導語：為探究液態(tài)環(huán)保抑塵劑對生產建設項目內臨時堆土坡面水土流失防治效益，為抑塵劑生產實踐應用提供科學依據(jù)，也為臨時堆土水土流失防治提供新的思路與材料。本期轉化果推薦的《液態(tài)環(huán)保抑塵劑的模擬實驗研究》，采用人工模擬降雨試驗，研究臨時堆土常見坡度，液態(tài)環(huán)保抑塵劑不同噴施濃度下坡面產流產沙過程。結果表明：噴灑抑塵劑后具有明顯的減沙作用，增強了坡面徑流。相較于坡度，抑塵劑濃度是影響臨時堆土產流、產沙速率的首要因素，抑塵劑濃度顯著影響降低初始產流時間、產沙速率、產沙量，顯著增強流速、產流速率、產流量。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)內生產建設項目增多，產生大量臨時堆土、棄土、棄渣，由于自身穩(wěn)定性差及防護體系不完善，該區(qū)域極易產生水土流失，危及項目施工安全和區(qū)域生態(tài)安全。目前，生產建設項目內由臨時堆土引發(fā)的水土流失現(xiàn)象已成為中國現(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、臨時措施、化學措施，由于成本限制，其應用性較差。隨著材料科學的興起，由多功能高分子聚合物聚合形成的抑塵劑能夠通過與土壤顆粒物之間的潤濕、凝聚、粘結作用，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，在煤炭抑塵、礦山、鐵路運輸、道路抑塵、建筑施工現(xiàn)場抑塵、防火安全，生態(tài)護坡等方面均得到廣泛應用，主要應用于風沙防治。但對于其在防治水土流失的影響機制和適用性仍不明確，尤其在生產建設項目中臨時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用抑塵劑，通過模擬人工降雨試驗，定量評估其對臨時堆土坡面產流、產沙過程的影響特征，探究其水土流失的防護效益，以期為生產建設項目水土流失防治提供數(shù)據(jù)支撐和科學參考。
二、材料與方法
1.實驗土壤
試驗土壤取自于某臨時堆土，堆土坡度范圍集中在20°～35°，供試土壤容重1.25g/cm3，含水率10%，土壤機械組成砂粒（≥0.02mm）、粉粒（0.002～0.02mm）、黏粒（＜0.002mm）質量分數(shù)分別為68.47%、23.50%、8.03%，土壤質地屬于砂壤土，極易被風蝕、水蝕。因臨時堆土較松散，并未形成穩(wěn)定的土壤結構，基于此，研究盡量取原狀土，將原狀土裝填至試驗鋼槽內，每一層都壓實、平整，控制每層土壤容重與原狀土近似。
2.試驗材料
試驗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、可降解的有機物質，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，具有極好的結殼性，可與微塵、土壤細粒物質黏結，增強土壤抗蝕性。目前在生產建設上主要用來抑塵。
3.人工模擬降雨試驗
人工模擬降雨試驗降雨系統(tǒng)雨強連續(xù)變化范圍20～240mm/h，降雨均勻度＞80%，雨滴大小調控范圍0.3～6mm，降雨調節(jié)精度5mm/h，降雨測量精度0.1mm/h。試驗鋼槽規(guī)格長×寬×高為140cm×70cm×25cm，底部均勻打孔并接有膠管用來收集滲漏液；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試驗裝置示意圖
根據(jù)當?shù)?990～2020年降雨資料，區(qū)域侵蝕性降雨強度為30mm/h，故本次試驗降雨強度為30mm/h，降雨時間為60min。試驗槽坡度依據(jù)室外堆土坡度調查，并參考生產建設項目中堆土坡度，選取20°、30°作為試驗坡度以表征實際情況。設計抑塵劑濃度配比為0（對照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/㎡。
降雨開始計時，觀察坡面產流情況，記錄初始產流時間。在坡面開始產流后的前10min內，由于產流速率變化較大，每隔2min收集徑流樣品，之后每隔5min收集徑流樣品。
測量徑流樣品體積，過濾徑流中泥沙并烘干稱重，計算產流速率和產沙速率，每場降雨結束后試驗槽需靜置培養(yǎng)3天再進行重復試驗。
三、結果分析
1.不同濃度抑塵劑和坡度下坡面產流特征
初始產流時間是反映坡面侵蝕的一個重要指標，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流時間（圖3），且不同抑塵劑和坡度初始產流時間差異顯著（P＜0.05）。在同一濃度處理下，隨著坡度的增大產流時間減少13.27%～18.96%。三種抑塵劑濃度處理的初始產流時間與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)定產流速率均為1/50最大，1/75次之，CK最?。▓D4）。坡度20°時，除1/50與CK的產流速率呈極顯著差異（P＜0.01）外，其余產流速率均無明顯差異。但坡度為30°時，噴施抑塵劑后產流速率與CK差異均極顯著（P＜0.01），且抑塵劑1/50與1/100產流速率差異顯著（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，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°時不同濃度抑塵劑處理下無顯著差異（P＞0.05），在30°時，1/50與1/100累積徑流量存在顯著差異（P＜0.05）。
從產流過程來看（圖4），噴施抑塵劑后，產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左右趨于一個穩(wěn)定的狀態(tài)并呈上下波動，而CK的產流速率在降雨初期隨時間增加而增加較緩。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流時間
圖4不同濃度抑塵劑下坡面產流過程
2．不同濃度抑塵劑和坡度下坡面產沙特征
產沙過程較產流過程更復雜，波動幅度較大（圖6）。噴施抑塵劑能夠降低坡面產沙，抑塵劑濃度越高，坡面產沙速率越少。尤其1/50、1/75在不同坡度均與1/100、CK的產沙速率差異極顯著（P＜0.01），且1/50與1/75的產沙速率均無顯著差異（P＞0.05）。坡度20°時，1/50、1/75、1/100的平均產沙速率較CK分別減少了73.09%、67.07%和20.48%，1/100與CK的產沙速率差異顯著（P＜0.05）。坡度30°時，1/50、1/75、1/100較CK分別減少了75.15%、65.09%和0.59%，1/100與CK的產沙速率無顯著差異（P＞0.05）。隨著坡度的增加，1/100產沙速率變化最大。1/50與1/75的產沙速率變化規(guī)律較為一致，均在前期逐漸增大，并在10～20min左右趨于一個穩(wěn)定狀態(tài)。1/100在坡度20°、30°時均在降雨初期急劇上升，并在10min左右達到峰值后呈波動下降。CK在坡度20°時與1/100表現(xiàn)一致，在坡度30°時，在30min左右達到峰值，此后呈波動減小趨勢。
不同坡度下坡面累積產沙量變化規(guī)律為CK＞1/100＞1/75＞1/50（圖7）。坡度20°時，各處理間坡面累積產沙量均差異顯著（P＜0.05），1/50、1/75、1/100的累積產沙量較CK分別減少了71.18%、66.96%和19.49%。但當坡度為30°時，1/50、1/75與1/100、CK的累積產沙量差異顯著（P＜0.05），且1/50與1/75、1/100與CK的累積產沙量均無顯著差異（P＞0.05），1/50、1/75、1/100的累積產沙量較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沙過程
圖7不同濃度抑塵劑處理下坡面產沙累積量
3.不同濃度抑塵劑和坡度對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流產沙各指標的Pearson相關分析見表1，坡度對坡面產流產沙特征均無明顯相關性。抑塵劑濃度與初始產流時間、產沙速率、產沙量呈負相關，與流速呈現(xiàn)顯著正相關（P＜0.05），與產流速率、產流量呈極顯著正相關（P＜0.01）。坡面產流產沙特征中，流速與產流產沙特征均無明顯相關性，且產流速率、產流量均與產沙速率、產沙量呈極顯著負相關（P＜0.01）。進一步通過多因素方差分析，抑塵劑濃度（F=51.73，P＜0.01）對產流速率的影響要大于坡度（F=0.40，P＞0.05）對產流速率的影響，坡度對產流速率無顯著影響。對于產沙速率，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）對產沙速率的影響，坡度對產沙速率影響不顯著。由此可知，噴施抑塵劑能夠顯著降低坡面產沙，但增加坡面產流特征，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的增加以滿足固土需要。
四、討論
通過相關性和方差分析，在坡度20～30°范圍內，抑塵劑對坡面產流、產沙特征起到?jīng)Q定作用，且隨著抑塵劑濃度越大，其影響力度越大。這主要是因為抑塵劑對坡面侵蝕的作用機理主要體現(xiàn)在通過其良好的吸濕保水性，使塵土潮濕結殼，增強土壤含水量，增強坡面抗侵蝕性。這也解釋了在文中，抑塵劑濃度與初始產流時間呈負相關，與流速、產流量呈顯著正相關。噴施抑塵劑降低初始產流時間，增大坡面穩(wěn)定產流速率，累積徑流量增加7%～30%。且噴施抑塵劑顯著降低土壤蒸發(fā)，增強土壤含水率，導致土壤含水率比對照組高（提升了3.18%～4.97%）。噴施抑塵劑后還會與坡面粉塵顆粒結合、團聚形成一層光滑、致密的結皮層，結皮厚度為0.5～1cm（圖8），尤其抑塵劑濃度越大，形成的結皮越穩(wěn)定，使得土壤入滲率降低，進而導致土壤表面易產流，從而減少初始產流時間，增大產流速率。另外，抑塵劑中的改性淀粉、多糖類物質等有機高分子下滲到土壤中堵塞了部分小孔徑導水孔，從而導致入滲率降低，坡面產流速率也隨之增大。
圖8抑塵劑結皮層
泥沙流失量是評價抑塵劑水土保持效益的主要特征，但由于抑塵劑材料、土壤結構、坡度的差異，坡面產沙過程較為復雜。但研究普遍認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，這與分析結果一致，抑塵劑濃度與產沙速率、產沙量呈負相關。環(huán)保固沙抑塵劑具備良好的固化性、抗水蝕性，經(jīng)過10次水蝕循環(huán)測試后，泥沙殘留率高達71.8%。在研究固土抑塵劑抗沖刷性能時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3次降雨后對照組泥沙流失率在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76.33%，且試驗模擬臨時堆土，土壤結構較松散更易發(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)保抑塵劑能夠應用于臨時堆土的水土流失防治。進一步細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皮，不易被雨滴動能所打破。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皮被破壞，使得產沙速率再度增大，整個產沙過程變化較大。模擬降雨實驗后，坡面對比如圖9所示，施加抑塵劑的坡面因形成土壤結皮而表面光滑，且結皮保持較完整，坡面土壤因結皮層的存在未出現(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降雨過程后坡面對比圖
五、研究結論
1.噴施抑塵劑能顯著增加坡面產流速率、徑流總量，但顯著降低坡面產沙速率、泥沙總量。坡度對坡面產流產沙特征均無明顯相關性。抑塵劑濃度與初始產流時間、產沙速率、產沙量呈負相關，與流速呈現(xiàn)顯著正相關，與產流速率、產流量呈極顯著正相關。相較于坡度，抑塵劑濃度是影響臨時堆土產流、產沙的主要因素。
2.綜合考慮抑塵劑對坡面產流產沙特征的影響，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，抑塵劑濃度需要進一步增加以滿足需要。
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