聚丙烯酰胺对扰动红壤可蚀性及临界剪切力的影响

发布日期:2015-05-02 10:57:08
剪切力
  开发建设项目造成的水土流失,是人类生产建设活动过程中扰动地表和地下岩土M、堆置废宑物、构筑人 工边坡而造成的水土资源和土地生产力的破坏和损失, 是一种典型的人为加速侵蚀。虽然建设单位按照《水土 保持方案报告书》,采取了相关防治措施,可这些剪切力防治措 施都是根据各自的经验制定的,并无一定的科学依据, 而且其防治措施是否能达到快速有效地防治水土流失的 目的也不得而知。防治开发工程造成的水土流失主要采 取传统的工程措施、植物措施和临时措施等,新方法、 新技术防治水土流失研究比较少,防治效果十分有限。 因此,寻求科学快速有效的防治材料与措施防治工程水 土流失,保护生态环境,不仅对于防治开发X程新增水 土流失、改善生态环境具有非常重要的意义,而且能为 开发建设项目水土保持方案编制提供科学、可靠的依据。
  
  聚丙稀酸胺(PAM, polyacrylamide)作为一种有效 的土壤改良剂,可以稳定或改良土壤结构和凝聚径流中 的悬浮颗粒,抑制结皮形成,增加降雨入渗、减少径流 和土壤侵蚀。国内外研究人员通过模拟试验,结果均表 明PAM对增加降水入渗,减少地表径流,降低土壤侵蚀 具有很好的作用11" 。然而目前对PAM减流减沙效应的研 究多局限于坡面产流产沙分析,对其影响土壤可蚀性及 临界剪切力的研究还不多。因此,研究土壤结构改良剂 聚丙烯酰胺(PAM)对扰动土壤可蚀性及临界剪切力的 影响不仅具有广阔的应用前景,为工程水土流失防治提 供技术支持,而且可以从理论上阐述PAM减少侵蚀的 缘由。
  
  1理论分析土壤侵蚀是水流和土壤相互作用的复杂物理过程。 在降雨过程中,坡面侵蚀主要由坡面的降雨动能对土粒 的击溅、分散和径流搬运冲刷能力两方面决定。经大量 研究表明,相对径流冲刷,降雨对土粒的击溅、分散侵 蚀影响极为低下,而坡面的径流冲刷力是土壤侵蚀的主 要动力[7_8]。坡面上土壤侵蚀产沙是由于坡面径流在顺坡 流动的过程中,径流对坡面土壤剪切剥离作用和土壤抗 剥离作用以及地面物质补充能力之间相互对比协调的结 果。根据李鹏[91等人的研究结果,泥沙输移率与径流剪切 力之间存在以下关系式Dr=Kd(T-Tc)(1)
  
  式中:A泥沙输移率,g/(min ?m2);心土壤可蚀性参数,g/(min*N); f径流剪切力,Pa; 径流临界剪切力,Pa?
  
  径流剪切力可用下式表示T = pgsindh(2)
  
  式中:p水的密度,kg/m3; g重力加速度,9.8m/s2;0——坡面倾斜度,(°); h——径流水深,nu由于坡面水流水层极薄。且土壤下垫面条件不断发(3)
  
  h ?
  
  U UBt式中:g单宽流量,m3/(m-min); 0径流量,m3; ^径流取样时间间隔,min; [/生变化,采用实测法难以准确测定。因此假设水流沿坡 面均匀分布,遂可采用下式计算水深时间内的 断面平均流速,m/min; B过水断面宽度,m。
  
  将式(3)代入式(2),则可以得到径流剪切力,根 据式(1),通过回归分析泥沙输沙率与径流剪切力,就可以决定土壤可蚀性参数&及径流临界剪切力 2材料与方法供试土壤为某施工场地废弃的扰动红壤。具体理化 性质分析见表1。PAM产自t海沃杉化工有限公司,其 产品名称为Wshinefloc? 630S;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。
  
  Table 1表1试验土壤理化性质Physical and chemical properties of experimental soil试验用土土壤体积质置/试验1:壤颗粒组成/%(g ? cm*3)^2 mm1 ?<2 mm0.5?<1 mm 0.25?<0.5 mm0.05 ?<0.25 mm<0.05 mm红壤扰动土1.2527,0813.567.25 8.8310.2433.04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 mX6m。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lm, 土槽高0.5 m, 土槽底部留有直径 5 mm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。试验装置 示意图如图1。
  
  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髙 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率基本一致,消除土壤前期含水率 对侵蚀的影响,在人工模拟降雨前先用0.8 mm/min雨强 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。每次试验后更换土壤,土壤前期含水率 基本控制在18%左右。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)。
  
  3结果与分析3.1不同土壤处理坡面水动力学参数降雨降落在裸露地表,首先满足土壤的入渗要求, 当降雨强度大于土壤入渗性能或土壤水分蓄满以后,径 流开始产生。流量与入渗过程是个相互映射的过程,在 连续降雨条件下,土壤最初阶段具有较大的入渗率,流 量较小:随着入渗水量的增加及入渗锋面的延伸,入渗 率变小并趋于稳定,其值接近土壤的水力传导率,这个 值称为稳定入渗率,流量则从小变大,流量也趋向一稳 定值。将各降雨强度下稳定流量、平均径流流速、水深 及径流剪切力列于表2。
  
  表2不同土壤处理坡面水动力学参数Table 2 Slope hydrodynamic parameters with different treatments雨强/(mm ? min'1;坡度/)C )处理稳定流量/ (L ? min1)平均流速/ (m ? s*1)水深/ mm径流剪切力/ Pa50.850.180.390.33101.910.220.721.2215对照3.490.281.042.64203.950.311.063.55255.560.351.325.4651.070.130.690.59101.640.140.981.6715 PAM2.160.200.902.28202.160.230.782.61253.040.270.943.8952.220.220.840.72103.920.251.312.2315对照3.930.311.062.69204.890.351.173.92256.060.391.295.34… 53.540.201.471.25103.600.221.372.3315PAM3.710.330.942.38204.920.371.113.72255.760.421.144.72转下页接上页雨强/(mm ? min'1)坡度/ (° )处理稳定流量/ (L * min'1)平均流速/ (m ? s?丨)水深/mm径流剪切力/ Pa54.560.251.521.30105.130.291.472.5015对照5.630.361.303.30205.690.381.254.19256.300.451.174.B454.150.321.080.92104.560.361.051.7915PAM4.960.391.062.69206.770.481.183.95 .
  
  257.400.53U64.80注:PAM处理是表施聚内烯酰胺lg/m2?
  
  从表2可以看出,不同土壤处理F稳定流量、平均 流速、水深及径流剪切力随坡度增加而增加,随降雨强 度增加而增加。在0.8 mm/min、1.1 mm/min坡度大于10° 时及1.4 mm/min坡度小于15°,施加PAM后流量低于未 施加PAM 土壤坡面流量,这主要是用于PAM的胶结作 用,使土壤结构不被破坏,增加入渗,减少径流;在1.4mm/min雨强下,坡度20°、25°时,对照流量分别为 5.69、6.30 L/min,而施加PAM后的流量分别为6.77、 7.40 L/min,施加PAM后的流量比未施加PAM的流量大, 这主要是因为此时坡面侵蚀主要以细沟或泥流形式发 生[1<)】。在 0.8 mm/min、1.1 mm/min 坡度 5°时,施加 PAM 后的流量比对照流量大,这主要是因为PAM的长分子链 将土壤颗粒桥接在一起的时候,其长链的尾部也堵塞了 土壤的传导空隙,形成“人工”结皮,降低土壤入渗, 增加径流量[6]。当“人工”结皮的影响大于PAM对土壤 颗粒的胶结作用时,其流量就比对照流量大。
  
  在低雨量、低坡度时,施加PAM径流流速相对对照 低,一方面是由于施加PAM后流量低于对照;另一方面 是由于PAM强有力的黏滞能力,使施加PAM后坡面流 速相对对照要低。但是在卨雨强、高坡度时,对照由于 降雨击溅、径流冲刷,使坡面形成坑坑洼洼不平整坡面 或纵横的侵蚀沟,使坡面流路变长,流速增幅变缓。而 施加PAM后,由于其良好的胶结能力,使土壤维持良好 的坡面形态,流速相对对照增加就快。水深及径流剪切 力则是流量与流速相互抑制的结果。
  
  1.2不同土壤处理径流输沙率与流量的关系点绘对照与施加PAM后坡面输沙率与流景数据的散 点图(图2)。可以看出,坡面输沙率随着流量的增加而 增加,他们之间的关系成幂函数关系 对照:久=0.4812,3丨257(^2=0.6008, ?=15) (4)
  
  PAM: £>r=0_001 每/丨559(及2=0.6001, n=15) (5)
  
  式中:…——径流流量,L/min。施加PAM后径流输沙率 与径流流量关系曲线的系数相差300倍,而指数相差不 大。可见,在相同的径流流量下,对照输沙率是施加PAM 后的300倍,即施加PAM后能M着的减少径流输沙率^ 从产沙机理分析,坡面产沙主要由坡面的降雨动能 对土粒的分散和径流的搬运能力2个方面决定。施加 PAM后土壤坡面的产沙过程与对照坡面明显不同,对照 土壤坡面的输沙率呈高低高的变化趋势。在降雨初期, 由于溉蚀作用,坡面产流初期的输沙率较大,而随着坡 面径流水深的增大,雨滴动能肓接打击分散七粒作用减 小,从而输沙率减小。随着降雨历时的增加,坡面土壤 入渗量逐渐减小,径流冲刷作用增强,对照坡面的输沙 率增加。施加PAM后坡面的输沙率随降雨历时的增加呈 递减趋势。施用PAM能够改善土壤表面结构,提高其团 聚体的稳定性,有效抑制土壤结皮的形成,减少地表径 流,从而显着减少径流输沙率[1|]。
  
  600.0500.01400.0300.0200.0100.0图2流量与後流输沙率曲线 Fig.2 Curves of relationships between flow volumes and runoff sediment transport rates3.3不同土壤处理土壤可蚀性及临界剪切力根据式(2)计算对照和施加PAM后的径流剪切力, 整理坡面径流泥沙输沙率,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3),除掉发生泥流 的几场试验数据,它们之间的关系可用直线来表示 对照:A=13_223(ir-0.77)U2=0.6573, n=10)(6)
  
  PAM: Dr=0.2693(r-1.47) (^=0.7891, n=14)(7)
  
  从式(6)、式(7)可以看出,施加PAM后,红壤 扰动土的可蚀性参数心由13.223 g/(min?N)降低为 0.2693 g/(min *N),径流的临界剪切力由 0.77 N/(m2 ?min) 增加到 1.47 N/(m2 ? min)。
  
  土壤的可蚀性参数&值和土壤的临界抗剪切应力是 定量计算土壤流失的重要指标,也是土壤侵蚀预报模型 中的必要参数[9]? 土壤可蚀性是指土壤是否易受侵蚀破坏 的性能,也就是土壤对侵蚀介质剥蚀和搬运的敏感性。 当&较大时,土壤颗粒更容易被径流所剥离,反之亦然。 土壤的临界抗剪切应力是表征土体力学性质的一个主要 指标,是定量分析坡面侵蚀发生的一个重要指标,其值 相对比较固定,与土壤的体积质量、含水率、结构等因 素有关[12.13】。刘纪根研究发现,在坡耕地施加PAM后, 临界坡长、临界水深及临界剪切力均提高;PAM覆盖度 越大,临界坡长、临界水深及临界剪切力也越大[14]。PAM 的黏滞作用,使土壤形成较好的团粒结构,分子链之间 的相互作用和滑韧性就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,减少土粒和水的亲和力,分散性小, 抗蚀性大[15]?本研究表明,扰动红壤施加PAM可显着降 低土壤可蚀性,增加径流临界剪切力。
  
  图3径流剪切力与输沙率关系 Fig.3 Curves of relationships between runoff shear stresses with sediment transport rates4结论1)不同土壤处理下稳定流量、平均流速、水深及径 流剪切力随坡度增加而增加,随降雨强度增加而增加。 在0.8 mm/min、1.1 mm/min雨强卜'坡度大于10°时及1.4mm/min雨强下坡度小于15°,施加PAM后流量低于 未施加PAM 土壤坡面流量:在1.4 mm/min雨强下,坡 度 20°、25°时及 0.8 mm/min、1.1 mm/min 雨强下坡度 5° 时,施加PAM后的流量比未施加PAM后的流量大。在 低雨量、低坡度时,施加PAM径流流速相对对照低,在 高雨强、高坡度时施加PAM流速相对对照增加快。
  
  2)施加PAM后径流输沙率与径流流量关系曲线的 系数相差300倍,而指数相差不大。可见,在相同的径流流量下,对照的输沙率是施加PAM后的300倍,即施 加PAM后能显着的减少径流输沙率。
  
  3)施加PAM后,红壤扰动土的可蚀性参数&由 13.223 g/(min . N)降低为 0.2693 g/(min. N),径流的临界 剪切力由 0.77 N/(m2. min)增加到 1.47 N/(m2 ? min)。施加 PAM可显着的降低土壤可蚀性,增加径流临界剪切力。