蝕率從58.2~118.4 g/ （m2s）降低至2.4~21.2 g/（m2s），剝蝕率最大降幅可達95.0%，表現(xiàn)出良好的抗降雨沖刷性能。