劉鴻濤, 李起龍, 韓 宇, 蔡 碟, 勵(lì)其其, 龍昱帆

(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.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018; 4.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 北京 100083)

堤防是防御洪水泛濫，確保城鎮(zhèn)居民安全和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要措施，其背水坡面在受到降雨徑流侵蝕之后容易產(chǎn)生薄弱斷面，影響其運(yùn)行期的安全。第二松花江干流流域?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)性氣候，流域內(nèi)堤防多為填方土堤。開(kāi)展第二松花江流域粉壤土堤防坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律研究，對(duì)該地區(qū)堤防護(hù)坡侵蝕治理具有重要意義。

水力侵蝕是目前世界上分布最廣，危害極大的一種土壤侵蝕類型；面蝕是水力侵蝕的一種形式，是坡面徑流侵蝕的最初階段；在面蝕的諸多影響因素中，坡度是重要因素之一[1-3]，其影響程度僅次于植被覆蓋度。坡度對(duì)坡面侵蝕的演變發(fā)展過(guò)程和侵蝕強(qiáng)度起著重要作用，其大小在一定程度上決定了徑流的沖刷與搬運(yùn)能力[4]。黑土區(qū)坡面侵蝕過(guò)程研究表明，坡面侵蝕量隨著坡度增加而增大，而坡面徑流量隨坡度的變化尚有爭(zhēng)議[5-7]。近些年來(lái)，化學(xué)調(diào)控措施被引入到防治水土流失的研究中。PAM是一種是線型高分子化合物，可溶于水且具有很強(qiáng)的黏聚作用，在水土流失嚴(yán)重的黃土高原地區(qū)，PAM的施用更加重要。施加PAM可以使土壤凝聚力和抗侵蝕力增強(qiáng)、減少水土流失[8-9]。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果，相同PAM濃度施用對(duì)象不同時(shí)，對(duì)土壤徑流量影響也不同[10-11]。由此可見(jiàn)，對(duì)于不同地區(qū)的土壤類型以及PAM施用量的多少對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響不盡相同。盡管有很多關(guān)于PAM對(duì)土壤侵蝕的研究，但由于試驗(yàn)條件的不同，所以PAM用量對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響尚無(wú)統(tǒng)一結(jié)論。

通過(guò)室外模擬降雨試驗(yàn)，研究黑土區(qū)粉壤土堤防護(hù)坡在不同PAM濃度和坡度影響下的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，旨在深入了解黑土區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，得到有效的防治土壤侵蝕的措施，同時(shí)綜合前人研究成果，以期能為該區(qū)域堤防坡面侵蝕防治工作提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)土壤取自前郭縣第二松花江干流堤防外坡地，取土深度為表層20 cm。堤防坡比為1∶3，坡長(zhǎng)8～10 m。土壤機(jī)械組成采用激光粒度分析法，黏粒含量為6.82%，粉粒含量為58.70%，砂粒含量為34.48%，土壤類型為粉壤土，土壤容重1.3 g/m3。詹敏[12]和張憲奎[13]等指出黑土區(qū)土壤侵蝕是由高強(qiáng)度短歷時(shí)降雨引起，且降雨歷時(shí)在30～60 min；產(chǎn)生侵蝕的短歷時(shí)瞬時(shí)降雨強(qiáng)度范圍23.4～103.2 mm/h。基于上述標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)實(shí)際情況，本試驗(yàn)降雨強(qiáng)度選取80 mm/h；第一組試驗(yàn)下墊面條件為PAM濃度3 g/m2，選取4個(gè)不同坡度；第二組試驗(yàn)選取坡度15°，下墊面條件為5個(gè)均勻施加不同PAM濃度的坡面。4個(gè)不同坡度和5個(gè)不同PAM濃度的進(jìn)行試驗(yàn)，共9個(gè)場(chǎng)次。坡度及PAM濃度等參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用Norton降雨模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用振蕩式原理模擬自然條件下的降雨。降雨強(qiáng)度9.5～100 mm/h，降雨均勻度大于80%，降雨面積2 m×5 m，降雨高度6 m。X-Scan手持快速激光掃描儀測(cè)量范圍0.15～4 m，激光頭分辨率為0.1 mm，測(cè)量速度550 000次/s。通過(guò)特征拼接和標(biāo)記點(diǎn)定位的方式測(cè)量地貌，以三維圖形方式顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。降雨使用可移動(dòng)式變坡徑流槽，規(guī)格為長(zhǎng)1.5 m，寬0.4 m，深0.4 m，坡度變化范圍0°～30°。徑流槽底部均勻打孔，徑流槽前段設(shè)置“V”字形集流槽。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土壤除去雜質(zhì)，過(guò)5.0 mm 篩網(wǎng)后進(jìn)行風(fēng)干和混合處理。為精確模擬河道邊坡填筑的真實(shí)情況，采用分層填土方式。在裝填上層土壤之前先對(duì)下層土壤進(jìn)行打毛、灑水濕潤(rùn)，保證兩層土壤緊密融合，以防土層分離。

每次試驗(yàn)開(kāi)始前先清除徑流槽內(nèi)土壤，重新裝土。然后取出部分土壤與PAM顆粒均勻拌和，對(duì)徑流槽內(nèi)土壤打毛和灑水，將拌和均勻土壤鋪設(shè)在徑流槽內(nèi)，對(duì)坡面進(jìn)行預(yù)降雨至坡面土壤飽和為止，為了防止土壤水分蒸發(fā)、結(jié)皮，使用塑料薄膜覆蓋徑流槽，靜置24 h。在降雨場(chǎng)地內(nèi)均勻布置4個(gè)蒸發(fā)皿率定雨強(qiáng)，當(dāng)降雨均勻度大于80%時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)。降雨歷時(shí)1 h，記錄開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)間，產(chǎn)流開(kāi)始后每隔3 min收集1次徑流泥沙樣，每次收集時(shí)間10 s，用秒表記錄取樣時(shí)間。采用高錳酸鉀染色法測(cè)坡面流速，產(chǎn)流開(kāi)始后每隔3 min測(cè)1次流速。降雨結(jié)束后，使用激光掃描儀掃描坡面獲取地表三維數(shù)據(jù)。將徑流泥沙和總徑流泥沙樣品靜置沉淀，使用量筒測(cè)量產(chǎn)流量，徑流泥沙用烘箱烘干至恒重，電子秤記錄產(chǎn)沙重。

將每次測(cè)得產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量使用Excel進(jìn)行處理，得到取樣時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率。采用Origin繪制產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的變化曲線；采用Geomagic Studio對(duì)坡面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得坡面數(shù)據(jù)；然后將坡面數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中，進(jìn)行灰度映射，侵蝕較為嚴(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 PAM濃度和坡度對(duì)堤防坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

2.1.1 PAM濃度和坡度對(duì)堤防坡面產(chǎn)流的影響 圖1A為在雨強(qiáng)和坡度相同時(shí)，不同下墊面條件下產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。如圖1B所示，平均產(chǎn)流率以3 g/m2為分界點(diǎn)，大于3 g/m2產(chǎn)流率隨濃度增大而減小，濃度小于3 g/m2產(chǎn)流率隨濃度增大而增大。3 g/m2平均產(chǎn)流率相比0 g/m2減小了約20%；不同PAM濃度均表現(xiàn)出土壤入滲增大，平均產(chǎn)流率降低了10.6%～20%，并且平均產(chǎn)流率先減小后增大，即0 g/m2>5 g/m2>4 g/m2>2 g/m2>3 g/m2。分析得出PAM濃度在一定范圍內(nèi)，可以打開(kāi)土壤下滲通道，提高土壤入滲率，減小徑流，超出這個(gè)范圍時(shí)土壤入滲率減小，徑流增大。

圖1 坡面產(chǎn)流率、平均產(chǎn)流率變化曲線

圖2顯示雨強(qiáng)和下墊面條件相同時(shí)，不同坡度每分鐘產(chǎn)流率趨勢(shì)差異較大，隨降雨歷時(shí)先急劇增長(zhǎng)，后出現(xiàn)不同幅度的波動(dòng)，但總體趨勢(shì)為增大。在顯著性水平為0.05時(shí)，使用單因素方差對(duì)每分鐘產(chǎn)流率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)坡度對(duì)坡面產(chǎn)流率有顯著性影響，平均水平差異較大。圖2B顯示在下墊面條件相同時(shí)，15°和20°坡面平均產(chǎn)流率相近，25°坡面平均產(chǎn)流率急劇減小，但都大于10°坡面平均產(chǎn)流率。即平均產(chǎn)流率15°>20°>25°>10°。在坡度較大時(shí)，受雨面積減小，在同一入滲的條件下，坡面徑流量理論上應(yīng)該逐漸遞減，但本次試驗(yàn)以15°坡面為分界點(diǎn)，>15°時(shí)產(chǎn)流率隨坡度增大而減小，<15°時(shí)產(chǎn)流率隨坡度增大而增大。

圖2 坡面產(chǎn)流率、平均產(chǎn)流率變化曲線

2.1.2 PAM濃度和坡度對(duì)堤防坡面產(chǎn)沙的影響 圖3A顯示在雨強(qiáng)、坡度相同時(shí)，不同PAM濃度產(chǎn)沙率趨勢(shì)變化顯著。PAM濃度為0，2，3，5 g/m2坡面每分鐘產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)先增大，后出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，未趨于穩(wěn)定。PAM濃度為4 g/m2坡面每分鐘產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)先緩慢增大，后趨于穩(wěn)定。不同坡面每分鐘產(chǎn)沙率隨著PAM濃度的增大，產(chǎn)沙率逐漸減小。對(duì)不同濃度下每分鐘產(chǎn)沙率，在顯著性水平為0.05時(shí)，使用單因素方差對(duì)每分鐘產(chǎn)流率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)濃度對(duì)產(chǎn)沙率影響顯著。且平均產(chǎn)沙率0 g/m2[0.077 76 kg/(m2·min)]>2 g/m2[0.061 88 kg/(m2·min)]>3 g/m2[0.056 81 kg/(m2·min)]>4 g/m2[0.049 27 kg/(m2·min)]>5 g/m2[0.036 94 kg/(m2·min)]。

圖3 不同PAM濃度坡面產(chǎn)沙率變化曲線

圖3B顯示在80 mm/h降雨強(qiáng)度下，不同坡度產(chǎn)沙率趨勢(shì)變化較大。坡度為10°，15°，20°坡面產(chǎn)沙率呈現(xiàn)先急劇增大后緩慢減小的趨勢(shì)；25°坡面產(chǎn)沙率呈現(xiàn)先急劇增大，后出現(xiàn)較大的波動(dòng)。隨著坡度的增大，坡面產(chǎn)沙率為增大趨勢(shì)。在顯著性水平為0.05時(shí)，使用單因素方差對(duì)每分鐘產(chǎn)流率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)坡度對(duì)產(chǎn)沙率影響顯著。且平均產(chǎn)沙率25°[0.083 93 kg/(m2·min)]>20°[0.065 10 kg/(m2·min)]>15°[0.056 81 kg/(m2·min)]>10°[0.051 28 kg/(m2·min)]。

為了更好地分析平均產(chǎn)沙率與坡度和PAM濃度的關(guān)系，將三者進(jìn)行擬合，結(jié)果表明:平均產(chǎn)沙率與坡度和PAM濃度的關(guān)系可以用冪函數(shù)Se=a·Sb·Cd表示。式中：Se為平均產(chǎn)沙率[kg/(m2·min)]；S為坡度(°)；C為PAM濃度(g/m2)；a，b，d均為擬合參數(shù)。

表2為不同坡度和PAM濃度與產(chǎn)沙率的經(jīng)驗(yàn)方程。產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)的變化規(guī)律可以用冪函數(shù)進(jìn)行描述，產(chǎn)沙率(Se)與坡度(S)是正相關(guān)，坡度越大，產(chǎn)沙率越大；與濃度(C)為負(fù)相關(guān)，濃度越大產(chǎn)沙率越小，決定系數(shù)為0.86，顯著性水平為0.05。圖4為平均產(chǎn)沙率與PAM濃度和坡度擬合圖形。

表2 不同坡度與PAM濃度條件下產(chǎn)沙率的經(jīng)驗(yàn)方程

2.2 PAM濃度和坡度對(duì)地方坡面流速的影響

坡面徑流是水力侵蝕發(fā)生、發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，流速是坡面徑流最重要的水力學(xué)要素[14-16]。在試驗(yàn)中通過(guò)染色法測(cè)定流速v，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的水溫，獲得雷諾系數(shù)，從而獲得修正系數(shù)α。已有研究表明，在PAM單獨(dú)使用情況下，由于其水溶液黏性較強(qiáng)，會(huì)影響土壤水分的運(yùn)動(dòng)[17]。PAM的用量越大，這種黏滯作用也越大[18]，從而引起水分入滲阻力的增大，土壤飽和導(dǎo)水率降低也越多[19]。

圖4 平均產(chǎn)沙率對(duì)PAM濃度和坡度的響應(yīng)

圖5為坡面施加PAM后流速隨著其濃度和坡度變化的情況。在PAM濃度一定時(shí)，流速隨坡度增大，先增大后趨于穩(wěn)定，這表明施加PAM后坡面流速隨坡度增大是在一定范圍內(nèi)的。在坡度不變時(shí)，流速在PAM濃度為0～2 g/m2內(nèi)趨于穩(wěn)定，在2～5 g/m2內(nèi)先減小后增大，總體趨勢(shì)為減小。

對(duì)修正流速與坡度和PAM濃度進(jìn)行擬合，結(jié)果表明:修正流速與坡度和PAM濃度的關(guān)系可以用冪函數(shù)V=e·Sf·Ch·表示。式中：V為修正流速(m/s)；S為坡度(°)；C為PAM濃度(g/m2)；e，f，h均為擬合參數(shù)。

表3為PAM濃度和坡度與修正流速的經(jīng)驗(yàn)方程。流速隨降雨歷時(shí)的變化規(guī)律可以用冪函數(shù)進(jìn)行描述，流速與坡度是正相關(guān)，坡度越大，流速越大；與濃度為負(fù)相關(guān)，濃度越大流速越小，決定系數(shù)為0.68，顯著性水平為0.05。圖6為修正流速與坡度和PAM濃度擬合圖形。

圖5 修正流速變化曲線

表3 不同坡度與PAM濃度條件下流速的經(jīng)驗(yàn)方程

圖6 修正流速對(duì)PAM濃度和坡度的響應(yīng)

2.3 坡面侵蝕的形態(tài)特征

水力侵蝕在不同階段表現(xiàn)出不同的形式，同時(shí)會(huì)影響產(chǎn)流產(chǎn)沙，因而分析其形態(tài)對(duì)研究坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律有重要的意義。相同坡度下，未施加PAM和PAM濃度3 g/m2為例進(jìn)行分析。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，0 g/m2坡面侵蝕主要發(fā)生在坡面中上部，施加PAM坡面侵蝕區(qū)域呈現(xiàn)較均勻分布，兩個(gè)坡面都是以面蝕為主，伴有濺蝕。0 g/m2侵蝕嚴(yán)重區(qū)域主要表現(xiàn)為片狀，侵蝕區(qū)域集中，面積較大，部分呈現(xiàn)出跌坎特征，侵蝕深度為24～48 mm；PAM坡面侵蝕嚴(yán)重區(qū)域主要表現(xiàn)為鱗片狀，侵蝕嚴(yán)重區(qū)域?yàn)檩^集中，面積較大，部分出現(xiàn)層狀特征，侵蝕深度為21～36 mm。通過(guò)提取坡面侵蝕區(qū)域，發(fā)現(xiàn)0 g/m2侵蝕嚴(yán)重區(qū)域面積為0.293 2 m2，占坡面面積的48.86%；PAM坡面侵蝕嚴(yán)重區(qū)域面積為0.133 2 m2，占坡面面積的22.2%，施加PAM后使得坡面侵蝕嚴(yán)重區(qū)域相比于0 g/m2減小了約54.57%。施加PAM后坡面侵蝕程度減緩，說(shuō)明施加PAM起到了防止侵蝕的效果。0 g/m2受到薄層水流沖刷明顯，侵蝕特征主要為片蝕，侵蝕區(qū)域?yàn)槠瑺?。PAM坡面受到雨滴濺蝕的影響，坑洼感較強(qiáng)，侵蝕區(qū)域連續(xù)，加上薄層水流沖刷，局部出現(xiàn)高地，這可能是因?yàn)镻AM與土壤拌和不均勻?qū)е碌摹?/p>

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

本文在坡度為15°時(shí)，研究不同PAM濃度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙和流速規(guī)律的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著PAM濃度的增大，坡面平均產(chǎn)流率先減小后增大，但相較于裸地施加PAM的坡面土壤入滲能力增大，坡面的平均產(chǎn)沙率減小。正如張淑芬[20]、裴崢等[21]和李清溪等[22]研究，PAM能夠維護(hù)土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)并形成新的團(tuán)聚體，與水相互作用產(chǎn)生的黏聚作用能有效緩解雨滴對(duì)土壤的表面打擊并抑制結(jié)皮的形成，增加坡面地表糙度，從而可以增加土壤的入滲能力，減少地表徑流，防止水土流失。此次試驗(yàn)中，流速隨PAM濃度變化較大，其中4 g/m2坡面流速最小，徑流量3 g/m2的坡面最小。Govers[23]、Nearing等[24]、王林華[25]研究表明，坡面流速受到坡面地表糙度和徑流量的影響，流速與徑流量呈正相關(guān)，與地表糙度呈負(fù)相關(guān)。本試驗(yàn)施加PAM對(duì)坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙的研究結(jié)果與以上學(xué)者一致，而流速在PAM作用下與徑流量和地表糙度的關(guān)系需要進(jìn)一步論證。

在下墊面條件為3 g/m2時(shí)，研究不同坡度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙和流速規(guī)律的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：坡面平均產(chǎn)流率隨坡度增大呈先增大后減小趨勢(shì)，平均產(chǎn)沙率隨坡度增大而增大，且隨著產(chǎn)沙率的增大，坡面侵蝕程度增大，地表糙度也相應(yīng)增大。產(chǎn)流率受坡度影響大，以15°為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，先增大后減小，在10°～15°，20°～25°兩個(gè)區(qū)間內(nèi)變化明顯。王麗[9]和王全九[26]等研究得出，當(dāng)15°和20°時(shí)，其徑流量相近，當(dāng)坡度25°時(shí)，徑流量急劇減小。然而，坡面流速隨著坡度的變化未出現(xiàn)較大波動(dòng)，流速在15°時(shí)達(dá)到最大，后趨于穩(wěn)定。Govers[23]、Nearing等[24]、王林華[25]、和繼軍等[27]研究表明，坡度對(duì)流速影響不大，坡度增大侵蝕增加，地表糙度相應(yīng)增大，從而流速不增大。劉俊體等[28]認(rèn)為，隨著坡度增大，細(xì)溝流速呈減小趨勢(shì)，且在10°～15°存在一個(gè)流速轉(zhuǎn)折坡度。本試驗(yàn)坡度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙及流速的研究與上述學(xué)者相近，但關(guān)于流速轉(zhuǎn)折坡度需要進(jìn)一步論證。

圖7 不同PAM濃度坡面侵蝕

通過(guò)野外調(diào)查和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)溝侵蝕占坡面總侵蝕量的70%以上，細(xì)溝形態(tài)對(duì)坡面侵蝕有重要影響，并以細(xì)溝割裂度作為評(píng)判細(xì)溝侵蝕和形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)[29-30]。李桂芳等[7]、耿曉東[31]、郝好鑫等[32]以粉壤土為坡面侵蝕研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)黑土不易發(fā)生細(xì)溝侵蝕。本次試驗(yàn)中，坡度為15°，降雨強(qiáng)度為80 mm/h時(shí)未出現(xiàn)明顯的細(xì)溝侵蝕，主要以面蝕為主。由于坡面匯流面積較小，坡長(zhǎng)較短，這種情況下很難產(chǎn)生較大流量的徑流，侵蝕受到一定的限制，侵蝕形態(tài)無(wú)法進(jìn)一步演變發(fā)育[33]，因此本次試驗(yàn)并未出現(xiàn)明顯的細(xì)溝侵蝕特征。

3.2 結(jié) 論

(1) 相同坡度下，PAM濃度3 g/m2的坡面較0 g/m2的坡面的平均產(chǎn)沙率降低23.64%，平均產(chǎn)流率減小16.78%，0 g/m2上施加適量濃度的PAM使得土壤入滲能力增強(qiáng)，徑流量減小，對(duì)坡面沖刷減弱，坡面侵蝕量減小。隨著施加PAM濃度的增大，坡面平均產(chǎn)沙率降低20.42%～52.49%。坡面平均產(chǎn)流率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。本次試驗(yàn)PAM濃度在3 g/m2時(shí)坡面產(chǎn)流率最小，土壤入滲效果最好，超過(guò)時(shí)產(chǎn)流率增大。

(2) 下墊面條件相同時(shí)，坡面平均產(chǎn)沙率隨坡度的增大而增大。坡面平均產(chǎn)流率在15°和20°時(shí)差異不大，坡度為25°時(shí)平均產(chǎn)流率急劇減小，且3個(gè)坡面平均產(chǎn)流率均大于10°坡面。

(3) 坡面侵蝕形態(tài)主要表現(xiàn)為濺蝕和面蝕，施加PAM使得侵蝕嚴(yán)重區(qū)域的面積相較0 g/m2減小了54.57%，能夠有效起到控制侵蝕的效果。在實(shí)際的堤防工程中具有應(yīng)用價(jià)值。