導(dǎo)語(yǔ)：為探究液態(tài)環(huán)保抑塵劑對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目?jī)?nèi)臨時(shí)堆土坡面水土流失防治效益，為抑塵劑生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，也為臨時(shí)堆土水土流失防治提供新的思路與材料。本期轉(zhuǎn)化果推薦的《液態(tài)環(huán)保抑塵劑的模擬實(shí)驗(yàn)研究》，采用人工模擬降雨試驗(yàn)，研究臨時(shí)堆土常見(jiàn)坡度，液態(tài)環(huán)保抑塵劑不同噴施濃度下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程。結(jié)果表明：噴灑抑塵劑后具有明顯的減沙作用，增強(qiáng)了坡面徑流。相較于坡度，抑塵劑濃度是影響臨時(shí)堆土產(chǎn)流、產(chǎn)沙速率的首要因素，抑塵劑濃度顯著影響降低初始產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)沙速率、產(chǎn)沙量，顯著增強(qiáng)流速、產(chǎn)流速率、產(chǎn)流量。在三種抑塵劑濃度配比中，1/75配比抑塵劑能顯著降低坡面侵蝕程度，是臨時(shí)堆土坡面水土流失防治的最優(yōu)化配比。
一、研究背景
隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目增多，產(chǎn)生大量臨時(shí)堆土、棄土、棄渣，由于自身穩(wěn)定性差及防護(hù)體系不完善，該區(qū)域極易產(chǎn)生水土流失，危及項(xiàng)目施工安全和區(qū)域生態(tài)安全。目前，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目?jī)?nèi)由臨時(shí)堆土引發(fā)的水土流失現(xiàn)象已成為中國(guó)現(xiàn)階段水土流失主要策源地之一。由于區(qū)域立地條件的特殊性，現(xiàn)有水土流失治理主要有工程措施、植物措施、臨時(shí)措施、化學(xué)措施，由于成本限制，其應(yīng)用性較差。隨著材料科學(xué)的興起，由多功能高分子聚合物聚合形成的抑塵劑能夠通過(guò)與土壤顆粒物之間的潤(rùn)濕、凝聚、粘結(jié)作用，噴灑在煤炭、堆土表面能形成固化層，提高土壤的抗侵蝕力。抑塵劑具有低成本、高效益、便于使用等優(yōu)點(diǎn)，在煤炭抑塵、礦山、鐵路運(yùn)輸、道路抑塵、建筑施工現(xiàn)場(chǎng)抑塵、防火安全，生態(tài)護(hù)坡等方面均得到廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于風(fēng)沙防治。但對(duì)于其在防治水土流失的影響機(jī)制和適用性仍不明確，尤其在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中臨時(shí)堆土的水土流失防治上鮮有研究?；诖饲闆r，研究人員選擇在山東廣泛應(yīng)用抑塵劑，通過(guò)模擬人工降雨試驗(yàn)，定量評(píng)估其對(duì)臨時(shí)堆土坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙過(guò)程的影響特征，探究其水土流失的防護(hù)效益，以期為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)參考。
二、材料與方法
1.實(shí)驗(yàn)土壤
試驗(yàn)土壤取自于某臨時(shí)堆土，堆土坡度范圍集中在20°～35°，供試土壤容重1.25g/cm3，含水率10%，土壤機(jī)械組成砂粒（≥0.02mm）、粉粒（0.002～0.02mm）、黏粒（＜0.002mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為68.47%、23.50%、8.03%，土壤質(zhì)地屬于砂壤土，極易被風(fēng)蝕、水蝕。因臨時(shí)堆土較松散，并未形成穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)，基于此，研究盡量取原狀土，將原狀土裝填至試驗(yàn)鋼槽內(nèi)，每一層都?jí)簩?shí)、平整，控制每層土壤容重與原狀土近似。
2.試驗(yàn)材料
試驗(yàn)用抑塵劑材料為液態(tài)環(huán)保抑塵劑（圖1）。該抑塵劑是從植物中提取出的一種綠色、環(huán)保、可降解的有機(jī)物質(zhì)，為乳白色液體，易溶于水，主要成分為從植物中提取的植物膠、改性淀粉等。常溫下密度為1.00～1.10g/cm3，粘度＞5mpa·s，pH值為6～8。該抑塵劑易溶于水，具有極好的結(jié)殼性，可與微塵、土壤細(xì)粒物質(zhì)黏結(jié)，增強(qiáng)土壤抗蝕性。目前在生產(chǎn)建設(shè)上主要用來(lái)抑塵。
3.人工模擬降雨試驗(yàn)
人工模擬降雨試驗(yàn)降雨系統(tǒng)雨強(qiáng)連續(xù)變化范圍20～240mm/h，降雨均勻度＞80%，雨滴大小調(diào)控范圍0.3～6mm，降雨調(diào)節(jié)精度5mm/h，降雨測(cè)量精度0.1mm/h。試驗(yàn)鋼槽規(guī)格長(zhǎng)×寬×高為140cm×70cm×25cm，底部均勻打孔并接有膠管用來(lái)收集滲漏液；鋼槽前端裝有“V”字型集流槽，可收集徑流、泥沙樣品（圖2）。
圖1供試抑塵劑照片
圖2試驗(yàn)裝置示意圖
根據(jù)當(dāng)?shù)?990～2020年降雨資料，區(qū)域侵蝕性降雨強(qiáng)度為30mm/h，故本次試驗(yàn)降雨強(qiáng)度為30mm/h，降雨時(shí)間為60min。試驗(yàn)槽坡度依據(jù)室外堆土坡度調(diào)查，并參考生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中堆土坡度，選取20°、30°作為試驗(yàn)坡度以表征實(shí)際情況。設(shè)計(jì)抑塵劑濃度配比為0（對(duì)照CK，下同），1/50（抑塵劑/水，下同），1/75，1/100共四種，抑塵劑噴灑量統(tǒng)一為2kg/㎡。
降雨開(kāi)始計(jì)時(shí)，觀察坡面產(chǎn)流情況，記錄初始產(chǎn)流時(shí)間。在坡面開(kāi)始產(chǎn)流后的前10min內(nèi)，由于產(chǎn)流速率變化較大，每隔2min收集徑流樣品，之后每隔5min收集徑流樣品。
測(cè)量徑流樣品體積，過(guò)濾徑流中泥沙并烘干稱重，計(jì)算產(chǎn)流速率和產(chǎn)沙速率，每場(chǎng)降雨結(jié)束后試驗(yàn)槽需靜置培養(yǎng)3天再進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。
三、結(jié)果分析
1.不同濃度抑塵劑和坡度下坡面產(chǎn)流特征
初始產(chǎn)流時(shí)間是反映坡面侵蝕的一個(gè)重要指標(biāo)，受土壤特性，地面坡度、地表覆蓋等因素的影響。抑塵劑濃度和坡度的增加均減少初始產(chǎn)流時(shí)間（圖3），且不同抑塵劑和坡度初始產(chǎn)流時(shí)間差異顯著（P＜0.05）。在同一濃度處理下，隨著坡度的增大產(chǎn)流時(shí)間減少13.27%～18.96%。三種抑塵劑濃度處理的初始產(chǎn)流時(shí)間與CK相比，分別減少15.77%～24.37%（坡度20°），15.42%～28.75%（坡度30°）。
不同坡度坡面穩(wěn)定產(chǎn)流速率均為1/50最大，1/75次之，CK最?。▓D4）。坡度20°時(shí)，除1/50與CK的產(chǎn)流速率呈極顯著差異（P＜0.01）外，其余產(chǎn)流速率均無(wú)明顯差異。但坡度為30°時(shí)，噴施抑塵劑后產(chǎn)流速率與CK差異均極顯著（P＜0.01），且抑塵劑1/50與1/100產(chǎn)流速率差異顯著（P＜0.05）。不同濃度抑塵劑處理下坡面累積產(chǎn)流量如圖5所示，不同坡度下坡面累積徑流量為1/50＞1/75＞1/100＞CK。在坡度20°和30°時(shí)，噴施不同濃度抑塵劑坡面累積徑流量均與CK差異顯著（P＜0.05），但在20°時(shí)不同濃度抑塵劑處理下無(wú)顯著差異（P＞0.05），在30°時(shí)，1/50與1/100累積徑流量存在顯著差異（P＜0.05）。
從產(chǎn)流過(guò)程來(lái)看（圖4），噴施抑塵劑后，產(chǎn)流速率在不同坡度下均表現(xiàn)為在降雨初期迅速增大，在10min左右趨于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)并呈上下波動(dòng)，而CK的產(chǎn)流速率在降雨初期隨時(shí)間增加而增加較緩。20°坡面在10min后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，1/50（352.2ml/min）、1/75（342.83ml/min）、1/100（340.83ml/min）平均產(chǎn)流速率較CK（270.64ml/min）分別增加了30.13%、26.67%和25.93%。30°坡面在30min后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，1/50（368.73ml/min）、1/75（339.87ml/min）、1/100（306.23ml/min）平均產(chǎn)流速率較CK（268ml/min）分別增加了37.59%、26.82%和14.26%。
圖3不同濃度抑塵劑和坡度下坡面初始產(chǎn)流時(shí)間
圖4不同濃度抑塵劑下坡面產(chǎn)流過(guò)程
2．不同濃度抑塵劑和坡度下坡面產(chǎn)沙特征
產(chǎn)沙過(guò)程較產(chǎn)流過(guò)程更復(fù)雜，波動(dòng)幅度較大（圖6）。噴施抑塵劑能夠降低坡面產(chǎn)沙，抑塵劑濃度越高，坡面產(chǎn)沙速率越少。尤其1/50、1/75在不同坡度均與1/100、CK的產(chǎn)沙速率差異極顯著（P＜0.01），且1/50與1/75的產(chǎn)沙速率均無(wú)顯著差異（P＞0.05）。坡度20°時(shí)，1/50、1/75、1/100的平均產(chǎn)沙速率較CK分別減少了73.09%、67.07%和20.48%，1/100與CK的產(chǎn)沙速率差異顯著（P＜0.05）。坡度30°時(shí)，1/50、1/75、1/100較CK分別減少了75.15%、65.09%和0.59%，1/100與CK的產(chǎn)沙速率無(wú)顯著差異（P＞0.05）。隨著坡度的增加，1/100產(chǎn)沙速率變化最大。1/50與1/75的產(chǎn)沙速率變化規(guī)律較為一致，均在前期逐漸增大，并在10～20min左右趨于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。1/100在坡度20°、30°時(shí)均在降雨初期急劇上升，并在10min左右達(dá)到峰值后呈波動(dòng)下降。CK在坡度20°時(shí)與1/100表現(xiàn)一致，在坡度30°時(shí)，在30min左右達(dá)到峰值，此后呈波動(dòng)減小趨勢(shì)。
不同坡度下坡面累積產(chǎn)沙量變化規(guī)律為CK＞1/100＞1/75＞1/50（圖7）。坡度20°時(shí)，各處理間坡面累積產(chǎn)沙量均差異顯著（P＜0.05），1/50、1/75、1/100的累積產(chǎn)沙量較CK分別減少了71.18%、66.96%和19.49%。但當(dāng)坡度為30°時(shí)，1/50、1/75與1/100、CK的累積產(chǎn)沙量差異顯著（P＜0.05），且1/50與1/75、1/100與CK的累積產(chǎn)沙量均無(wú)顯著差異（P＞0.05），1/50、1/75、1/100的累積產(chǎn)沙量較CK分別減少了76.33%、65.29%和9.24%。
圖5不同濃度抑塵劑處理下坡面徑流累積量
圖6不同濃度抑塵劑處理下坡面產(chǎn)沙過(guò)程
圖7不同濃度抑塵劑處理下坡面產(chǎn)沙累積量
3.不同濃度抑塵劑和坡度對(duì)坡面降雨侵蝕的綜合影響
不同濃度抑塵劑和坡度與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙各指標(biāo)的Pearson相關(guān)分析見(jiàn)表1，坡度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征均無(wú)明顯相關(guān)性。抑塵劑濃度與初始產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)沙速率、產(chǎn)沙量呈負(fù)相關(guān)，與流速呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P＜0.05），與產(chǎn)流速率、產(chǎn)流量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征中，流速與產(chǎn)流產(chǎn)沙特征均無(wú)明顯相關(guān)性，且產(chǎn)流速率、產(chǎn)流量均與產(chǎn)沙速率、產(chǎn)沙量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。進(jìn)一步通過(guò)多因素方差分析，抑塵劑濃度（F=51.73，P＜0.01）對(duì)產(chǎn)流速率的影響要大于坡度（F=0.40，P＞0.05）對(duì)產(chǎn)流速率的影響，坡度對(duì)產(chǎn)流速率無(wú)顯著影響。對(duì)于產(chǎn)沙速率，抑塵劑濃度（F=12.76，P＜0.05）的影響同樣大于坡度（F=2.21，P＞0.05）對(duì)產(chǎn)沙速率的影響，坡度對(duì)產(chǎn)沙速率影響不顯著。由此可知，噴施抑塵劑能夠顯著降低坡面產(chǎn)沙，但增加坡面產(chǎn)流特征，尤其高坡度最為顯著，隨坡度的大幅度增加，抑塵劑濃度需要相應(yīng)的增加以滿足固土需要。
四、討論
通過(guò)相關(guān)性和方差分析，在坡度20～30°范圍內(nèi)，抑塵劑對(duì)坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征起到?jīng)Q定作用，且隨著抑塵劑濃度越大，其影響力度越大。這主要是因?yàn)橐謮m劑對(duì)坡面侵蝕的作用機(jī)理主要體現(xiàn)在通過(guò)其良好的吸濕保水性，使塵土潮濕結(jié)殼，增強(qiáng)土壤含水量，增強(qiáng)坡面抗侵蝕性。這也解釋了在文中，抑塵劑濃度與初始產(chǎn)流時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，與流速、產(chǎn)流量呈顯著正相關(guān)。噴施抑塵劑降低初始產(chǎn)流時(shí)間，增大坡面穩(wěn)定產(chǎn)流速率，累積徑流量增加7%～30%。且噴施抑塵劑顯著降低土壤蒸發(fā)，增強(qiáng)土壤含水率，導(dǎo)致土壤含水率比對(duì)照組高（提升了3.18%～4.97%）。噴施抑塵劑后還會(huì)與坡面粉塵顆粒結(jié)合、團(tuán)聚形成一層光滑、致密的結(jié)皮層，結(jié)皮厚度為0.5～1cm（圖8），尤其抑塵劑濃度越大，形成的結(jié)皮越穩(wěn)定，使得土壤入滲率降低，進(jìn)而導(dǎo)致土壤表面易產(chǎn)流，從而減少初始產(chǎn)流時(shí)間，增大產(chǎn)流速率。另外，抑塵劑中的改性淀粉、多糖類物質(zhì)等有機(jī)高分子下滲到土壤中堵塞了部分小孔徑導(dǎo)水孔，從而導(dǎo)致入滲率降低，坡面產(chǎn)流速率也隨之增大。
圖8抑塵劑結(jié)皮層
泥沙流失量是評(píng)價(jià)抑塵劑水土保持效益的主要特征，但由于抑塵劑材料、土壤結(jié)構(gòu)、坡度的差異，坡面產(chǎn)沙過(guò)程較為復(fù)雜。但研究普遍認(rèn)為施加抑塵劑能夠顯著降低泥沙流失量，且隨著抑塵劑濃度增大，泥沙流失量越小，這與分析結(jié)果一致，抑塵劑濃度與產(chǎn)沙速率、產(chǎn)沙量呈負(fù)相關(guān)。環(huán)保固沙抑塵劑具備良好的固化性、抗水蝕性，經(jīng)過(guò)10次水蝕循環(huán)測(cè)試后，泥沙殘留率高達(dá)71.8%。在研究固土抑塵劑抗沖刷性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)3次降雨后對(duì)照組泥沙流失率在20%左右，施用固土抑塵劑的組泥沙流失率不超過(guò)10%。文中施用液態(tài)環(huán)保抑塵劑可使泥沙流失量減少高達(dá)76.33%，且試驗(yàn)?zāi)M臨時(shí)堆土，土壤結(jié)構(gòu)較松散更易發(fā)生侵蝕，液態(tài)環(huán)保抑塵劑減沙效益良好。通過(guò)抑塵劑減沙效益分析，不同坡度下，減沙效益隨抑塵劑濃度增大而增大，表明該液態(tài)環(huán)保抑塵劑能夠應(yīng)用于臨時(shí)堆土的水土流失防治。進(jìn)一步細(xì)化抑塵劑濃度的配比，在20°～30°坡度下，1/50、1/75的減沙效益最好且二者差異較小。1/50與1/75較1/100形成了更為致密的結(jié)皮，不易被雨滴動(dòng)能所打破。這也解釋了1/100在降雨后期，在較大徑流沖刷力的作用下，抑塵劑形成的土壤結(jié)皮被破壞，使得產(chǎn)沙速率再度增大，整個(gè)產(chǎn)沙過(guò)程變化較大。模擬降雨實(shí)驗(yàn)后，坡面對(duì)比如圖9所示，施加抑塵劑的坡面因形成土壤結(jié)皮而表面光滑，且結(jié)皮保持較完整，坡面土壤因結(jié)皮層的存在未出現(xiàn)大面積剝蝕的現(xiàn)象。CK坡面表層土壤顆粒大部分被沖刷，坡面凹凸不平，在坡面兩側(cè)及坡下部分出現(xiàn)大面積土壤剝蝕現(xiàn)象，在坡面中部不同區(qū)域也出現(xiàn)小面積土壤剝蝕現(xiàn)象。
圖9降雨過(guò)程后坡面對(duì)比圖
五、研究結(jié)論
1.噴施抑塵劑能顯著增加坡面產(chǎn)流速率、徑流總量，但顯著降低坡面產(chǎn)沙速率、泥沙總量。坡度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征均無(wú)明顯相關(guān)性。抑塵劑濃度與初始產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)沙速率、產(chǎn)沙量呈負(fù)相關(guān)，與流速呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與產(chǎn)流速率、產(chǎn)流量呈極顯著正相關(guān)。相較于坡度，抑塵劑濃度是影響臨時(shí)堆土產(chǎn)流、產(chǎn)沙的主要因素。
2.綜合考慮抑塵劑對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響，該液態(tài)環(huán)保抑塵劑具有良好的抗水蝕性，能有效降低坡面土壤侵蝕程度。尤其在坡度20～30°，綜合考慮效果和成本，1/75配比要優(yōu)于1/50、1/100，但隨坡度的大幅度增加，抑塵劑濃度需要進(jìn)一步增加以滿足需要。
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