聚丙烯酰胺(PAM)對三峽庫區(qū)紫色土坡面片蝕的影響

肖 海， 向 瑞， 劉 暢， 葉朝歡， 高 峰， 張 倫， 夏振堯， 崔 磊

(1.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

三峽庫區(qū)是長江中上游四大重點水土流失片區(qū)之一，長江中上游坡耕地是長江泥沙的主要策源地，水土流失面積占庫區(qū)總土地面積的66.8%。三峽庫區(qū)紫色土為庫區(qū)的主要土壤類型，具有成土性能差、土層薄且易侵蝕等特點，因此紫色土坡耕地水土流失嚴重、土地退化嚴重，已經(jīng)嚴重威脅三峽工程安全運行。片蝕即片狀侵蝕或?qū)訝钋治g，即地表土壤發(fā)生薄層剝蝕懸移的現(xiàn)象，是坡面水蝕最為復(fù)雜的過程之一。目前紫色土片蝕關(guān)于雨強和地形的影響已有許多研究，也有學(xué)者對各種水土保持措施的減蝕效應(yīng)進行了評價，如坡改梯、林草措施、植物籬等，但是關(guān)于雨強、坡度和水土保持措施3因子對紫色土坡面片蝕影響的研究相對較少。

應(yīng)用聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)是目前常用的水土保持化學(xué)措施，具有明顯地減少土壤侵蝕和改善土壤質(zhì)量的效果。施用適量的PAM可增加表層土壤顆粒之間的凝聚力，維持良好的土壤結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性，以防止土壤結(jié)皮，從而增加土壤入滲能力，減少地表徑流和土壤流失。目前PAM針對紫色土的研究多集于在土壤結(jié)構(gòu)改良和減少養(yǎng)分流失等方面，且已有研究表明，PAM存在一個最優(yōu)施用量，但是針對紫色土坡面片蝕的影響程度，尤其是否存在最優(yōu)PAM施用量尚不明確。因此，本文以三峽庫區(qū)紫色土為研究對象，采用人工模擬降雨試驗，設(shè)置3個坡度(15°，20°，25°)、3個雨強(60，90，120 mm/h)和3個PAM施加量(0.4，0.8，1.6 g/m)，并設(shè)置空白對照組(PAM施加量為0)，研究PAM、雨強以及坡度因素對紫色土片蝕的影響及貢獻并分析PAM對紫色土侵蝕性能的作用機理，以期為治理紫色土邊坡侵蝕提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗用土于2019年7月取自湖北省秭歸縣新墾桔園地(110°40′32″E，31°03′32″N)，是侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組紫色砂泥巖發(fā)育的A-C型石灰性紫色土，屬于三峽庫區(qū)典型土壤。土樣經(jīng)自然風(fēng)干并人工剔除土壤中小石子及根系等雜質(zhì)后過5 mm篩網(wǎng)備用。本研究使用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定有機質(zhì)含量，采用pH計測定pH，利用TopSizer激光粒度分析儀(SCF-108，珠海歐美克儀器公司，中國)掃描法測定土壤顆粒體積分數(shù)(國際制)。經(jīng)測定，所用土壤有機質(zhì)為6.75 g/kg，土壤pH為6.87，含有黏粒(<0.002 mm)16.50%，粉粒(0.002～0.050 mm)25.65%和砂粒(0.050～2.000 mm)44.36%，屬于砂質(zhì)黏壤土。所用PAM(鞏義騰龍環(huán)?？萍加邢薰?為陰離子型白色粉末狀固體，分子式為(CHON)，1 500萬單位，水解度為20%。

1.2 試驗方法

本研究所用徑流小區(qū)采用鋼板焊接而成，有效尺寸為長0.75 m、寬0.5 m、深0.3 m，長度小于紫色土坡面細溝發(fā)生的臨界坡長以保證試驗過程中所產(chǎn)生的侵蝕為片蝕。降雨設(shè)施采用中國科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的BX-1型組合側(cè)噴式降雨器，降雨高度7 m，降雨均勻度大于80%，雨強調(diào)控范圍20～200 mm/h。三峽庫區(qū)湖北段1 h最大降雨量在55～110 mm，區(qū)域內(nèi)紫色土坡耕地在坡度為15°～25°發(fā)生嚴重的水土流失。因此，本試驗共設(shè)置3個坡度(15°，20°，25°)、3個雨強(60，90，120 mm/h)和3個PAM施加量(0.4，0.8，1.6 g/m)，并設(shè)置空白對照組(PAM施加量為0 g/m)，交叉設(shè)置36場模擬降雨試驗，并重復(fù)試驗2次(使用2次重復(fù)試驗數(shù)據(jù)的平均值分析)，共計設(shè)置72場模擬降雨試驗。人工降雨試驗于2019年9—11月在三峽大學(xué)人工模擬降雨試驗場開展。

試驗前將徑流小區(qū)坡度調(diào)整到設(shè)計坡度，在徑流小區(qū)底部鋪設(shè)10 cm厚的粗砂，用透水紗網(wǎng)覆蓋以保證坡面順利透水。上層填土采用分層方式，在裝填上層土壤前先對下層土壤壓實抹平并灑水濕潤，保證各層土壤緊密貼合，最終鋪填形成20 cm厚的紫色土層。填土完畢后將設(shè)定施加量的PAM與1 kg過5 mm篩的土壤均勻混合后撒施在土壤表面，再使用電動噴霧器形成霧狀降雨對土壤進行濕潤至坡面即將產(chǎn)流為止，以減小土壤前期含水率以及裝填過程對試驗結(jié)果造成的影響。然后使用塑料膜覆蓋實體模型并靜置24 h后正式開始模擬降雨試驗。正式試驗前調(diào)整雨強，在徑流小區(qū)四周使用量筒測量實際雨強，待實際雨強與設(shè)計雨強誤差小于5%且均勻度大于85%時掀起塑料膜開始降雨試驗。產(chǎn)流開始后以2 min為時間間隔接取全部泥沙樣品以待測試，產(chǎn)流開始至產(chǎn)流30 min時結(jié)束降雨，每次降雨共接15個泥沙過程樣。對每個泥沙過程樣進行稱重，減去塑料桶重后為侵蝕量和徑流量的總重，靜置一段時間后(24 h左右)倒掉上清液，使用精度為0.01 g的電子秤稱取烘干泥沙樣獲得侵蝕量，并計算相應(yīng)的徑流量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)公式(1)和公式(2)計算不同PAM施加量的減流效益和減沙效益。

(1)

(2)

式中：為減流效益(%)；為空白對照組的徑流量(g)；為不同PAM施加量組的徑流量(g)；為減沙效益(%)，為空白對照組的侵蝕量(g)；為不同PAM施加量組的侵蝕量(g)。

同時，為評估PAM對片蝕的綜合影響，利用WEPP(water erosion prediction project)模型中細溝間侵蝕模型方程[公式(3)]計算確定不同PAM施加量條件下坡面片蝕可蝕性。

=

(3)

式中：為土壤片蝕侵蝕率[kg/(m·s)];為土壤片蝕可蝕性[(kg·s)/m];為雨強(m/s);為坡度因子，采用公式(4)計算確定。

=1.05-0.85e(-4sin )

(4)

式中：為徑流小區(qū)坡度(°)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAM施加對片蝕過程的影響

不同坡度條件下相同雨強的坡面徑流率和產(chǎn)沙率隨降雨時間的變化趨勢基本一致，因此本文以雨強為90 mm/h為例，分析不同坡度和PAM施加量條件下徑流率(圖1)和產(chǎn)沙率(圖2)變化過程。徑流率隨降雨時間增加均呈現(xiàn)先持續(xù)增加后趨于波動穩(wěn)定的變化趨勢?？瞻讓φ找约癙AM施加量為0.4，0.8，1.6 g/m坡面徑流率分別為0.93～1.68，0.80～1.42，0.50～1.11，0.61～1.19 L/(m·min)，表明隨著PAM施加量的增加，坡面徑流率呈先減小后增大的趨勢，各施加量下徑流率均小于未施加PAM坡面的徑流率，在施加量為0.8 g/m時徑流率達到最小。坡面產(chǎn)沙率則隨著降雨歷時的增加呈現(xiàn)先迅速減少并趨于穩(wěn)定的變化趨勢?？瞻讓φ找约癙AM施加量為0.4，0.8，1.6 g/m坡面產(chǎn)沙率分別為0.65～12.01，0.27～10.44，0.11～10.07，0.28～10.68 g/(m·min)，表明隨著PAM施加量的增加，坡面產(chǎn)沙率呈先減小后增大的趨勢，各施加量下產(chǎn)沙率均小于未施加PAM坡面的產(chǎn)沙率，在施加量為0.8 g/m時產(chǎn)沙率達到最小。

圖1 不同坡度條件下徑流率隨降雨時間的變化

圖2 不同坡度條件下產(chǎn)沙率隨降雨時間的變化

2.2 PAM施加對產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的影響

各坡面條件下坡面產(chǎn)流總量和產(chǎn)沙總量均隨著雨強和坡度的增加而增大(圖3和圖4)。與60 mm/h降雨條件相比，90，120 mm/h產(chǎn)流總量平均分別增加49.48%和65.60%，產(chǎn)沙總量平均分別增加36.67%和166.47%。與15°坡面相比，20°和25°坡面產(chǎn)流總量平均分別增加16.76%和28.98%，產(chǎn)沙總量平均分別增加62.75%和188.48%。隨著PAM施加量的增加，產(chǎn)流總量和產(chǎn)沙總量呈先減小后增大的趨勢，各施加量下產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均小于未施加PAM坡面的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量，在施加量為0.8 g/m時產(chǎn)流總量和產(chǎn)沙總量最小。與空白對照相比，PAM施加量為0.4，0.8，1.6 g/m的產(chǎn)流總量平均分別減小7.71%，35.16%，21.12%，產(chǎn)沙總量平均分別減小35.80%，49.39%，17.85%。

圖3 不同坡度條件下產(chǎn)流總量

圖4 不同坡度條件下產(chǎn)沙總量

方差分析表明雨強、坡度和PAM施加量單一和復(fù)合作用均對坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量有顯著性影響(表1)。徑流率的影響因素顯著性排序為雨強>PAM>坡度，產(chǎn)沙率的影響因素顯著性排序為雨強>坡度>PAM。

表1 徑流率和產(chǎn)沙率方差分析

PAM施加對坡面減流效益和減沙效益受到雨強、坡度和施加量的影響(表2)。同種雨強下，不同施加量減流效益的大小順序為0.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，而減沙效益則受到坡度影響，在15°坡面減沙效益大小順序為0.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，在20°和25°坡面減沙效益大小順序為0.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m。

表2 不同PAM施加量作用下減流減沙效益

2.3 PAM施加對坡面片蝕可蝕性的影響

不同坡面條件下片蝕量()隨著的增加而增加(圖5)，線性函數(shù)能夠很好地描述兩者之間的關(guān)系(決定系數(shù)均>0.90，<0.01)。根據(jù)WEPP模型中細溝間侵蝕預(yù)測方程，計算得到不同坡面條件下片蝕可蝕性的變化范圍為37 170～81 516 (kg·s)/m?？瞻讓φ找约癙AM施加量為0.4，0.8,1.6 g/m坡面片蝕可蝕性分別為81 516，48 139，37 170，66 672 (kg·s)/m。與空白對照相比，施加PAM能有效降低片蝕可蝕性，PAM施加量為0.4，0.8，1.6 g/m坡面片蝕可蝕性分別減小40.94%，54.40%，18.21%。降低效果依次為PAM施加量為0.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m。

圖5 片蝕與影響因子擬合關(guān)系

3 討 論

坡面徑流率隨降雨時間的增加均呈現(xiàn)先持續(xù)增加后趨于波動穩(wěn)定的變化趨勢?？瞻讓φ掌旅嬖诮涤瓿跗谑艿接甑未驌糇饔?，在坡面表層形成結(jié)皮并持續(xù)發(fā)育，結(jié)皮層降低坡面入滲率造成坡面徑流持續(xù)增加，在降雨的中后期，結(jié)皮層發(fā)育基本完全，但在雨滴打擊下被破壞和重新發(fā)育，故最后呈現(xiàn)波動穩(wěn)定的趨勢，這與前人研究的空白坡面產(chǎn)流趨勢類似。施加PAM的坡面產(chǎn)流趨勢和空白坡面一樣，但徑流率整體降低，這主要原因是在降雨初期，PAM促進了土壤團聚體和土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，從而維持坡面的入滲能力，隨著降雨時間的增加，其形成的大團聚體及大團聚體被不斷拆解為小粒徑的顆粒一并被搬移，隨入滲水流下滲導(dǎo)致孔隙率下降，坡面形成了發(fā)育不完全的結(jié)皮，徑流率也逐漸增加后趨于穩(wěn)定。這與施用適量的PAM可以增強入滲、延緩結(jié)皮的產(chǎn)生研究結(jié)果類似。有研究表明，過量的PAM形成的人工結(jié)皮降低入滲能力，但本試驗的PAM施加量未達到對土壤入滲產(chǎn)生阻礙的施加量。

坡面產(chǎn)沙率則隨著降雨歷時的增加呈現(xiàn)先迅速減少并趨于穩(wěn)定的變化趨勢。在降雨初期階段，空白對照坡面易被搬移的分散土壤顆粒經(jīng)坡面徑流沖刷，從而產(chǎn)沙率較大，隨著降雨時間的增加，空白坡面形成了不易流失的薄層結(jié)皮，因此后續(xù)的產(chǎn)沙率整體較低。而對施加PAM坡面來說，降雨初期階段，坡面仍然存在部分松散土壤顆粒，因此初始產(chǎn)沙率也較大，隨著降雨時間的增加，依靠PAM的膠結(jié)作用和絮凝作用把表層細小顆粒團聚成大顆粒骨架，使得坡面形成一層PAM膠結(jié)結(jié)皮層，因此后續(xù)的產(chǎn)沙率也變低了。

各坡面條件下產(chǎn)流總量隨著雨強和坡度的增加而增大，但是產(chǎn)流量增長速率沒有增大，分析其原因主要是大雨強的徑流入滲速率高于中小雨強，而坡度的增加減小了承雨面積。各坡面條件下產(chǎn)沙總量同樣隨著雨強和坡度的增加而增大，且產(chǎn)沙量增長速率進一步增大，分析其原因主要是大雨強增加徑流沖刷能力的同時增加了雨滴濺蝕量，大坡度增加水流侵蝕能力的同時降低了坡面穩(wěn)定性。

同種雨強下，不同施加量減流效益的大小順序為0.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，平均減流效益為33.67%，19.36%，7.60%，這與陳渠昌等得出的0.86 g/m的PAM可使得土壤入滲率最大的結(jié)論較為一致。然而，陳渠昌等得到的最佳減流效益超過90%，遠大于本研究中的33.67%，所得結(jié)果存在差異可能與試驗對象不同有關(guān)。本研究使用的是具有較好結(jié)構(gòu)性的紫色土，而陳渠昌等所用的是結(jié)構(gòu)性極差的風(fēng)沙土，在裸坡時更容易發(fā)生侵蝕。同種雨強下，減沙效益受到坡度影響，15°坡面減沙效益大小順序為0.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，20°和25°坡面減沙效益大小順序為0.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m。本研究中的施用PAM在20°時有最大的減沙效益，這和王麗等研究認為，坡度的改變對減少產(chǎn)沙量具有顯著性影響結(jié)果一致。3種坡度下PAM施加量為0.8 g/m時減沙效益均為最好，這與PAM施加量為0.8 g/m時坡面徑流率最小但片蝕可蝕性最大有關(guān)(圖3和圖5)，徑流量的減少和片蝕可蝕性增加均能有效減少坡面侵蝕的產(chǎn)生。

片蝕可蝕性隨著PAM施加量的增加呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢，在施加量為0.8 g/m最小。PAM施加量太少時難以與土壤表層顆粒充分發(fā)生理化反應(yīng)，導(dǎo)致減蝕效果較差，而施加量過大時則容易在土體表面形成糊狀結(jié)皮層，造成入滲率下降，導(dǎo)致徑流量和徑流動能增加，攜沙能力變強，產(chǎn)流產(chǎn)沙增加。本研究結(jié)果表明，PAM施加量為0.8 g/m時，可以充分改善坡面理化結(jié)構(gòu)，依靠其膠結(jié)作用和絮凝作用把表層細小顆粒團聚成大顆粒骨架，其形成的膠結(jié)結(jié)皮層在保持良好入滲能力的同時能夠抑制水流對表層土壤的剝離能力作用和雨滴對土壤顆粒機械破壞作用，具有良好的減蝕效果。

4 結(jié) 論

(1)紫色土坡面片蝕過程中，坡面徑流率隨降雨時間的增加呈現(xiàn)先持續(xù)增加后趨于波動穩(wěn)定的變化趨勢，坡面產(chǎn)沙率隨著降雨歷時的增加呈現(xiàn)先迅速減少并趨于穩(wěn)定的變化趨勢，施加PAM對片蝕的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程變化趨勢沒有影響。

(2)隨著PAM施加量的增加，坡面產(chǎn)流總量和產(chǎn)沙總量均呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢。與空白對照相比，PAM施加量為0.4，0.8，1.6 g/m的產(chǎn)流總量平均分別減小7.71%，35.16%，21.12%，產(chǎn)沙總量平均分別減小35.80%，49.39%，17.85%，PAM施加量為0.8 g/m時具有最優(yōu)的減流減沙效益。

(3)對紫色土徑流率的影響因素顯著性排序為雨強>PAM>坡度，產(chǎn)沙率的影響因素顯著性排序為雨強>坡度>PAM。

(4)施加PAM能有效降低片蝕可蝕性，與裸坡對照相比，施加PAM后降低效果依次為0.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m，片蝕可蝕性依次降低54.40%，40.94%，18.21%。