肖 海， 向 瑞， 劉 暢， 葉朝歡， 高 峰， 張 倫， 夏振堯， 崔 磊

(1.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

三峽庫區(qū)是長(zhǎng)江中上游四大重點(diǎn)水土流失片區(qū)之一，長(zhǎng)江中上游坡耕地是長(zhǎng)江泥沙的主要策源地，水土流失面積占庫區(qū)總土地面積的66.8%。三峽庫區(qū)紫色土為庫區(qū)的主要土壤類型，具有成土性能差、土層薄且易侵蝕等特點(diǎn)，因此紫色土坡耕地水土流失嚴(yán)重、土地退化嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重威脅三峽工程安全運(yùn)行。片蝕即片狀侵蝕或?qū)訝钋治g，即地表土壤發(fā)生薄層剝蝕懸移的現(xiàn)象，是坡面水蝕最為復(fù)雜的過程之一。目前紫色土片蝕關(guān)于雨強(qiáng)和地形的影響已有許多研究，也有學(xué)者對(duì)各種水土保持措施的減蝕效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，如坡改梯、林草措施、植物籬等，但是關(guān)于雨強(qiáng)、坡度和水土保持措施3因子對(duì)紫色土坡面片蝕影響的研究相對(duì)較少。

應(yīng)用聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)是目前常用的水土保持化學(xué)措施，具有明顯地減少土壤侵蝕和改善土壤質(zhì)量的效果。施用適量的PAM可增加表層土壤顆粒之間的凝聚力，維持良好的土壤結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性，以防止土壤結(jié)皮，從而增加土壤入滲能力，減少地表徑流和土壤流失。目前PAM針對(duì)紫色土的研究多集于在土壤結(jié)構(gòu)改良和減少養(yǎng)分流失等方面，且已有研究表明，PAM存在一個(gè)最優(yōu)施用量，但是針對(duì)紫色土坡面片蝕的影響程度，尤其是否存在最優(yōu)PAM施用量尚不明確。因此，本文以三峽庫區(qū)紫色土為研究對(duì)象，采用人工模擬降雨試驗(yàn)，設(shè)置3個(gè)坡度(15°，20°，25°)、3個(gè)雨強(qiáng)(60，90，120 mm/h)和3個(gè)PAM施加量(0.4，0.8，1.6 g/m)，并設(shè)置空白對(duì)照組(PAM施加量為0)，研究PAM、雨強(qiáng)以及坡度因素對(duì)紫色土片蝕的影響及貢獻(xiàn)并分析PAM對(duì)紫色土侵蝕性能的作用機(jī)理，以期為治理紫色土邊坡侵蝕提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)用土于2019年7月取自湖北省秭歸縣新墾桔園地(110°40′32″E，31°03′32″N)，是侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組紫色砂泥巖發(fā)育的A-C型石灰性紫色土，屬于三峽庫區(qū)典型土壤。土樣經(jīng)自然風(fēng)干并人工剔除土壤中小石子及根系等雜質(zhì)后過5 mm篩網(wǎng)備用。本研究使用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量，采用pH計(jì)測(cè)定pH，利用TopSizer激光粒度分析儀(SCF-108，珠海歐美克儀器公司，中國(guó))掃描法測(cè)定土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)(國(guó)際制)。經(jīng)測(cè)定，所用土壤有機(jī)質(zhì)為6.75 g/kg，土壤pH為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%，屬于砂質(zhì)黏壤土。所用PAM(鞏義騰龍環(huán)?？萍加邢薰?為陰離子型白色粉末狀固體，分子式為(CHON)，1 500萬單位，水解度為20%。

1.2 試驗(yàn)方法

本研究所用徑流小區(qū)采用鋼板焊接而成，有效尺寸為長(zhǎng)0.75 m、寬0.5 m、深0.3 m，長(zhǎng)度小于紫色土坡面細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)以保證試驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的侵蝕為片蝕。降雨設(shè)施采用中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的BX-1型組合側(cè)噴式降雨器，降雨高度7 m，降雨均勻度大于80%，雨強(qiáng)調(diào)控范圍20～200 mm/h。三峽庫區(qū)湖北段1 h最大降雨量在55～110 mm，區(qū)域內(nèi)紫色土坡耕地在坡度為15°～25°發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。因此，本試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)坡度(15°，20°，25°)、3個(gè)雨強(qiáng)(60，90，120 mm/h)和3個(gè)PAM施加量(0.4，0.8，1.6 g/m)，并設(shè)置空白對(duì)照組(PAM施加量為0 g/m)，交叉設(shè)置36場(chǎng)模擬降雨試驗(yàn)，并重復(fù)試驗(yàn)2次(使用2次重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值分析)，共計(jì)設(shè)置72場(chǎng)模擬降雨試驗(yàn)。人工降雨試驗(yàn)于2019年9—11月在三峽大學(xué)人工模擬降雨試驗(yàn)場(chǎng)開展。

試驗(yàn)前將徑流小區(qū)坡度調(diào)整到設(shè)計(jì)坡度，在徑流小區(qū)底部鋪設(shè)10 cm厚的粗砂，用透水紗網(wǎng)覆蓋以保證坡面順利透水。上層填土采用分層方式，在裝填上層土壤前先對(duì)下層土壤壓實(shí)抹平并灑水濕潤(rùn)，保證各層土壤緊密貼合，最終鋪填形成20 cm厚的紫色土層。填土完畢后將設(shè)定施加量的PAM與1 kg過5 mm篩的土壤均勻混合后撒施在土壤表面，再使用電動(dòng)噴霧器形成霧狀降雨對(duì)土壤進(jìn)行濕潤(rùn)至坡面即將產(chǎn)流為止，以減小土壤前期含水率以及裝填過程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。然后使用塑料膜覆蓋實(shí)體模型并靜置24 h后正式開始模擬降雨試驗(yàn)。正式試驗(yàn)前調(diào)整雨強(qiáng)，在徑流小區(qū)四周使用量筒測(cè)量實(shí)際雨強(qiáng)，待實(shí)際雨強(qiáng)與設(shè)計(jì)雨強(qiáng)誤差小于5%且均勻度大于85%時(shí)掀起塑料膜開始降雨試驗(yàn)。產(chǎn)流開始后以2 min為時(shí)間間隔接取全部泥沙樣品以待測(cè)試，產(chǎn)流開始至產(chǎn)流30 min時(shí)結(jié)束降雨，每次降雨共接15個(gè)泥沙過程樣。對(duì)每個(gè)泥沙過程樣進(jìn)行稱重，減去塑料桶重后為侵蝕量和徑流量的總重，靜置一段時(shí)間后(24 h左右)倒掉上清液，使用精度為0.01 g的電子秤稱取烘干泥沙樣獲得侵蝕量，并計(jì)算相應(yīng)的徑流量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)公式(1)和公式(2)計(jì)算不同PAM施加量的減流效益和減沙效益。

(1)

(2)

式中：為減流效益(%)；為空白對(duì)照組的徑流量(g)；為不同PAM施加量組的徑流量(g)；為減沙效益(%)，為空白對(duì)照組的侵蝕量(g)；為不同PAM施加量組的侵蝕量(g)。

同時(shí)，為評(píng)估PAM對(duì)片蝕的綜合影響，利用WEPP(water erosion prediction project)模型中細(xì)溝間侵蝕模型方程[公式(3)]計(jì)算確定不同PAM施加量條件下坡面片蝕可蝕性。

=

(3)

式中：為土壤片蝕侵蝕率[kg/(m·s)];為土壤片蝕可蝕性[(kg·s)/m];為雨強(qiáng)(m/s);為坡度因子，采用公式(4)計(jì)算確定。

=1.05-0.85e(-4sin )

(4)

式中：為徑流小區(qū)坡度(°)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAM施加對(duì)片蝕過程的影響

不同坡度條件下相同雨強(qiáng)的坡面徑流率和產(chǎn)沙率隨降雨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，因此本文以雨強(qiáng)為90 mm/h為例，分析不同坡度和PAM施加量條件下徑流率(圖1)和產(chǎn)沙率(圖2)變化過程。徑流率隨降雨時(shí)間增加均呈現(xiàn)先持續(xù)增加后趨于波動(dòng)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)?？瞻讓?duì)照以及PAM施加量為0.4，0.8，1.6 g/m坡面徑流率分別為0.93～1.68，0.80～1.42，0.50～1.11，0.61～1.19 L/(m·min)，表明隨著PAM施加量的增加，坡面徑流率呈先減小后增大的趨勢(shì)，各施加量下徑流率均小于未施加PAM坡面的徑流率，在施加量為0.8 g/m時(shí)徑流率達(dá)到最小。坡面產(chǎn)沙率則隨著降雨歷時(shí)的增加呈現(xiàn)先迅速減少并趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)?？瞻讓?duì)照以及PAM施加量為0.4，0.8，1.6 g/m坡面產(chǎn)沙率分別為0.65～12.01，0.27～10.44，0.11～10.07，0.28～10.68 g/(m·min)，表明隨著PAM施加量的增加，坡面產(chǎn)沙率呈先減小后增大的趨勢(shì)，各施加量下產(chǎn)沙率均小于未施加PAM坡面的產(chǎn)沙率，在施加量為0.8 g/m時(shí)產(chǎn)沙率達(dá)到最小。

圖1 不同坡度條件下徑流率隨降雨時(shí)間的變化

圖2 不同坡度條件下產(chǎn)沙率隨降雨時(shí)間的變化

2.2 PAM施加對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的影響

各坡面條件下坡面產(chǎn)流總量和產(chǎn)沙總量均隨著雨強(qiáng)和坡度的增加而增大(圖3和圖4)。與60 mm/h降雨條件相比，90，120 mm/h產(chǎn)流總量平均分別增加49.48%和65.60%，產(chǎn)沙總量平均分別增加36.67%和166.47%。與15°坡面相比，20°和25°坡面產(chǎn)流總量平均分別增加16.76%和28.98%，產(chǎn)沙總量平均分別增加62.75%和188.48%。隨著PAM施加量的增加，產(chǎn)流總量和產(chǎn)沙總量呈先減小后增大的趨勢(shì)，各施加量下產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均小于未施加PAM坡面的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量，在施加量為0.8 g/m時(shí)產(chǎn)流總量和產(chǎn)沙總量最小。與空白對(duì)照相比，PAM施加量為0.4，0.8，1.6 g/m的產(chǎn)流總量平均分別減小7.71%，35.16%，21.12%，產(chǎn)沙總量平均分別減小35.80%，49.39%，17.85%。

圖3 不同坡度條件下產(chǎn)流總量

圖4 不同坡度條件下產(chǎn)沙總量

方差分析表明雨強(qiáng)、坡度和PAM施加量單一和復(fù)合作用均對(duì)坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量有顯著性影響(表1)。徑流率的影響因素顯著性排序?yàn)橛陱?qiáng)>PAM>坡度，產(chǎn)沙率的影響因素顯著性排序?yàn)橛陱?qiáng)>坡度>PAM。

表1 徑流率和產(chǎn)沙率方差分析

PAM施加對(duì)坡面減流效益和減沙效益受到雨強(qiáng)、坡度和施加量的影響(表2)。同種雨強(qiáng)下，不同施加量減流效益的大小順序?yàn)?.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，而減沙效益則受到坡度影響，在15°坡面減沙效益大小順序?yàn)?.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，在20°和25°坡面減沙效益大小順序?yàn)?.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m。

表2 不同PAM施加量作用下減流減沙效益

2.3 PAM施加對(duì)坡面片蝕可蝕性的影響

不同坡面條件下片蝕量()隨著的增加而增加(圖5)，線性函數(shù)能夠很好地描述兩者之間的關(guān)系(決定系數(shù)均>0.90，<0.01)。根據(jù)WEPP模型中細(xì)溝間侵蝕預(yù)測(cè)方程，計(jì)算得到不同坡面條件下片蝕可蝕性的變化范圍為37 170～81 516 (kg·s)/m?？瞻讓?duì)照以及PAM施加量為0.4，0.8,1.6 g/m坡面片蝕可蝕性分別為81 516，48 139，37 170，66 672 (kg·s)/m。與空白對(duì)照相比，施加PAM能有效降低片蝕可蝕性，PAM施加量為0.4，0.8，1.6 g/m坡面片蝕可蝕性分別減小40.94%，54.40%，18.21%。降低效果依次為PAM施加量為0.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m。

圖5 片蝕與影響因子擬合關(guān)系

3 討 論

坡面徑流率隨降雨時(shí)間的增加均呈現(xiàn)先持續(xù)增加后趨于波動(dòng)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)?？瞻讓?duì)照坡面在降雨初期受到雨滴打擊作用，在坡面表層形成結(jié)皮并持續(xù)發(fā)育，結(jié)皮層降低坡面入滲率造成坡面徑流持續(xù)增加，在降雨的中后期，結(jié)皮層發(fā)育基本完全，但在雨滴打擊下被破壞和重新發(fā)育，故最后呈現(xiàn)波動(dòng)穩(wěn)定的趨勢(shì)，這與前人研究的空白坡面產(chǎn)流趨勢(shì)類似。施加PAM的坡面產(chǎn)流趨勢(shì)和空白坡面一樣，但徑流率整體降低，這主要原因是在降雨初期，PAM促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體和土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，從而維持坡面的入滲能力，隨著降雨時(shí)間的增加，其形成的大團(tuán)聚體及大團(tuán)聚體被不斷拆解為小粒徑的顆粒一并被搬移，隨入滲水流下滲導(dǎo)致孔隙率下降，坡面形成了發(fā)育不完全的結(jié)皮，徑流率也逐漸增加后趨于穩(wěn)定。這與施用適量的PAM可以增強(qiáng)入滲、延緩結(jié)皮的產(chǎn)生研究結(jié)果類似。有研究表明，過量的PAM形成的人工結(jié)皮降低入滲能力，但本試驗(yàn)的PAM施加量未達(dá)到對(duì)土壤入滲產(chǎn)生阻礙的施加量。

坡面產(chǎn)沙率則隨著降雨歷時(shí)的增加呈現(xiàn)先迅速減少并趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。在降雨初期階段，空白對(duì)照坡面易被搬移的分散土壤顆粒經(jīng)坡面徑流沖刷，從而產(chǎn)沙率較大，隨著降雨時(shí)間的增加，空白坡面形成了不易流失的薄層結(jié)皮，因此后續(xù)的產(chǎn)沙率整體較低。而對(duì)施加PAM坡面來說，降雨初期階段，坡面仍然存在部分松散土壤顆粒，因此初始產(chǎn)沙率也較大，隨著降雨時(shí)間的增加，依靠PAM的膠結(jié)作用和絮凝作用把表層細(xì)小顆粒團(tuán)聚成大顆粒骨架，使得坡面形成一層PAM膠結(jié)結(jié)皮層，因此后續(xù)的產(chǎn)沙率也變低了。

各坡面條件下產(chǎn)流總量隨著雨強(qiáng)和坡度的增加而增大，但是產(chǎn)流量增長(zhǎng)速率沒有增大，分析其原因主要是大雨強(qiáng)的徑流入滲速率高于中小雨強(qiáng)，而坡度的增加減小了承雨面積。各坡面條件下產(chǎn)沙總量同樣隨著雨強(qiáng)和坡度的增加而增大，且產(chǎn)沙量增長(zhǎng)速率進(jìn)一步增大，分析其原因主要是大雨強(qiáng)增加徑流沖刷能力的同時(shí)增加了雨滴濺蝕量，大坡度增加水流侵蝕能力的同時(shí)降低了坡面穩(wěn)定性。

同種雨強(qiáng)下，不同施加量減流效益的大小順序?yàn)?.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，平均減流效益為33.67%，19.36%，7.60%，這與陳渠昌等得出的0.86 g/m的PAM可使得土壤入滲率最大的結(jié)論較為一致。然而，陳渠昌等得到的最佳減流效益超過90%，遠(yuǎn)大于本研究中的33.67%，所得結(jié)果存在差異可能與試驗(yàn)對(duì)象不同有關(guān)。本研究使用的是具有較好結(jié)構(gòu)性的紫色土，而陳渠昌等所用的是結(jié)構(gòu)性極差的風(fēng)沙土，在裸坡時(shí)更容易發(fā)生侵蝕。同種雨強(qiáng)下，減沙效益受到坡度影響，15°坡面減沙效益大小順序?yàn)?.8 g/m>1.6 g/m>0.4 g/m，20°和25°坡面減沙效益大小順序?yàn)?.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m。本研究中的施用PAM在20°時(shí)有最大的減沙效益，這和王麗等研究認(rèn)為，坡度的改變對(duì)減少產(chǎn)沙量具有顯著性影響結(jié)果一致。3種坡度下PAM施加量為0.8 g/m時(shí)減沙效益均為最好，這與PAM施加量為0.8 g/m時(shí)坡面徑流率最小但片蝕可蝕性最大有關(guān)(圖3和圖5)，徑流量的減少和片蝕可蝕性增加均能有效減少坡面侵蝕的產(chǎn)生。

片蝕可蝕性隨著PAM施加量的增加呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)，在施加量為0.8 g/m最小。PAM施加量太少時(shí)難以與土壤表層顆粒充分發(fā)生理化反應(yīng)，導(dǎo)致減蝕效果較差，而施加量過大時(shí)則容易在土體表面形成糊狀結(jié)皮層，造成入滲率下降，導(dǎo)致徑流量和徑流動(dòng)能增加，攜沙能力變強(qiáng)，產(chǎn)流產(chǎn)沙增加。本研究結(jié)果表明，PAM施加量為0.8 g/m時(shí)，可以充分改善坡面理化結(jié)構(gòu)，依靠其膠結(jié)作用和絮凝作用把表層細(xì)小顆粒團(tuán)聚成大顆粒骨架，其形成的膠結(jié)結(jié)皮層在保持良好入滲能力的同時(shí)能夠抑制水流對(duì)表層土壤的剝離能力作用和雨滴對(duì)土壤顆粒機(jī)械破壞作用，具有良好的減蝕效果。

4 結(jié) 論

(1)紫色土坡面片蝕過程中，坡面徑流率隨降雨時(shí)間的增加呈現(xiàn)先持續(xù)增加后趨于波動(dòng)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，坡面產(chǎn)沙率隨著降雨歷時(shí)的增加呈現(xiàn)先迅速減少并趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，施加PAM對(duì)片蝕的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程變化趨勢(shì)沒有影響。

(2)隨著PAM施加量的增加，坡面產(chǎn)流總量和產(chǎn)沙總量均呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)。與空白對(duì)照相比，PAM施加量為0.4，0.8，1.6 g/m的產(chǎn)流總量平均分別減小7.71%，35.16%，21.12%，產(chǎn)沙總量平均分別減小35.80%，49.39%，17.85%，PAM施加量為0.8 g/m時(shí)具有最優(yōu)的減流減沙效益。

(3)對(duì)紫色土徑流率的影響因素顯著性排序?yàn)橛陱?qiáng)>PAM>坡度，產(chǎn)沙率的影響因素顯著性排序?yàn)橛陱?qiáng)>坡度>PAM。

(4)施加PAM能有效降低片蝕可蝕性，與裸坡對(duì)照相比，施加PAM后降低效果依次為0.8 g/m>0.4 g/m>1.6 g/m，片蝕可蝕性依次降低54.40%，40.94%，18.21%。