新型水溶性聚氨酯对紫色土坡面产流产沙的影响

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(1.长江科学院 水土保持研究所, 武汉 430010；2.天津市水文水资源勘测管理中心, 天津 300060)

新型水溶性聚氨酯对紫色土坡面产流产沙的影响

朱秀迪1,丁文峰1,张冠华1,李清溪1,王强2

(1.长江科学院 水土保持研究所, 武汉 430010；2.天津市水文水资源勘测管理中心, 天津 300060)

为探索新型水溶性聚氨酯防治紫色土坡面水土流失的效果，采用室内人工模拟降雨试验，分析了不同雨强条件下5%浓度的新型水溶性聚氨酯(W-OH)对紫色土坡面入渗、产流和侵蚀过程的影响。结果表明：紫色土坡面施加W-OH能显著提高土壤抗蚀性，从而减小坡面侵蚀产沙量;在42，72，112 mm/h 3种雨强试验条件下，施加W-OH组的坡面与对照组坡面相比，尽管坡面径流增大了12.40%～203.41%，但产沙量减小了89.40%～97.43%，沙输移率降低了86.67%～97.45%,且当雨强较大时(72,112 mm/h),施加W-OH组的土壤可蚀性降低率为96.80%～97.41%。研究结果为紫色土坡面防蚀提供了一定的理论依据及应用指导。

W-OH；紫色土；下渗；产流产沙；人工模拟降雨

1 研究背景

紫色土广泛分布于四川盆地周边低山丘陵区。据测算，目前紫色土地区平均侵蚀模数约为3 365 t/(km2·a)，个别地区高达9 000 t/(km2·a)[1]。其侵蚀面积之广和侵蚀强度之大，仅次于我国北方的黄土[2]，是长江上游的主要耕作土壤类型。由于其风化成土速率快，加之自身稳定性差，以及人类活动的干扰，使得紫色土区域的水土流失形势变得十分严峻。到目前为止，已经有不少学者针对防治紫色土坡耕地侵蚀做了相关研究[3-4]，但治理措施主要集中在生物措施、工程措施以及农业技术措施。虽然以上措施在水土保持治理方面取得了显著的成效，但其治理周期长，收益见效慢等特点仍限制水土流失治理的可持续发展。

近年来，新型水溶性聚氨酯W-OH作为一种有效的土壤改良剂，为解决紫色土坡耕地的治理提供了新的治理方式。首先，因W-OH具有卓越的抗风蚀性及抗冻性，主要被应用于荒漠化地区及青海周边高寒地区[5-8]；随后，许多专家学者通过改变其浓度，添加保水、抗紫外线剂、PVA等方式，改善其物理化学性以适应更多区域；目前，应用主要集中于黄河流域砒砂岩区[9-13]以及崩岗的治理[14]，但长江上游紫色土丘陵区尚未见到相关报道。此外，姚文艺等[9]通过野外天然径流小区试验证明，W-OH具有减流功效，也有很多研究表明W-OH具有很好的防渗功效[6-7]。

从截然不同的试验结果来看，关于W-OH的入渗产流产沙机理还没有被完全渗透，且W-OH在不同地区、不同土壤的适应性、配置方式均有所区别，要追寻最佳配置治理方案，需要通过试验进一步证实与完善。因此本研究通过室内人工模拟降雨试验，主要从雨强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实际应用效果，以期对紫色土水土流失防治提供理论依据，为该高新复合固化材料在长江上游坡耕地地区的大范围治理应用提供理论支撑。

2 试验材料和方法

2.1 试验土壤

试验土壤取自于湖北省秭归县王家桥小流域(31°13′N—31°16′N，110°38′E—110°42′E)坡耕地，属紫色土。将所取土样风干过筛后，测定其土壤的重度、有机质含量及机械组成。采用环刀法测定土壤重度；采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质；采用吸管法测定土壤机械组成[15]。试验土壤的基本理化性质见表1。

取土区域属热带大陆性季风气候，年均气温在14.2～17.9 ℃之间，多年平均降水量达到1 012 mm;夏季集中性的降雨频发很容易造成水流汇集，致使洪涝灾害频发，水土流失严重。故以该区土样来研究W-OH水蚀机理具有较好的代表性。

2.2 试验材料

W-OH材料由江苏艾特克环境工程设计研究院有限公司提供。该材料在常温下可与水反应，并释放CO2，从而生成具有良好力学性能的多孔性弹性固化体。这种固化体不仅能与土壤产生较好的黏接力，也具有良好的安全性和无毒性。参照以往W-OH在渠道防渗、边坡稳定方面的研究结果[14]，同时考虑对紫色土生产力不构成影响，本研究选取5%浓度的W-OH水溶液进行试验。

2.3 试验装置与步骤

试验在长江科学院水土流失模拟实验室模拟降雨大厅进行，采用下喷式模拟降雨系统，雨滴降落有效高度为9 m，降雨均匀系数达到85%以上。试验土槽为固定水泥槽，长8 m，宽1 m，土槽深45 cm，坡度为15°。

本研究采用室内人工模拟降雨试验，无材料对照组与全坡面喷洒5%浓度的W-OH固化材料处理组2种坡面形式，分别记为A，B。选取3种降雨强度(42,72,112 mm/h)，分别记为1,2,3。共进行6场模拟降雨试验。先在槽底填入10 cm厚的沙子便于渗水，然后将试验紫色土过10 mm筛，每隔5 cm分层压实以保证密度控制在1.25 g/cm3左右，以接近当地紫色土密度，填土厚度为40 cm。正式降雨前一天，采用30 mm/h的降雨强度进行前期降雨30 min，控制土壤含水率在20%左右，以保证土壤前期含水量一致。每次试验前，采集土壤，用烘干法测土壤含水量，至满足试验要求为止。

降雨历时设定为35 min，降雨开始计时，记录产流时间，同时观察坡面侵蚀过程。坡面开始产流后，每2 min接取一个泥沙样，并测量其体积。用测量桶接取2 min内全部径流并测量其体积，降雨结束后，用烘干法测量泥沙样品质量。最后按照水量平衡原理计算出降雨入渗量和入渗率。

3 结果与分析

3.1 W-OH对紫色土坡面入渗过程的影响

由图1可知，入渗初期，土壤水入渗处于渗漏阶段。在此阶段，不同雨强下，对照组初始入渗率介于0.68～1.30 mm/min之间;处理组的初始入渗率介于0.44～0.59 mm/min之间。同一雨强下，对照组初始入渗率为处理组的1.50～2.20倍。随着土体吸水湿润，土壤水填满孔隙，处理组的入渗率均快速下降，5 min左右均基本达到稳渗，且不同雨强下，稳渗率较为接近，在0.12～0.16 mm/min之间。而对照组的入渗率30 min后仍未到达稳定状态，且有小幅度波动性下降。且雨强越大，入渗率下降越快，入渗能力越低。这与郝春红等[16]的研究结果相一致。造成处理组与对照组入渗过程差异较大的主要原因可能有以下2种：一是由于包裹着W-OH的土粒的比表面积减小，体积增大，土粒间空隙减小，孔隙水含量降低，土壤下渗速率减慢，从而加快了雨水达到稳渗阶段；二是喷涂在紫色土坡面的W-OH 溶液能将结构松散的紫色土颗粒黏结在一起，形成具有一定抗蚀抗剪切性能固结体[11]，它能减弱降雨打击力与径流冲刷力，防止土壤结皮的产生，从而使径流及入渗更加稳定。

图1 不同雨强下紫色土坡面入渗过程Fig.1 Infiltration process of purple soil slope under different rainfall intensities

为更深入探究W-OH处理后入渗率随时间变化的规律，本研究采用Kostiakov模型f(t)=at-b(a，b为经验常数)、Horton模型f(t)=m+(n-m)e-ct(m，n，e分别为稳渗率、初始入渗率与自然常数)对W-OH处理组实测数据进行拟合。结果见表2。

表2 W-OH处理组入渗过程拟合结果Table 2 Fitted results of infiltration process of purplesoil treated by water-soluble polyurethane (W-OH)

从表2可以看出，Kostiakov入渗方程的参数a值介于0.37～0.54之间，其与土壤重度及初始含水率有关，b值介于0.34～0.54之间，反映了入渗率的递减速率，其值越大，入渗速率随时间递减越快[17]。Horton入渗方程中的c值变化介于0.75～1.20之间，m变化介于0.12～0.15 mm /min之间，且随着雨强的增大而递减。Kostiakov拟合优度R2介于0.68～0.88之间，Horton拟合优度R2介于0.83～0.99之间。总体来说，Horton入渗公式拟合度高于Kostiakov入渗公式，说明Horton模型的适应性较好，能够较好地描述W-OH处理组入渗过程。

图2 不同降雨条件下紫色土坡面产沙率随时间的变化Fig.2 Rate of sediment yield of purple soil slope against time under different rainfall conditions

3.2 W-OH对紫色土坡面产沙过程的影响

不同的降雨条件下坡面产沙率随着时间的变化(图2(a))显示：2种处理方法下的产沙率无论在小、中、大3种雨强下均呈现不规则波动，但产沙率的波动范围、变化幅度存在差异。这表示不同雨强下，2种处理方式处理的坡面的产沙率均保持非稳定性。造成不规则波动原因可能是坡面的各部分地表粗糙度、土壤理化性质、雨强等因素并非完全相同，这些性质均影响着土壤侵蚀的演变与发展，故其产沙规律呈现不确定性。对照组产沙率波动范围在0.70～5.90 g/min，处理组产沙率波动范围在0.01～0.22 g/min。此外，处理组标准差范围在0.04～0.05 g/min，对照组的标准差范围在0.32～1.10 g/min。可以看出:经W-OH处理后，坡面的产沙率及标准差均降低了1～2个数量级，且均处于非常小的程度，坡面产沙波动情况受雨强影响较小。其原因可能是由于W-OH产生的固结力远大于雨水的击打力及径流的冲刷能力。以上结果表明：在紫色土坡面喷洒W-OH能显著地降低坡面扰动，减少土壤侵蚀。

此外，不同处理的坡面产沙率总体趋势存在差异。对照组产沙率无论雨强大小，整体均呈上升趋势，其斜率k值介于0.01～0.06之间。处理组坡面在42 mm/h雨强下整体呈上升趋势，而在72，112 mm/h 2种雨强下整体呈下降趋势。具体表现为，42 mm/h雨强下，斜率k值为0.001 7，而72，112 mm/h雨强下，k值分别-0.000 2及-0.002 8。原因可能是，喷洒的W-OH在坡面形成了一层具有良好力学性能的保护层，起到阻断水与土粒的交互作用，阻绝了沟蚀的发生，降雨和径流仅能剥蚀掉表层黏固不牢的泥沙[18]。

经W-OH处理过的坡面，当雨强较小时，随着降雨的进行，雨水在坡面产生薄层水，对雨滴溅蚀有促进作用[19]，而由于侵蚀量过少，故溅蚀对其总产沙影响很大，所以在小雨强下，坡面产沙率整体随溅蚀呈上升趋势；当雨强较大时，在W-OH作用下，降雨和径流迅速剥离坡面不牢固的泥沙，剩余的坡表泥沙越来越不易被搬运，故产沙率总体呈减少趋势。未喷洒W-OH的坡面，由于没有固化层的保护，其侵蚀随着降雨量和径流量的增加，其面蚀范围逐渐扩大，故产沙率总体呈上升趋势。

3.3 W-OH对紫色土坡面产流产沙总量的影响

对照组与处理组坡面30 min内产流(沙)量及产流(沙)效益如表3所示。

表3 不同条件下紫色土坡面产流产沙总量及其变化Table 3 Total amount of runoff and sediment yield onpurple soil slope under different conditions

在使用W-OH 材料处理后，紫色土坡面产流量增加较为显著。但随着雨强增大，其增流效益明显减弱。具体表现为，当雨强由42 mm/h增大到72 mm/min，虽然产流量增大，但增流效益由203.41%骤降到13.98%。另一方面，经W-OH处理后的坡面侵蚀量显著减少。42 mm/h雨强下产沙量值减少了1个数量级，72，112 mm/h雨强下的产沙量值均减少了1～2个数量级，减沙比均可达到89.4%～97.43%。且随着雨强的增大，W-OH对坡面的减沙效益更加明显，具体表现为，当雨强由42 mm/h增大到72 mm/min，其减沙效益由89.40%提高到97.43%。以上结果说明该材料能够有效疏导径流的排泄，极其显著地降低侵蚀强度。因此W-OH对暴雨频发、降雨侵蚀严重的地区有着非常好的应用价值。

3.4 W-OH对紫色土坡面可蚀性的影响

土壤可蚀性是量化土壤在雨滴打击、径流冲刷等外营力作用下被分散、搬运的难易程度的一个指标。可蚀性值越小，土壤抗侵蚀能力越强，对侵蚀敏感性相对越弱。由于降雨时间较短，细沟侵蚀尚未发育。选取由Liebenow等[20]提出，并被WEPP水蚀预报模型采纳的细沟间侵蚀经验模型，即

(1)

其中,

sf=1.05-0.85e-4sinθ。

式中：KWEPP为可蚀性因子(s/m)；Di为单位宽度细沟间向沟内的输移率(g/(s·m2))；I为雨强(mm/h)；b为降雨均匀性系数；sf为坡度因子；θ为坡度。

通过测定开始产流后30 min内产沙量、雨强及均匀系数，计算出土壤抗蚀性KWEPP见表4。

表4WEPP模型估算的土壤可蚀性值
Table4SoilerodibilityvaluesestimatedbyWEPPmodel

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

从表4可知：在不同雨强下，处理组坡面的输移率的范围在0.002～0.007 g/(s·m2)之间，对照组坡面的土壤可蚀性的范围在0.015～0.274 g/(s·m2)之间。处理组相较于对照组的细沙输移率降低了86.67%～97.45%。此外，当雨强较小(42 mm/h)时，处理组和对照组的可蚀性因子相差较小，为0.002 s/m以外；当雨强为72,112 mm/h时，处理组的可蚀性因子相较于对照组降低了96.80%～97.41%。以上研究结果表明W-OH能够显著提高土壤抗蚀性，降低侵蚀敏感性。

4 结 论

本研究通过室内人工模拟降雨试验，对比不同雨强下，经过5%浓度的W-OH处理的紫色土坡面及无处理的紫色土坡面的入渗、产流、产沙情况的结论如下。

(1) 坡面经W-OH处理后，入渗速率明显降低，入渗过程达到稳渗阶段更为迅速，雨强对其稳定入渗率影响较小。其入渗过程可以用Horton模型较好地描述。

(2) W-OH能显著降低土壤的可蚀性，增强坡面抗蚀性，降低坡面扰动，减少土壤侵蚀。减沙效益随雨强增大愈加明显。主要表现为在大到暴雨强度条件下，喷涂5%浓度的W-OH坡面，其土壤的可蚀性因子降低率高达96.80%～97.41%。

(3) W-OH有明显的增流效益。喷涂5%浓度的W-OH的坡面相较于裸坡，30 min总产流量增加了0.12～2.00倍。且随着雨强的增大，W-OH的增流效益也逐渐减弱。

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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

国家自然科学基金项目(41271303，40901135);水利部技术示范项目(SF-201601)

朱秀迪(1992-)，女，湖北十堰人，博士研究生，主要从事水土保持与流域侵蚀产沙及调控方面的研究工作。E-mail:lorrainedi@foxmail.com

10.11988/ckyyb.20161043

S157.1

A

1001-5485(2018)01-0047-05

(编辑：姜小兰)