内蒙库布齐沙漠表层固沙室内风洞模拟试验

王镱潼,唐泽军,陈 超,崔园园,王 佳



内蒙库布齐沙漠表层固沙室内风洞模拟试验

王镱潼,唐泽军*,陈 超,崔园园,王 佳

(中国农业大学水利与土木工程学院,北京 100083)

利用粉煤灰与聚丙烯酰胺(PAM)的物化性质,构造与土壤性质相似的沙土固结层,通过风洞试验模拟沙土风蚀过程,研究沙土固结层对沙土风蚀的抑制作用.试验对照组为沙土,试验组为按质量比将粉煤灰(10%、20%)和PAM(0.05%、0.1%)分别与沙土交叉配比混合(T1、T2、T3、T4). 研究结果表明:粉煤灰、PAM和沙土形成的沙土固结层可以有效提高沙土的起动风速,控制单一变量条件下,增加PAM添加量可以提高沙土固结层起动风速、增加粉煤灰添加量会导致沙土固结层起动风速降低;增加粉煤灰和PAM添加量可以降低沙土风蚀量;粉煤灰(10%)和PAM(0.1%)形成的固结层效果最好.

风洞试验；沙土固结层；风力侵蚀；粉煤灰(FA)；聚丙烯酰胺(PAM)

土壤荒漠化是地表在风力作用下产生土壤风蚀、风流沙、风沙沉积和沙丘迁移等过程的产物[1],多发生在干旱、半干旱以及半湿润地区[2],土壤风蚀是造成风成沙危害的首要环节[3].内蒙古自治区地处中国北部,是风蚀比较严重的地区之一,自治区内草场退化严重,风蚀格局为“东无中弱西强,北低南高”的趋势,自治区内荒漠化面积6.177×105km2[5],达到自治区面积的50%以上,位于中南部农牧交错带的鄂尔多斯以中度、轻度侵蚀为主[4].沙土治理的出发点是防止表层沙土颗粒滚动造成沙土表层结构破坏,目前土壤荒漠化的防治方式主要有植物治沙、机械治沙和化学治沙3种,化学治沙的方法是利用化学制剂在沙土表层形成防护层,抑制表层沙土颗粒运动.化学固沙与植物固沙相结合,是植物固沙的辅助措施和过渡性措施,也是沙漠治理方法的发展方向[6].

粉煤灰多为粉状颗粒,疏松多孔,吸附能力强,具有较大的比表面积[7],与粉砂壤土相似[8-10],可以用于改良土壤.作为土壤改良剂,粉煤灰可以改变土壤质地、容重、持水量,增加孔隙度、提高地温、缩小膨胀率,改变土壤酸碱性等[11-13],改良效果与土壤及粉煤灰的种类、性质和配比量有关.Watson等[14]发现通过向粉壤土和砂壤土中添加粉煤灰可以使其变成壤土.Pathan等[15]研究发现,向沙土中添加粉煤灰可以改变沙土质地,增加沙土中粉粒和黏粒的含量,减少沙土中沙粒含量,并能有效增加沙土含水率和持水能力,降低水力传导系数.土壤容重可以体现土壤结构特征等物理性质.Adriano等[16]通过试验发现,粉煤灰可以提高土壤的持水能力和植物有效水含量,但是不会改变土壤的容重,然而其他一些试验发现,随着试验使用粉煤灰自身容重的改变以及配比量的增加,试验前后土壤容重有所降低[17-18],部分试验发现土壤容重随粉煤灰添加量(体积比)增多先增加后减少,转折点是粉煤灰添加量(体积比)为20%,当粉煤灰添加量(体积比)超过50%后试验土壤容重低于原始天然土壤.Sale等[19]研究发现粉煤灰可以改变土壤平均直径,提高土壤中0.5~4mm粒径团聚体的数量,而土壤中大颗粒团聚体可以促进稳定的小颗粒团聚体形成[20].

聚丙烯酰胺(PAM)是一种链状高分子聚合物,具有良好的水溶性和絮凝性遇水后具有黏结性.大量研究表明,聚丙烯酰胺可以通过改善土壤阴阳离子交换能力增强水稳性团聚体的絮凝作用,其中阳离子型PAM可以用作农田保水剂,阴离子型PAM可以用作土壤改良剂[21-23].Yan等[24]研究聚丙烯酰胺对纯土和黏土的絮凝作用过程中发现,在阳离子桥存在的条件下阳离子型PAM是一种有效的絮凝剂,而阴离子型PAM表现为黏土胶体稳定剂,可以提升土壤团聚体稳定性.PAM使土壤表层细颗粒形成大团聚体,减少小团聚体数量,增强土壤表层硬度以及抗击能力,从而改良土壤结构、提高土壤团聚体的稳定性[25].康倍铭等[26]将PAM与天然土壤改良材料混合,研究其对土壤理化性质的影响,结果表明,施加浓度为0.1%的PAM,土壤水稳性团聚体数量显著增加,土壤孔隙度增加,但是有机质变化不大.和继军等[27]利用室内风洞模拟试验,通过控制PAM添加量与土壤含水量的方法探讨了PAM控制土壤风蚀的规律,结果表明土壤表层喷洒PAM可以有效降低土壤风蚀量,同时土壤表层的PAM越干越有利于增强土壤表层的抗风蚀能力.韩凤朋等[28]通过向黄土表层淋洒PAM试验发现,当PAM添加量小于2g/m2时,可以减小土壤体积质量,增加土壤孔隙度,提高水稳性团聚体数量.

目前针对粉煤灰与PAM作为土壤添加剂的研究,多针对农田土壤侵蚀.若能利用二者特性,在沙土地表形成一层质地较为坚硬且物化性质与土壤相似的固结层,则可以有效控制沙土表层颗粒的运动,达到治理风沙侵蚀的目的.本试验选取内蒙古自治区西北部库布其沙漠地区的流动沙丘和半流动沙丘作为研究对象,采取室内风洞模拟的方式,利用人工固结层治理沙土侵蚀,通过分析人工固结层对沙土风蚀的改善情况,探讨沙土人工固结层的固沙效果及固沙机理,为内蒙古荒漠地区风沙治理提供新方法和技术支持.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验沙样取自内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗库布齐沙漠的流动沙丘,沙土含水率0.64%,平均容重1.5g/cm3,沙土中黏粒含量1.3%,粉粒含量3.3%,沙粒含量含量在95.4%.试验前将沙土自然风干,用1号筛将沙土进行过筛处理,去除沙土中的草根硬块等杂质.

试验用粉煤灰取自内蒙古自治区达拉特发电厂干贮灰场,pH值为10.8,属于CaO含量较高的优质粉煤灰.试验前将块状粉煤灰粉碎,用1号筛将粉煤灰进行过筛处理,筛除粉煤灰中颗粒较大的底灰部分.过筛处理后的粉煤灰,粉粒含量100%.聚丙烯酰胺(PAM)选用阴离子PAM,白色粉粒状,分子量1200万,固体含量³85%.

1.2 试验设备

试验风洞由风机、调风、整流、试验、导流等五部分组成.风机为离心式风机,调速方式为直流变频,转速范围为30~1500r/min.风洞洞体是封闭设备,上下面为2mm厚钢板、两侧镶嵌2cm厚的玻璃、四周焊接4cm´4cm角钢.试验段纵向长7.5m,横断面尺寸为1.2m(宽)´0.8m(高),风道中风向平直,试验时调节风机转速可以获得不同的风速.在风洞底部均匀放置3个土壤水分探测仪,监测土壤水分,以确保沙土含水率与野外沙土含水率一致.试验选用风洞中间5m作为试验段,纵向每隔0.5m放置一排测钎,每排放置4支测钎,用于测量风蚀量.在风道顶部固定放置风速仪,记录该点瞬时风速.为控制室内风沙量,在风道尾端用彩条布缝制成长方形直筒,控制风向并将风沙导向室外,长方形直筒走向平直且紧绷,确保风向平直流畅.

1.进风口; 2.风速仪; 3.固定模板; 4.土壤水分探测仪; 5.测钎; 6.沙土固结层

1.3 试验方法

1.3.1 试验处理设计 试验共设计5种处理方式,如表1所示,第一组处理为对照组,其他4组处理为变量组,粉煤灰添加量分别为沙土质量的10%和20%,PAM施用量分别为沙土质量的0.05%和0.1%.

表1 各处理粉煤灰和PAM添加量(%)

选取风洞中间段作为风蚀模拟试验段,将沙土、粉煤灰和PAM按照不同的施用比例混合搅拌均匀,按照野外容重将沙土将如风洞中,表面修至平整,试验沙土铺设高度为30cm;为保证PAM充分溶解、粉煤灰充分发挥作用,在沙土表层喷洒适量清水,保证水分渗透到底部且不产生积水,静置5d,当测定沙土含水率与野外沙土含水率相同后开始试验,每组处理设置3次重复试验.

1.3.2 试验设计风速 达拉特旗位于黄河内蒙古段下段,春秋两季多风,春季沙尘暴较多,年平均风速3.6m/s,最大风速22m/s,年均大风日数10~32d,沙暴日数19~22d.2011年至2016年间,风速达到3级(3.4~5.4m/s)~4级(5.5~7.9m/s)年均175d,4级~5级(8~10.7m/s)年均123d[29].

试验采用极端风速8m/s(5级风)和14m/s(7级风)两种,每10min测量1次测钎露出长度,每组处理连续吹蚀3次.

1.3.3 试验数据测量及处理 启动风机后,风机转速逐渐增大,当风速稳定后调节转速,使相应风速由小到大逐步增加.当沙土表面有沙土颗粒剥离滚动时记下即时风速,即为起动风速.

试验采用测钎法测量沙土风蚀量;采用风蚀率表示风蚀强度,即单位时间内沙土试样的风蚀量.

沙土风蚀量计算公式为:

Q＝(l－0)··

式中:Q为处理T的风蚀量,kg;0为试验前测钎露出长度,mm,l为试验后测钎露出长度,mm;为野外沙土密度,kg/m3;为测钎代表的区域面积,mm2.

2 结果与分析

2.1 固结层对沙土起动风速的影响

沙土风蚀分为3个过程:沙粒起动、运移、沉积,其中运移又分为悬移、跃移和表面蠕移3种运动方式.在风力作用下,粒径小于0.1mm的颗粒主要发生悬移,粒径在0.1~0.15mm之间的颗粒主要发生跃移,粒径大于0.5mm的颗粒发生表面蠕移,其中跃移是风蚀运移的主体[30].试验沙土颗粒主要粒径范围是0.02~0.2mm,所以沙土在试验过程中主要发生悬移和跃移两种运动形式.

图2为试验过程中通过风速仪测量的沙土起动风速,各处理起动风速大小为: T2(8.3m/s)> T4(6.9m/s)>T1(5.7m/s)>T3(5.1m/s)>CK(3.5m/s).分别对比T1与T2、T3与T4,当粉煤灰添加量相同,增加PAM添加量时,沙土起动风速明显提高,T2相比于T1提高45.6%,T4相比于T3提高35%.分别对比T1与T3、T2与T4,当PAM添加量相同,增加粉煤灰添加量时,沙土起动风速反而降低,T3相比于T1降低10%,T4相比于T2降低17%.

以CK为对比标准,各处理提高起动风速比例大小为:T2>T4>T1>T3,其中T1起动风速提高63%,T2起动风速提高137%,T3起动风速提高46%,T4起动风速提高97%.

CK表层颗粒松散且黏结性较差,在风力作用下易被吹动.有固结层的沙土表层完整性较好,颗粒间黏结性较好,在风力作用下不易发生运动.PAM具有链状结构,遇水充分作用后发挥絮凝作用,可以有效增加团聚体数量[30],增加团聚体稳定性[25].PAM水解后与沙土和粉煤灰相互作用,沙土与粉煤灰形成新的团聚体、小团聚体形成大颗粒团聚体,从而改变沙土表层结构,增强沙土表面完整性,进而提高沙土起动风速.粉煤灰中的Ca2+通过阳离子桥之间产生絮凝现象,促进土壤颗粒形成稳定土壤结构[19,31].在PAM与粉煤灰的共同絮凝作用下,部分粉煤灰与周围沙粒形成新的团聚体,沙土表层形成稳定的沙土固结层;粉煤灰遇水后具有板结性,填充在固结层中.填充在固结层空隙中的粉煤灰有效的增加颗粒间的接触面积,增加沙粒及团聚体间的摩擦力,提高沙土的起动风速.当粉煤灰添加量一定,PAM 添加量由0.05%增加到0.1%的过程中,粉煤灰添加量为10%时起动风速提高效果更明显.当PAM添加量一定,粉煤灰添加量由10%增加到20%时,起动风速降低.粉煤灰含量不断增加会增加沙土固结层中粉粒含量,使得PAM对沙土中粉粒的作用效果减弱,导致固结层整体性逐渐降低,最终起动风速逐渐降低,试验结果T3和T4起动风速分别低于T1和T2起动风速.由于粉煤灰可以促进沙土固结层形成并提高沙土起动风速,因此这个试验结果说明,在10%与20%粉煤灰添加量之间,存在一个转折添加量,使得沙土起动风速最大.由此可见,添加粉煤灰和PAM可以有效提高沙土起动风速,二者合理的添加比例是提高沙土起动风速的关键.

2.2 沙土固结层风蚀率

图3(a)、(b)分别为两种风况条件下各处理在不同试验阶段的风蚀率.两种风况条件下各处理规律相同:试验初期沙土风蚀率最大,各处理相比CK>T1>T3>T4>T2;试验初期对照组的风蚀率明显高于同时期其它处理的风蚀率;试验中期和后期,各处理风蚀率相比于试验初期降低,但在这两个阶段各处理风蚀率相差不大;与8m/s风况条件下相比,14m/s风况条件下各处理风蚀率明显增加.

8m/s风况条件下,试验初期CK风蚀率17.91kg/min,T1风蚀率3.44kg/min,T3风蚀率2.18kg/min,T4 风蚀率1.52kg/min.在这一试验阶段,沙土表层未被粉煤灰与PAM固结的松散颗粒发生风蚀现象,各处理风蚀率远小于CK,并且起动风速较大的处理风蚀率较低.试验中期T1风蚀率1.52kg/min,T3风蚀率0.45kg/min,T4风蚀率0.71kg/min.试验后期T1风蚀率0.55kg/min,T3风蚀率0.37kg/min,T4风蚀率0.37kg/min.试验初期,松散颗粒在沙土表层运动的过程中会使固结层表面产生划痕,破坏固结层表面的完整性.试验中期沙土表层的划痕处开始发生风蚀现象.由于固结层的整体性较好,粉煤灰和PAM共同作用可以有效固定沙粒,因此在试验中期和试验后期各处理的风蚀率逐渐降低.

14m/s风况条件下,CK组试验初期风蚀率28.4kg/min,T1风蚀率15.13kg/min,T2风蚀率1.87kg/min,T3风蚀率10.42kg/min,T4风蚀率5.31kg/min.在这一试验阶段,14m/s风况条件下风蚀率明显高于8m/s风况条件下风蚀率.试验中期T1风蚀率3.2kg/min,T2风蚀率1.06kg/min, T3风蚀率1.94kg/min,T4风蚀率1.11kg/min;试验后期T1风蚀率1.50kg/min,T2风蚀率0.86kg/ min, T3风蚀率1.49kg/min,T4风蚀率0.86kg/ min,其中T2与T4风蚀率相同.不同处理在试验后期出现风蚀率相同的现象,说明沙土在风蚀过程中,固结层的风蚀现象会趋于稳定,风蚀率会趋于稳定值.

8m/s风况条件下,T3仅在试验中期的风蚀率最低,T4风蚀率在各试验阶段持续降低,试验后期T3与T4风蚀率相同,因此T2与T4在8m/s风况条件下抗风蚀效果较好.14m/s风况条件下,各试验阶段均为T2风蚀率最低,试验后期T2与T4风蚀率相同,因此在14m/s风况条件下T2与T4抗风蚀效果均较好.

图4(a)、(b)分别为两种风况条件下各处理的累积风蚀量,各处理在不同试验阶段风蚀量CK>T1>T3>T4>T2.T1与T3两处理PAM添加量相同,增加粉煤灰添加量可以降低沙土固结层风蚀量;T2与T4两处理PAM添加量相同,增加粉煤灰添加量会造成沙土固结层风蚀量增加.分别对比T1与T2、T3与T4,粉煤灰添加量相同时增加PAM添加量可以降低沙土固结层风蚀量,T1与T2风蚀量差距较大.

不同粉煤灰与PAM添加量所形成的沙土固结层,固结效果不同.当粉煤灰添加量相同时,增加PAM添加量可以降低固结层风蚀量,粉煤灰添加量为10%时效果更加明显.T1与T2、T3、T4相比,沙土表层固结层的固结效果较差,表层松散颗粒相对较多,由于PAM具有絮凝性,因此PAM添加量增加时(T2)可以有效改善沙土表层固结层的固结强度,降低沙土风蚀量.虽然T3的固结层终粉煤灰含量相比T1有所增加,但是由于粉煤灰具有固沙效果,所以T3的沙土固结层具有较好的固结效果.T2与T4沙土表层固结层的PAM含量较高,固结效果较好.当PAM添加量为0.05%(T1和T3)时,粉煤灰添加量增多,沙土风蚀量降低;当PAM添加量为0.1%(T2和T4)时,粉煤灰添加量增加时沙土表层松散颗粒增多,沙土风蚀量增加.由此可见,对于沙土、粉煤灰和PAM形成的沙土固结层,PAM是影响固结层固沙效果的主要因素.

以CK为参照标准,8m/s风况条件下,T1风蚀量降低81%,T3降低88%,T4降低92%;14m/s风况条件下,T1风蚀量降低47%,T2降低93%,T3降低63%,T4降低81%.两种风况条件下,试验初期各处理抗风蚀能力对比T2最好,优于T4,优于T3,优于T1.各处理在试验初期风蚀量最大,发生风蚀现象的主要颗粒是沙土表层松散颗粒.对比两种风况条件下风蚀量降低比例,风蚀量降低比例较高的处理,一方面说明粉煤灰与PAM的固沙效果好,所以沙土表层松散颗粒较少;另一方面说明粉煤灰和PAM的混合比例较好,二者充分发挥各自的特性,并且所形成的固阶层具有较好的凝聚性,抗风蚀性更好.

2.3 沙土固结层风蚀机理

图5(a)、(b)、(c)分别表示8m/s风况条件下,各处理在试验过程中风洞前部、中部和后部风蚀量变化情况:随着试验试验进行各处理前部、中部和后部风蚀量逐渐降低.CK在风蚀过程中起沙现象最明显.T1与T4试验初期和试验中期风蚀量大小为后部>中部>前部,试验后期风蚀量大小为前部>中部>后部.T2起动风速较大,8m/s风速没有达到沙土的起动风速,所以试验结束后沙土表层基本没有变化.T3试验初期风洞后部风蚀量最大,前部与中部风蚀量向接近,随着试验时间的延长风蚀量中部>前部>后部.

试验初期,沙土表层松散颗粒和固结层表层颗粒发生风蚀现象.在颗粒被吹动的过程中,前部部分颗粒在风力作用下在沙土表面滚动;另一部分颗粒在风力作用下运动,最后沉积在中后部.风洞前部主要是净风吹蚀,中部和后部发生风沙流吹蚀,其中后部风沙流最大.在沙土表面滚动的沙土颗粒破坏了中部和后部沙土表层固结层的稳定性,同时散落在中后部的松散颗粒在风力作用下会继续被吹动,因此在试验初期各处理均为后部风蚀量最大.当松散颗粒风蚀过程结束后,固结层的作用开始显现出来,风洞各段的风蚀量开始急剧降低.试验后期,中部固结层既受到前部运动颗粒的破坏又受到风力作用,所以风蚀量较大.风洞后部虽然受到前部与中部运动颗粒的破坏,但是由于中部破坏情况明显,沙土平面中部逐渐形成轻微凹陷,造成后部风向和沙粒运动方向改变,使得运动颗粒对后部固结层的破坏程度降低,同时固结层的颗粒在风力作用下吹蚀距离较短,部分前部和中部颗粒停留在后部,所以后部风蚀量略小于中部.

图6(a)、(b)、(c)分别表示14m/s风况条件下,各处理在试验过程中风洞前部、中部和后部风蚀量变化情况,各试验组风蚀现象更加明显.T1在试验初期和试验后期风蚀量大小为后部>中部>前部,试验中期风蚀量大小为中部>后部>前部.T2风蚀量最小,试验初期和试验后期风蚀量大小为后部>中部>前部,试验中期风蚀量大小为后部>前部>中部.T3在试验初期前、中、后部风蚀量基本相同,在试验中期和试验后期风蚀量前部>后部>中部.T4在试验初期风蚀量大小为后部>中部>前部,试验中期和试验后期风蚀量大小为后部>前部>中部.

14m/s风况条件下,试验初期各处理经历了表层松散颗粒被吹蚀和沙土表层固结层颗粒被吹蚀两个过程.被吹蚀的颗粒只有少部分会停留在沙土表面,因此试验后期各处理后部风蚀量最大.

最初发生风蚀现象的是沙土表层松散颗粒,风洞前部松散颗粒的主要运动状态是在沙土表层滚动,风洞中部和后部松散颗粒的运动状态包括在沙土表面滚动和剥离沙土表面的跳跃两种.风蚀过程中,跳跃的颗粒在下落时对沙土表面产生力的作用,导致沙土表层出现侵蚀细沟和少量风蚀穴.松散颗粒风蚀结束后,沙土表层固结较弱的地方最先被破坏,形成凹坑和侵蚀细条.

3 结论

3.1 通过采取室内风洞模拟的方式,利用人工固结层治理沙土侵蚀,通过分析人工固结层对沙土风蚀的改善情况,得出:不同配比沙土固结层发生风蚀现象主要分为两个过程,初期沙土表层松散颗粒在风力作用下发生滚动和跳跃;随着试验进行沙土固结层表层松散颗粒被吹走后,沙土固结层表层风蚀量逐渐降低最后趋于稳定.

3.2 粉煤灰和PAM形成的沙土固结层可以有效提高沙土的起动风速.当粉煤灰添加量一定,增加PAM添加量可以提高沙土固结层起动风速;当PAM添加量一定,粉煤灰添加量增多会导致沙土固结层起动风速有所降低,因此合理的粉煤灰与PAM配比可以有效降低沙土起动风速.

3.3 粉煤灰与PAM均可以降低沙土风蚀量.粉煤灰添加量相同时,增加PAM添加量可以降低固结层风蚀量;PAM添加量相同时,粉煤灰添加量的增加会降低沙土固结层风蚀量.当沙土固结层添加量为粉煤灰(10%)和PAM(0.1%)时固结效果最好,沙土风蚀量最小.

3.4 通过室内风洞模拟实验,沙土、粉煤灰和PAM形成的沙土固结层可以有效抵抗8m/s风速下的风力侵蚀,在14m/s风况条件下,沙土固结层呈现较好的抗风蚀效果.内蒙古地区风速达到14m/s的情况较少,因此根据室内风洞的试验结果,沙土固结层可以应用于沙土风蚀治理.

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Wind tunnel experimental study on desert surface of Kubuqi desert, Inner Mongolia.

WANG Yi-tong, TANG Ze-jun*, CHEN Chao, CUI Yuan-yuan, WANG Jia

(College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)., 2017,37(8)：2888~2895

The consolidated soil layer (CSL) was composed of fly ash (FA) and polyacrylamide (PAM), and its property was similar to soil. The resistance to wind erosion of CSLs was studied using an indoor wind tunnel under simulated wind erosion conditions. The CSL was a mixture of FA (10% and 20%), PAM (0.05% and 0.1%) and the experimental soil (classified as a sandy soil), named as T1, T2, T3, and T4. The results showed that the threshold wind speed of the sandy soil was significantly increased due to the formation of CSL by FA and PAM, exhibiting an increasing trend with increasing addition rate of FA and PAM. The wind erosion amounts of different CSLs were all decreased when compared with that of the sandy soil. The resistance to wind erosion of the CSL consisting of 10% FA and 0.1% PAM was strongest.

wind tunnel experiments；consolidated soil layer (CSL)；wind erosion control；fly ash (FA)；polyacrylamide (PAM)

X51

A

1000-6923(2017)08-2888-08

王镱潼(1989-),女,吉林省长春人,中国农业大学博士研究生,主要从事水土保持与荒漠化治理工程研究.发表论文1篇.

2017-01-18

国家自然科学基金项目(51379211)

* 责任编辑, 教授, tangzejun@sina.com