開發(fā)建設項目造成的水土流失，是人類生產(chǎn)建設活動過程中擾動地表和地下巖土M、堆置廢宑物、構(gòu)筑人 工邊坡而造成的水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失， 是一種典型的人為加速侵蝕。雖然建設單位按照《水土 保持方案報告書》，采取了相關(guān)防治措施，可這些剪切力防治措 施都是根據(jù)各自的經(jīng)驗制定的，并無一定的科學依據(jù)， 而且其防治措施是否能達到快速有效地防治水土流失的 目的也不得而知。防治開發(fā)工程造成的水土流失主要采 取傳統(tǒng)的工程措施、植物措施和臨時措施等，新方法、 新技術(shù)防治水土流失研究比較少，防治效果十分有限。 因此，尋求科學快速有效的防治材料與措施防治工程水 土流失，保護生態(tài)環(huán)境，不僅對于防治開發(fā)X程新增水 土流失、改善生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義，而且能為 開發(fā)建設項目水土保持方案編制提供科學、可靠的依據(jù)。

　　

　　聚丙稀酸胺（PAM, polyacrylamide)作為一種有效 的土壤改良劑，可以穩(wěn)定或改良土壤結(jié)構(gòu)和凝聚徑流中 的懸浮顆粒，抑制結(jié)皮形成，增加降雨入滲、減少徑流 和土壤侵蝕。國內(nèi)外研究人員通過模擬試驗，結(jié)果均表 明PAM對增加降水入滲，減少地表徑流，降低土壤侵蝕 具有很好的作用11" 。然而目前對PAM減流減沙效應的研 究多局限于坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙分析，對其影響土壤可蝕性及 臨界剪切力的研究還不多。因此，研究土壤結(jié)構(gòu)改良劑 聚丙烯酰胺（PAM)對擾動土壤可蝕性及臨界剪切力的 影響不僅具有廣闊的應用前景，為工程水土流失防治提 供技術(shù)支持，而且可以從理論上闡述PAM減少侵蝕的 緣由。

　　

　　1理論分析土壤侵蝕是水流和土壤相互作用的復雜物理過程。 在降雨過程中，坡面侵蝕主要由坡面的降雨動能對土粒 的擊濺、分散和徑流搬運沖刷能力兩方面決定。經(jīng)大量 研究表明，相對徑流沖刷，降雨對土粒的擊濺、分散侵 蝕影響極為低下，而坡面的徑流沖刷力是土壤侵蝕的主 要動力[7_8]。坡面上土壤侵蝕產(chǎn)沙是由于坡面徑流在順坡 流動的過程中，徑流對坡面土壤剪切剝離作用和土壤抗 剝離作用以及地面物質(zhì)補充能力之間相互對比協(xié)調(diào)的結(jié) 果。根據(jù)李鵬[91等人的研究結(jié)果，泥沙輸移率與徑流剪切 力之間存在以下關(guān)系式Dr=Kd(T-Tc)(1)

　　

　　式中：A泥沙輸移率，g/(min ?m2);心土壤可蝕性參數(shù)，g/(min*N); f徑流剪切力，Pa; 徑流臨界剪切力，Pa?

　　

　　徑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——坡面傾斜度，（°); h——徑流水深，nu由于坡面水流水層極薄。且土壤下墊面條件不斷發(fā)(3)

　　

　　h ?

　　

　　U UBt式中：g單寬流量，m3/(m-min); 0徑流量，m3; ^徑流取樣時間間隔，min; [/生變化，采用實測法難以準確測定。因此假設水流沿坡 面均勻分布，遂可采用下式計算水深時間內(nèi)的 斷面平均流速，m/min; B過水斷面寬度，m。

　　

　　將式（3)代入式（2)，則可以得到徑流剪切力，根 據(jù)式（1)，通過回歸分析泥沙輸沙率與徑流剪切力，就可以決定土壤可蝕性參數(shù)&及徑流臨界剪切力 2材料與方法供試土壤為某施工場地廢棄的擾動紅壤。具體理化 性質(zhì)分析見表1。PAM產(chǎn)自t海沃杉化工有限公司，其 產(chǎn)品名稱為Wshinefloc? 630S;施用量設計為1 g/m2, 施用方法為每1 g PAM晶體與1 kg細土混合后均勻撒在 土表。試驗采用0.8、1.1、1.4 mm/min 3種降雨強度，降 雨歷時設計為1 h。

　　

　　Table 1表1試驗土壤理化性質(zhì)Physical and chemical properties of experimental soil試驗用土土壤體積質(zhì)置/試驗1：壤顆粒組成/%(g ? cm*3)^2 mm1 ?<2 mm0.5?<1 mm 0.25?<0.5 mm0.05 ?<0.25 mm<0.05 mm紅壤擾動土1.2527,0813.567.25 8.8310.2433.04試驗裝置：試驗在人工模擬降雨試驗大廳內(nèi)進行， 降雨裝置采用長江科學院水土保持研究所研制的對噴式 降雨器，降雨強度可在0.5?2.5 mm/min之間調(diào)節(jié)，均勻 度都達到80%以上，對噴式降雨器高4 m，噴頭采用美國 標準噴頭，可覆蓋面積4 mX6m。降雨器通過分流器上 的壓力表調(diào)節(jié)降雨強度，使得降雨強度盡可能一致。可 移動式降雨侵蝕槽由中科院、水利部水土保持研究所研 制，長5 m,寬lm, 土槽高0.5 m, 土槽底部留有直徑 5 mm小孔，用以排出雨水，土槽下部也有同樣的小孔， 并配備了鐵皮槽，以接收地表徑流和壤中流。試驗裝置 示意圖如圖1。

　　

　　試驗采用室內(nèi)人工模擬降雨的方法，分別在可移動 侵蝕槽的兩側(cè)布置側(cè)噴式降雨器，在侵蝕槽中鋪0.5 m髙 的供試土壤，土壤過2 cm的篩，以去除雜草和石塊。為 了控制土壤前期含水率基本一致，消除土壤前期含水率 對侵蝕的影響，在人工模擬降雨前先用0.8 mm/min雨強 潤濕10 min,擱置24 h后進行試驗，并在試驗前再次對 土壤進行適當?shù)陌宜伞Ｈ缓笳{(diào)整不同的坡度和雨強進行 一系列的試驗。每次試驗后更換土壤，土壤前期含水率 基本控制在18%左右。模擬降雨過程中徑流樣采用徑流 池與分流池全部收集，從坡地產(chǎn)流開始，每間隔2?5 min 分時段采集徑流樣（包括壤中流)，記錄采樣時間與采樣 體積，測定徑流量與徑流含沙量。每隔2?5 min用高錳 酸鉀溶液測定坡面平均流速（從坡頂至坡底)。

　　

　　3結(jié)果與分析3.1不同土壤處理坡面水動力學參數(shù)降雨降落在裸露地表，首先滿足土壤的入滲要求， 當降雨強度大于土壤入滲性能或土壤水分蓄滿以后，徑 流開始產(chǎn)生。流量與入滲過程是個相互映射的過程，在 連續(xù)降雨條件下，土壤最初階段具有較大的入滲率，流 量較小：隨著入滲水量的增加及入滲鋒面的延伸，入滲 率變小并趨于穩(wěn)定，其值接近土壤的水力傳導率，這個 值稱為穩(wěn)定入滲率，流量則從小變大，流量也趨向一穩(wěn) 定值。將各降雨強度下穩(wěn)定流量、平均徑流流速、水深 及徑流剪切力列于表2。

　　

　　表2不同土壤處理坡面水動力學參數(shù)Table 2 Slope hydrodynamic parameters with different treatments雨強/(mm ? min'1；坡度/)C )處理穩(wěn)定流量/ (L ? min1)平均流速/ (m ? s*1)水深/ mm徑流剪切力/ Pa50.850.180.390.33101.910.220.721.2215對照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對照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轉(zhuǎn)下頁接上頁雨強/(mm ? min'1)坡度/ (° )處理穩(wěn)定流量/ (L * min'1)平均流速/ (m ? s?丨）水深/mm徑流剪切力/ Pa54.560.251.521.30105.130.291.472.5015對照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處理是表施聚內(nèi)烯酰胺lg/m2?

　　

　　從表2可以看出，不同土壤處理F穩(wěn)定流量、平均 流速、水深及徑流剪切力隨坡度增加而增加，隨降雨強 度增加而增加。在0.8 mm/min、1.1 mm/min坡度大于10° 時及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，這主要是用于PAM的膠結(jié)作 用，使土壤結(jié)構(gòu)不被破壞，增加入滲，減少徑流；在1.4mm/min雨強下，坡度20°、25°時，對照流量分別為 5.69、6.30 L/min,而施加PAM后的流量分別為6.77、 7.40 L/min,施加PAM后的流量比未施加PAM的流量大， 這主要是因為此時坡面侵蝕主要以細溝或泥流形式發(fā) 生[1<)】。在 0.8 mm/min、1.1 mm/min 坡度 5°時，施加 PAM 后的流量比對照流量大，這主要是因為PAM的長分子鏈 將土壤顆粒橋接在一起的時候，其長鏈的尾部也堵塞了 土壤的傳導空隙，形成“人工”結(jié)皮，降低土壤入滲， 增加徑流量[6]。當“人工”結(jié)皮的影響大于PAM對土壤 顆粒的膠結(jié)作用時，其流量就比對照流量大。

　　

　　在低雨量、低坡度時，施加PAM徑流流速相對對照 低，一方面是由于施加PAM后流量低于對照；另一方面 是由于PAM強有力的黏滯能力，使施加PAM后坡面流 速相對對照要低。但是在卨雨強、高坡度時，對照由于 降雨擊濺、徑流沖刷，使坡面形成坑坑洼洼不平整坡面 或縱橫的侵蝕溝，使坡面流路變長，流速增幅變緩。而 施加PAM后，由于其良好的膠結(jié)能力，使土壤維持良好 的坡面形態(tài)，流速相對對照增加就快。水深及徑流剪切 力則是流量與流速相互抑制的結(jié)果。

　　

　　1.2不同土壤處理徑流輸沙率與流量的關(guān)系點繪對照與施加PAM后坡面輸沙率與流景數(shù)據(jù)的散 點圖（圖2)。可以看出，坡面輸沙率隨著流量的增加而 增加，他們之間的關(guān)系成冪函數(shù)關(guān)系 對照：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：…——徑流流量，L/min。施加PAM后徑流輸沙率 與徑流流量關(guān)系曲線的系數(shù)相差300倍，而指數(shù)相差不 大。可見，在相同的徑流流量下，對照輸沙率是施加PAM 后的300倍，即施加PAM后能M著的減少徑流輸沙率^ 從產(chǎn)沙機理分析，坡面產(chǎn)沙主要由坡面的降雨動能 對土粒的分散和徑流的搬運能力2個方面決定。施加 PAM后土壤坡面的產(chǎn)沙過程與對照坡面明顯不同，對照 土壤坡面的輸沙率呈高低高的變化趨勢。在降雨初期， 由于溉蝕作用，坡面產(chǎn)流初期的輸沙率較大，而隨著坡 面徑流水深的增大，雨滴動能肓接打擊分散七粒作用減 小，從而輸沙率減小。隨著降雨歷時的增加，坡面土壤 入滲量逐漸減小，徑流沖刷作用增強，對照坡面的輸沙 率增加。施加PAM后坡面的輸沙率隨降雨歷時的增加呈 遞減趨勢。施用PAM能夠改善土壤表面結(jié)構(gòu)，提高其團 聚體的穩(wěn)定性，有效抑制土壤結(jié)皮的形成，減少地表徑 流，從而顯著減少徑流輸沙率[1|]。

　　

　　600.0500.01400.0300.0200.0100.0圖2流量與後流輸沙率曲線 Fig.2 Curves of relationships between flow volumes and runoff sediment transport rates3.3不同土壤處理土壤可蝕性及臨界剪切力根據(jù)式（2)計算對照和施加PAM后的徑流剪切力， 整理坡面徑流泥沙輸沙率，將對照和施加PAM后的徑流 剪切力與徑流輸沙率繪成散點圖（圖3)，除掉發(fā)生泥流 的幾場試驗數(shù)據(jù)，它們之間的關(guān)系可用直線來表示 對照：A=13_223(ir-0.77)U2=0.6573, n=10)(6)

　　

　　PAM： Dr=0.2693(r-1.47) (^=0.7891, n=14)(7)

　　

　　從式（6)、式（7)可以看出，施加PAM后，紅壤 擾動土的可蝕性參數(shù)心由13.223 g/(min?N)降低為 0.2693 g/(min *N),徑流的臨界剪切力由 0.77 N/(m2 ?min) 增加到 1.47 N/(m2 ? min)。

　　

　　土壤的可蝕性參數(shù)&值和土壤的臨界抗剪切應力是 定量計算土壤流失的重要指標，也是土壤侵蝕預報模型 中的必要參數(shù)[9]? 土壤可蝕性是指土壤是否易受侵蝕破壞 的性能，也就是土壤對侵蝕介質(zhì)剝蝕和搬運的敏感性。 當&較大時，土壤顆粒更容易被徑流所剝離，反之亦然。 土壤的臨界抗剪切應力是表征土體力學性質(zhì)的一個主要 指標，是定量分析坡面侵蝕發(fā)生的一個重要指標，其值 相對比較固定，與土壤的體積質(zhì)量、含水率、結(jié)構(gòu)等因 素有關(guān)[12.13】。劉紀根研究發(fā)現(xiàn)，在坡耕地施加PAM后， 臨界坡長、臨界水深及臨界剪切力均提高；PAM覆蓋度 越大，臨界坡長、臨界水深及臨界剪切力也越大[14]。PAM 的黏滯作用，使土壤形成較好的團粒結(jié)構(gòu)，分子鏈之間 的相互作用和滑韌性就形成了一定的抗沖性，因此不易 在水中分散懸浮而流失。PAM增加團聚體，并形成一定 數(shù)量的膠結(jié)物質(zhì)，減少土粒和水的親和力，分散性小， 抗蝕性大[15]?本研究表明，擾動紅壤施加PAM可顯著降 低土壤可蝕性，增加徑流臨界剪切力。

　　

　　圖3徑流剪切力與輸沙率關(guān)系 Fig.3 Curves of relationships between runoff shear stresses with sediment transport rates4結(jié)論1)不同土壤處理下穩(wěn)定流量、平均流速、水深及徑 流剪切力隨坡度增加而增加，隨降雨強度增加而增加。 在0.8 mm/min、1.1 mm/min雨強卜'坡度大于10°時及1.4mm/min雨強下坡度小于15°，施加PAM后流量低于 未施加PAM 土壤坡面流量：在1.4 mm/min雨強下，坡 度 20°、25°時及 0.8 mm/min、1.1 mm/min 雨強下坡度 5° 時，施加PAM后的流量比未施加PAM后的流量大。在 低雨量、低坡度時，施加PAM徑流流速相對對照低，在 高雨強、高坡度時施加PAM流速相對對照增加快。

　　

　　2)施加PAM后徑流輸沙率與徑流流量關(guān)系曲線的 系數(shù)相差300倍，而指數(shù)相差不大。可見，在相同的徑流流量下，對照的輸沙率是施加PAM后的300倍，即施 加PAM后能顯著的減少徑流輸沙率。

　　

　　3)施加PAM后，紅壤擾動土的可蝕性參數(shù)&由 13.223 g/(min . N)降低為 0.2693 g/(min. N),徑流的臨界 剪切力由 0.77 N/(m2. min)增加到 1.47 N/(m2 ? min)。施加 PAM可顯著的降低土壤可蝕性，增加徑流臨界剪切力。