聚丙烯酰胺(PAM)对三峡库区紫色土坡面片蚀的影响

肖 海， 向 瑞， 刘 畅， 叶朝欢， 高 峰， 张 伦， 夏振尧， 崔 磊

(1.三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002；3.水电水利规划设计总院，北京 100120)

三峡库区是长江中上游四大重点水土流失片区之一，长江中上游坡耕地是长江泥沙的主要策源地，水土流失面积占库区总土地面积的66.8%。三峡库区紫色土为库区的主要土壤类型，具有成土性能差、土层薄且易侵蚀等特点，因此紫色土坡耕地水土流失严重、土地退化严重，已经严重威胁三峡工程安全运行。片蚀即片状侵蚀或层状侵蚀，即地表土壤发生薄层剥蚀悬移的现象，是坡面水蚀最为复杂的过程之一。目前紫色土片蚀关于雨强和地形的影响已有许多研究，也有学者对各种水土保持措施的减蚀效应进行了评价，如坡改梯、林草措施、植物篱等，但是关于雨强、坡度和水土保持措施3因子对紫色土坡面片蚀影响的研究相对较少。

应用聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)是目前常用的水土保持化学措施，具有明显地减少土壤侵蚀和改善土壤质量的效果。施用适量的PAM可增加表层土壤颗粒之间的凝聚力，维持良好的土壤结构及其稳定性，以防止土壤结皮，从而增加土壤入渗能力，减少地表径流和土壤流失。目前PAM针对紫色土的研究多集于在土壤结构改良和减少养分流失等方面，且已有研究表明，PAM存在一个最优施用量，但是针对紫色土坡面片蚀的影响程度，尤其是否存在最优PAM施用量尚不明确。因此，本文以三峡库区紫色土为研究对象，采用人工模拟降雨试验，设置3个坡度(15°，20°，25°)、3个雨强(60，90，120 mm/h)和3个PAM施加量(0.4，0.8，1.6 g/m)，并设置空白对照组(PAM施加量为0)，研究PAM、雨强以及坡度因素对紫色土片蚀的影响及贡献并分析PAM对紫色土侵蚀性能的作用机理，以期为治理紫色土边坡侵蚀提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验用土于2019年7月取自湖北省秭归县新垦桔园地(110°40′32″E，31°03′32″N)，是侏罗系上统蓬莱镇组紫色砂泥岩发育的A-C型石灰性紫色土，属于三峡库区典型土壤。土样经自然风干并人工剔除土壤中小石子及根系等杂质后过5 mm筛网备用。本研究使用重铬酸钾氧化外加热法测定有机质含量，采用pH计测定pH，利用TopSizer激光粒度分析仪(SCF-108，珠海欧美克仪器公司，中国)扫描法测定土壤颗粒体积分数(国际制)。经测定，所用土壤有机质为6.75 g/kg，土壤pH为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%，属于砂质黏壤土。所用PAM(巩义腾龙环保科技有限公司)为阴离子型白色粉末状固体，分子式为(CHON)，1 500万单位，水解度为20%。

1.2 试验方法

本研究所用径流小区采用钢板焊接而成，有效尺寸为长0.75 m、宽0.5 m、深0.3 m，长度小于紫色土坡面细沟发生的临界坡长以保证试验过程中所产生的侵蚀为片蚀。降雨设施采用中国科学院水利部水土保持研究所研制的BX-1型组合侧喷式降雨器，降雨高度7 m，降雨均匀度大于80%，雨强调控范围20～200 mm/h。三峡库区湖北段1 h最大降雨量在55～110 mm，区域内紫色土坡耕地在坡度为15°～25°发生严重的水土流失。因此，本试验共设置3个坡度(15°，20°，25°)、3个雨强(60，90，120 mm/h)和3个PAM施加量(0.4，0.8，1.6 g/m)，并设置空白对照组(PAM施加量为0 g/m)，交叉设置36场模拟降雨试验，并重复试验2次(使用2次重复试验数据的平均值分析)，共计设置72场模拟降雨试验。人工降雨试验于2019年9—11月在三峡大学人工模拟降雨试验场开展。

试验前将径流小区坡度调整到设计坡度，在径流小区底部铺设10 cm厚的粗砂，用透水纱网覆盖以保证坡面顺利透水。上层填土采用分层方式，在装填上层土壤前先对下层土壤压实抹平并洒水湿润，保证各层土壤紧密贴合，最终铺填形成20 cm厚的紫色土层。填土完毕后将设定施加量的PAM与1 kg过5 mm筛的土壤均匀混合后撒施在土壤表面，再使用电动喷雾器形成雾状降雨对土壤进行湿润至坡面即将产流为止，以减小土壤前期含水率以及装填过程对试验结果造成的影响。然后使用塑料膜覆盖实体模型并静置24 h后正式开始模拟降雨试验。正式试验前调整雨强，在径流小区四周使用量筒测量实际雨强，待实际雨强与设计雨强误差小于5%且均匀度大于85%时掀起塑料膜开始降雨试验。产流开始后以2 min为时间间隔接取全部泥沙样品以待测试，产流开始至产流30 min时结束降雨，每次降雨共接15个泥沙过程样。对每个泥沙过程样进行称重，减去塑料桶重后为侵蚀量和径流量的总重，静置一段时间后(24 h左右)倒掉上清液，使用精度为0.01 g的电子秤称取烘干泥沙样获得侵蚀量，并计算相应的径流量。

1.3 数据处理

根据公式(1)和公式(2)计算不同PAM施加量的减流效益和减沙效益。

(1)

(2)

式中：为减流效益(%)；为空白对照组的径流量(g)；为不同PAM施加量组的径流量(g)；为减沙效益(%)，为空白对照组的侵蚀量(g)；为不同PAM施加量组的侵蚀量(g)。

同时，为评估PAM对片蚀的综合影响，利用WEPP(water erosion prediction project)模型中细沟间侵蚀模型方程[公式(3)]计算确定不同PAM施加量条件下坡面片蚀可蚀性。

=

(3)

式中：为土壤片蚀侵蚀率[kg/(m·s)];为土壤片蚀可蚀性[(kg·s)/m];为雨强(m/s);为坡度因子，采用公式(4)计算确定。

=1.05-0.85e(-4sin )

(4)

式中：为径流小区坡度(°)。

2 结果与分析

2.1 PAM施加对片蚀过程的影响

不同坡度条件下相同雨强的坡面径流率和产沙率随降雨时间的变化趋势基本一致，因此本文以雨强为90 mm/h为例，分析不同坡度和PAM施加量条件下径流率(图1)和产沙率(图2)变化过程。径流率随降雨时间增加均呈现先持续增加后趋于波动稳定的变化趋势。空白对照以及PAM施加量为0.4，0.8，1.6 g/m坡面径流率分别为0.93～1.68，0.80～1.42，0.50～1.11，0.61～1.19 L/(m·min)，表明随着PAM施加量的增加，坡面径流率呈先减小后增大的趋势，各施加量下径流率均小于未施加PAM坡面的径流率，在施加量为0.8 g/m时径流率达到最小。坡面产沙率则随着降雨历时的增加呈现先迅速减少并趋于稳定的变化趋势。空白对照以及PAM施加量为0.4，0.8，1.6 g/m坡面产沙率分别为0.65～12.01，0.27～10.44，0.11～10.07，0.28～10.68 g/(m·min)，表明随着PAM施加量的增加，坡面产沙率呈先减小后增大的趋势，各施加量下产沙率均小于未施加PAM坡面的产沙率，在施加量为0.8 g/m时产沙率达到最小。

图1 不同坡度条件下径流率随降雨时间的变化

图2 不同坡度条件下产沙率随降雨时间的变化

2.2 PAM施加对产流产沙总量的影响

各坡面条件下坡面产流总量和产沙总量均随着雨强和坡度的增加而增大(图3和图4)。与60 mm/h降雨条件相比，90，120 mm/h产流总量平均分别增加49.48%和65.60%，产沙总量平均分别增加36.67%和166.47%。与15°坡面相比，20°和25°坡面产流总量平均分别增加16.76%和28.98%，产沙总量平均分别增加62.75%和188.48%。随着PAM施加量的增加，产流总量和产沙总量呈先减小后增大的趋势，各施加量下产流量和产沙量均小于未施加PAM坡面的产流量和产沙量，在施加量为0.8 g/m时产流总量和产沙总量最小。与空白对照相比，PAM施加量为0.4，0.8，1.6 g/m的产流总量平均分别减小7.71%，35.16%，21.12%，产沙总量平均分别减小35.80%，49.39%，17.85%。

图3 不同坡度条件下产流总量

图4 不同坡度条件下产沙总量

方差分析表明雨强、坡度和PAM施加量单一和复合作用均对坡面产流量和产沙量有显著性影响(表1)。径流率的影响因素显著性排序为雨强>PAM>坡度，产沙率的影响因素显著性排序为雨强>坡度>PAM。

表1 径流率和产沙率方差分析

PAM施加对坡面减流效益和减沙效益受到雨强、坡度和施加量的影响(表2)。同种雨强下，不同施加量减流效益的大小顺序为0.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，而减沙效益则受到坡度影响，在15°坡面减沙效益大小顺序为0.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，在20°和25°坡面减沙效益大小顺序为0.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m。

表2 不同PAM施加量作用下减流减沙效益

2.3 PAM施加对坡面片蚀可蚀性的影响

不同坡面条件下片蚀量()随着的增加而增加(图5)，线性函数能够很好地描述两者之间的关系(决定系数均>0.90，<0.01)。根据WEPP模型中细沟间侵蚀预测方程，计算得到不同坡面条件下片蚀可蚀性的变化范围为37 170～81 516 (kg·s)/m。空白对照以及PAM施加量为0.4，0.8,1.6 g/m坡面片蚀可蚀性分别为81 516，48 139，37 170，66 672 (kg·s)/m。与空白对照相比，施加PAM能有效降低片蚀可蚀性，PAM施加量为0.4，0.8，1.6 g/m坡面片蚀可蚀性分别减小40.94%，54.40%，18.21%。降低效果依次为PAM施加量为0.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m。

图5 片蚀与影响因子拟合关系

3 讨 论

坡面径流率随降雨时间的增加均呈现先持续增加后趋于波动稳定的变化趋势。空白对照坡面在降雨初期受到雨滴打击作用，在坡面表层形成结皮并持续发育，结皮层降低坡面入渗率造成坡面径流持续增加，在降雨的中后期，结皮层发育基本完全，但在雨滴打击下被破坏和重新发育，故最后呈现波动稳定的趋势，这与前人研究的空白坡面产流趋势类似。施加PAM的坡面产流趋势和空白坡面一样，但径流率整体降低，这主要原因是在降雨初期，PAM促进了土壤团聚体和土壤结构的稳定，从而维持坡面的入渗能力，随着降雨时间的增加，其形成的大团聚体及大团聚体被不断拆解为小粒径的颗粒一并被搬移，随入渗水流下渗导致孔隙率下降，坡面形成了发育不完全的结皮，径流率也逐渐增加后趋于稳定。这与施用适量的PAM可以增强入渗、延缓结皮的产生研究结果类似。有研究表明，过量的PAM形成的人工结皮降低入渗能力，但本试验的PAM施加量未达到对土壤入渗产生阻碍的施加量。

坡面产沙率则随着降雨历时的增加呈现先迅速减少并趋于稳定的变化趋势。在降雨初期阶段，空白对照坡面易被搬移的分散土壤颗粒经坡面径流冲刷，从而产沙率较大，随着降雨时间的增加，空白坡面形成了不易流失的薄层结皮，因此后续的产沙率整体较低。而对施加PAM坡面来说，降雨初期阶段，坡面仍然存在部分松散土壤颗粒，因此初始产沙率也较大，随着降雨时间的增加，依靠PAM的胶结作用和絮凝作用把表层细小颗粒团聚成大颗粒骨架，使得坡面形成一层PAM胶结结皮层，因此后续的产沙率也变低了。

各坡面条件下产流总量随着雨强和坡度的增加而增大，但是产流量增长速率没有增大，分析其原因主要是大雨强的径流入渗速率高于中小雨强，而坡度的增加减小了承雨面积。各坡面条件下产沙总量同样随着雨强和坡度的增加而增大，且产沙量增长速率进一步增大，分析其原因主要是大雨强增加径流冲刷能力的同时增加了雨滴溅蚀量，大坡度增加水流侵蚀能力的同时降低了坡面稳定性。

同种雨强下，不同施加量减流效益的大小顺序为0.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，平均减流效益为33.67%，19.36%，7.60%，这与陈渠昌等得出的0.86 g/m的PAM可使得土壤入渗率最大的结论较为一致。然而，陈渠昌等得到的最佳减流效益超过90%，远大于本研究中的33.67%，所得结果存在差异可能与试验对象不同有关。本研究使用的是具有较好结构性的紫色土，而陈渠昌等所用的是结构性极差的风沙土，在裸坡时更容易发生侵蚀。同种雨强下，减沙效益受到坡度影响，15°坡面减沙效益大小顺序为0.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，20°和25°坡面减沙效益大小顺序为0.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m。本研究中的施用PAM在20°时有最大的减沙效益，这和王丽等研究认为，坡度的改变对减少产沙量具有显著性影响结果一致。3种坡度下PAM施加量为0.8 g/m时减沙效益均为最好，这与PAM施加量为0.8 g/m时坡面径流率最小但片蚀可蚀性最大有关(图3和图5)，径流量的减少和片蚀可蚀性增加均能有效减少坡面侵蚀的产生。

片蚀可蚀性随着PAM施加量的增加呈现先减小后增加的变化趋势，在施加量为0.8 g/m最小。PAM施加量太少时难以与土壤表层颗粒充分发生理化反应，导致减蚀效果较差，而施加量过大时则容易在土体表面形成糊状结皮层，造成入渗率下降，导致径流量和径流动能增加，携沙能力变强，产流产沙增加。本研究结果表明，PAM施加量为0.8 g/m时，可以充分改善坡面理化结构，依靠其胶结作用和絮凝作用把表层细小颗粒团聚成大颗粒骨架，其形成的胶结结皮层在保持良好入渗能力的同时能够抑制水流对表层土壤的剥离能力作用和雨滴对土壤颗粒机械破坏作用，具有良好的减蚀效果。

4 结 论

(1)紫色土坡面片蚀过程中，坡面径流率随降雨时间的增加呈现先持续增加后趋于波动稳定的变化趋势，坡面产沙率随着降雨历时的增加呈现先迅速减少并趋于稳定的变化趋势，施加PAM对片蚀的产流产沙过程变化趋势没有影响。

(2)随着PAM施加量的增加，坡面产流总量和产沙总量均呈现先减小后增加的变化趋势。与空白对照相比，PAM施加量为0.4，0.8，1.6 g/m的产流总量平均分别减小7.71%，35.16%，21.12%，产沙总量平均分别减小35.80%，49.39%，17.85%，PAM施加量为0.8 g/m时具有最优的减流减沙效益。

(3)对紫色土径流率的影响因素显著性排序为雨强>PAM>坡度，产沙率的影响因素显著性排序为雨强>坡度>PAM。

(4)施加PAM能有效降低片蚀可蚀性，与裸坡对照相比，施加PAM后降低效果依次为0.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m，片蚀可蚀性依次降低54.40%，40.94%，18.21%。