開發建設項目造成的水土流失，是人類生產建設活動過程中擾動地表和地下岩土M、堆置廢宑物、構築人 工邊坡而造成的水土資源和土地生產力的破壞和損失， 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》，采取了相關防治措施，可這些剪切力防治措 施都是根據各自的經驗製定的，並無一定的科學依據， 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。防治開發工程造成的水土流失主要采 取傳統的工程措施、植物措施和臨時措施等，新方法、 新技術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，保護生態環境，不僅對於防治開發X程新增水 土流失、改善生態環境具有非常重要的意義，而且能為 開發建設項目水土保持方案編製提供科學、可靠的依據。

　　

　　聚丙稀酸胺（PAM, polyacrylamide)作為一種有效 的土壤改良劑，可以穩定或改良土壤結構和凝聚徑流中 的懸浮顆粒，抑製結皮形成，增加降雨入滲、減少徑流 和土壤侵蝕。國內外研究人員通過模擬試驗，結果均表 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 究多局限於坡麵產流產沙分析，對其影響土壤可蝕性及 臨界剪切力的研究還不多。因此，研究土壤結構改良劑 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複雜物理過程。 在降雨過程中，坡麵侵蝕主要由坡麵的降雨動能對土粒 的擊濺、分散和徑流搬運衝刷能力兩方麵決定。經大量 研究表明，相對徑流衝刷，降雨對土粒的擊濺、分散侵 蝕影響極為低下，而坡麵的徑流衝刷力是土壤侵蝕的主 要動力[7_8]。坡麵上土壤侵蝕產沙是由於坡麵徑流在順坡 流動的過程中，徑流對坡麵土壤剪切剝離作用和土壤抗 剝離作用以及地麵物質補充能力之間相互對比協調的結 果。根據李鵬[91等人的研究結果，泥沙輸移率與徑流剪切 力之間存在以下關係式Dr=Kd(T-Tc)(1)

　　

　　式中：A泥沙輸移率，g/(min ?m2);心土壤可蝕性參數，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——坡麵傾斜度，（°); h——徑流水深，nu由於坡麵水流水層極薄。且土壤下墊麵條件不斷發(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 麵均勻分布，遂可采用下式計算水深時間內的 斷麵平均流速，m/min; B過水斷麵寬度，m。

　　

　　將式（3)代入式（2)，則可以得到徑流剪切力，根 據式（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&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 性質分析見表1。PAM產自t海沃杉化工有限公司，其 產品名稱為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細土混合後均勻撒在 土表。試驗采用0.8、1.1、1.4 mm/min 3種降雨強度，降 雨曆時設計為1 h。

　　

　　Table 1表1試驗土壤理化性質Physical and chemical properties of experimental soil試驗用土土壤體積質置/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進行， 降雨裝置采用長江科學院水土保持研究所研製的對噴式 降雨器，降雨強度可在0.5?2.5 mm/min之間調節，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，可覆蓋麵積4 mX6m。降雨器通過分流器上 的壓力表調節降雨強度，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 製，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， 並配備了鐵皮槽，以接收地表徑流和壤中流。試驗裝置 示意圖如圖1。

　　

　　試驗采用室內人工模擬降雨的方法，分別在可移動 侵蝕槽的兩側布置側噴式降雨器，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 了控製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後進行試驗，並在試驗前再次對 土壤進行適當的耙鬆。然後調整不同的坡度和雨強進行 一係列的試驗。每次試驗後更換土壤，土壤前期含水率 基本控製在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 酸鉀溶液測定坡麵平均流速（從坡頂至坡底)。

　　

　　3結果與分析3.1不同土壤處理坡麵水動力學參數降雨降落在裸露地表，首先滿足土壤的入滲要求， 當降雨強度大於土壤入滲性能或土壤水分蓄滿以後，徑 流開始產生。流量與入滲過程是個相互映射的過程，在 連續降雨條件下，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麵的延伸，入滲 率變小並趨於穩定，其值接近土壤的水力傳導率，這個 值稱為穩定入滲率，流量則從小變大，流量也趨向一穩 定值。將各降雨強度下穩定流量、平均徑流流速、水深 及徑流剪切力列於表2。

　　

　　表2不同土壤處理坡麵水動力學參數Table 2 Slope hydrodynamic parameters with different treatments雨強/(mm ? min'1；坡度/)C )處理穩定流量/ (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轉下頁接上頁雨強/(mm ? min'1)坡度/ (° )處理穩定流量/ (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處理是表施聚內烯酰胺lg/m2?

　　

　　從表2可以看出，不同土壤處理F穩定流量、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坡度大於10° 時及1.4 mm/min坡度小於15°，施加PAM後流量低於未 施加PAM 土壤坡麵流量，這主要是用於PAM的膠結作 用，使土壤結構不被破壞，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後的流量分別為6.77、 7.40 L/min,施加PAM後的流量比未施加PAM的流量大， 這主要是因為此時坡麵侵蝕主要以細溝或泥流形式發 生[1<)】。在 0.8 mm/min、1.1 mm/min 坡度 5°時，施加 PAM 後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”結皮，降低土壤入滲， 增加徑流量[6]。當“人工”結皮的影響大於PAM對土壤 顆粒的膠結作用時，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，一方麵是由於施加PAM後流量低於對照；另一方麵 是由於PAM強有力的黏滯能力，使施加PAM後坡麵流 速相對對照要低。但是在卨雨強、高坡度時，對照由於 降雨擊濺、徑流衝刷，使坡麵形成坑坑窪窪不平整坡麵 或縱橫的侵蝕溝，使坡麵流路變長，流速增幅變緩。而 施加PAM後，由於其良好的膠結能力，使土壤維持良好 的坡麵形態，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製的結果。

　　

　　1.2不同土壤處理徑流輸沙率與流量的關係點繪對照與施加PAM後坡麵輸沙率與流景數據的散 點圖（圖2)。可以看出，坡麵輸沙率隨著流量的增加而 增加，他們之間的關係成冪函數關係 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後徑流輸沙率 與徑流流量關係曲線的係數相差300倍，而指數相差不 大。可見，在相同的徑流流量下，對照輸沙率是施加PAM 後的300倍，即施加PAM後能M著的減少徑流輸沙率^ 從產沙機理分析，坡麵產沙主要由坡麵的降雨動能 對土粒的分散和徑流的搬運能力2個方麵決定。施加 PAM後土壤坡麵的產沙過程與對照坡麵明顯不同，對照 土壤坡麵的輸沙率呈高低高的變化趨勢。在降雨初期， 由於溉蝕作用，坡麵產流初期的輸沙率較大，而隨著坡 麵徑流水深的增大，雨滴動能肓接打擊分散七粒作用減 小，從而輸沙率減小。隨著降雨曆時的增加，坡麵土壤 入滲量逐漸減小，徑流衝刷作用增強，對照坡麵的輸沙 率增加。施加PAM後坡麵的輸沙率隨降雨曆時的增加呈 遞減趨勢。施用PAM能夠改善土壤表麵結構，提高其團 聚體的穩定性，有效抑製土壤結皮的形成，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式（2)計算對照和施加PAM後的徑流剪切力， 整理坡麵徑流泥沙輸沙率，將對照和施加PAM後的徑流 剪切力與徑流輸沙率繪成散點圖（圖3)，除掉發生泥流 的幾場試驗數據，它們之間的關係可用直線來表示 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後，紅壤 擾動土的可蝕性參數心由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&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[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的一個主要 指標，是定量分析坡麵侵蝕發生的一個重要指標，其值 相對比較固定，與土壤的體積質量、含水率、結構等因 素有關[12.13】。劉紀根研究發現，在坡耕地施加PAM後， 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構，分子鏈之間 的相互作用和滑韌性就形成了一定的抗衝性，因此不易 在水中分散懸浮而流失。PAM增加團聚體，並形成一定 數量的膠結物質，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係 Fig.3 Curves of relationships between runoff shear stresses with sediment transport rates4結論1)不同土壤處理下穩定流量、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'坡度大於10°時及1.4mm/min雨強下坡度小於15°，施加PAM後流量低於 未施加PAM 土壤坡麵流量：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後的流量比未施加PAM後的流量大。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後徑流輸沙率與徑流流量關係曲線的 係數相差300倍，而指數相差不大。可見，在相同的徑流流量下，對照的輸沙率是施加PAM後的300倍，即施 加PAM後能顯著的減少徑流輸沙率。

　　

　　3)施加PAM後，紅壤擾動土的可蝕性參數&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。