试验土壤取自前郭县第二松花江干流堤防外坡地,取土深度为表层20 cm。堤防坡比为1:3,坡长8～10 m。土壤机械组成采用激光粒度分析法,黏粒含量为6.82%,粉粒含量为58.70%,砂粒含量为34.48%,土壤类型为粉壤土,土壤容重1.3 g/m³。詹敏^[12]和张宪奎^[13]等指出黑土区土壤侵蚀是由高强度短历时降雨引起,且降雨历时在30～60 min; 产生侵蚀的短历时瞬时降雨强度范围23.4～103.2 mm/h。基于上述标准和试验实际情况,本试验降雨强度选取80 mm/h; 第一组试验下垫面条件为PAM浓度3 g/m²,选取4个不同坡度; 第二组试验选取坡度15°,下垫面条件为5个均匀施加不同PAM浓度的坡面。4个不同坡度和5个不同PAM浓度的进行试验,共9个场次。坡度及PAM浓度等参数见表1。

表1 试验设计

试验采用Norton降雨模拟系统,该系统使用振荡式原理模拟自然条件下的降雨。降雨强度9.5～100 mm/h,降雨均匀度大于80%,降雨面积2 m×5 m,降雨高度6 m。X-Scan手持快速激光扫描仪测量范围0.15～4 m,激光头分辨率为0.1 mm,测量速度550 000次/s。通过特征拼接和标记点定位的方式测量地貌,以三维图形方式显示测量数据。降雨使用可移动式变坡径流槽,规格为长1.5 m,宽0.4 m,深0.4 m,坡度变化范围0°～30°。径流槽底部均匀打孔,径流槽前段设置“V”字形集流槽。

试验土壤除去杂质,过5.0 mm 筛网后进行风干和混合处理。为精确模拟河道边坡填筑的真实情况,采用分层填土方式。在装填上层土壤之前先对下层土壤进行打毛、洒水湿润,保证两层土壤紧密融合,以防土层分离。

每次试验开始前先清除径流槽内土壤,重新装土。然后取出部分土壤与PAM颗粒均匀拌和,对径流槽内土壤打毛和洒水,将拌和均匀土壤铺设在径流槽内,对坡面进行预降雨至坡面土壤饱和为止,为了防止土壤水分蒸发、结皮,使用塑料薄膜覆盖径流槽,静置24 h。在降雨场地内均匀布置4个蒸发皿率定雨强,当降雨均匀度大于80%时开始试验。降雨历时1 h,记录开始产流时间,产流开始后每隔3 min收集1次径流泥沙样,每次收集时间10 s,用秒表记录取样时间。采用高锰酸钾染色法测坡面流速,产流开始后每隔3 min测1次流速。降雨结束后,使用激光扫描仪扫描坡面获取地表三维数据。将径流泥沙和总径流泥沙样品静置沉淀,使用量筒测量产流量,径流泥沙用烘箱烘干至恒重,电子秤记录产沙重。

将每次测得产流量和产沙量使用Excel进行处理,得到取样时间段内产流率和产沙率。采用Origin绘制产流率和产沙率的变化曲线; 采用Geomagic Studio对坡面三维点云数据进行处理,从而获得坡面数据; 然后将坡面数据导入ArcGIS中,进行灰度映射,侵蚀较为严重区域用黑色表示,提取侵蚀严重的区域(以侵蚀深度≥20 mm作为提取标准)。

本文在坡度为15°时,研究不同PAM浓度对坡面产流产沙和流速规律的影响。结果发现:随着PAM浓度的增大,坡面平均产流率先减小后增大,但相较于裸地施加PAM的坡面土壤入渗能力增大,坡面的平均产沙率减小。正如张淑芬^[20]、裴峥等^[21]和李清溪等^[22]研究,PAM能够维护土壤团聚体的结构并形成新的团聚体,与水相互作用产生的黏聚作用能有效缓解雨滴对土壤的表面打击并抑制结皮的形成,增加坡面地表糙度,从而可以增加土壤的入渗能力,减少地表径流,防止水土流失。此次试验中,流速随PAM浓度变化较大,其中4 g/m²坡面流速最小,径流量3 g/m²的坡面最小。Govers^[23]、Nearing等^[24]、王林华^[25]研究表明,坡面流速受到坡面地表糙度和径流量的影响,流速与径流量呈正相关,与地表糙度呈负相关。本试验施加PAM对坡面产流和产沙的研究结果与以上学者一致,而流速在PAM作用下与径流量和地表糙度的关系需要进一步论证。

在下垫面条件为3 g/m²时,研究不同坡度对坡面产流产沙和流速规律的影响。结果发现:坡面平均产流率随坡度增大呈先增大后减小趋势,平均产沙率随坡度增大而增大,且随着产沙率的增大,坡面侵蚀程度增大,地表糙度也相应增大。产流率受坡度影响大,以15°为转折点,先增大后减小,在10°～15°,20°～25°两个区间内变化明显。王丽^[9]和王全九^[26]等研究得出,当15°和20°时,其径流量相近,当坡度25°时,径流量急剧减小。然而,坡面流速随着坡度的变化未出现较大波动,流速在15°时达到最大,后趋于稳定。Govers^[23]、Nearing等^[24]、王林华^[25]、和继军等^[27]研究表明,坡度对流速影响不大,坡度增大侵蚀增加,地表糙度相应增大,从而流速不增大。刘俊体等^[28]认为,随着坡度增大,细沟流速呈减小趋势,且在10°～15°存在一个流速转折坡度。本试验坡度对产流产沙及流速的研究与上述学者相近,但关于流速转折坡度需要进一步论证。

图7 不同PAM浓度坡面侵蚀

通过野外调查和试验研究发现,细沟侵蚀占坡面总侵蚀量的70%以上,细沟形态对坡面侵蚀有重要影响,并以细沟割裂度作为评判细沟侵蚀和形态的标准^[29-30]。李桂芳等^[7]、耿晓东^[31]、郝好鑫等^[32]以粉壤土为坡面侵蚀研究对象,发现黑土不易发生细沟侵蚀。本次试验中,坡度为15°,降雨强度为80 mm/h时未出现明显的细沟侵蚀,主要以面蚀为主。由于坡面汇流面积较小,坡长较短,这种情况下很难产生较大流量的径流,侵蚀受到一定的限制,侵蚀形态无法进一步演变发育^[33],因此本次试验并未出现明显的细沟侵蚀特征。

(1)相同坡度下,PAM浓度3 g/m²的坡面较0 g/m²的坡面的平均产沙率降低23.64%,平均产流率减小16.78%,0 g/m²上施加适量浓度的PAM使得土壤入渗能力增强,径流量减小,对坡面冲刷减弱,坡面侵蚀量减小。随着施加PAM浓度的增大,坡面平均产沙率降低20.42%～52.49%。坡面平均产流率呈现先减小后增大的趋势。本次试验PAM浓度在3 g/m²时坡面产流率最小,土壤入渗效果最好,超过时产流率增大。

(2)下垫面条件相同时,坡面平均产沙率随坡度的增大而增大。坡面平均产流率在15°和20°时差异不大,坡度为25°时平均产流率急剧减小,且3个坡面平均产流率均大于10°坡面。

(3)坡面侵蚀形态主要表现为溅蚀和面蚀,施加PAM使得侵蚀严重区域的面积相较0 g/m²减小了54.57%,能够有效起到控制侵蚀的效果。在实际的堤防工程中具有应用价值。