PAM对不同雨强下黑土区土质堤防侵蚀的影响.pdf

第3 0卷第6期2 0 2 3年1 2月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.6D e c.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 8 修回日期:2 0 2 2-1 1-1 0 资助项目:吉林省预算内基本建设资金(创新能力建设)(2 0 2 3 C 0 3 0-2);吉林省科技厅重点科技研发项目(专项支持)(2 0 1 8 0 2 0 1 0 3 6 S F)第一作者:刘鸿涛(1 9 7 9),男,河北安新县人,博士,教授,主要从事智慧灌溉技术、水工仿生优化技术、堤防侵蚀防护研究。E-m a i l:5 7 6 6 0 9 0 9 4q q.c o mh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 6.0 2 5.刘鸿涛,郑琪严,李起龙,等.P AM对不同雨强下黑土区土质堤防侵蚀的影响J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(6):1-1 0.L i uH o n g t a o,Z h e n gQ i y a n,L iQ i l o n g,e t a l.E f f e c t s o fP AMo nS o i lE r o s i o nU n d e rD i f f e r e n tR a i n f a l l I n t e n s i t i e s i nB l a c kS o i lA r e a sJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(6):1-1 0.P AM对不同雨强下黑土区土质堤防侵蚀的影响刘鸿涛1,2,郑琪严1,2,李起龙3,赵瑞娟4,李晓军5(1.长春工程学院 水利与环境工程学院,长春1 3 0 0 1 2;2.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室,长春1 3 0 0 1 2;3.广东珠荣工程设计有限公司,广州5 1 0 0 0 0;4.松辽水利委员会,长春1 3 0 0 1 2;5.中水东北勘测设计研究有限责任公司,长春1 3 0 0 0 0)摘 要:目的 探究不同浓度P AM的防侵蚀效果,进而为东北黑土区土质堤防治理提供理论依据。方法 采用人工模拟降雨试验,共设置2个降雨强度(6 0,9 0mm/h),5个P AM浓度(0,2,3,4,5g/m2),观察不同雨强下P AM对坡面产流产沙、坡面侵蚀特征的影响,分析了各侵蚀形态下的水力学参数。结果(1)在同一P AM浓度下,坡面平均产流率、平均产沙率随雨强的增大而增大。(2)在两个雨强下,平均产流率存在拐点,3g/m2的平均产流率最小;平均产沙率随着P AM浓度的增长而降低,5g/m2平均产沙率最小。(3)降雨强度6 0mm/h,坡面的侵蚀形态主要表现为溅蚀和面蚀;降雨强度9 0mm/h,坡面侵蚀特征表现为面蚀,部分伴有细沟侵蚀。(4)雷诺数(R e)小于5 0 0,均为层流,弗罗德数(F r)小于1,属于缓流。降雨强度对水流剪切力、水流功率和单位水流功率的影响均大于P AM浓度。结论东北黑土区坡面施加P AM,可有效改良土壤结构,土壤水分入渗能力增强,减少了坡面侵蚀产沙,对于土质堤防侵蚀防治起到了一定的效果。关键词:坡面侵蚀;降雨强度;P AM(聚丙烯酰胺);产流产沙;侵蚀形态中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 6-0 0 0 1-1 0E f f e c t so fP AMo nS o i lE r o s i o nU n d e rD i f f e r e n tR a i n f a l l I n t e n s i t i e s i nB l a c kS o i lA r e a sL i uH o n g t a o1,2,Z h e n gQ i y a n1,2,L iQ i l o n g3,Z h a oR u i j u a n4,L iX i a o j u n5(1.S c h o o l o fW a t e rC o n s e r v a n c ya n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g,C h a n g c h u nU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g,C h a n g c h u n1 3 0 0 1 2,C h i n a;2.J i l i nP r o v i n c i a lW a t e rE n g i n e e r i n gS a f e t ya n dD i s a s t e rP r e v e n t i o nE n g i n e e r i n gL a b o r a t o r y,C h a n g c h u n1 3 0 0 1 2,C h i n a;3.G u a n g d o n gZ h u r o n gE n g i n e e r i n gD e s i g nC o.,L t d.,G u a n g z h o u5 1 0 0 0 0,C h i n a;4.S o n g l i a oW a t e rC o n s e r v a n c yC o mm i s s i o n,C h a n g c h u n1 3 0 0 1 2,C h i n a;5.Z h o n g s h u iN o r t h e a s tS u r v e y,D e s i g na n dR e s e a r c hC o.,L t d.,C h a n g c h u n1 3 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h ea i m so f t h i ss t u d ya r e t oe x p l o r e t h ee r o s i o np r e v e n t i o ne f f e c to fd i f f e r e n tc o n c e n-t r a t i o n so fP AM,a n dt op r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i s f o rd i k et r e a t m e n t i nb l a c ks o i l a r e ao fn o r t h e a s tC h i n a.M e t h o d sAt o t a l o f 2r a i n f a l l i n t e n s i t i e s(6 0,9 0mm/h)a n d5P AMc o n c e n t r a t i o n s(0,2,3,4,5g/m2)w e r es e tb ya r t i f i c i a lr a i n f a l ls i m u l a t i o n,a n dt h ee f f e c t so fP AM o nt h ee r o s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr u n o f fa n ds e d i m e n tg e n e r a t i o na n de r o s i o no ns l o p eu n d e rd i f f e r e n t r a i n f a l l i n t e n s i t i e sw e r eo b s e r v e d,a n d t h eh y d r a u l i cp a r a m e t e r su n d e r e a c he r o s i o np a t t e r nw e r e a n a l y z e d.R e s u l t s(1)U n d e r t h e s a m eP AMc o n c e n t r a t i o n,t h ea v e r a g er u n o f fy i e l dr a t ea n da v e r a g e s e d i m e n t y i e l do f t h e s l o p e i n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo f r a i n i n t e n s i t y.(2)U n d e r t h e t w or a i n f a l l i n t e n s i t i e s,t h e r ew a sa n i n f l e c t i o np o i n t i nt h ea v e r a g e r u n o f fy i e l dr a t e,a n dt h ea v e r a g er u n o f fy i e l dr a t eo f t r e a t m e n t o f 3g/m2w a s t h e s m a l l e s t.T h ea v e r a g e s e d i m e n t y i e l dd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo fP AMc o n c e n t r a t i o n,a n dt h ea v e r a g es e d i m e n ty i e l do f t r e a t m e n to f5g/m2w a s t h es m a l l e s t.(3)T h er a i n f a l l i n t e n s i t yw a s6 0mm/h,a n dt h ee r o s i o np a t t e r n so ft h es l o p ew e r em a i n l ym a n i f e s t e da ss p u t t e r i n ga n ds u r f a c ee r o s i o n.T h er a i n f a l l i n t e n s i t yw a s9 0 mm/h,a n dt h es l o p ee r o s i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r es u r f a c ee r o s i o n,s o m ea c c o m p a n i e db yf i n et r e n c he r o s i o n.(4)T h eR e y n o l d sn u m b e r(R e)w a sl e s st h a n5 0 0,w h i c hw a s l a m i n a r f l o w,a n d t h eF r o dn u m b e r(F r)w a s l e s s t h a n1,w h i c hb e l o n g e d t os l o wf l o w.T h ee f f e c t so f r a i n f a l l i n t e n s i t yo nw a t e r f l o ws h e a r f o r c e,w a t e r f l o wp o w e r a n du n i tw a t e r f l o wp o w e rw e r eg r e a t e r t h a nP AMc o n c e n t r a t i o n.C o n c l u s i o nI t c a nb es e e nt h a tP AMa p p l i c a t i o no nt h es l o p eo f t h eb l a c ks o i l a r e ao fn o r t h e a s tC h i n ac a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h es o i ls t r u c t u r e,e n h a n c et h es o i lw a t e ri n f i l t r a t i o nc a p a c i t y,r e d u c e t h es l o p ee r o s i o na n ds e d i m e n tp r o d u c t i o n,a n dp l a yac e r t a i ne f f e c to nt h ee r o s i o np r e v e n-t i o na n dc o n t r o l o f s o i l e m b a n k m e n t s.K e y w o r d s:s l o p ee r o s i o n;r a i n f a l l i n t e n s i t y;P AM(p o l y a c r y l a m i d e);p r o d u c t i o no fm i s c a r r i a g es a n d;e r o s i o nm o r p h o l o g y 东北黑土区侵蚀特征为水力侵蚀为主的多营力复合侵蚀,东北地区雨季短、降雨集中、多暴雨易造成超渗产流而带来土壤侵蚀1-2。部分东北堤防由于建筑的年代较早,土质坡面缺乏养护,又受到长周期波浪冲击和内部渗流对堤防坡面稳定性造成破坏,以及高雨强、短历时降雨所造成的边坡侵蚀3。加之气候的影响,东北黑土区堤防受到冻融作用影响堤防土壤性质和阻渗性能,在极端降雨条件下,容易产生薄弱断面,造成滑坡。因此,开展基于堤防土壤治理措施下黑土区堤防坡面产流产沙规律研究,有助于东北堤防护坡侵蚀破坏防控技术的发展。水力侵蚀是我国东北黑土区的主要侵蚀类型,黑土区受水力侵蚀面积达到1 8.2 7万k m24。降雨是水力侵蚀的动力因素,降雨可通过降雨强度、降雨历时、降雨量等因素来影响水力侵蚀的发生发展5-6。有学者通过研究观察指出降雨特性因子中降雨强度是影响土壤侵蚀的关键7。黑土区降雨多为短历时、高雨强,这为黑土区坡面侵蚀的发生提供了足够的原动力8-9。针对东北地区高雨强的特点,国内学者进行了大量有针对性的试验研究工作,发现不同的降雨强度对坡面的产流量、产沙率、坡面的侵蚀量以及侵蚀形态影响并不相同,但具体产生的影响需要进一步探索1 0-1 3。由于高雨强的作用,黑土区坡面侵蚀严重,将化学调控措施引入到坡面侵蚀防治,来增强坡面的抗侵蚀性能成为近年来讨论比较多的话题,为解决坡面侵蚀问题提供了新思路。P AM作为一种线型水溶性高分子化合物,P AM溶解于土壤中的水后,其分子与土壤颗粒互相作用,促进了土壤团聚体的形成,土壤的结构系数、各级水稳定性团聚体、沉降系数都得到明显的提高1 4-1 7。万佳蕾1 8研究P AM对江西黄泥红土、麻砂泥红土等4种江西典型土壤坡面产流产生影响发现,各坡面的径流量明显提升,减沙效 果 明 显。冯 浩 等1 9向 陕 北 黄 绵 土 坡 面 施 加P AM发现,施加P AM后起到了减流的效果,也起到了减沙效果。由此可见,P AM对土壤的改造效果与土壤的类型和P AM的施用量多 少有关。不同的P AM施用方法对坡面的产流产沙的影响也会产生差异。学者发现以溶液形式施用的效果优于直接干施的效果,不同浓度和分子量的P AM对坡面侵蚀形态的影响也成为近年来研究的热门问题2 0-2 2。由于各地区坡面的土壤条件不同,关于P AM对产流产沙的影响仍需进一步的研究。本文通过对比不同雨强下施加不同浓度P AM堤防坡面的产流产沙特征,来探究P AM对堤防坡面减流减沙效益、相关水力学参数以及对土壤侵蚀形态的影响,为东北黑土区堤防施用P AM防治土壤侵蚀提供依据。1 试验设计与方法1.1 试验地点与供试土壤人工模拟降雨试验于2 0 2 1年68月在长春工程学院水利馆完成。试验土样取自李家屯伊丹河堤防背水坡地,取土深度2 0c m,土壤容重为1.3g/c m3。土壤机械组成采用激光粒度分析法,供试土壤类型为壤质土,其中粒径2.00.0 2mm,土壤含量为5 7.1 4%,粒径0.0 2 0.0 0 2mm土壤含量为2 2.1 5%,5g/m22g/m24g/m23g/m2。3g/m2平均产流率相比0g/m2减小了约1 5.7%,平均产流率降低了2.5%1 5.7%,;在降雨强度为6 0mm/h条件下,平均产流率的排序为0g/m25g/m22g/m24g/m23g/m2。3g/m2平均产流率相比0g/m2减小了约1 3.3%,平均产流率降低了6.7%1 3.3%。根据分析可得出结论,P AM有着提高土壤入渗减少径流的作用,但当P AM浓度超出一定范围,将会阻碍坡面径流下渗,产流率也将随之增大。本次试验中平均产流率随着降雨强度的增大而增大;随P AM浓度的增大先减小后增大,但均小于未施加P AM坡面的平均产流率。将降雨强度和P AM浓度与施加P AM后坡面平均产流率进行拟合,发现三者的关系可以用二元幂函数进行描述,拟合方程为:MP=1.7 1 7 2I0.8 2 0 8P0.0 7 5 8(R2=0.9 3 4 8,p=0.0 5)(1)式中:MP为 平 均 产 流 率(mm/h);I为 降 雨 强 度(mm/h);P为P AM浓度(g/m2)。可见,平均产流率(MP)与降雨强度(I)和P AM浓度(P)呈正相关,且降雨强度的幂指数(0.8 2 08)显著大于P AM浓度的幂指数(0.0 7 58),即降雨强度对平均产流率的影响大于P AM浓度的影响。2.2 不同降雨强度下P AM浓度对堤防坡面产沙的影响图34为不同降雨条件下各坡面产沙率随降雨历时的变化情况。在降雨初期产沙率随降雨历时的3第6期 刘鸿涛等:P AM对不同雨强下黑土区土质堤防侵蚀的影响增加而增加,在2 0m i n左右出现不同程度的减小趋势。降雨强度9 0mm/h的产沙率随降雨历时的波动要大于6 0mm/h的坡面。其原因在于雨滴对坡面打击能量增大,水流紊动强度增大,水流的挟沙能力增强。降雨强度9 0mm/h条件下不同P AM浓度的坡面产沙率是6 0mm/h条件下坡面产沙率的1.3 5 1.4 3倍。其中未施加P AM坡面与施加P AM的坡面相比,前期产沙率增长规律相似;在后期产沙率减小程度大于施加P AM的坡面,可以看出在降雨的中后期施加P AM的坡面产沙率会更稳定。两种雨强工况下,施加P AM可以有效地减小坡面产沙率,降低了土壤侵蚀量。降雨强度9 0mm/h时,施加P AM的减沙效率为1 7.4 7%5 6.8 1%;降雨强度6 0mm/h时,施加P AM的减沙效率为9.4 2%4 5.4 1%。随着坡面P AM施加量的加大,平均产沙率在逐渐减小,呈现出良好的线性关系。根据分析对比我们发现,浓度5g/m2坡面产沙率大于其他施加P AM的坡面,而相比于0g/m2的坡面产沙率仍在减小。图1 降雨强度9 0mm/h下不同P AM浓度对产流率的影响F i g.1 E f f e c t o fd i f f e r e n tP AMc o n c e n t r a t i o n so na b o r t i o nr a t e sa t r a i n f a l l i n t e n s i t yo f 9 0mm/h图2 降雨强度6 0mm/h下不同P AM浓度对产流率的影响F i g.2 E f f e c t so fd i f f e r e n tP AMc o n c e n t r a t i o n so na b o r t i o nr a t e sa t r a i n f a l l i n t e n s i t yo f 6 0mm/h图3 降雨强度9 0mm/h不同P AM浓度对产沙率的影响F i g.3 E f f e c t so fd i f f e r e n tP AMc o n c e n t r a t i o n so f r a i n f a l l i n t e n s i t yo f9 0mm/ho ns a n dp r o d u c t i o nr a t e 本次试验中平均产沙率随着降雨强度的增大而增大,随着P AM浓度的增大而减小。将降雨强度和P AM浓度与施加P AM后的坡面平均产沙率进行拟合,发现三者的关系可以用二元幂函数进行描述,相关关系用拟合方程来表示,平均产沙率(ME)与降雨强度(I)为正相关,与P AM浓度(P)为负相关。且降雨强度的幂指数(1.2 9 9)显著大于P AM浓度的幂指数(-0.3 1 4),即降雨强度对平均产沙率的影响大于P AM浓度对平均产沙率的影响。拟合方程为:4 水 土 保 持 研 究 第3 0卷ME=0.0 0 0 2 6 1I1.2 9 9P-0.3 1 4(R2=0.9 8 8 6,p=0.0 5)(2)式中:ME为平均产沙率k g/(m2m i n);I为降雨强度(mm/h);P为P AM浓度(g/m2)。图4 降雨强度6 0mm/h不同P AM浓度对产沙率的影响F i g.4 E f f e c t so f r a i n f a l l i n t e n s i t yo f 6 0mm/ho ns a n dp r o d u c t i o nr a t eb yd i f f e r e n tP AMc o n c e n t r a t i o n s2.3 不同降雨条件下P AM浓度与坡面水沙关系由表1可知,在降雨强度9 0mm/h和6 0mm/h两种降雨条件下,与P AM浓度0g/m2坡面径流量和产沙量相比较,3g/m2坡面径流量分别减少了2 4.3 6%,1 5.5 3%,产沙量分别减少了3 4.7 8%,3 8.7 4%;4g/m2的坡面径流量分别减少了1 6.2 6%,1 2.4 8%,产沙量分别减少了4 4.2 4%,5 1.3 3%;P AM浓度5g/m2时,坡面产沙量最小,分别减少了5 2.1 2%,5 5.3 6%,但是5g/m2的坡面径流量减少了9.4 3%,1.9 2%。分析得出施 加P AM可 以 有 效 地 降 低 坡 面 的 径 流 量,但P AM浓度大于3g/m2时,P AM对坡面径流的调控效果随浓度增大逐渐减弱。坡面的产沙量随着P AM浓度的增大均呈现显著减小的趋势。随着P AM浓度的增加,坡面的产沙率将减小。出于对产流、产沙效果考虑,认为P AM浓度4g/m2对坡面侵蚀综合预防效果最好。2.4 不同降雨强度下P AM浓度对坡面流速的影响图56为不同降雨强度条件下各坡面的流速情况。两种雨强下,施加不同浓度P AM的坡面在整个降雨历时中流速呈现出降雨初期增加,当流速达到一定之后,开始出现不同程度的波动。与对照组相比,施加P AM坡面流速在降雨历时中期之前略小。其原因在于降雨初期P AM与降水结合发挥了自身的粘结作用,增大了坡面阻力,使坡面的流速减小。另外,施加P AM的坡面面对降雨的击溅作用会形成水跌,进一步地减慢流速。到了降雨的后期,随着降雨汇流对坡面的冲刷,坡面P AM浓度下降,流速的差异将不再明显。不同降雨强度下的波动程度有所差异,降雨强度为9 0 mm/h坡面流速波动要大于6 0mm/h,这说明降雨强度的增加雨强对流速的扰动也随之加大。从平均流速变化曲线中看出,同一雨强下,P AM对流速的降低效果存在拐点,降雨强度6 0mm/h,9 0mm/h最小流速分别发生在4g/m2,3g/m2坡面。且施加P AM的坡面平均流速均小于未施加P AM的坡面。流速的减慢会导致水流径流剪切力的减低,有利于土壤抗侵蚀性能的增强。表1 坡面径流产沙量T a b l e1 S l o p e r u n o f f s a n dp r o d u c t i o ns c a l eP AM浓度/(gm-2)降雨强度9 0mm/h径流量/L产流量/g降雨强度6 0mm/h径流量/L产流量/g04 7.5 32 5 9 0.0 03 4.4 51 8 1 0.8 024 0.1 52 0 2 4.1 03 2.0 51 4 2 1.4 033 5.9 51 6 8 9.2 02 9.1 01 1 0 9.3 043 9.8 01 4 4 4.2 73 0.1 58 8 1.4 054 3.0 51 2 4 0.3 13 3.7 98 0 8.4 0图5 降雨强度6 0mm/h下不同P AM浓度对流速的影响F i g.5 T h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tP AMc o n c e n t r a t i o n so nt h e f l o wv e l o c i t yu n d e r t h e r a i n f a l l i n t e n s i t yo f 6 0mm/h5第6期 刘鸿涛等:P AM对不同雨强下黑土区土质堤防侵蚀的影响图6 降雨强度9 0mm/h下不同P AM浓度对流速的影响F i g.6 T h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tP AMc o n c e n t r a t i o n so nt h e f l o wv e l o c i t yu n d e r t h e r a i n f a l l i n t e n s i t yo f 9 0mm/h 本次试验中平均流速随着降雨强度的增大而增大,随着P AM浓度的增大先减小后增大。将不同降雨强度和P AM浓度与平均流速进行拟合,发现三者的关系可以用二元幂函数进行描述,决定系数0.9 4 29,显著性水平0.0 5。平均流速(MV)与降雨强度(I)的幂指数(0.5 5 8 4)呈正相关,与P AM浓度(P)的幂指数(-0.0 5 8)呈负相关。且降雨强度的幂指数大于P AM浓度的幂指数,即降雨强度对平均流速的影响大于P AM浓度的对平均流速的影响。拟合方程为:MV=0.0 0 4 7I0.5 5 8 4P-0.0 5 8 0(R2=0.9 4 2 9,p=0.0 5)(3)式中:MV为平均流速(m/s);I为降雨强度(mm/h);P为P AM浓度(g/m2)。2.5 坡面侵蚀动力学分析雷诺数(R e)作为判别水流型态的无量纲参数,根据明渠均匀流判别准则,R e 2 0 0 0,为紊流。根据表2中数据可知,两种雨强下,雷诺数随着P AM浓度的增大呈现出先减小后增大的趋势。雨强的增加,雷诺数也开始增加。其原因在于雨强的增加导致坡面的径流量开始增加,径流量的大小影响了雷诺数的变化。也有学者研究发现降雨过程中雷诺数的变化也与坡面的侵蚀状态的变化有关2 5。弗洛德数(F r)表征惯性力和重力比值的无量纲数,综合体现了水流流速和水深大小的关系。当F r 1时,水流为急流。本次试验各坡面的弗洛德数均小于1,水流流态为缓流。根据之前学者的研究发现弗洛德数小于0.8时,坡面侵蚀状态以面蚀为主2 6。侵蚀沟深度也相对较浅。弗罗德数随P AM的变化规律性不强,这可能与P AM在坡面的施用不均所导致。径流剪切力()是描述径流流动对坡面的侵蚀能力的参数。径流剪切力越大,被剥离的土壤颗粒越多。将本次试验降雨强度(I)和P AM浓度(P)与径流剪切力()进行多元回归分析,幂函数拟合方程为:=0.7 4 2 0I0.2 3 9 8P0.1 0 0 6(R2=0.8 8 8 6,p0.0 5)(4)由回归方程分析可知,径流剪切力与降雨强度和P AM浓度呈现正相关的关系,且降雨强度对径流剪切力的影响要大于P AM浓度。水流功率()是剥蚀定量的土壤所需的功率。两种雨强下,未施加P AM的坡面水流功率最大。随着降雨强度的增加,水流功率也显著增加。将降雨强度(I)和P AM浓度(P)与水流功率()进行多元回归分析,三者关系式如下:=0.0 0 3I0.8 1 9 9P0.0 7 5 5(R2=0.9 3 4 9,p0.0 5)(5)单位水流功率(U)被表述为单位重量水体对坡面做功而消耗的功率。将降雨强度(I)和P AM浓度(P)与水流功率(U)进行多元回归分析,三者关系式如下:U=0.0 0 1 2I0.5 5 2 1P-0.0 3 5 0(R2=0.9 2 7 4,p0.0 5)(6)2.6 坡面侵蚀的形态特征坡面的侵蚀不但造成严重的土壤流失,且其塑造的侵蚀形态对坡面径流侵蚀动力机制有重要影响,研究坡面侵蚀的形态特征对揭示坡面土壤侵蚀本质有重要意义。不同雨强下,未施加P AM和P AM浓度4g/m2为例进行分析。从图7 AB中可知,在降雨强度6 0mm/h时,坡面侵蚀主要以面蚀为主。0g/m2坡面中、下部侵蚀较为严重。施加P AM的坡面受到降雨溅蚀作用,坡面的坑洼感较强,随着施加量的增大,坡面侵蚀量逐渐减小,坡面也愈加平整。P AM浓度4g/m2坡面的防侵蚀效果最好,通过提取出侵蚀严重区域,侵蚀严重区域提取的侵蚀深度2c m,其施加P AM最大侵蚀深度2.5 7c m,坡面平均侵蚀深度为1.0 4c m,侵蚀严重区域面积为0.0 5 1m2,占坡比面积比例的8.5%。从图7 CD中可知,坡面仍以面蚀为主,但由于雨强的增加,坡面出现了细沟。相比6 0mm/h坡面,由于雨强的增加,坡面侵蚀严重区域面积、最大深度、侵蚀平均深度均有所上升。施加P AM6 水 土 保 持 研 究 第3 0卷坡面均起到了防侵蚀的效果,此雨强下,4g/m2的防侵蚀效果最好,相比3g/m2坡面侵蚀区域减小了0.0 5 5m2,平均侵蚀深度减少了0.2 4 6c m,防侵蚀能力提升最为明显(表3)。表2 不同降雨强度-P AM浓度条件下坡面水动力学参数T a b l e2 S l o p eh y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n t r a i n f a l l i n t e n s i t y-P AMc o n c e n t r a t i o nc o n d i t i o n s降雨强度/(mmh-1)P AM浓度/(gm-2)雷诺数弗劳德数径流剪切力/P a水流功率/(Wm-2)单位水流功率/(ms-1)04 7.0 70.4 9 3 52.3 1 9 10.1 0 7 00.0 1 2 024 2.3 10.4 9 7 32.1 7 6 40.0 9 6 20.0 1 1 66 033 9.9 40.4 7 9 82.1 0 9 00.0 9 0 80.0 1 1 244 1.4 30.4 3 3 72.3 2 0 40.0 9 4 20.0 1 0 654 4.2 90.4 5 5 92.3 3 7 00.1 0 0 70.0 1 1 209 7.2 90.5 9 0 12.5 3 0 00.1 7 8 20.0 1 5 128 7.2 60.5 8 7 42.3 6 8 00.1 3 2 90.0 1 4 59 038 0.7 40.5 3 7 12.3 8 9 40.1 2 3 00.0 1 3 348 7.0 20.5 3 9 52.5 0 0 80.1 3 2 50.0 1 3 759 4.5 10.5 5 2 92.5 9 7 20.1 4 3 90.0 1 4 3注:图中黄色为受侵蚀区域。图7 6 0mm/h,9 0mm/h雨强下不同P AM浓度坡面侵蚀形态F i g.7 6 0mm/h,9 0mm/hr a i ni n t e n s i t yu n d e rd i f f e r e n tP AMc o n c e n t r a t i o ns l o p ee r o s i o np a t t e r n s表3 降雨强度和P AM浓度与坡面侵蚀形态参数T a b l e3 R a i n f a l l i n t e n s i t ya n dP AMc o n c e n t r a t i o na n ds l o p ee r o s i o nm o r p h o l o g i c a lp a r a m e t e r s t a b l e降雨强度/(mmh-1)P AM浓度/(gm-2)侵蚀严重区域面积/m2平均侵蚀深度/c m00.1 2 31.7 0 020.0 9 31.4 8 46 030.0 8 11.2 8 340.0 8 21.0 5 050.0 5 10.9 6 300.2 1 72.8 1 520.1 7 62.6 9 19 030.1 7 32.5 3 840.1 1 82.2 9 250.0 9 22.0 5 03 讨论与结论3.1 讨 论目前学者对东北土壤水力侵蚀的研究大多集中于坡耕地以及丘陵地区土壤侵蚀,对堤防坡面土壤侵蚀的研究相对较少。东北黑土区堤防坡面土壤侵蚀状况相比坡耕地和自然丘陵状况有所不同。首先,堤防坡面的土壤含水量相对较大,在降雨条件下更容易发生产流,引起土壤侵蚀现象。土壤含水量较大也将导致坡面受冻融作用更为严重,导致堤防坡面土壤性质和渗透特性的变化。齐吉琳等2 7研究发现堤防经过冻胀作用后体积将增大9%,最终造成土壤孔隙7第6期 刘鸿涛等:P AM对不同雨强下黑土区土质堤防侵蚀的影响率增加。冻融作用重叠在水蚀工程中,将间接地加大水土流失程度。王恩姮等2 8研究不同含水率东北典型土壤受冻融作用后土壤团聚体组成,发现有水分补充时,加剧了团聚体的拆分,2mm干筛团聚体和0.2 51mm水稳团聚体含量显著上升。其次东北耕地及漫岗的坡度一般为1 8,而堤防坡面的坡度一般为13。坡度的大小决定了径流的冲刷和搬运能力,这也决定了东北堤防坡面侵蚀与其他侵蚀的不同之处。李洪丽等2 9研究发现同一降雨条件下,黑土区坡面在1 2 1 5 存在一个临界坡度,当坡度1 2 时,随着坡度的增加,坡面的侵蚀程度将加重;当坡度超过临界坡度后,坡面的侵蚀程度将大幅下降。刘青泉等3 0发现降雨量和径流水深随着坡度的增大而减小;而坡面流速、坡面的径流剪切力都存在临界坡度。东北黑土区堤防土壤侵蚀在土壤特性、侵蚀环境等方面相比其他侵蚀差异显著,所以对东北堤防侵蚀机理进行深入研究,将有助于东北堤防的防治。土壤本身的特性对P AM的施用效果起着关键性作用,正如于健3 1、唐泽军3 2、刘纪根3 3等研究,对于土壤本身结构较好的土壤,P AM的加入能够维护土壤团聚体结构,打通土壤的下渗路径,提高土壤的入渗。对于结构较差的土壤,施加P AM反而会降低其入渗。P AM的施用效果也会受到雨强、降雨历时等多方因素共同影响,正如王辉等3 4P AM对砂黄土入渗特性研究结果表明,大雨强短历时的降雨条件下施加P AM的坡面土壤入渗效果会提高,但在长时间的降雨溶解和淋溶下,P AM的减流作用将受到削减,将会影响入渗的效果。有学者研究发现,P AM的施用量和土壤的抗侵蚀能力并非简单的线性关系,超出或少于适宜的浓度都会对防侵蚀效果产生影响。正如夏海江3 5、员学锋3 6等研究表明,当浓度过小时,改良土壤的效果不明显,无法打开土壤的下渗通道;当浓度过大时过量的P AM并不能充分发挥作用,还可能阻塞原有的下渗路径,导致土壤入渗率的降低。所以说P AM的施用应先考虑到土壤结构、气候因素、施用方法等因素的影响,才可达到预期的效果,并非浓度越大,效果越好。3.2 结 论(1)在同一