PAM对不同雨强下黑土区土质堤防侵蚀的影响

刘鸿涛, 郑琪严, 李起龙, 赵瑞娟, 李晓军

(1.长春工程学院 水利与环境工程学院, 长春 130012;2.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室, 长春 130012; 3.广东珠荣工程设计有限公司,广州 510000; 4.松辽水利委员会, 长春 130012; 5.中水东北勘测设计研究有限责任公司, 长春 130000)

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18.27万km2[4]。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[10-13]。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。PAM作为一种线型水溶性高分子化合物,PAM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[14-17]。万佳蕾[18]研究PAM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[19]向陕北黄绵土坡面施加PAM发现,施加PAM后起到了减流的效果,也起到了减沙效果。由此可见,PAM对土壤的改造效果与土壤的类型和PAM的施用量多少有关。不同的PAM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PAM对坡面侵蚀形态的影响也成为近年来研究的热门问题[20-22]。由于各地区坡面的土壤条件不同,关于PAM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PAM堤防坡面的产流产沙特征,来探究PAM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PAM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2021年6—8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20 cm,土壤容重为1.3 g/cm3。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2.0～0.02 mm,土壤含量为57.14%,粒径0.02～0.002 mm土壤含量为22.15%,<0.002 mm土壤含量为20.71%。

1.2 试验装置

本次试验所用的主要设备包括:人工降雨模拟器、径流试验槽、三维激光扫描仪和烘干箱等。下喷式模拟降雨器,使用摆喷式喷头,降雨强度60～300 mm/h,由压力和喷嘴尺寸决定,降雨均匀度大于80%,有效降雨范围2 m×5 m,降雨高度6 m。可移动变坡径流槽,规格为长×宽×高(1 500 mm×400 mm×400 mm),坡度变化范围0°～30°,径流槽底部均匀打孔,径流槽前端设有“V”字形集流槽,底端设置集流孔。X-Scan三维激光扫描仪,采用手持快速扫描,通过散斑条纹投影的原理对坡面地形进行扫描,扫描速度为每秒550 000次测量,精度0.1 mm。最后通过特征拼接,标记定点位的方法,将扫描后的地形拼接在一起。烘干箱,采用热风循环系统由能在高温下连续运转的风机和风道组成,提高工作室内温度均匀度。

1.3 试验设计

研究不同降雨强度条件下,PAM浓度对黑土区坡面产流产沙特征的影响,本次试验设计两个降雨强度60,90 mm/h,坡度为15°,PAM浓度为0,2,3,4,5 g/m2。雨强的选定主要依据詹敏[23]和张宪奎[24]等研究成果,引起东北土壤侵蚀的降雨一般具有短历时高雨强的特点,降雨历时在30～60 min,实测短历时瞬时降雨强度在23.4～103.2 mm/h。坡度的选用与伊丹河流域堤防一致。

1.4 试验步骤

试验开始前将所取供试土壤除去碎石和植物根茬等杂质后,过5.0 mm筛网,然后进行风干、均匀拌和等处理。采用拌土撒施法向坡面施加PAM。为尽可能真实地还原堤防背水坡面填筑的情况,采取分层铺土方式,径流槽底部均匀打孔,并在底层依次铺设纱布、10 cm厚沙子,保证土壤中的水可以自由下渗;然后每5 cm为一层装填土壤,在铺设上层土壤之前将下层土壤打毛,以防两次填土出现分层现象。为消除边界效应的影响,将径流槽四周边壁土壤尽量压实。为了保证试验条件一致,对试验坡面进行预降雨至坡面土壤饱和为止,预降雨完成24 h后开始试验。降雨试验开始前,在降雨区域内均匀放置4个蒸发皿测定降雨强度和均匀度,采用均匀性计算公式计算均匀度,当均匀度达到80%以上时开始降雨试验。降雨历时为1 h,产流开始后记录产流时间,每隔3 min采集一次径流泥沙样,每次采集时长10 s,使用秒表记录取样时间。

用染色剂法测得坡面表层水流流速。降雨结束后,使用温度计测量径流样品温度,计算水流黏滞系数。将试验收集的泥沙样品静置沉淀,待泥沙沉淀后使用量筒测量径流。将测量完成的泥沙样品放置到105℃的勺烘箱内烘干,称量其重量。

1.5 数据处理

采用Excel将测得的产流量和产沙量进行处理,采用Origin绘制产流率和产沙率的变化曲线。采用ArcGIS对坡面侵蚀图像进行处理,进行灰度映射,侵蚀严重区域用黑色表示,提取侵蚀严重的区域(以侵蚀深度≥20 mm作为提取标准)。

2 结果与分析

2.1 不同降雨强度下PAM浓度对堤防坡面产流的影响

图1—2为不同降雨强度下各坡面的产流情况。在相同的PAM浓度下,各个坡面的产流率均随着降雨强度的增大而增大,坡面产流率波动也随之增大。施加PAM条件下的坡面产流率达到相对稳定的状态比裸地坡面相对延后一些,这是因为固体PAM颗粒与土搅拌后,需要吸收水分溶解后才可发挥作用。在两种降雨条件下,随着PAM浓度的增加,坡面的平均产流量呈现先减后增的趋势,在PAM浓度为3 g/m2平均产流率开始转折。施加PAM的坡面平均产流率均小于未施加PAM的坡面。在降雨强度为90 mm/h条件下,平均产流率的排序为0 g/m2>5 g/m2>2 g/m2>4 g/m2>3 g/m2。3 g/m2平均产流率相比0 g/m2减小了约15.7%,平均产流率降低了2.5%～15.7%,;在降雨强度为60 mm/h条件下,平均产流率的排序为0 g/m2>5 g/m2>2 g/m2>4 g/m2>3 g/m2。3 g/m2平均产流率相比0 g/m2减小了约13.3%,平均产流率降低了6.7%～13.3%。根据分析可得出结论,PAM有着提高土壤入渗减少径流的作用,但当PAM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。

图1 降雨强度90 mm/h下不同PAM浓度对产流率的影响Fig. 1 Effect of different PAM concentrations on abortion rates at rainfall intensity of 90 mm/h

图2 降雨强度60 mm/h下不同PAM浓度对产流率的影响Fig. 2 Effects of different PAM concentrations on abortion rates at rainfall intensity of 60 mm/h

本次试验中平均产流率随着降雨强度的增大而增大;随PAM浓度的增大先减小后增大,但均小于未施加PAM坡面的平均产流率。将降雨强度和PAM浓度与施加PAM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=1.7172I0.8208P0.0758

(R2=0.9348,p=0.05)

(1)

式中:MP为平均产流率(mm/h);I为降雨强度(mm/h);P为PAM浓度(g/m2)。

可见,平均产流率(MP)与降雨强度(I)和PAM浓度(P)呈正相关,且降雨强度的幂指数(0.820 8)显著大于PAM浓度的幂指数(0.075 8),即降雨强度对平均产流率的影响大于PAM浓度的影响。

2.2 不同降雨强度下PAM浓度对堤防坡面产沙的影响

图3—4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增加而增加,在20 min左右出现不同程度的减小趋势。降雨强度90 mm/h的产沙率随降雨历时的波动要大于60 mm/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90 mm/h条件下不同PAM浓度的坡面产沙率是60 mm/h条件下坡面产沙率的1.35～1.43倍。其中未施加PAM坡面与施加PAM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PAM的坡面,可以看出在降雨的中后期施加PAM的坡面产沙率会更稳定。两种雨强工况下,施加PAM可以有效地减小坡面产沙率,降低了土壤侵蚀量。降雨强度90 mm/h时,施加PAM的减沙效率为17.47%～56.81%;降雨强度60 mm/h时,施加PAM的减沙效率为9.42%～45.41%。随着坡面PAM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5 g/m2坡面产沙率大于其他施加PAM的坡面,而相比于0 g/m2的坡面产沙率仍在减小。

图3 降雨强度90 mm/h不同PAM浓度对产沙率的影响Fig. 3 Effects of different PAM concentrations of rainfall intensity of 90 mm/h on sand production rate

图4 降雨强度60 mm/h不同PAM浓度对产沙率的影响Fig. 4 Effects of rainfall intensity of 60 mm/h on sand production rate by different PAM concentrations

本次试验中平均产沙率随着降雨强度的增大而增大,随着PAM浓度的增大而减小。将降雨强度和PAM浓度与施加PAM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PAM浓度(P)为负相关。且降雨强度的幂指数(1.299 )显著大于PAM浓度的幂指数(-0.314 ),即降雨强度对平均产沙率的影响大于PAM浓度对平均产沙率的影响。拟合方程为:

ME=0.000261I1.299P-0.314

(R2=0.9886,p=0.05)

(2)

式中:ME为平均产沙率〔kg/(m2·min)〕;I为降雨强度(mm/h);P为PAM浓度(g/m2)。

2.3 不同降雨条件下PAM浓度与坡面水沙关系

由表1可知,在降雨强度90 mm/h和60 mm/h两种降雨条件下,与PAM浓度0 g/m2坡面径流量和产沙量相比较,3 g/m2坡面径流量分别减少了24.36%,15.53%,产沙量分别减少了34.78%,38.74%;4 g/m2的坡面径流量分别减少了16.26%,12.48%,产沙量分别减少了44.24%,51.33%; PAM浓度5 g/m2时,坡面产沙量最小,分别减少了52.12%,55.36%,但是5 g/m2的坡面径流量减少了9.43%,1.92%。分析得出施加PAM可以有效地降低坡面的径流量,但PAM浓度大于3 g/m2时,PAM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PAM浓度的增大均呈现显著减小的趋势。随着PAM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PAM浓度4 g/m2对坡面侵蚀综合预防效果最好。

表1 坡面径流产沙量Table 1 Slope runoff sand production scale

2.4 不同降雨强度下PAM浓度对坡面流速的影响

图5—6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PAM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PAM坡面流速在降雨历时中期之前略小。其原因在于降雨初期PAM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PAM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PAM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90 mm/h坡面流速波动要大于60 mm/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,PAM对流速的降低效果存在拐点,降雨强度60 mm/h,90 mm/h最小流速分别发生在4 g/m2,3 g/m2坡面。且施加PAM的坡面平均流速均小于未施加PAM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。

图5 降雨强度60 mm/h下不同PAM浓度对流速的影响Fig. 5 The influence of different PAM concentrations on the flow velocity under the rainfall intensity of 60 mm/h

图6 降雨强度90 mm/h下不同PAM浓度对流速的影响Fig. 6 The influence of different PAM concentrations on the flow velocity under the rainfall intensity of 90 mm/h

本次试验中平均流速随着降雨强度的增大而增大,随着PAM浓度的增大先减小后增大。将不同降雨强度和PAM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0.942 9,显著性水平0.05。平均流速(MV)与降雨强度(I)的幂指数(0.558 4)呈正相关,与PAM浓度(P)的幂指数(-0.058)呈负相关。且降雨强度的幂指数大于PAM浓度的幂指数,即降雨强度对平均流速的影响大于PAM浓度的对平均流速的影响。拟合方程为:

MV=0.0047I0.5584P-0.0580

(R2=0.9429,p=0.05)

(3)

式中:MV为平均流速(m/s);I为降雨强度(mm/h);P为PAM浓度(g/m2)。

2.5 坡面侵蚀动力学分析

雷诺数(Re)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,Re<500时,为层流;500≤Re≤2000时,为过渡流;当Re>2000,为紊流。根据表2中数据可知,两种雨强下,雷诺数随着PAM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[25]。

表2 不同降雨强度-PAM浓度条件下坡面水动力学参数Table 2 Slope hydrodynamic parameters under different rainfall intensity-PAM concentration conditions

弗洛德数(Fr)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Fr<1时,水流为缓流;Fr=1时,水流为临界流;当Fr>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[26]。侵蚀沟深度也相对较浅。弗罗德数随PAM的变化规律性不强,这可能与PAM在坡面的施用不均所导致。

径流剪切力(τ)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PAM浓度(P)与径流剪切力(τ)进行多元回归分析,幂函数拟合方程为:

τ=0.7420I0.2398P0.1006

(R2=0.8886,p<0.05)

(4)

由回归方程分析可知,径流剪切力与降雨强度和PAM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PAM浓度。

水流功率(ω)是剥蚀定量的土壤所需的功率。两种雨强下,未施加PAM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PAM浓度(P)与水流功率(ω)进行多元回归分析,三者关系式如下:

ω=0.003I0.8199P0.0755

(R2=0.9349,p<0.05)

(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PAM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=0.0012I0.5521P-0.0350

(R2=0.9274,p<0.05)

(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PAM和PAM浓度4 g/m2为例进行分析。从图7A—B中可知,在降雨强度60 mm/h时,坡面侵蚀主要以面蚀为主。0 g/m2坡面中、下部侵蚀较为严重。施加PAM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。PAM浓度4 g/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≥2 cm,其施加PAM最大侵蚀深度2.57 cm,坡面平均侵蚀深度为1.04 cm,侵蚀严重区域面积为0.051 m2,占坡比面积比例的8.5%。从图7C—D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60 mm/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PAM坡面均起到了防侵蚀的效果,此雨强下,4 g/m2的防侵蚀效果最好,相比3 g/m2坡面侵蚀区域减小了0.055 m2,平均侵蚀深度减少了0.246 cm,防侵蚀能力提升最为明显(表3)。

表3 降雨强度和PAM浓度与坡面侵蚀形态参数Table 3 Rainfall intensity and PAM concentration and slope erosion morphological parameters table

注:图中黄色为受侵蚀区域。图7 60 mm/h,90 mm/h雨强下不同PAM浓度坡面侵蚀形态Fig. 7 60 mm/h, 90 mm/h rain intensity under different PAM concentration slope erosion patterns

3 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[27]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[28]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,<2 mm干筛团聚体和0.25～1 mm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1∶3。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[29]研究发现同一降雨条件下,黑土区坡面在12°～15°存在一个临界坡度,当坡度<12°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[30]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PAM的施用效果起着关键性作用,正如于健[31]、唐泽军[32]、刘纪根[33]等研究,对于土壤本身结构较好的土壤,PAM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PAM反而会降低其入渗。PAM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[34]PAM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PAM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,PAM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,PAM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[35]、员学锋[36]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PAM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PAM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) 在同一降雨条件下,向黑土区壤质土堤防坡面施加PAM减流减沙效果明显,最大可减流82.9%,最大可减沙43.19%。随着向堤防坡面施加的PAM浓度增加,坡面的产流产沙趋势并不相同。随着施加PAM浓度的增加,坡面的产沙量而减少;坡面的产流量呈现先减小后增加的趋势。从坡面侵蚀和经济角度考虑,适用于该地堤防的PAM浓度为3 g/m2。

(2) 计算黑土区堤防坡面水流的雷诺数(Re)和弗罗德数(Fr),辨别出水流形态为层流,流态为缓流。径流剪切力、水流功率、单位水流功率与降雨强度和PAM浓度展现出良好的幂函数关系,降雨强度对参数的影响较大。

(3) 堤防坡面的侵蚀形态主要以面蚀为主,施加PAM使得侵蚀严重区域的面积相较未施加PAM坡面减少了70.38%,起到了一定的侵蚀控制效果。随着降雨强度的增加,堤防坡面的侵蚀方式从面蚀开始向细沟侵蚀发展。