王鐿潼,唐澤軍,陳 超,崔園園,王 佳

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內(nèi)蒙庫布齊沙漠表層固沙室內(nèi)風(fēng)洞模擬試驗

王鐿潼,唐澤軍*,陳 超,崔園園,王 佳

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083)

利用粉煤灰與聚丙烯酰胺(PAM)的物化性質(zhì),構(gòu)造與土壤性質(zhì)相似的沙土固結(jié)層,通過風(fēng)洞試驗?zāi)M沙土風(fēng)蝕過程,研究沙土固結(jié)層對沙土風(fēng)蝕的抑制作用.試驗對照組為沙土,試驗組為按質(zhì)量比將粉煤灰(10%、20%)和PAM(0.05%、0.1%)分別與沙土交叉配比混合(T1、T2、T3、T4). 研究結(jié)果表明:粉煤灰、PAM和沙土形成的沙土固結(jié)層可以有效提高沙土的起動風(fēng)速,控制單一變量條件下,增加PAM添加量可以提高沙土固結(jié)層起動風(fēng)速、增加粉煤灰添加量會導(dǎo)致沙土固結(jié)層起動風(fēng)速降低;增加粉煤灰和PAM添加量可以降低沙土風(fēng)蝕量;粉煤灰(10%)和PAM(0.1%)形成的固結(jié)層效果最好.

風(fēng)洞試驗；沙土固結(jié)層；風(fēng)力侵蝕；粉煤灰(FA)；聚丙烯酰胺(PAM)

土壤荒漠化是地表在風(fēng)力作用下產(chǎn)生土壤風(fēng)蝕、風(fēng)流沙、風(fēng)沙沉積和沙丘遷移等過程的產(chǎn)物[1],多發(fā)生在干旱、半干旱以及半濕潤地區(qū)[2],土壤風(fēng)蝕是造成風(fēng)成沙危害的首要環(huán)節(jié)[3].內(nèi)蒙古自治區(qū)地處中國北部,是風(fēng)蝕比較嚴(yán)重的地區(qū)之一,自治區(qū)內(nèi)草場退化嚴(yán)重,風(fēng)蝕格局為“東無中弱西強(qiáng),北低南高”的趨勢,自治區(qū)內(nèi)荒漠化面積6.177×105km2[5],達(dá)到自治區(qū)面積的50%以上,位于中南部農(nóng)牧交錯帶的鄂爾多斯以中度、輕度侵蝕為主[4].沙土治理的出發(fā)點是防止表層沙土顆粒滾動造成沙土表層結(jié)構(gòu)破壞,目前土壤荒漠化的防治方式主要有植物治沙、機(jī)械治沙和化學(xué)治沙3種,化學(xué)治沙的方法是利用化學(xué)制劑在沙土表層形成防護(hù)層,抑制表層沙土顆粒運動.化學(xué)固沙與植物固沙相結(jié)合,是植物固沙的輔助措施和過渡性措施,也是沙漠治理方法的發(fā)展方向[6].

粉煤灰多為粉狀顆粒,疏松多孔,吸附能力強(qiáng),具有較大的比表面積[7],與粉砂壤土相似[8-10],可以用于改良土壤.作為土壤改良劑,粉煤灰可以改變土壤質(zhì)地、容重、持水量,增加孔隙度、提高地溫、縮小膨脹率,改變土壤酸堿性等[11-13],改良效果與土壤及粉煤灰的種類、性質(zhì)和配比量有關(guān).Watson等[14]發(fā)現(xiàn)通過向粉壤土和砂壤土中添加粉煤灰可以使其變成壤土.Pathan等[15]研究發(fā)現(xiàn),向沙土中添加粉煤灰可以改變沙土質(zhì)地,增加沙土中粉粒和黏粒的含量,減少沙土中沙粒含量,并能有效增加沙土含水率和持水能力,降低水力傳導(dǎo)系數(shù).土壤容重可以體現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)特征等物理性質(zhì).Adriano等[16]通過試驗發(fā)現(xiàn),粉煤灰可以提高土壤的持水能力和植物有效水含量,但是不會改變土壤的容重,然而其他一些試驗發(fā)現(xiàn),隨著試驗使用粉煤灰自身容重的改變以及配比量的增加,試驗前后土壤容重有所降低[17-18],部分試驗發(fā)現(xiàn)土壤容重隨粉煤灰添加量(體積比)增多先增加后減少,轉(zhuǎn)折點是粉煤灰添加量(體積比)為20%,當(dāng)粉煤灰添加量(體積比)超過50%后試驗土壤容重低于原始天然土壤.Sale等[19]研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰可以改變土壤平均直徑,提高土壤中0.5~4mm粒徑團(tuán)聚體的數(shù)量,而土壤中大顆粒團(tuán)聚體可以促進(jìn)穩(wěn)定的小顆粒團(tuán)聚體形成[20].

聚丙烯酰胺(PAM)是一種鏈狀高分子聚合物,具有良好的水溶性和絮凝性遇水后具有黏結(jié)性.大量研究表明,聚丙烯酰胺可以通過改善土壤陰陽離子交換能力增強(qiáng)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的絮凝作用,其中陽離子型PAM可以用作農(nóng)田保水劑,陰離子型PAM可以用作土壤改良劑[21-23].Yan等[24]研究聚丙烯酰胺對純土和黏土的絮凝作用過程中發(fā)現(xiàn),在陽離子橋存在的條件下陽離子型PAM是一種有效的絮凝劑,而陰離子型PAM表現(xiàn)為黏土膠體穩(wěn)定劑,可以提升土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性.PAM使土壤表層細(xì)顆粒形成大團(tuán)聚體,減少小團(tuán)聚體數(shù)量,增強(qiáng)土壤表層硬度以及抗擊能力,從而改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[25].康倍銘等[26]將PAM與天然土壤改良材料混合,研究其對土壤理化性質(zhì)的影響,結(jié)果表明,施加濃度為0.1%的PAM,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量顯著增加,土壤孔隙度增加,但是有機(jī)質(zhì)變化不大.和繼軍等[27]利用室內(nèi)風(fēng)洞模擬試驗,通過控制PAM添加量與土壤含水量的方法探討了PAM控制土壤風(fēng)蝕的規(guī)律,結(jié)果表明土壤表層噴灑PAM可以有效降低土壤風(fēng)蝕量,同時土壤表層的PAM越干越有利于增強(qiáng)土壤表層的抗風(fēng)蝕能力.韓鳳朋等[28]通過向黃土表層淋灑PAM試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)PAM添加量小于2g/m2時,可以減小土壤體積質(zhì)量,增加土壤孔隙度,提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量.

目前針對粉煤灰與PAM作為土壤添加劑的研究,多針對農(nóng)田土壤侵蝕.若能利用二者特性,在沙土地表形成一層質(zhì)地較為堅硬且物化性質(zhì)與土壤相似的固結(jié)層,則可以有效控制沙土表層顆粒的運動,達(dá)到治理風(fēng)沙侵蝕的目的.本試驗選取內(nèi)蒙古自治區(qū)西北部庫布其沙漠地區(qū)的流動沙丘和半流動沙丘作為研究對象,采取室內(nèi)風(fēng)洞模擬的方式,利用人工固結(jié)層治理沙土侵蝕,通過分析人工固結(jié)層對沙土風(fēng)蝕的改善情況,探討沙土人工固結(jié)層的固沙效果及固沙機(jī)理,為內(nèi)蒙古荒漠地區(qū)風(fēng)沙治理提供新方法和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗沙樣取自內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達(dá)拉特旗庫布齊沙漠的流動沙丘,沙土含水率0.64%,平均容重1.5g/cm3,沙土中黏粒含量1.3%,粉粒含量3.3%,沙粒含量含量在95.4%.試驗前將沙土自然風(fēng)干,用1號篩將沙土進(jìn)行過篩處理,去除沙土中的草根硬塊等雜質(zhì).

試驗用粉煤灰取自內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)拉特發(fā)電廠干貯灰場,pH值為10.8,屬于CaO含量較高的優(yōu)質(zhì)粉煤灰.試驗前將塊狀粉煤灰粉碎,用1號篩將粉煤灰進(jìn)行過篩處理,篩除粉煤灰中顆粒較大的底灰部分.過篩處理后的粉煤灰,粉粒含量100%.聚丙烯酰胺(PAM)選用陰離子PAM,白色粉粒狀,分子量1200萬,固體含量385%.

1.2 試驗設(shè)備

試驗風(fēng)洞由風(fēng)機(jī)、調(diào)風(fēng)、整流、試驗、導(dǎo)流等五部分組成.風(fēng)機(jī)為離心式風(fēng)機(jī),調(diào)速方式為直流變頻,轉(zhuǎn)速范圍為30~1500r/min.風(fēng)洞洞體是封閉設(shè)備,上下面為2mm厚鋼板、兩側(cè)鑲嵌2cm厚的玻璃、四周焊接4cm′4cm角鋼.試驗段縱向長7.5m,橫斷面尺寸為1.2m(寬)′0.8m(高),風(fēng)道中風(fēng)向平直,試驗時調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以獲得不同的風(fēng)速.在風(fēng)洞底部均勻放置3個土壤水分探測儀,監(jiān)測土壤水分,以確保沙土含水率與野外沙土含水率一致.試驗選用風(fēng)洞中間5m作為試驗段,縱向每隔0.5m放置一排測釬,每排放置4支測釬,用于測量風(fēng)蝕量.在風(fēng)道頂部固定放置風(fēng)速儀,記錄該點瞬時風(fēng)速.為控制室內(nèi)風(fēng)沙量,在風(fēng)道尾端用彩條布縫制成長方形直筒,控制風(fēng)向并將風(fēng)沙導(dǎo)向室外,長方形直筒走向平直且緊繃,確保風(fēng)向平直流暢.

1.進(jìn)風(fēng)口; 2.風(fēng)速儀; 3.固定模板; 4.土壤水分探測儀; 5.測釬; 6.沙土固結(jié)層

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗處理設(shè)計 試驗共設(shè)計5種處理方式,如表1所示,第一組處理為對照組,其他4組處理為變量組,粉煤灰添加量分別為沙土質(zhì)量的10%和20%,PAM施用量分別為沙土質(zhì)量的0.05%和0.1%.

表1 各處理粉煤灰和PAM添加量(%)

選取風(fēng)洞中間段作為風(fēng)蝕模擬試驗段,將沙土、粉煤灰和PAM按照不同的施用比例混合攪拌均勻,按照野外容重將沙土將如風(fēng)洞中,表面修至平整,試驗沙土鋪設(shè)高度為30cm;為保證PAM充分溶解、粉煤灰充分發(fā)揮作用,在沙土表層噴灑適量清水,保證水分滲透到底部且不產(chǎn)生積水,靜置5d,當(dāng)測定沙土含水率與野外沙土含水率相同后開始試驗,每組處理設(shè)置3次重復(fù)試驗.

1.3.2 試驗設(shè)計風(fēng)速 達(dá)拉特旗位于黃河內(nèi)蒙古段下段,春秋兩季多風(fēng),春季沙塵暴較多,年平均風(fēng)速3.6m/s,最大風(fēng)速22m/s,年均大風(fēng)日數(shù)10~32d,沙暴日數(shù)19~22d.2011年至2016年間,風(fēng)速達(dá)到3級(3.4~5.4m/s)~4級(5.5~7.9m/s)年均175d,4級~5級(8~10.7m/s)年均123d[29].

試驗采用極端風(fēng)速8m/s(5級風(fēng))和14m/s(7級風(fēng))兩種,每10min測量1次測釬露出長度,每組處理連續(xù)吹蝕3次.

1.3.3 試驗數(shù)據(jù)測量及處理 啟動風(fēng)機(jī)后,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大,當(dāng)風(fēng)速穩(wěn)定后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,使相應(yīng)風(fēng)速由小到大逐步增加.當(dāng)沙土表面有沙土顆粒剝離滾動時記下即時風(fēng)速,即為起動風(fēng)速.

試驗采用測釬法測量沙土風(fēng)蝕量;采用風(fēng)蝕率表示風(fēng)蝕強(qiáng)度,即單位時間內(nèi)沙土試樣的風(fēng)蝕量.

沙土風(fēng)蝕量計算公式為:

Q＝(l－0)··

式中:Q為處理T的風(fēng)蝕量,kg;0為試驗前測釬露出長度,mm,l為試驗后測釬露出長度,mm;為野外沙土密度,kg/m3;為測釬代表的區(qū)域面積,mm2.

2 結(jié)果與分析

2.1 固結(jié)層對沙土起動風(fēng)速的影響

沙土風(fēng)蝕分為3個過程:沙粒起動、運移、沉積,其中運移又分為懸移、躍移和表面蠕移3種運動方式.在風(fēng)力作用下,粒徑小于0.1mm的顆粒主要發(fā)生懸移,粒徑在0.1~0.15mm之間的顆粒主要發(fā)生躍移,粒徑大于0.5mm的顆粒發(fā)生表面蠕移,其中躍移是風(fēng)蝕運移的主體[30].試驗沙土顆粒主要粒徑范圍是0.02~0.2mm,所以沙土在試驗過程中主要發(fā)生懸移和躍移兩種運動形式.

圖2為試驗過程中通過風(fēng)速儀測量的沙土起動風(fēng)速,各處理起動風(fēng)速大小為: T2(8.3m/s)> T4(6.9m/s)>T1(5.7m/s)>T3(5.1m/s)>CK(3.5m/s).分別對比T1與T2、T3與T4,當(dāng)粉煤灰添加量相同,增加PAM添加量時,沙土起動風(fēng)速明顯提高,T2相比于T1提高45.6%,T4相比于T3提高35%.分別對比T1與T3、T2與T4,當(dāng)PAM添加量相同,增加粉煤灰添加量時,沙土起動風(fēng)速反而降低,T3相比于T1降低10%,T4相比于T2降低17%.

以CK為對比標(biāo)準(zhǔn),各處理提高起動風(fēng)速比例大小為:T2>T4>T1>T3,其中T1起動風(fēng)速提高63%,T2起動風(fēng)速提高137%,T3起動風(fēng)速提高46%,T4起動風(fēng)速提高97%.

CK表層顆粒松散且黏結(jié)性較差,在風(fēng)力作用下易被吹動.有固結(jié)層的沙土表層完整性較好,顆粒間黏結(jié)性較好,在風(fēng)力作用下不易發(fā)生運動.PAM具有鏈狀結(jié)構(gòu),遇水充分作用后發(fā)揮絮凝作用,可以有效增加團(tuán)聚體數(shù)量[30],增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性[25].PAM水解后與沙土和粉煤灰相互作用,沙土與粉煤灰形成新的團(tuán)聚體、小團(tuán)聚體形成大顆粒團(tuán)聚體,從而改變沙土表層結(jié)構(gòu),增強(qiáng)沙土表面完整性,進(jìn)而提高沙土起動風(fēng)速.粉煤灰中的Ca2+通過陽離子橋之間產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象,促進(jìn)土壤顆粒形成穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)[19,31].在PAM與粉煤灰的共同絮凝作用下,部分粉煤灰與周圍沙粒形成新的團(tuán)聚體,沙土表層形成穩(wěn)定的沙土固結(jié)層;粉煤灰遇水后具有板結(jié)性,填充在固結(jié)層中.填充在固結(jié)層空隙中的粉煤灰有效的增加顆粒間的接觸面積,增加沙粒及團(tuán)聚體間的摩擦力,提高沙土的起動風(fēng)速.當(dāng)粉煤灰添加量一定,PAM 添加量由0.05%增加到0.1%的過程中,粉煤灰添加量為10%時起動風(fēng)速提高效果更明顯.當(dāng)PAM添加量一定,粉煤灰添加量由10%增加到20%時,起動風(fēng)速降低.粉煤灰含量不斷增加會增加沙土固結(jié)層中粉粒含量,使得PAM對沙土中粉粒的作用效果減弱,導(dǎo)致固結(jié)層整體性逐漸降低,最終起動風(fēng)速逐漸降低,試驗結(jié)果T3和T4起動風(fēng)速分別低于T1和T2起動風(fēng)速.由于粉煤灰可以促進(jìn)沙土固結(jié)層形成并提高沙土起動風(fēng)速,因此這個試驗結(jié)果說明,在10%與20%粉煤灰添加量之間,存在一個轉(zhuǎn)折添加量,使得沙土起動風(fēng)速最大.由此可見,添加粉煤灰和PAM可以有效提高沙土起動風(fēng)速,二者合理的添加比例是提高沙土起動風(fēng)速的關(guān)鍵.

2.2 沙土固結(jié)層風(fēng)蝕率

圖3(a)、(b)分別為兩種風(fēng)況條件下各處理在不同試驗階段的風(fēng)蝕率.兩種風(fēng)況條件下各處理規(guī)律相同:試驗初期沙土風(fēng)蝕率最大,各處理相比CK>T1>T3>T4>T2;試驗初期對照組的風(fēng)蝕率明顯高于同時期其它處理的風(fēng)蝕率;試驗中期和后期,各處理風(fēng)蝕率相比于試驗初期降低,但在這兩個階段各處理風(fēng)蝕率相差不大;與8m/s風(fēng)況條件下相比,14m/s風(fēng)況條件下各處理風(fēng)蝕率明顯增加.

8m/s風(fēng)況條件下,試驗初期CK風(fēng)蝕率17.91kg/min,T1風(fēng)蝕率3.44kg/min,T3風(fēng)蝕率2.18kg/min,T4 風(fēng)蝕率1.52kg/min.在這一試驗階段,沙土表層未被粉煤灰與PAM固結(jié)的松散顆粒發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象,各處理風(fēng)蝕率遠(yuǎn)小于CK,并且起動風(fēng)速較大的處理風(fēng)蝕率較低.試驗中期T1風(fēng)蝕率1.52kg/min,T3風(fēng)蝕率0.45kg/min,T4風(fēng)蝕率0.71kg/min.試驗后期T1風(fēng)蝕率0.55kg/min,T3風(fēng)蝕率0.37kg/min,T4風(fēng)蝕率0.37kg/min.試驗初期,松散顆粒在沙土表層運動的過程中會使固結(jié)層表面產(chǎn)生劃痕,破壞固結(jié)層表面的完整性.試驗中期沙土表層的劃痕處開始發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象.由于固結(jié)層的整體性較好,粉煤灰和PAM共同作用可以有效固定沙粒,因此在試驗中期和試驗后期各處理的風(fēng)蝕率逐漸降低.

14m/s風(fēng)況條件下,CK組試驗初期風(fēng)蝕率28.4kg/min,T1風(fēng)蝕率15.13kg/min,T2風(fēng)蝕率1.87kg/min,T3風(fēng)蝕率10.42kg/min,T4風(fēng)蝕率5.31kg/min.在這一試驗階段,14m/s風(fēng)況條件下風(fēng)蝕率明顯高于8m/s風(fēng)況條件下風(fēng)蝕率.試驗中期T1風(fēng)蝕率3.2kg/min,T2風(fēng)蝕率1.06kg/min, T3風(fēng)蝕率1.94kg/min,T4風(fēng)蝕率1.11kg/min;試驗后期T1風(fēng)蝕率1.50kg/min,T2風(fēng)蝕率0.86kg/ min, T3風(fēng)蝕率1.49kg/min,T4風(fēng)蝕率0.86kg/ min,其中T2與T4風(fēng)蝕率相同.不同處理在試驗后期出現(xiàn)風(fēng)蝕率相同的現(xiàn)象,說明沙土在風(fēng)蝕過程中,固結(jié)層的風(fēng)蝕現(xiàn)象會趨于穩(wěn)定,風(fēng)蝕率會趨于穩(wěn)定值.

8m/s風(fēng)況條件下,T3僅在試驗中期的風(fēng)蝕率最低,T4風(fēng)蝕率在各試驗階段持續(xù)降低,試驗后期T3與T4風(fēng)蝕率相同,因此T2與T4在8m/s風(fēng)況條件下抗風(fēng)蝕效果較好.14m/s風(fēng)況條件下,各試驗階段均為T2風(fēng)蝕率最低,試驗后期T2與T4風(fēng)蝕率相同,因此在14m/s風(fēng)況條件下T2與T4抗風(fēng)蝕效果均較好.

圖4(a)、(b)分別為兩種風(fēng)況條件下各處理的累積風(fēng)蝕量,各處理在不同試驗階段風(fēng)蝕量CK>T1>T3>T4>T2.T1與T3兩處理PAM添加量相同,增加粉煤灰添加量可以降低沙土固結(jié)層風(fēng)蝕量;T2與T4兩處理PAM添加量相同,增加粉煤灰添加量會造成沙土固結(jié)層風(fēng)蝕量增加.分別對比T1與T2、T3與T4,粉煤灰添加量相同時增加PAM添加量可以降低沙土固結(jié)層風(fēng)蝕量,T1與T2風(fēng)蝕量差距較大.

不同粉煤灰與PAM添加量所形成的沙土固結(jié)層,固結(jié)效果不同.當(dāng)粉煤灰添加量相同時,增加PAM添加量可以降低固結(jié)層風(fēng)蝕量,粉煤灰添加量為10%時效果更加明顯.T1與T2、T3、T4相比,沙土表層固結(jié)層的固結(jié)效果較差,表層松散顆粒相對較多,由于PAM具有絮凝性,因此PAM添加量增加時(T2)可以有效改善沙土表層固結(jié)層的固結(jié)強(qiáng)度,降低沙土風(fēng)蝕量.雖然T3的固結(jié)層終粉煤灰含量相比T1有所增加,但是由于粉煤灰具有固沙效果,所以T3的沙土固結(jié)層具有較好的固結(jié)效果.T2與T4沙土表層固結(jié)層的PAM含量較高,固結(jié)效果較好.當(dāng)PAM添加量為0.05%(T1和T3)時,粉煤灰添加量增多,沙土風(fēng)蝕量降低;當(dāng)PAM添加量為0.1%(T2和T4)時,粉煤灰添加量增加時沙土表層松散顆粒增多,沙土風(fēng)蝕量增加.由此可見,對于沙土、粉煤灰和PAM形成的沙土固結(jié)層,PAM是影響固結(jié)層固沙效果的主要因素.

以CK為參照標(biāo)準(zhǔn),8m/s風(fēng)況條件下,T1風(fēng)蝕量降低81%,T3降低88%,T4降低92%;14m/s風(fēng)況條件下,T1風(fēng)蝕量降低47%,T2降低93%,T3降低63%,T4降低81%.兩種風(fēng)況條件下,試驗初期各處理抗風(fēng)蝕能力對比T2最好,優(yōu)于T4,優(yōu)于T3,優(yōu)于T1.各處理在試驗初期風(fēng)蝕量最大,發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象的主要顆粒是沙土表層松散顆粒.對比兩種風(fēng)況條件下風(fēng)蝕量降低比例,風(fēng)蝕量降低比例較高的處理,一方面說明粉煤灰與PAM的固沙效果好,所以沙土表層松散顆粒較少;另一方面說明粉煤灰和PAM的混合比例較好,二者充分發(fā)揮各自的特性,并且所形成的固階層具有較好的凝聚性,抗風(fēng)蝕性更好.

2.3 沙土固結(jié)層風(fēng)蝕機(jī)理

圖5(a)、(b)、(c)分別表示8m/s風(fēng)況條件下,各處理在試驗過程中風(fēng)洞前部、中部和后部風(fēng)蝕量變化情況:隨著試驗試驗進(jìn)行各處理前部、中部和后部風(fēng)蝕量逐漸降低.CK在風(fēng)蝕過程中起沙現(xiàn)象最明顯.T1與T4試驗初期和試驗中期風(fēng)蝕量大小為后部>中部>前部,試驗后期風(fēng)蝕量大小為前部>中部>后部.T2起動風(fēng)速較大,8m/s風(fēng)速沒有達(dá)到沙土的起動風(fēng)速,所以試驗結(jié)束后沙土表層基本沒有變化.T3試驗初期風(fēng)洞后部風(fēng)蝕量最大,前部與中部風(fēng)蝕量向接近,隨著試驗時間的延長風(fēng)蝕量中部>前部>后部.

試驗初期,沙土表層松散顆粒和固結(jié)層表層顆粒發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象.在顆粒被吹動的過程中,前部部分顆粒在風(fēng)力作用下在沙土表面滾動;另一部分顆粒在風(fēng)力作用下運動,最后沉積在中后部.風(fēng)洞前部主要是凈風(fēng)吹蝕,中部和后部發(fā)生風(fēng)沙流吹蝕,其中后部風(fēng)沙流最大.在沙土表面滾動的沙土顆粒破壞了中部和后部沙土表層固結(jié)層的穩(wěn)定性,同時散落在中后部的松散顆粒在風(fēng)力作用下會繼續(xù)被吹動,因此在試驗初期各處理均為后部風(fēng)蝕量最大.當(dāng)松散顆粒風(fēng)蝕過程結(jié)束后,固結(jié)層的作用開始顯現(xiàn)出來,風(fēng)洞各段的風(fēng)蝕量開始急劇降低.試驗后期,中部固結(jié)層既受到前部運動顆粒的破壞又受到風(fēng)力作用,所以風(fēng)蝕量較大.風(fēng)洞后部雖然受到前部與中部運動顆粒的破壞,但是由于中部破壞情況明顯,沙土平面中部逐漸形成輕微凹陷,造成后部風(fēng)向和沙粒運動方向改變,使得運動顆粒對后部固結(jié)層的破壞程度降低,同時固結(jié)層的顆粒在風(fēng)力作用下吹蝕距離較短,部分前部和中部顆粒停留在后部,所以后部風(fēng)蝕量略小于中部.

圖6(a)、(b)、(c)分別表示14m/s風(fēng)況條件下,各處理在試驗過程中風(fēng)洞前部、中部和后部風(fēng)蝕量變化情況,各試驗組風(fēng)蝕現(xiàn)象更加明顯.T1在試驗初期和試驗后期風(fēng)蝕量大小為后部>中部>前部,試驗中期風(fēng)蝕量大小為中部>后部>前部.T2風(fēng)蝕量最小,試驗初期和試驗后期風(fēng)蝕量大小為后部>中部>前部,試驗中期風(fēng)蝕量大小為后部>前部>中部.T3在試驗初期前、中、后部風(fēng)蝕量基本相同,在試驗中期和試驗后期風(fēng)蝕量前部>后部>中部.T4在試驗初期風(fēng)蝕量大小為后部>中部>前部,試驗中期和試驗后期風(fēng)蝕量大小為后部>前部>中部.

14m/s風(fēng)況條件下,試驗初期各處理經(jīng)歷了表層松散顆粒被吹蝕和沙土表層固結(jié)層顆粒被吹蝕兩個過程.被吹蝕的顆粒只有少部分會停留在沙土表面,因此試驗后期各處理后部風(fēng)蝕量最大.

最初發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象的是沙土表層松散顆粒,風(fēng)洞前部松散顆粒的主要運動狀態(tài)是在沙土表層滾動,風(fēng)洞中部和后部松散顆粒的運動狀態(tài)包括在沙土表面滾動和剝離沙土表面的跳躍兩種.風(fēng)蝕過程中,跳躍的顆粒在下落時對沙土表面產(chǎn)生力的作用,導(dǎo)致沙土表層出現(xiàn)侵蝕細(xì)溝和少量風(fēng)蝕穴.松散顆粒風(fēng)蝕結(jié)束后,沙土表層固結(jié)較弱的地方最先被破壞,形成凹坑和侵蝕細(xì)條.

3 結(jié)論

3.1 通過采取室內(nèi)風(fēng)洞模擬的方式,利用人工固結(jié)層治理沙土侵蝕,通過分析人工固結(jié)層對沙土風(fēng)蝕的改善情況,得出:不同配比沙土固結(jié)層發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象主要分為兩個過程,初期沙土表層松散顆粒在風(fēng)力作用下發(fā)生滾動和跳躍;隨著試驗進(jìn)行沙土固結(jié)層表層松散顆粒被吹走后,沙土固結(jié)層表層風(fēng)蝕量逐漸降低最后趨于穩(wěn)定.

3.2 粉煤灰和PAM形成的沙土固結(jié)層可以有效提高沙土的起動風(fēng)速.當(dāng)粉煤灰添加量一定,增加PAM添加量可以提高沙土固結(jié)層起動風(fēng)速;當(dāng)PAM添加量一定,粉煤灰添加量增多會導(dǎo)致沙土固結(jié)層起動風(fēng)速有所降低,因此合理的粉煤灰與PAM配比可以有效降低沙土起動風(fēng)速.

3.3 粉煤灰與PAM均可以降低沙土風(fēng)蝕量.粉煤灰添加量相同時,增加PAM添加量可以降低固結(jié)層風(fēng)蝕量;PAM添加量相同時,粉煤灰添加量的增加會降低沙土固結(jié)層風(fēng)蝕量.當(dāng)沙土固結(jié)層添加量為粉煤灰(10%)和PAM(0.1%)時固結(jié)效果最好,沙土風(fēng)蝕量最小.

3.4 通過室內(nèi)風(fēng)洞模擬實驗,沙土、粉煤灰和PAM形成的沙土固結(jié)層可以有效抵抗8m/s風(fēng)速下的風(fēng)力侵蝕,在14m/s風(fēng)況條件下,沙土固結(jié)層呈現(xiàn)較好的抗風(fēng)蝕效果.內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)速達(dá)到14m/s的情況較少,因此根據(jù)室內(nèi)風(fēng)洞的試驗結(jié)果,沙土固結(jié)層可以應(yīng)用于沙土風(fēng)蝕治理.

[1] 董光榮,李長治,金 炯,等.關(guān)于土壤風(fēng)蝕風(fēng)洞模擬實驗的某些結(jié)果[J]. 科學(xué)通報, 1987,4:297-301.

[2] 董治寶,李振山,嚴(yán) 平.國外土壤風(fēng)蝕的研究歷史與特點[J]. 中國沙漠, 1995,15(1):100-104.

[3] 董治寶,李振山.風(fēng)成沙粒度特征對其風(fēng)蝕可蝕性的影響[J]. 土壤侵蝕與水土保持學(xué)報, 1998,4(4):1-5,12.

[4] 胡云鋒,劉紀(jì)遠(yuǎn),莊大方,等.20世紀(jì)90年代內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用動態(tài)與風(fēng)力侵蝕動態(tài)對比研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2004,3:211-219.

[5] 國家林業(yè)局.第四次中國荒漠化和沙化狀況公報 [N]. 2011,1:5.

[6] 朱震達(dá),吳 正,劉 恕.中國沙漠概論[M]. 北京:科學(xué)出版社, 1999.

[7] 胡振琪,魏忠義,秦 萍.塌陷地粉煤灰充填復(fù)墾土壤的污染性分析[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2004,24(3):56-60.

[8] Chang A C, Lund L J, Page A L, et al. Physical properties of fly ash amended soil [J]. Journal of Environmental Quality, 1997,6(3): 267-270.

[9] Muriithi Grace N, Gitari Wilson M, Petrik Leslie F, et al. Carbonation of brine impacted fractionated coal fly ash: implications for CO2sequestration [J]. Journal of Environmental Management, 2011,92(3):655-664.

[10] Vimal Chandra Pandey, Nandita Singh. Impact of fly ash incorporation in soil systems [J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2010,136(1/2):16-27.

[11] Skousena Jeffrey, Yang J E, Lee Jin-Soo, et al. Review of fly ash as a soil amendment [J]. Geosystem Engineering, 2013,16(3): 249-256.

[12] 劉可星,廖宗文.粉煤灰的農(nóng)用開發(fā)及其意義[J]. 粉煤灰綜合利用, 1997,(1):44-46.

[13] 牛花朋,李勝榮,申俊峰,等.粉煤灰與若干有機(jī)固體廢棄物配施改良土壤的研究進(jìn)展[J]. 地球與環(huán)境, 2006,34(2):27-34.

[14] Watson L D. Effect of fly ash-induced textural changes on soil water retention and soil strength [D]. Edmonton (AB): University of Alberta; 1994.

[15] Pathan S M, Aylmore A G, Colmer T D. Properties of several fly ash materials in relation to use as soil amendments [J]. Journal of Environmental Quality, 2003,32(2):687-693.

[16] Adriano C D, Weber J T. Influence of fly ash on soil physical properties and turf grass establishment [J]. Journal of Environmental Quality, 2001,30(2):596-601.

[17] Adriano D C, Page A L, Elseewi A A, et al. Utilizationand disposal of fly ash and other coal residues in terrestrial ecosystems: a review [J]. Journal of Environmental Quality, 1980,9(3):333-344.

[18] Singh R P, Gupta A K, Ibrahim M A, et al. Coal fly ash utilization in agriculture: its potential benefits and risks [J]. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2010,9(4):345-358.

[19] Sale L Y, Chanasyk D S, Naeth M A. Temporal influence of fly ash on select soil physical properties [J]. Canadian Journal of Soil Science, 1997,77(4):677–683.

[20] Palumbo A V, Mccarthy J F, Amonette J E, et al. Prospects for enhancing carbon sequestration and reclamation of degraded lands with fossil-fuel combustion by-products [J]. Advances in Environmental Research, 2004,8(2):425–438.

[21] 夏衛(wèi)生,雷廷武,劉紀(jì)根.PAM防治水土流失研究現(xiàn)狀及評述[J]. 土壤通報, 2002,33(1):78-80.

[22] Sojka R E, Bjorneberg D L, Entry J A, et al. Polyacrylamide in agriculture and environmental land management [J]. Advances in Agronomy, 2007,92:75-162.

[23] 董 英,郭紹輝,詹亞力.聚丙烯酰胺的土壤改良效應(yīng)[J]. 高分子通報, 2004,(5):83-87.

[24] Xiaoqian Yan,XunjiangZhang.Interactive effects of clay and polyacrylamide propertieson flocculation of pure and subsoil clays [J]. Soil Research, 2014,52(7):727–737.

[25] Hu Xia, LiuLianyou, LI Shunjiang, et al. Development of soil crusts under simulated rainfall and crust formation on a loess soil as influenced by polyacrylamide [J]. Pedosphere, 2012,22(3): 415–424.

[26] 康倍銘,徐 健,吳淑芳,等.PAM與天然土壤改良材料混合對部分土壤理化性質(zhì)的影響[J]. 水土保持研究, 2014,21(3):68-78.

[27] He Jijun, Cai Guoqiang, Tang Zejun. Wind tunnel experimental study on the effect of PAM on soil wind erosion control [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2008,145(1-3):185-193.

[28] 韓鳳朋,鄭紀(jì)勇,李占斌,等. PAM對土壤物理性狀以及水分分布的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010,16(4):70-74.

[29] http://lishi.tianqi.com/dalate/index.html.

[30] 方學(xué)敏.風(fēng)力侵蝕及其方式措施 [J]. 中國水土保持, 1992,12: 36-39.

Wind tunnel experimental study on desert surface of Kubuqi desert, Inner Mongolia.

WANG Yi-tong, TANG Ze-jun*, CHEN Chao, CUI Yuan-yuan, WANG Jia

(College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)., 2017,37(8)：2888~2895

The consolidated soil layer (CSL) was composed of fly ash (FA) and polyacrylamide (PAM), and its property was similar to soil. The resistance to wind erosion of CSLs was studied using an indoor wind tunnel under simulated wind erosion conditions. The CSL was a mixture of FA (10% and 20%), PAM (0.05% and 0.1%) and the experimental soil (classified as a sandy soil), named as T1, T2, T3, and T4. The results showed that the threshold wind speed of the sandy soil was significantly increased due to the formation of CSL by FA and PAM, exhibiting an increasing trend with increasing addition rate of FA and PAM. The wind erosion amounts of different CSLs were all decreased when compared with that of the sandy soil. The resistance to wind erosion of the CSL consisting of 10% FA and 0.1% PAM was strongest.

wind tunnel experiments；consolidated soil layer (CSL)；wind erosion control；fly ash (FA)；polyacrylamide (PAM)

X51

A

1000-6923(2017)08-2888-08

王鐿潼(1989-),女,吉林省長春人,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生,主要從事水土保持與荒漠化治理工程研究.發(fā)表論文1篇.

2017-01-18

國家自然科學(xué)基金項目(51379211)

* 責(zé)任編輯, 教授, tangzejun@sina.com