PAM 对扰动红壤水动力学过程的影响研究

刘纪根，彭海峰，陈展鹏，张平仓

（1.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010；2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100；3.长江水利委员会长江工程监理咨询有限公司，武汉 430010）

PAM 对扰动红壤水动力学过程的影响研究

刘纪根1，2，彭海峰3，陈展鹏1，张平仓1

（1.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010；2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100；3.长江水利委员会长江工程监理咨询有限公司，武汉 430010）

为比较施加PAM后坡面水动力学过程的差异，采用人工模拟降雨试验，分析了不同雨强、不同坡度、不同土壤处理后的径流剪切力、水流功率和水流动能与坡面输沙率之间的关系。结果表明：土壤分离速率与径流剪切力、水流功率和水流动能3个水力参数之间均具有良好的线性正相关关系；施加PAM后红壤扰动土临界剪切力由0.77 Pa增加到1.47 Pa，临界水流功率由0.182 4 N／（m·s）增加到0.367 6 N／（m·s），临界水流动能由0.301 8 J增加到1.115 5 J；水流功率是其中描述土壤分离速率的最好参数，其复相关系数明显好于径流剪切力、水流动能与土壤分离速率的关系。

PAM；扰动红壤；剪切力；水流功率；水流动能

一般认为土壤分离速率与径流的水动力条件（坡度、流量、流速、水深等）和土壤本身的性质（土壤机械组成、土壤粘结力、有机质含量、土壤可蚀性等）关系密切。对特定的土壤而言，土壤的可蚀性、粘结力等指标均可视为常数。此时，土壤分离速率只受径流水动力条件的影响［5］。国内外学者从水流剪切力、水流功率、单位水流功率、径流能耗等方面研究了坡面土壤侵蚀过程［5－9］。为比较施加PAM后坡面径流侵蚀产沙中的差异，以及准确描述坡面水动力学的土壤侵蚀过程，本文采用人工模拟降雨试验，分析不同雨强、不同坡度、不同土壤处理后坡面下的径流剪切力、水流功率和水流动能与坡面输沙率之间的关系，以便更加深入了解坡面的侵蚀动力过程。

1 材料与方法

表1 试验土壤理化性质Table 1 Physical and chem ical properties of the experimental soil

供试土壤为红壤扰动土，直接取自长江科学院沌口科研基地防洪模型工程施工场地。具体理化性质分析见表1。PAM产自上海沃杉化工有限公司，其产品名称为WshineflocTM630S；施用量设计为1 g／m2，施用方法为每1 g PAM晶体与1 kg细土混合后均匀的撒在土表。试验采用0.8，1.1，1.4 mm／min 3种降雨强度，降雨历时设计为1 h。

试验装置：试验在人工模拟降雨试验大厅内进行，降雨装置采用长江科学院水土保持研究所研制的对喷式降雨器，降雨强度可在0.5～2.5 mm／min之间调节，均匀度都达到80%以上，对喷式降雨器高4 m，喷头采用美国标准喷头，可覆盖面积4 m×6 m。降雨器通过分流器上的压力表调节降雨强度，使得降雨强度尽可能一致。可移动式降雨侵蚀槽由中科院、水利部水土保持研究所研制，长5 m，宽1 m，土槽高0.5 m，土槽底部留有直径5mm小孔，用以排出雨水，土槽下部也有同样的小孔，并配备了铁皮槽，以接收地表径流和壤中流。

试验采用室内人工模拟降雨的方法，分别在可移动侵蚀槽的两侧布置侧喷式降雨器，在侵蚀槽中铺0.5 m高的供试土壤，土壤过2 cm的筛，以去除杂草和石块。为了控制土壤前期含水量基本一致，消除土壤前期含水量对侵蚀的影响，在人工模拟降雨前先润湿10 min，搁置24 h后进行试验，并在试验前再次对土壤进行适当的耙松。然后调整不同的坡度和雨强进行一系列的试验。模拟降雨过程中径流样采用径流池与分流池全部收集，从坡地产流开始，每间隔2～5 min分时段采集径流样（包括壤中流），记录采样时间与采样体积，测定径流量与径流含沙量。每隔2～5 min用高锰酸钾溶液测定坡面平均流速（从坡顶至坡底）。

2 结果与分析

2.1 径流剪切力与输沙率关系

将对照和施加PAM后的径流剪切力与径流输沙率绘成散点图（图1），从图中可以看出，不同坡度不同雨强下坡面径流输沙率与坡面径流平均剪切力之间存在明显的线性关系。径流剪切力越大，平均输沙率越大。施加PAM后径流剪切力与对照相比变化不大，但径流输沙率相对对照相差2个数量级，即施加PAM能显著的减少径流输沙率。土壤表面经PAM覆盖后，在雨水的溶解作用下，PAM的粘结作用会维护土壤表层的团粒结构，同时形成一些新的团聚体，使得土壤中的团聚体增多，或增大团聚体的体积。另一方面，PAM会增大土壤颗粒间的粘结力，使土壤团聚体能有机地连接在一起，在土壤表层形成一层保护膜，有效地抑制着土壤的产沙［10］。从图1可以看出，对于对照来说，当径流剪切力小于1 Pa时，其径流输沙率很小，变化也不大，而当径流剪切力超过1 Pa时，其径流输沙率显著增加。而施加PAM后，径流剪切力超过2 Pa时径流输沙率才显著增加。可见，对于对照和施加PAM，径流剪切力超过某一临界值时，径流输沙率才会显著增加。通过回归分析，径流剪切力与输沙率的线性关系如下：

图1 径流剪切力与输沙率关系Fig.1 Curves of the relationship between runoff shear stress and sediment transport rate

从式（1）、式（2）可以看出，施加PAM后，红壤扰动土的可蚀性参数Kd由13.223 g／（min·N）降低为0.269 3 g／（min·N），径流的临界剪切力由0.77 Pa增加到1.47 Pa。可见，施加PAM后可显著增加扰动红壤的临界剪切力，降低土壤可蚀性参数。

2.2 水流功率与输沙率关系

Bagnold提出水流功率的概念，即单位面积水体势能随时间的变化率，水流功率表征了一定高度的水体顺坡流动时具有的势能。其表达式如下：

The maximal destructive interference positions on the intensity distribution I(r1) predict the ring radii of the GO lens with a focal length f. In the meantime, the diameter is decided by the number of rings. In this way, the lenses can be designed according to different incident fields ().

式中：¯ω为水流功率（N／（m·s））；q为单宽流量（m3／（s·m））；h为水深（m）；V为平均流速（m／s）；J为能坡；γ为水密度（g／cm3）。

点绘输沙率与水流功率之间的关系图（图2）。输沙率与水流功率之间呈现良好线性关系，计算式可写为Dr＝a（¯ω－¯ω0）。系数a主要由地形、植被以及地表条件决定，也为土壤剥蚀率参数（g／（N·m））；¯ω0为临界水流功率（N／（m·s）），其与土壤类型有直接关系。

图2 水流功率与输沙率关系Fig.2 Curves of the relationship between flow power w ith sediment transport rate

通过回归分析，输沙率与水流功率的线性关系如下：

从式（3）、式（4）可以看出，扰动红壤的临界水流功率为0.182 4 N／（m·s），施加PAM后的临界水流功率为0.367 6 N／（m·s）；扰动红壤的土壤剥蚀率参数为40.895 g／（N·m），施加PAM后的土壤剥蚀率参数为0.726 g／（N·m）。可见，施加PAM后显著增加了临界水流功率，降低土壤剥蚀率参数。

2.3 水流动能与输沙率

哈德逊、摩根分别成功地采用径流动能来表示径流侵蚀力，即

式中：F为水流动能（J）；γ为径流的重度，从经验公式查得γ＝9 800 N／m3；Q为累计径流流量（m3）；V为平均水流流速（m／s）。点绘水流动能与平均输沙率之间的关系图（图3），结果表明，水流动能与平均输沙率之间存在比较明显的线性关系，随着水流动能的增加，坡面径流输沙率明显增加。通过线性回归分析，二者的线性关系式如下：

图3 水流动能与输沙率关系Fig.3 Curve of the relationship between flow kinetic energy w ith sediment transport rate

在关系式（5）、（6）中，斜率为与土壤可蚀性等因素相关的系数，直线与横坐标的截距为临界水流动能。从式（5）、式（6）可以看出，扰动红壤的临界水流动能为0.301 8 J，施加PAM后的临界水流动能为1.115 5 J；土壤侵蚀做功过程必然要消耗能量，此值也为临界径流能耗。扰动红壤的土壤剥蚀率系数为13.509 g／（J·min·m2），施加PAM后的土壤剥蚀率系数为0.035 5 g／（J·min·m2）。可见，施加PAM后显著增加了临界水流动能，降低土壤剥蚀率系数。PAM分子链之间的相互作用和滑韧性形成了一定的抗冲性，因此不易在水中分散悬浮而流失；PAM增加团聚体，并形成一定数量的胶结物质，减少亲和力，分散性小，抗蚀性大［11］。

3 结 论

本文运用径流剪切力、水流功率、径流动能法，对坡面不同土壤处理后的水动力学过程进行了研究。结果如下：

（1）坡面径流输沙率与坡面径流平均剪切力之间存在良好的线性关系。施加PAM后，红壤扰动土的可蚀性参数Kd由13.223 g／（min·N）降低为0.269 3 g／（min·N），径流的临界剪切力由0.77Pa增加到1.47 Pa。施加PAM后可显著增加扰动红壤的临界剪切力，降低土壤可蚀性参数。

（2）水流功率与平均输沙率之间存在良好的线性关系。施加PAM后的临界水流功率由0.182 4 N／（m·s）增加到0.367 6 N／（m·s）；土壤剥蚀率参数由40.895 g／（N·m）降低到0.726 g／（N·m）。施加PAM后显著增加了临界水流功率，降低了土壤剥蚀率参数。

（3）水流动能与平均输沙率之间存在良好的线性关系。施加PAM后的临界水流动能由0.301 8 Pa增加到1.115 5 J；土壤剥蚀率系数由13.509 g／（J·min·m2）降低到0.035 5 g／（J·min·m2）。施加PAM后显著增加了临界水流动能，降低土壤剥蚀率系数。

（4）土壤分离速率与径流剪切力、水流功率和水流动能3个水力参数均具有良好的线性正相关关系，而水流功率是其中描述土壤分离速率的最好参数，其复相关系数明显好于径流剪切力、水流动能与土壤分离速率的关系。

［1］ JIAN YU，T LEI，SHAINBERG I，et al.Infiltration and erosion in soils treated with dry PAM and gypsum［J］.Soil Science Society of American Journal，2003，67（2）：630－636.

［2］ LENTZ R D.Inhibiting water infiltration with polyacrylamide and surfactants：applications for irrigated agriculture［J］.Soil and Water Conservation，2003，58（5）：290－299.

［3］ 陈渠昌，雷廷武，李瑞平.PAM对坡地降雨径流入渗和水力侵蚀的影响研究［J］.水利学报，2006，37（11）：1290－1296.（CHEN Qu-chang，LEI Ting-wu，LIRuiping.The impacts of PAM on runoff／infiltration and water erosion from slope lands［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2006，37（11）：1290－1296.（in Chinese））

［4］ 员学锋，汪有科，吴普特，等.PAM对土壤物理性状影响的试验研究及机理分析［J］.水土保持学报，2005，19（2）：37－40.（YUN Xue-feng，WANG You-ke，WU Pu-te，etal.Effects andmechanism of PAM on soil physical characteristics［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2005，19（2）：37－40.（in Chinese））

［5］ 何小武，张光辉，刘宝元.坡面薄层水流的土壤分离实验研究［J］.农业工程学报，2003，19（6）：52－55.（HE Xiao-wu，ZHANG Guang-hui，LIU Bao-yuan.Soil detachment by shallow flow on slopes［J］.Transactions of the CSAE，2005，21（7）：42－45.（in Chinese））

［6］ 王 瑄，李占斌，李 雯，等.土壤剥蚀率与水流功率关系室内模拟实验［J］.农业工程学报，2006，22（2）：185－187.（WANG Xuan，LIZhan-bin，LIWen，et al.Indoor simulation experiment of the relationship between soil detachment rate and stream power［J］.Transactions of the CSAE，2006，22（2）：185－187.（in Chinese））

［7］ 李 鹏，李占斌，郑良勇，等.坡面径流侵蚀产沙动力机制比较研究［J］.水土保持学报，2005，19（3）：66－69.（LIPeng，LIZhan-bin，ZHENG Liang-yong，et al.Comparisons of dynamic mechanics of soil erosion and sediment yield by runoff on loess slope［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2005，19（3）：66－69.（in Chinese））

［8］ GILLEY J E.Hydraulic characteristics of rills［J］.Transactions of the ASAE，1990，33（6）：1900－1906.

［9］ NEARING M A，NORTON L D，BULGAKOV D A，et al.Hydraulics and erosion in eroding rills［J］.Water Resources Research，1997，33（4）：865－876.

［10］杜尧东，夏海江，刘作新，等.聚丙烯酰胺防治坡地水土流失试验研究［J］.水土保持学报，2000，14（3）：10－13.（DU Yao-dong，XIA Hai-jiang，LIU Zuo-xin，et al.Field experiment of preventing water and soil losses with polyacrylamide on sloping field［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2000，14（3）：10－13.（in Chinese））

［11］肇普兴，夏海江.聚丙烯酰胺防治田间水土流失机理［J］.水土保持研究，1997，4（4）：75－80.（ZHAO Puxing，XIA Hai-jiang.The mechanism for polyacrylamide to control water and soil erosion in hilly fields［J］.Research of Soil and Water Conservation，1997，4（4）：75－80.（in Chinese））

（编辑：赵卫兵）

Effects of PAM on Processes of Hydrodynam ics for Disturbed Red Soil

LIU Ji-gen1，2，PENG Hai-feng3，CHEN Zhan-peng1，ZHANG Ping-cang1
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Institute ofWater and Soil Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry ofWater Resources，Yangling 712100，China；3.Changjiang Project Supervision＆Consultant Company，Ltd，Wuhan 430010，China）

In order to compare the difference of the slope hydraulics processes for disturbed red soilwhen treated with PAM，stimulated rainfall experiments under different slopes，rainfall intensities and soil treatmentswere designed to investigate the relationship between runoff shear stress，flow power and flow kinetic energy with slope sediment transport rate respectively.The results show soil separate ratewith runoff shear stresses，stream power and flow kinetic energy all have better linear positive relationship.When treated with PAM，the disturbed red soil critical shear stresses increase from 0.77 Pa to 1.47 Pa，critical stream power increases from 0.182 4 N／（m·s）to 0.367 6 N／（m·s），and critical flow kinetic energy increases from 0.301 8 J to 1.115 5 J.Among three parameters the stream power is the best parameter used to represent soil separate rate，and itsmultiple correlation coefficient is obviously better than that of runoff shear stresses and flow kinetic energy with soil detachment rate.

PAM；disturbed red soil；shear stress；stream power；flow kinetic energy

S157.1

A

1001－5485（2010）11－0049－04

2010-09-10

黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室基金（10501-219）；中央级公益性科研院所基本科研业务费（YWF0717／TB02）

刘纪根（1975-），男，湖北汉川人，博士，高级工程师，主要从事土壤侵蚀机理、流域侵蚀产沙研究，（电话）027-82926207（电子信箱）jigenliu＠163.com。