化学材料对风蚀调控试验研究

作     者：李元元 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王占礼

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：化学材料 风蚀率 颗粒组成 结皮硬度 结皮厚度 

摘      要：黄土高原北部水蚀风蚀交错区风蚀严重,强烈的风蚀不仅导致和加剧了该区的土地荒漠化和生态环境恶化,也使该区成为黄土高原严重侵蚀产沙及黄河多沙重要来源地区。风蚀化学调控措施是有别于传统风蚀防治措施的新兴风蚀防治技术,具有操作简单、见效快等特点。开展化学材料对风蚀调控研究,阐明化学材料对风蚀的调控效应和调控机理,可为采用化学调控措施治理黄土高原北部水蚀风蚀交错区风蚀提供重要科学依据,并促进地表风蚀理论进一步发展。本论文针对黄土高原北部水蚀风蚀交错区风积沙及沙黄土风蚀,主要采用室内风洞试验方法,研究了化学材料对风蚀的调控：在风速6.5、7.9、8.6、9.6、10、11 m/s及含水量风干条件下,以及风速12、14 m/s及含水量分别为1.24%、1.88%、2.03%、2.37%、2.87%、3.29%及1.53%、2.6%、3.66%、381%、4.71%、7.11%条件下,分析研究了风速和含水量对沙地及土壤风蚀的影响;在风速14m/s、含水量风干、剂量0.4、0.6、1.2g/m2及喷施方式下,分析研究了Jag C162、PAM、 HP-120、CMC对土壤及沙地风蚀的调控效应：在含水量风干、剂量0.4、0.6、1.2 g/m2及喷施方式下,分析研究了Jag C162、PAM、HP-120、CMC对风蚀地表结皮性质的影响,主要结论如下：1.分析了风速和含水量对土壤及沙地风蚀的影响：（1）沙地及土壤风蚀率皆随风速增大而增大,皆可用指数方程很好地描述。10 m/s风速是风蚀率发生剧增的临界：（2）与对照相比,各风速下,沙地及土壤风蚀物高百分比分布粒径均变粗,沙地及土壤风蚀物粒径分别主要集中在0.5～1 mm的粗砂粒及0.1～0.25 mm的细砂粒;（3）土壤风蚀物中值粒径随风速增大而增大,增速较小;沙地则呈先增大后减小,再增大再减小的交替变化特征;（4）12 m/s和14 m/s风速下,沙地及土壤风蚀率皆随含水量的增大而减小,皆可用指数方程很好地描述。含水量3.29%时沙地已基本不发生风蚀,3.29%时土壤风蚀率已很低,7%时土壤已几乎不产生风蚀;（5）12 m/s和14 m/s风速下,不同含水量沙地及土壤风蚀物粒径分别主要集中在0.5-1mm的粗砂颗粒及0.1-0.25mm细砂粒;（6）12 m/s和14 m/s风速下,土壤风蚀物中值粒径随含水量增大呈先缓慢增大后减小到最小值,然后再增大,再缓慢减小的相同变化;沙地则呈先降低到最小值再提高再降低的相同变化。2.揭示了Jag C162、PAM、HP-120、CMC对土壤及沙地风蚀的调控效应：（1）喷施PAM、Jag C162、CM、HP-120土壤相对于裸土均具减蚀效应,剂量越大,风蚀率越低,减蚀效应越好。总体上PAM减蚀效果最佳,并以剂量0.6g/m2最适宜;（2）喷施PAM、Jag C162、CMC、HP-120土壤风蚀颗粒组成与裸土一致,皆主要集中在0.1～0.25mm的细砂粒,0.05～0.1mm的极细砂粒次之。喷施PAM、Jag C162,总体增加0.05mm粒径含量,粗化风蚀物,而喷施CMC、HP-120总体减少0.05mm粒径含量,风蚀物细粒含量较高;（3）喷施PAM、Jag C162、CMC、HP-120土壤风蚀物中值粒径相对于裸土,有增大,也有减小,以增大为主;（4）喷施PAM、Jag C162、CM、HP-120沙地相对于裸沙均具减蚀效应,剂量越大,风蚀率越低,减蚀效应越好。CMC减蚀效应最佳,PAM减蚀效应最差;（5）对照裸沙风蚀物粒径主要在集中在0.5～1mm的粗砂粒,与裸沙相比,喷施Jag C162、CMC、HP-120沙地可有效防治0.5～1mm粗砂粒被风吹蚀,喷施CMC防治效果最显著,而喷施PAM沙地则对0.1～0.25mm细砂粒保护效果显著：（6）喷施PAM、Jag C162、CMC、HP-120沙地风蚀物中值粒径相对于裸沙,除喷施0.4 g/m2PAM和0.6 g/m2JagC162与裸沙相差不大外,其余均比裸沙小;（7）喷施PAM对土壤风蚀率减蚀效应好于沙地,喷施Jag C162、CMC.HP-120对沙地风蚀率减蚀效应比土壤好,喷施CMC对沙地减蚀效果最好,喷施PAM对土壤的减蚀总体效果最佳。3.研究了Jag C162、PAM、HP-120、CMC对土壤及沙地表层性质的调控效应：（1）喷施不同剂量Jag C162、PAM、HP-120、CMC土壤结皮硬度、厚度均随喷施剂量增大而增大;0.4g/m2剂量下,喷施HP-120土壤结皮硬度最大,喷施Jag C162最小,0.6g/m2和1.2g/m2剂量下,喷施PAM土壤最大,喷施HP-120最小：（2）喷施不同剂量PAM、Jag C162、CMC、HP-120土壤结皮硬度、厚度相对于裸土均明显提高,喷施剂量越大,提高越大（0.4g/m2下厚度减小）,喷施PAM土壤结皮厚度随剂量增大而增加最多,喷施HP-120则最小：（3）喷施不同剂量Jag C162、PAM、HP-120、CMC沙地结皮硬度、厚度均随喷施剂量的增大而增大：各剂量下,喷施CMC沙地结皮硬度最大,喷施PAM最小。剂量0.4g/m2和0.6g/m2下,喷施CMC沙地结皮厚度最大,剂量1.2g/m2下,喷施HP-120最大;（4）喷施不同剂量PAM、Jag C162、CMC、HP-120沙地结皮硬度、厚度相对于裸沙均明显提高,喷施剂量越大,提高越大,各剂量下,喷施CMC结皮硬度提高最大,喷施HP-120结皮厚度提高最大（0.4g/m2下喷施CMC提高最大）,喷施PAM结皮硬度、厚度提高最小;（5）各剂量下平均而言,喷施PAM土壤结皮硬度、厚度均大于沙地,而喷施Jag C162、CMC、HP-120均小于沙地;喷施PAM提高土壤结皮硬度、厚度效果最好,提高沙地结皮硬度、厚度效果最差,喷施其他三种化学材料提高土壤结皮硬度、厚度效果不如喷施PAM（喷施JagC162稍微减小）,提高沙地结皮硬度、厚度效果好于喷施PAM,并以喷施CMC效果最好,喷施PAM提高土壤结皮硬度效果好于沙地,喷施其他三种化学材料差于沙地,喷施四种化学材料提高沙地结皮厚度效果皆好于土壤。4.阐明了Jag C162、PAM、HP-120、CMC对土壤及沙地风蚀的调控机理：风蚀是风力与地表组成物质抗风蚀力相互作用的结果,在土壤及沙地表面喷施Jag C162、PAM、HP-120、CMC后,（与地表组成物质抗风蚀性密切相关的）土壤及沙地表层性质（结皮硬度与结皮厚度）得到有效提高,抗风蚀能力大大加强,因此,土壤及沙地风蚀得到有效减低。