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(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所, 武漢 430010；2.天津市水文水資源勘測管理中心, 天津 300060)

新型水溶性聚氨酯對紫色土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

朱秀迪1,丁文峰1,張冠華1,李清溪1,王強2

(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所, 武漢 430010；2.天津市水文水資源勘測管理中心, 天津 300060)

為探索新型水溶性聚氨酯防治紫色土坡面水土流失的效果，采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗，分析了不同雨強條件下5%濃度的新型水溶性聚氨酯(W-OH)對紫色土坡面入滲、產(chǎn)流和侵蝕過程的影響。結(jié)果表明：紫色土坡面施加W-OH能顯著提高土壤抗蝕性，從而減小坡面侵蝕產(chǎn)沙量;在42，72，112 mm/h 3種雨強試驗條件下，施加W-OH組的坡面與對照組坡面相比，盡管坡面徑流增大了12.40%～203.41%，但產(chǎn)沙量減小了89.40%～97.43%，沙輸移率降低了86.67%～97.45%,且當(dāng)雨強較大時(72,112 mm/h),施加W-OH組的土壤可蝕性降低率為96.80%～97.41%。研究結(jié)果為紫色土坡面防蝕提供了一定的理論依據(jù)及應(yīng)用指導(dǎo)。

W-OH；紫色土；下滲；產(chǎn)流產(chǎn)沙；人工模擬降雨

1 研究背景

紫色土廣泛分布于四川盆地周邊低山丘陵區(qū)。據(jù)測算，目前紫色土地區(qū)平均侵蝕模數(shù)約為3 365 t/(km2·a)，個別地區(qū)高達(dá)9 000 t/(km2·a)[1]。其侵蝕面積之廣和侵蝕強度之大，僅次于我國北方的黃土[2]，是長江上游的主要耕作土壤類型。由于其風(fēng)化成土速率快，加之自身穩(wěn)定性差，以及人類活動的干擾，使得紫色土區(qū)域的水土流失形勢變得十分嚴(yán)峻。到目前為止，已經(jīng)有不少學(xué)者針對防治紫色土坡耕地侵蝕做了相關(guān)研究[3-4]，但治理措施主要集中在生物措施、工程措施以及農(nóng)業(yè)技術(shù)措施。雖然以上措施在水土保持治理方面取得了顯著的成效，但其治理周期長，收益見效慢等特點仍限制水土流失治理的可持續(xù)發(fā)展。

近年來，新型水溶性聚氨酯W-OH作為一種有效的土壤改良劑，為解決紫色土坡耕地的治理提供了新的治理方式。首先，因W-OH具有卓越的抗風(fēng)蝕性及抗凍性，主要被應(yīng)用于荒漠化地區(qū)及青海周邊高寒地區(qū)[5-8]；隨后，許多專家學(xué)者通過改變其濃度，添加保水、抗紫外線劑、PVA等方式，改善其物理化學(xué)性以適應(yīng)更多區(qū)域；目前，應(yīng)用主要集中于黃河流域砒砂巖區(qū)[9-13]以及崩崗的治理[14]，但長江上游紫色土丘陵區(qū)尚未見到相關(guān)報道。此外，姚文藝等[9]通過野外天然徑流小區(qū)試驗證明，W-OH具有減流功效，也有很多研究表明W-OH具有很好的防滲功效[6-7]。

從截然不同的試驗結(jié)果來看，關(guān)于W-OH的入滲產(chǎn)流產(chǎn)沙機理還沒有被完全滲透，且W-OH在不同地區(qū)、不同土壤的適應(yīng)性、配置方式均有所區(qū)別，要追尋最佳配置治理方案，需要通過試驗進一步證實與完善。因此本研究通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗，主要從雨強因素探析了新型水溶性聚氨酯材料W-OH在紫色土坡水土流失治理的實際應(yīng)用效果，以期對紫色土水土流失防治提供理論依據(jù)，為該高新復(fù)合固化材料在長江上游坡耕地地區(qū)的大范圍治理應(yīng)用提供理論支撐。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗土壤

試驗土壤取自于湖北省秭歸縣王家橋小流域(31°13′N—31°16′N，110°38′E—110°42′E)坡耕地，屬紫色土。將所取土樣風(fēng)干過篩后，測定其土壤的重度、有機質(zhì)含量及機械組成。采用環(huán)刀法測定土壤重度；采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質(zhì)；采用吸管法測定土壤機械組成[15]。試驗土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

取土區(qū)域?qū)贌釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫在14.2～17.9 ℃之間，多年平均降水量達(dá)到1 012 mm;夏季集中性的降雨頻發(fā)很容易造成水流匯集，致使洪澇災(zāi)害頻發(fā)，水土流失嚴(yán)重。故以該區(qū)土樣來研究W-OH水蝕機理具有較好的代表性。

2.2 試驗材料

W-OH材料由江蘇艾特克環(huán)境工程設(shè)計研究院有限公司提供。該材料在常溫下可與水反應(yīng)，并釋放CO2，從而生成具有良好力學(xué)性能的多孔性彈性固化體。這種固化體不僅能與土壤產(chǎn)生較好的黏接力，也具有良好的安全性和無毒性。參照以往W-OH在渠道防滲、邊坡穩(wěn)定方面的研究結(jié)果[14]，同時考慮對紫色土生產(chǎn)力不構(gòu)成影響，本研究選取5%濃度的W-OH水溶液進行試驗。

2.3 試驗裝置與步驟

試驗在長江科學(xué)院水土流失模擬實驗室模擬降雨大廳進行，采用下噴式模擬降雨系統(tǒng)，雨滴降落有效高度為9 m，降雨均勻系數(shù)達(dá)到85%以上。試驗土槽為固定水泥槽，長8 m，寬1 m，土槽深45 cm，坡度為15°。

本研究采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗，無材料對照組與全坡面噴灑5%濃度的W-OH固化材料處理組2種坡面形式，分別記為A，B。選取3種降雨強度(42,72,112 mm/h)，分別記為1,2,3。共進行6場模擬降雨試驗。先在槽底填入10 cm厚的沙子便于滲水，然后將試驗紫色土過10 mm篩，每隔5 cm分層壓實以保證密度控制在1.25 g/cm3左右，以接近當(dāng)?shù)刈仙撩芏?，填土厚度?0 cm。正式降雨前一天，采用30 mm/h的降雨強度進行前期降雨30 min，控制土壤含水率在20%左右，以保證土壤前期含水量一致。每次試驗前，采集土壤，用烘干法測土壤含水量，至滿足試驗要求為止。

降雨歷時設(shè)定為35 min，降雨開始計時，記錄產(chǎn)流時間，同時觀察坡面侵蝕過程。坡面開始產(chǎn)流后，每2 min接取一個泥沙樣，并測量其體積。用測量桶接取2 min內(nèi)全部徑流并測量其體積，降雨結(jié)束后，用烘干法測量泥沙樣品質(zhì)量。最后按照水量平衡原理計算出降雨入滲量和入滲率。

3 結(jié)果與分析

3.1 W-OH對紫色土坡面入滲過程的影響

由圖1可知，入滲初期，土壤水入滲處于滲漏階段。在此階段，不同雨強下，對照組初始入滲率介于0.68～1.30 mm/min之間;處理組的初始入滲率介于0.44～0.59 mm/min之間。同一雨強下，對照組初始入滲率為處理組的1.50～2.20倍。隨著土體吸水濕潤，土壤水填滿孔隙，處理組的入滲率均快速下降，5 min左右均基本達(dá)到穩(wěn)滲，且不同雨強下，穩(wěn)滲率較為接近，在0.12～0.16 mm/min之間。而對照組的入滲率30 min后仍未到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，且有小幅度波動性下降。且雨強越大，入滲率下降越快，入滲能力越低。這與郝春紅等[16]的研究結(jié)果相一致。造成處理組與對照組入滲過程差異較大的主要原因可能有以下2種：一是由于包裹著W-OH的土粒的比表面積減小，體積增大，土粒間空隙減小，孔隙水含量降低，土壤下滲速率減慢，從而加快了雨水達(dá)到穩(wěn)滲階段；二是噴涂在紫色土坡面的W-OH 溶液能將結(jié)構(gòu)松散的紫色土顆粒黏結(jié)在一起，形成具有一定抗蝕抗剪切性能固結(jié)體[11]，它能減弱降雨打擊力與徑流沖刷力，防止土壤結(jié)皮的產(chǎn)生，從而使徑流及入滲更加穩(wěn)定。

圖1 不同雨強下紫色土坡面入滲過程Fig.1 Infiltration process of purple soil slope under different rainfall intensities

為更深入探究W-OH處理后入滲率隨時間變化的規(guī)律，本研究采用Kostiakov模型f(t)=at-b(a，b為經(jīng)驗常數(shù))、Horton模型f(t)=m+(n-m)e-ct(m，n，e分別為穩(wěn)滲率、初始入滲率與自然常數(shù))對W-OH處理組實測數(shù)據(jù)進行擬合。結(jié)果見表2。

表2 W-OH處理組入滲過程擬合結(jié)果Table 2 Fitted results of infiltration process of purplesoil treated by water-soluble polyurethane (W-OH)

從表2可以看出，Kostiakov入滲方程的參數(shù)a值介于0.37～0.54之間，其與土壤重度及初始含水率有關(guān)，b值介于0.34～0.54之間，反映了入滲率的遞減速率，其值越大，入滲速率隨時間遞減越快[17]。Horton入滲方程中的c值變化介于0.75～1.20之間，m變化介于0.12～0.15 mm /min之間，且隨著雨強的增大而遞減。Kostiakov擬合優(yōu)度R2介于0.68～0.88之間，Horton擬合優(yōu)度R2介于0.83～0.99之間。總體來說，Horton入滲公式擬合度高于Kostiakov入滲公式，說明Horton模型的適應(yīng)性較好，能夠較好地描述W-OH處理組入滲過程。

圖2 不同降雨條件下紫色土坡面產(chǎn)沙率隨時間的變化Fig.2 Rate of sediment yield of purple soil slope against time under different rainfall conditions

3.2 W-OH對紫色土坡面產(chǎn)沙過程的影響

不同的降雨條件下坡面產(chǎn)沙率隨著時間的變化(圖2(a))顯示：2種處理方法下的產(chǎn)沙率無論在小、中、大3種雨強下均呈現(xiàn)不規(guī)則波動，但產(chǎn)沙率的波動范圍、變化幅度存在差異。這表示不同雨強下，2種處理方式處理的坡面的產(chǎn)沙率均保持非穩(wěn)定性。造成不規(guī)則波動原因可能是坡面的各部分地表粗糙度、土壤理化性質(zhì)、雨強等因素并非完全相同，這些性質(zhì)均影響著土壤侵蝕的演變與發(fā)展，故其產(chǎn)沙規(guī)律呈現(xiàn)不確定性。對照組產(chǎn)沙率波動范圍在0.70～5.90 g/min，處理組產(chǎn)沙率波動范圍在0.01～0.22 g/min。此外，處理組標(biāo)準(zhǔn)差范圍在0.04～0.05 g/min，對照組的標(biāo)準(zhǔn)差范圍在0.32～1.10 g/min?？梢钥闯?經(jīng)W-OH處理后，坡面的產(chǎn)沙率及標(biāo)準(zhǔn)差均降低了1～2個數(shù)量級，且均處于非常小的程度，坡面產(chǎn)沙波動情況受雨強影響較小。其原因可能是由于W-OH產(chǎn)生的固結(jié)力遠(yuǎn)大于雨水的擊打力及徑流的沖刷能力。以上結(jié)果表明：在紫色土坡面噴灑W-OH能顯著地降低坡面擾動，減少土壤侵蝕。

此外，不同處理的坡面產(chǎn)沙率總體趨勢存在差異。對照組產(chǎn)沙率無論雨強大小，整體均呈上升趨勢，其斜率k值介于0.01～0.06之間。處理組坡面在42 mm/h雨強下整體呈上升趨勢，而在72，112 mm/h 2種雨強下整體呈下降趨勢。具體表現(xiàn)為，42 mm/h雨強下，斜率k值為0.001 7，而72，112 mm/h雨強下，k值分別-0.000 2及-0.002 8。原因可能是，噴灑的W-OH在坡面形成了一層具有良好力學(xué)性能的保護層，起到阻斷水與土粒的交互作用，阻絕了溝蝕的發(fā)生，降雨和徑流僅能剝蝕掉表層黏固不牢的泥沙[18]。

經(jīng)W-OH處理過的坡面，當(dāng)雨強較小時，隨著降雨的進行，雨水在坡面產(chǎn)生薄層水，對雨滴濺蝕有促進作用[19]，而由于侵蝕量過少，故濺蝕對其總產(chǎn)沙影響很大，所以在小雨強下，坡面產(chǎn)沙率整體隨濺蝕呈上升趨勢；當(dāng)雨強較大時，在W-OH作用下，降雨和徑流迅速剝離坡面不牢固的泥沙，剩余的坡表泥沙越來越不易被搬運，故產(chǎn)沙率總體呈減少趨勢。未噴灑W-OH的坡面，由于沒有固化層的保護，其侵蝕隨著降雨量和徑流量的增加，其面蝕范圍逐漸擴大，故產(chǎn)沙率總體呈上升趨勢。

3.3 W-OH對紫色土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的影響

對照組與處理組坡面30 min內(nèi)產(chǎn)流(沙)量及產(chǎn)流(沙)效益如表3所示。

表3 不同條件下紫色土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙總量及其變化Table 3 Total amount of runoff and sediment yield onpurple soil slope under different conditions

在使用W-OH 材料處理后，紫色土坡面產(chǎn)流量增加較為顯著。但隨著雨強增大，其增流效益明顯減弱。具體表現(xiàn)為，當(dāng)雨強由42 mm/h增大到72 mm/min，雖然產(chǎn)流量增大，但增流效益由203.41%驟降到13.98%。另一方面，經(jīng)W-OH處理后的坡面侵蝕量顯著減少。42 mm/h雨強下產(chǎn)沙量值減少了1個數(shù)量級，72，112 mm/h雨強下的產(chǎn)沙量值均減少了1～2個數(shù)量級，減沙比均可達(dá)到89.4%～97.43%。且隨著雨強的增大，W-OH對坡面的減沙效益更加明顯，具體表現(xiàn)為，當(dāng)雨強由42 mm/h增大到72 mm/min，其減沙效益由89.40%提高到97.43%。以上結(jié)果說明該材料能夠有效疏導(dǎo)徑流的排泄，極其顯著地降低侵蝕強度。因此W-OH對暴雨頻發(fā)、降雨侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)有著非常好的應(yīng)用價值。

3.4 W-OH對紫色土坡面可蝕性的影響

土壤可蝕性是量化土壤在雨滴打擊、徑流沖刷等外營力作用下被分散、搬運的難易程度的一個指標(biāo)?？晌g性值越小，土壤抗侵蝕能力越強，對侵蝕敏感性相對越弱。由于降雨時間較短，細(xì)溝侵蝕尚未發(fā)育。選取由Liebenow等[20]提出，并被WEPP水蝕預(yù)報模型采納的細(xì)溝間侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

(1)

其中,

sf=1.05-0.85e-4sinθ。

式中：KWEPP為可蝕性因子(s/m)；Di為單位寬度細(xì)溝間向溝內(nèi)的輸移率(g/(s·m2))；I為雨強(mm/h)；b為降雨均勻性系數(shù)；sf為坡度因子；θ為坡度。

通過測定開始產(chǎn)流后30 min內(nèi)產(chǎn)沙量、雨強及均勻系數(shù)，計算出土壤抗蝕性KWEPP見表4。

表4WEPP模型估算的土壤可蝕性值
Table4SoilerodibilityvaluesestimatedbyWEPPmodel

處理方式雨強編號Di/[g·(s·m2)-1]KWEPP/(s·m-1)10．0150．002A20．1360．34430．2740．69610．0020．004B20．0040．01130．0070．018

從表4可知：在不同雨強下，處理組坡面的輸移率的范圍在0.002～0.007 g/(s·m2)之間，對照組坡面的土壤可蝕性的范圍在0.015～0.274 g/(s·m2)之間。處理組相較于對照組的細(xì)沙輸移率降低了86.67%～97.45%。此外，當(dāng)雨強較小(42 mm/h)時，處理組和對照組的可蝕性因子相差較小，為0.002 s/m以外；當(dāng)雨強為72,112 mm/h時，處理組的可蝕性因子相較于對照組降低了96.80%～97.41%。以上研究結(jié)果表明W-OH能夠顯著提高土壤抗蝕性，降低侵蝕敏感性。

4 結(jié) 論

本研究通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗，對比不同雨強下，經(jīng)過5%濃度的W-OH處理的紫色土坡面及無處理的紫色土坡面的入滲、產(chǎn)流、產(chǎn)沙情況的結(jié)論如下。

(1) 坡面經(jīng)W-OH處理后，入滲速率明顯降低，入滲過程達(dá)到穩(wěn)滲階段更為迅速，雨強對其穩(wěn)定入滲率影響較小。其入滲過程可以用Horton模型較好地描述。

(2) W-OH能顯著降低土壤的可蝕性，增強坡面抗蝕性，降低坡面擾動，減少土壤侵蝕。減沙效益隨雨強增大愈加明顯。主要表現(xiàn)為在大到暴雨強度條件下，噴涂5%濃度的W-OH坡面，其土壤的可蝕性因子降低率高達(dá)96.80%～97.41%。

(3) W-OH有明顯的增流效益。噴涂5%濃度的W-OH的坡面相較于裸坡，30 min總產(chǎn)流量增加了0.12～2.00倍。且隨著雨強的增大，W-OH的增流效益也逐漸減弱。

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Impact of New Water-soluble Polyurethane on Runoff andSediment Yield on Purple Soil Slope

ZHU Xiu-di1，DING Wen-feng1，ZHANG Guan-hua1，LI Qing-xi1， WANG Qiang2

(1.Soil and Water Conservation Department, Yangtze River Scientific Research Institute， Wuhan 430010， China； 2.Tianjin Municipal Administrative Center of Hydrology and Water Resources，Tianjin 300060，China)

In the purpose of investigating the effect of treating soil erosion of purple soil slope by new water-soluble polyurethane (W-OH), we analyzed the impact of W-OH of 5% concentration on the processes of infiltration, runoff and erosion of purple soil slope under different rainfall intensities through indoor artificial rainfall experiment. We found that W-OH could remarkably enhance the erosion resistance of soil and reduce sediment yield on slope surface. Under test conditions of three different rainfall intensity (42, 72, and 112mm/h), the sediment yield on W-OH treated group declined by 89.40%-97.43%， and sediment transport rate by 86.67%-97.45% despite that runoff increased by 0.12-2.03 times compared with the control group. Under heavy rainfall(72 and 112 mm/h), the erodibility of W-OH treated soil reduced by 96.80%-97.41%. The conclusions offer theoretical basis and application guidance for the protection of purple soil slope.

W-OH; purple soil; infiltration; runoff and sediment yield; artificial simulated rainfall

2016-10-10；

2016-11-01

國家自然科學(xué)基金項目(41271303，40901135);水利部技術(shù)示范項目(SF-201601)

朱秀迪(1992-)，女，湖北十堰人，博士研究生，主要從事水土保持與流域侵蝕產(chǎn)沙及調(diào)控方面的研究工作。E-mail:lorrainedi@foxmail.com

10.11988/ckyyb.20161043

S157.1

A

1001-5485(2018)01-0047-05

(編輯：姜小蘭)