風蝕不僅是侵蝕與塑造地球景觀的基本地貌過程之 一，也是干旱、半干旱以及部分半濕潤地區土地沙化的 重要因素之一我國當前面臨十分嚴峻的土地沙化形勢， 截至2009年底，全國沙化土地面積為173.11萬km2，占國 土總面積的18.03%,其中流動、半固定沙丘58.33萬km2W。 土地沙化不僅嚴重威脅生態安全，而且嚴重制約社會經 濟可持續發展，因此加大力度防治土地沙化刻不容緩。 防治風沙危害的措施主要包括植物固沙措施、工程固沙 措施和化學固沙措施等三類141。傳統的植物固沙和工程固 沙措施的生態效益相對遲緩，化學固沙措施則具備迅速 固定流沙、機械化程度高的特點，可以作為傳統固沙措 施的輔助性和過渡性措施，但由于其成本高，目前僅用 于機場、鐵路等因風沙危害可能造成重大損失的地區[5^]， 故降低化學固沙材料成本成為大規模推廣應用該措施的 關鍵。

粉煤灰是燃煤供熱、發電等過程中經高溫燃燒并由 煙道收集的灰白色至黑色固體廢棄物，外觀類似水泥， 為球形或微珠的集合體，直徑0.0丨?l〇〇//m，具有較大 的比表面積且多孔m。粉煤灰中主要化學成分為硅、鋁和

鐵的氧化物，其次為鈣、鎂、硫以及未燃燒的碳，鉀和 鈉的含量都較低18】。粉煤灰具有很多與土壤相類似的理化 性質，高氧化鈣含量粉煤灰具有明顯的凝硬作用，施用 粉煤灰可以顯著減弱沙土沙性，并改善其對植物生長的 養分供給能力…31。聚丙烯酰胺（PAM)是一種由Y射線 高能輻射引發聚合而成的高分子聚合物，呈白色細沙粉 末狀或無色透明膠體，水溶性好，遇水后膨脹，并表現 出極強的絮凝和粘結效果，作為土壤改良劑，具有保水、 保土、保肥和增產等效用[14]。PAM可以通過有效地增大 土壤顆粒之間的內聚力來提高土壤抗風蝕能力的特性己 得到廣泛地證實[15—17], PAM可以對粉煤灰固沙效果起到 強化作用。因此，利用粉煤灰和PAM的上述特性，使其 可能成為一種廉價的化學固沙材料，其可能帶來的生態 效益一方面是迅速固定流沙、防治風沙危害，另一方面 是改善沙土環境、有助于與植物固沙措施相結合。

本試驗研究針對黃河內蒙古河段流域內廣泛分布著 片狀流動、半固定沙丘，并且建設有眾多大型火力發電廠, 具有豐富粉煤灰資源的現狀，采用室內風洞試驗研究粉煤 灰固沙效果及PAM強化作用，以期在流動和半固定沙丘 表層建立既能夠防止風力吹蝕又具有保持水分和改良沙 土性質、促進植物生長發育的固結層，從而達到對該區域 土地沙化日益嚴重的環境問題進行治理的目的。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試沙樣取自內蒙古自治區鄂爾多斯市達拉特旗神 木營子附近的流動沙丘，采用烘干法測量其野外質量含 水率為0.64%»供試粉煤灰取自內蒙古自治區達拉特發電 廠干貯灰場，屬高氧化鈣含量的優質粉煤灰。試驗前將 供試沙樣過2 mm篩，剔除植物根系及各種雜物，以備試 驗。采用激光衍射法測量供試沙樣和粉煤灰的粒徑級配, 測量結果見表1。供試PAM呈白色粉粒狀，分子量彡300 萬，聚丙烯酰胺固體含量彡85%»

表1供試樣品的粒徑級配

Table 1 Grain size distribution of the experimental samples

樣品名稱黏粒含置/% (0.01?2.0/im)粉粒含童/% (2.0 ?20.0 "m)砂粒含量/% (20.0?

2 000.0 /im)

供試沙樣00100.0

供試粉煤灰0.972.027.1

1.2試驗設備

采用中國農業大學風洞試驗室的風洞試驗設備，該設 備由輔助風機、風室、噴嘴、穩流裝置和測試裝置等組成， 其中輔助風機為離心式風機，采用直流變頻方式進行調速， 最小可調轉速為30 rpm,轉速范圍為30?1 500 rpm;測試 裝置即風洞洞體由2 mm厚的鋼板和40 mm><40 mm的角鋼 焊接而成，其尺寸為900〇11(長）><100〇11(寬）><75〇11(高）； 風洞洞體沿寬度方向被分割為4條小風道，每條小風道的 斷面尺寸為25cmx75cnu風道中的風速采用ZRQF-F30J 智能風速計測量，其基本量程為〇.〇5?30 m/s。粉煤灰施用 量和沙盤試樣風蝕量采用TC30KA電子天平測量，其量程 為（30 000±5) g。PAM施用量采用DT1000電子天平測量， 其量程為（1〇〇〇±〇.〇1) g。

1.3試驗方法 1. 3. 1試樣制作

施加粉煤灰試樣：粉煤灰施用率設計為3個水平， 分別為供試沙樣質量的10%，20%和30%。將粉煤灰按 不同施用率施入適量供試沙樣，拌合均勻，裝入尺寸為 45cm (長）x24cm (寬）x4.5cm (高）的鋼質沙盤中， 不壓實，表面整平，噴灑適量清水以確保沙盤試樣表層 水分可以滲透至底部，然后在沙盤試樣表面蒙上塑料薄 膜，擱置24h以確保水分分布均勻，最后將制作好的沙 盤試樣自然風干以備試驗。施加粉煤灰和PAM試樣：在 選取粉煤灰最佳施用率的基礎上施加PAM, PAM施用率 設計為2個水平，分別為供試沙樣質量的〇.〇5%和0.1%， 沙盤試樣制作過程如前所述。另外選取未施加粉煤灰和 PAM試樣作為對照。所有處理均采用2次重復。

1. 3. 2起動風速測量

將預先做好的沙盤試樣放入風道中氣流穩定部位（距 風源7.5 m),沙盤試樣表面與風道底板齊平。然后啟動風 機，風機轉速由低到高，對應的風速由小到大逐漸提升， 由試驗人員通過風道上方的有機玻璃透明面觀察沙盤試樣 情況。當發現沙盤試樣表面有顆粒剝離時，記下風速，即 為起動風速。之后關閉風機，準備下一輪試驗。

1.3. 3風蝕強度測量

將預先做好的沙盤試樣稱重并記錄吹蝕前的質量 后，放入風道中氣流穩定部位（距風源7.5 m),將風機 轉速一次性提升到設計風速，記錄吹蝕時間。當吹蝕歷 時達到設計吹蝕時間時，取出沙盤試樣稱重并記錄吹蝕 后的質量，沙盤試樣吹蝕前后的質量之差即為沙盤試樣 的風蝕量。為了便于同其他結果進行比較，試樣風蝕強 度采用風蝕率表示，即單位時間內沙盤試樣的風蝕量。 試驗還考慮了風沙流的影響，采用前置自然風干沙沙盤 為后面沙盤試樣提供風沙流的設計。具體布置如下：在 待測沙盤試樣前1.5 m處放置風干沙沙盤，作為此待測沙 盤試樣的風沙流沙源。施加粉煤灰試樣采用8 m/s (5級 風）和14 m/s (7級風）兩種設計風速，凈風和風沙流兩 種吹蝕方式，吹蝕時間為10 min:施加粉煤灰和PAM試 樣采用14 m/s設計風速，凈風和風沙流兩種連續3次吹 蝕方式，每次吹蝕時間為10 min»

2結果與分析

2. 1粉煤灰固沙效果

在土壤風蝕研究中，起動風速直接影響風蝕率的大 小，而風蝕率的大小則是量化風沙危害的重要標志之 一。由圖1可以看出，對照的起動風速為5.6 m/s,施 加粉煤灰的沙土的起動風速較對照的起動風速均有所 提高，其中粉煤灰施用率為10%的沙土的起動風速為 8.0 m/s，提高了約40%，粉煤灰施用率為20%的沙土 的起動風速為8.4 m/s,提高了約50%,粉煤灰施用率 為30%的沙土的起動風速為7.4 m/s，提高了約30%。 由圖2可以看出，在8 m/s凈風歷時10 min的吹蝕條 件下，對照的風蝕率為157.5 g/min,粉煤灰施用率為 10%和20%的沙土無風蝕發生或僅發生極輕微風蝕，粉 煤灰施用率為30%的沙土的風蝕率為84.5 g/min,降低 了約50%:在8 m/s風沙流歷時10 min的吹蝕條件下， 對照的風蝕率為210.8 g/min，施加粉煤灰的沙土的風 蝕率均有所增加，但增加幅度并不相同，粉煤灰施用率 為10%和20%的沙土的風蝕率均有較大幅度的增加， 分別增至60.0 g/min和48.3 g/min，而粉煤灰施用率為 30%的沙土的風蝕率僅增加了 4.2 g/min;在14 m/s凈 風和風沙流歷時10 min的吹蝕條件下，對照的風蝕率 分別為506.8 g/min和592.3 g/min,隨著粉煤灰施用率 的增大，沙土的風蝕率呈逐步減小的趨勢，粉煤灰施用 率為30%的沙土抵御凈風和風沙流吹蝕的能力均提高 了約 15%。

施加粉煤灰的沙七的起動風速顯著提高。這一方面是因為 施加粉煤灰的沙土的雛含難加而砂艱雜齡，■灰細 顆粒增大了沙粒^間的內聚力，使沙粒之間相互聯接，從而增 強了沙土的整體性;另一方面是因為粉煤灰細顆粒填充于沙土 麵簡形成的孔隙中，減少了沙粒間點與點的搬，綱 了沙粒在氣流脈動的周期作用下所產生的振動,從而增強了沙 土的穩定性。上述兩方面與吳正通過研究野外觀測資料表明 ⑴，在相似顚餅下，松散無結構的沙土要比具有一定土粒 結構穩定性的砂壤土的抗風蝕能力低得多的結論是一致的。粉 煤灰施用率為30%的沙土的起動風速較粉煤灰施用率為10% 和20%的沙土的起動風速有所降低。這是因為隨著粉煤灰施 '用率的增加，粉煤灰中粒徑在0.6?2 mm范圍內的團聚體在沙 土中所占比例逐步增大，粉煤灰施用率為10%^P 20%的沙土 在上述范圍內粒度分布幾乎為零，但粉煤灰施用率為30%的 沙土在上述范圍內粒度分布為9.1%,過多的大粒徑粉煤灰團 聚體影響了沙土土體結構的穩定性，減弱了沙粒之間的相互聯

用，從而使沙土的有所離。

粉煤灰施用率為20%的沙土所具有的穩定土體結構可 以有效地抵御8 m/s凈風歷時10 min的吹蝕，但在8 m/s風 沙流歷時10 min的吹蝕條件下會發生輕微風蝕。這是因為 風沙流比凈風具有更大的侵蝕作用，而施加粉煤灰的沙土 的抗風蝕能力是有限的。經過比較發現，在8 m/s風沙流歷 時10 min的吹蝕條件下，沙土的風蝕率由低到高依次為： 20%粉煤灰施用率的沙土 <10%粉煤灰施用率的沙土 < 30%粉煤灰施用率的沙土 <對照，這說明在此條件下施加粉 煤灰的沙土主要是以粉煤灰細顆粒增大沙粒之間的內聚力 來抵抗風蝕的，當粉煤灰施用率為20%時既可以最大限度 地促進穩定土體結構的形成，又可以有效地減弱大粒徑粉 煤灰團聚體對此作用的影響。施加粉煤灰的沙土在丨4 m/s 凈風和風沙流歷時10 min的吹蝕條件下發生中度風蝕，沙 土的風蝕率隨著粉煤灰施用率的增大而呈逐步降低的趨 勢，通過對粉煤灰施用率為30%的沙土吹蝕后的表面殘留 顆粒進行粒徑分析后發現，粒徑在0.6?2 mm范圍內的粉 煤灰團聚體含量達到了近60%,根據董治寶等對不同粒徑 范圍內的風成沙顆粒抗風蝕性差異的劃分結果，上述范圍 內的顆粒為不可蝕因子[18]。這說明在此條件下粉煤灰細顆 粒增強沙土土粒結構穩定性的作用可以忽略，影響沙土抗 風蝕能力的主要因素是粉煤灰中粒徑在0.6?2_范圍內

的團聚體，這些大粒徑粉煤灰團聚體不易被風吹走，同時 對沙土中的細顆粒還有一定的阻擋作用，施加粉煤灰的沙 土主要是以大粒徑粉煤灰團聚體的慣性力來抵抗風蝕的。 2.2粉煤灰與PAM共施的固沙效果

在選取20%粉煤灰施用率為粉煤灰最佳施用率的基 礎上施加PAM。由圖3可以看出，施加粉煤灰和PAM 的沙土的起動風速較施加粉煤灰的沙土的起動風速均有 進一步提高，但增幅較小。其中PAM施用率為0.05%的 沙土的起動風速為8.4 m/s,與粉煤灰施用率為20%的沙 土的起動風速基本相同，PAM施用率為0.1%的沙土的起 動風速為8.7 m/s,略高于與粉煤灰施用率為20%的沙土 的起動風速。由圖4可以看出，在14 m/s凈風歷時10 min 的吹蝕條件下，對照的風蝕率為506.8 g/min，施加粉煤 灰和PAM的沙土無風蝕發生；在14 m/s風沙流歷時 10 min的吹蝕條件下，對照的風蝕率為592.3 g/min，施 加粉煤灰和PAM的沙土僅發生極輕微風蝕，其中PAM 施用率為0.05%的沙土的風蝕率為23.8 g/min, PAM施用 率為0.1%的沙土的風蝕率為7.0 g/min。由表2可以看出， 當吹蝕時間由10 min增至20 min時，沙土的風蝕率均有 明顯增長且增長速率較大，其中PAM施用率為0.05%的 沙土的風蝕率增長速率大于PAM施用率為0.1%的沙土 的風蝕率增長速率;當吹蝕時間由20 min增至30 min時， 沙土的風蝕率增長速率顯著降低，其中PAM施用率為 0.05%的沙土在風沙流吹蝕條件下的風蝕率略有下降。

圖3粉煤灰與PAM共施對起動風速的影響 Fig.3 Effect of fly ash and PAM on threshold wind speed of the experimental soil

■ M m/s凈風吹蝕D14 m/s風沙流吹蝕

表2施加粉煤灰和PAM的沙土在14 m/s凈風和風沙流連續3 次歷時丨0 min的吹蝕條件下的風蝕率 Table 2 Wind erosion rate of the soil treated with fly ash and PAM under the condition of three successive 10 min exposures to pure wind and sand-carrying wind with a wind speed of 14 m/s

respectively

吹蝕時間 /min風蝕率/g'mirT1

20%粉煤灰和 0.05%PAM, 14 m/s淨風吹 蝕20%粉煤灰和 0.l%PAM,

14 m/s冷風吹 蝕20%粉煤灰和 0.05%PAM, 14 m/s風沙流 吹蝕20%粉煤灰和 Q.1%PAM,

14 m/s風沙流 吹蝕

103.752.5023.757.00

2010.884.2529.758.50

3012.175.2527.758,67

施加粉煤灰和PAM的沙土的起動風速進一步提高。 這是因為PAM可以有效地增大沙土顆粒之間的內聚力， 從而強化了粉煤灰促進穩定土體結構形成的效果：同時 減少了沙土表層松散顆粒的含量，從而降低了沙土表層 顆粒被風吹動的幾率。施加粉煤灰和PAM的沙土可以 有效地抵御丨4 m/s凈風歷時30 min的吹蝕，且在14 m/s 風沙流歷時30 min的吹蝕條件下僅產生極輕微破壞， PAM施用率為0.1%的沙土的抗風蝕能力略高于PAM施 用率為0.05%的沙土的抗風蝕能力。這一方面是因為 PAM可以將沙粒和粉煤灰顆粒粘結形成大粒徑的極難 被風蝕的團聚體，強化了沙土的整體性和穩定性，從而 顯著地提高了沙土的抗風蝕能力；另一方面是因為PAM 具有良好的粘結作用，增強了沙土表層因噴灑清水而形 成的厚約0.1mm的結皮與下部土層的粘結度，形成了 相對光滑的沙土表面，摩擦阻力較小，可以有效地減弱 氣流對沙土表面的影響，從而保護結皮下部土層免受風 蝕，而此結皮在僅施加粉煤灰的條件下因粉煤灰具有的 凝硬作用有限，不能有效地增強結皮與下部土層的粘結 度，極易被8m/s凈風破壞，對于提高沙土的抗風蝕能 力的影響甚微。由圖5可以看出，對照在14 m/s風沙流 歷時10 min的吹蝕條件下表面形態變化過程。通過對在 14 m/s風^1?流連續3次歷時10 min的吹蝕條件下粉煤灰 施用率為20%和PAM施用率為0.1%的沙土表面形態變 化過程進行觀察后發現（圖6).歷時10 min吹蝕后的 沙土表層結皮出現了比較明顯的磨蝕痕跡，但仍基本完 整；歷時20 min吹蝕后的沙丨•.表尼較小部分結皮被破 壞，結皮卜部ill現鏤空現象：歷時30 min吹蝕后的沙土 表層仍殘留部分未被破壞的結皮，但其下部鏤空現象明 顯。此外，吹蝕時間由20 min增至30 min沙土的風蝕 率增長速率較吹蝕時間由10 min增至20 min沙土的風 蝕率增長速率有所減緩，甚至下降。這是因為隨著吹蝕 時間的增加，沙土所含可蝕性顆粒的含量逐漸降低，其 抗風蝕能力逐漸提髙^

由上述風沙流連續吹蝕過程可以總結出施加粉煤灰 和PAM的沙土表層結皮提高沙土的抗風蝕能力和在風沙 流作用下被破壞的機理，PAM極強的粘結作用促使沙土 表層結皮與下部土層很好地相互粘結，沙土表面相對光 滑，高速氣流對其表面的影響減弱，結皮下部土層受到 了良好的保護而在一段吹蝕時間內不產生風蝕；而風沙 流對沙土表層結皮持續不斷地打擊和磨蝕，會導致結皮 越來越薄，最終破壞，結皮破壞處沙粒逸出，開始產生 風蝕，并且結皮下部逐步被鏤空，直到結皮被完全破壞， 下部土層失去了結皮的保護作用，轉而依靠因PAM良好 的粘結作用而形成的大粒徑的極難被風蝕的團聚體來抵 抗風蝕，此時與施加粉煤灰的沙土在發生輕微風蝕時以 粉煤灰細顆粒增大沙粒之間的內聚力來抵抗風蝕的機理 相似，但抗風蝕效果要明顯好于后者。

3結論

1)施加粉煤灰的沙土的起動風速顯著提高，施加 PAM可以進一步提高沙土的起動風速，但增幅較小。沙 土的起動風速提高與粉煤灰和PAM可以增大顆粒之間的 內聚力、促進穩定土體結構的形成和減少沙土表層松散 顆粒的含量有關。

2)施加粉煤灰的沙土在發生輕微風蝕時（5級風） 主要是以粉煤灰細顆粒増大沙粒之間的內聚力來抵抗風 蝕的，在發生中度風蝕時（7級風）主要是以大粒徑（0.6? 2mm)粉煤灰團聚體的慣性力來抵抗風蝕的。施加粉煤 灰和PAM的沙七的抗風蝕能力比施加粉煤灰的沙土的抗 風蝕能力顯著增大，可以有效地抵御7級風，PAM主要 是通過進一步增大沙土顆粒之間的內聚力和增強沙土表 層結皮與下部土層的粘結度來提高沙土的抗風蝕能力。

3)由于自然界中造成風蝕的大部分（97%?99%) 風力主要集中在4?8 m/s,而且從經濟意義上考慮，故推 薦粉煤灰施用率為20%、PAM施用率為0.05%的用量水 平處理用于風蝕防治。