风蚀不仅是侵蚀与塑造地球景观的基本地貌过程之 一，也是干旱、半干旱以及部分半湿润地区土地沙化的 重要因素之一我国当前面临十分严峻的土地沙化形势， 截至2009年底，全国沙化土地面积为173.11万km2，占国 土总面积的18.03%,其中流动、半固定沙丘58.33万km2W。 土地沙化不仅严重威胁生态安全，而且严重制约社会经 济可持续发展，因此加大力度防治土地沙化刻不容缓。 防治风沙危害的措施主要包括植物固沙措施、工程固沙 措施和化学固沙措施等三类141。传统的植物固沙和工程固 沙措施的生态效益相对迟缓，化学固沙措施则具备迅速 固定流沙、机械化程度高的特点，可以作为传统固沙措 施的辅助性和过渡性措施，但由于其成本高，目前仅用 于机场、铁路等因风沙危害可能造成重大损失的地区[5^]， 故降低化学固沙材料成本成为大规模推广应用该措施的 关键。

粉煤灰是燃煤供热、发电等过程中经高温燃烧并由 烟道收集的灰白色至黑色固体废弃物，外观类似水泥， 为球形或微珠的集合体，直径0.0丨〜l〇〇//m，具有较大 的比表面积且多孔m。粉煤灰中主要化学成分为硅、铝和

铁的氧化物，其次为钙、镁、硫以及未燃烧的碳，钾和 钠的含量都较低18】。粉煤灰具有很多与土壤相类似的理化 性质，高氧化钙含量粉煤灰具有明显的凝硬作用，施用 粉煤灰可以显著减弱沙土沙性，并改善其对植物生长的 养分供给能力…31。聚丙烯酰胺（PAM)是一种由Y射线 高能辐射引发聚合而成的高分子聚合物，呈白色细沙粉 末状或无色透明胶体，水溶性好，遇水后膨胀，并表现 出极强的絮凝和粘结效果，作为土壤改良剂，具有保水、 保土、保肥和增产等效用[14]。PAM可以通过有效地增大 土壤颗粒之间的内聚力来提高土壤抗风蚀能力的特性己 得到广泛地证实[15—17], PAM可以对粉煤灰固沙效果起到 强化作用。因此，利用粉煤灰和PAM的上述特性，使其 可能成为一种廉价的化学固沙材料，其可能带来的生态 效益一方面是迅速固定流沙、防治风沙危害，另一方面 是改善沙土环境、有助于与植物固沙措施相结合。

本试验研究针对黄河内蒙古河段流域内广泛分布着 片状流动、半固定沙丘，并且建设有众多大型火力发电厂, 具有丰富粉煤灰资源的现状，采用室内风洞试验研究粉煤 灰固沙效果及PAM强化作用，以期在流动和半固定沙丘 表层建立既能够防止风力吹蚀又具有保持水分和改良沙 土性质、促进植物生长发育的固结层，从而达到对该区域 土地沙化日益严重的环境问题进行治理的目的。

1材料与方法

1.1试验材料

供试沙样取自内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗神 木营子附近的流动沙丘，采用烘干法测量其野外质量含 水率为0.64%»供试粉煤灰取自内蒙古自治区达拉特发电 厂干贮灰场，属高氧化钙含量的优质粉煤灰。试验前将 供试沙样过2 mm筛，剔除植物根系及各种杂物，以备试 验。采用激光衍射法测量供试沙样和粉煤灰的粒径级配, 测量结果见表1。供试PAM呈白色粉粒状，分子量彡300 万，聚丙烯酰胺固体含量彡85%»

表1供试样品的粒径级配

Table 1 Grain size distribution of the experimental samples

样品名称黏粒含置/% (0.01〜2.0/im)粉粒含童/% (2.0 〜20.0 "m)砂粒含量/% (20.0〜

2 000.0 /im)

供试沙样00100.0

供试粉煤灰0.972.027.1

1.2试验设备

采用中国农业大学风洞试验室的风洞试验设备，该设 备由辅助风机、风室、喷嘴、稳流装置和测试装置等组成， 其中辅助风机为离心式风机，采用直流变频方式进行调速， 最小可调转速为30 rpm,转速范围为30〜1 500 rpm;测试 装置即风洞洞体由2 mm厚的钢板和40 mm><40 mm的角钢 焊接而成，其尺寸为900〇11(长）><100〇11(宽）><75〇11(高）； 风洞洞体沿宽度方向被分割为4条小风道，每条小风道的 断面尺寸为25cmx75cnu风道中的风速采用ZRQF-F30J 智能风速计测量，其基本量程为〇.〇5〜30 m/s。粉煤灰施用 量和沙盘试样风蚀量采用TC30KA电子天平测量，其量程 为（30 000±5) g。PAM施用量采用DT1000电子天平测量， 其量程为（1〇〇〇±〇.〇1) g。

1.3试验方法 1. 3. 1试样制作

施加粉煤灰试样：粉煤灰施用率设计为3个水平， 分别为供试沙样质量的10%，20%和30%。将粉煤灰按 不同施用率施入适量供试沙样，拌合均匀，装入尺寸为 45cm (长）x24cm (宽）x4.5cm (高）的钢质沙盘中， 不压实，表面整平，喷洒适量清水以确保沙盘试样表层 水分可以渗透至底部，然后在沙盘试样表面蒙上塑料薄 膜，搁置24h以确保水分分布均匀，最后将制作好的沙 盘试样自然风干以备试验。施加粉煤灰和PAM试样：在 选取粉煤灰最佳施用率的基础上施加PAM, PAM施用率 设计为2个水平，分别为供试沙样质量的〇.〇5%和0.1%， 沙盘试样制作过程如前所述。另外选取未施加粉煤灰和 PAM试样作为对照。所有处理均采用2次重复。

1. 3. 2起动风速测量

将预先做好的沙盘试样放入风道中气流稳定部位（距 风源7.5 m),沙盘试样表面与风道底板齐平。然后启动风 机，风机转速由低到高，对应的风速由小到大逐渐提升， 由试验人员通过风道上方的有机玻璃透明面观察沙盘试样 情况。当发现沙盘试样表面有颗粒剥离时，记下风速，即 为起动风速。之后关闭风机，准备下一轮试验。

1.3. 3风蚀强度测量

将预先做好的沙盘试样称重并记录吹蚀前的质量 后，放入风道中气流稳定部位（距风源7.5 m),将风机 转速一次性提升到设计风速，记录吹蚀时间。当吹蚀历 时达到设计吹蚀时间时，取出沙盘试样称重并记录吹蚀 后的质量，沙盘试样吹蚀前后的质量之差即为沙盘试样 的风蚀量。为了便于同其他结果进行比较，试样风蚀强 度采用风蚀率表示，即单位时间内沙盘试样的风蚀量。 试验还考虑了风沙流的影响，采用前置自然风干沙沙盘 为后面沙盘试样提供风沙流的设计。具体布置如下：在 待测沙盘试样前1.5 m处放置风干沙沙盘，作为此待测沙 盘试样的风沙流沙源。施加粉煤灰试样采用8 m/s (5级 风）和14 m/s (7级风）两种设计风速，净风和风沙流两 种吹蚀方式，吹蚀时间为10 min:施加粉煤灰和PAM试 样采用14 m/s设计风速，净风和风沙流两种连续3次吹 蚀方式，每次吹蚀时间为10 min»

2结果与分析

2. 1粉煤灰固沙效果

在土壤风蚀研究中，起动风速直接影响风蚀率的大 小，而风蚀率的大小则是量化风沙危害的重要标志之 一。由图1可以看出，对照的起动风速为5.6 m/s,施 加粉煤灰的沙土的起动风速较对照的起动风速均有所 提高，其中粉煤灰施用率为10%的沙土的起动风速为 8.0 m/s，提高了约40%，粉煤灰施用率为20%的沙土 的起动风速为8.4 m/s,提高了约50%,粉煤灰施用率 为30%的沙土的起动风速为7.4 m/s，提高了约30%。 由图2可以看出，在8 m/s净风历时10 min的吹蚀条 件下，对照的风蚀率为157.5 g/min,粉煤灰施用率为 10%和20%的沙土无风蚀发生或仅发生极轻微风蚀，粉 煤灰施用率为30%的沙土的风蚀率为84.5 g/min,降低 了约50%:在8 m/s风沙流历时10 min的吹蚀条件下， 对照的风蚀率为210.8 g/min，施加粉煤灰的沙土的风 蚀率均有所增加，但增加幅度并不相同，粉煤灰施用率 为10%和20%的沙土的风蚀率均有较大幅度的增加， 分别增至60.0 g/min和48.3 g/min，而粉煤灰施用率为 30%的沙土的风蚀率仅增加了 4.2 g/min;在14 m/s净 风和风沙流历时10 min的吹蚀条件下，对照的风蚀率 分别为506.8 g/min和592.3 g/min,随着粉煤灰施用率 的增大，沙土的风蚀率呈逐步减小的趋势，粉煤灰施用 率为30%的沙土抵御净风和风沙流吹蚀的能力均提高 了约 15%。

施加粉煤灰的沙七的起动风速显著提高。这一方面是因为 施加粉煤灰的沙土的雛含難加而砂艰雜齡，■灰细 颗粒增大了沙粒^间的内聚力，使沙粒之间相互联接，从而增 强了沙土的整体性;另一方面是因为粉煤灰细颗粒填充于沙土 麵簡形成的孔隙中，减少了沙粒间点与点的搬，綱 了沙粒在气流脉动的周期作用下所产生的振动,从而增强了沙 土的稳定性。上述两方面与吴正通过研究野外观测资料表明 ⑴，在相似顚餅下，松散无结构的沙土要比具有一定土粒 结构稳定性的砂壤土的抗风蚀能力低得多的结论是一致的。粉 煤灰施用率为30%的沙土的起动风速较粉煤灰施用率为10% 和20%的沙土的起动风速有所降低。这是因为随着粉煤灰施 '用率的增加，粉煤灰中粒径在0.6〜2 mm范围内的团聚体在沙 土中所占比例逐步增大，粉煤灰施用率为10%^P 20%的沙土 在上述范围内粒度分布几乎为零，但粉煤灰施用率为30%的 沙土在上述范围内粒度分布为9.1%,过多的大粒径粉煤灰团 聚体影响了沙土土体结构的稳定性，减弱了沙粒之间的相互联

用，从而使沙土的有所離。

粉煤灰施用率为20%的沙土所具有的稳定土体结构可 以有效地抵御8 m/s净风历时10 min的吹蚀，但在8 m/s风 沙流历时10 min的吹蚀条件下会发生轻微风蚀。这是因为 风沙流比净风具有更大的侵蚀作用，而施加粉煤灰的沙土 的抗风蚀能力是有限的。经过比较发现，在8 m/s风沙流历 时10 min的吹蚀条件下，沙土的风蚀率由低到高依次为： 20%粉煤灰施用率的沙土 <10%粉煤灰施用率的沙土 < 30%粉煤灰施用率的沙土 <对照，这说明在此条件下施加粉 煤灰的沙土主要是以粉煤灰细颗粒增大沙粒之间的内聚力 来抵抗风蚀的，当粉煤灰施用率为20%时既可以最大限度 地促进稳定土体结构的形成，又可以有效地减弱大粒径粉 煤灰团聚体对此作用的影响。施加粉煤灰的沙土在丨4 m/s 净风和风沙流历时10 min的吹蚀条件下发生中度风蚀，沙 土的风蚀率随着粉煤灰施用率的增大而呈逐步降低的趋 势，通过对粉煤灰施用率为30%的沙土吹蚀后的表面残留 颗粒进行粒径分析后发现，粒径在0.6〜2 mm范围内的粉 煤灰团聚体含量达到了近60%,根据董治宝等对不同粒径 范围内的风成沙颗粒抗风蚀性差异的划分结果，上述范围 内的颗粒为不可蚀因子[18]。这说明在此条件下粉煤灰细颗 粒增强沙土土粒结构稳定性的作用可以忽略，影响沙土抗 风蚀能力的主要因素是粉煤灰中粒径在0.6〜2_范围内

的团聚体，这些大粒径粉煤灰团聚体不易被风吹走，同时 对沙土中的细颗粒还有一定的阻挡作用，施加粉煤灰的沙 土主要是以大粒径粉煤灰团聚体的惯性力来抵抗风蚀的。 2.2粉煤灰与PAM共施的固沙效果

在选取20%粉煤灰施用率为粉煤灰最佳施用率的基 础上施加PAM。由图3可以看出，施加粉煤灰和PAM 的沙土的起动风速较施加粉煤灰的沙土的起动风速均有 进一步提高，但增幅较小。其中PAM施用率为0.05%的 沙土的起动风速为8.4 m/s,与粉煤灰施用率为20%的沙 土的起动风速基本相同，PAM施用率为0.1%的沙土的起 动风速为8.7 m/s,略高于与粉煤灰施用率为20%的沙土 的起动风速。由图4可以看出，在14 m/s净风历时10 min 的吹蚀条件下，对照的风蚀率为506.8 g/min，施加粉煤 灰和PAM的沙土无风蚀发生；在14 m/s风沙流历时 10 min的吹蚀条件下，对照的风蚀率为592.3 g/min，施 加粉煤灰和PAM的沙土仅发生极轻微风蚀，其中PAM 施用率为0.05%的沙土的风蚀率为23.8 g/min, PAM施用 率为0.1%的沙土的风蚀率为7.0 g/min。由表2可以看出， 当吹蚀时间由10 min增至20 min时，沙土的风蚀率均有 明显增长且增长速率较大，其中PAM施用率为0.05%的 沙土的风蚀率增长速率大于PAM施用率为0.1%的沙土 的风蚀率增长速率;当吹蚀时间由20 min增至30 min时， 沙土的风蚀率增长速率显著降低，其中PAM施用率为 0.05%的沙土在风沙流吹蚀条件下的风蚀率略有下降。

图3粉煤灰与PAM共施对起动风速的影响 Fig.3 Effect of fly ash and PAM on threshold wind speed of the experimental soil

■ M m/s净风吹蚀D14 m/s风沙流吹蚀

表2施加粉煤灰和PAM的沙土在14 m/s净风和风沙流连续3 次历时丨0 min的吹蚀条件下的风蚀率 Table 2 Wind erosion rate of the soil treated with fly ash and PAM under the condition of three successive 10 min exposures to pure wind and sand-carrying wind with a wind speed of 14 m/s

respectively

吹蚀时间 /min风蚀率/g'mirT1

20%粉煤灰和 0.05%PAM, 14 m/s淨风吹 蚀20%粉煤灰和 0.l%PAM,

14 m/s冷风吹 蚀20%粉煤灰和 0.05%PAM, 14 m/s风沙流 吹蚀20%粉煤灰和 Q.1%PAM,

14 m/s风沙流 吹蚀

103.752.5023.757.00

2010.884.2529.758.50

3012.175.2527.758,67

施加粉煤灰和PAM的沙土的起动风速进一步提高。 这是因为PAM可以有效地增大沙土颗粒之间的内聚力， 从而强化了粉煤灰促进稳定土体结构形成的效果：同时 减少了沙土表层松散颗粒的含量，从而降低了沙土表层 颗粒被风吹动的几率。施加粉煤灰和PAM的沙土可以 有效地抵御丨4 m/s净风历时30 min的吹蚀，且在14 m/s 风沙流历时30 min的吹蚀条件下仅产生极轻微破坏， PAM施用率为0.1%的沙土的抗风蚀能力略高于PAM施 用率为0.05%的沙土的抗风蚀能力。这一方面是因为 PAM可以将沙粒和粉煤灰颗粒粘结形成大粒径的极难 被风蚀的团聚体，强化了沙土的整体性和稳定性，从而 显著地提高了沙土的抗风蚀能力；另一方面是因为PAM 具有良好的粘结作用，增强了沙土表层因喷洒清水而形 成的厚约0.1mm的结皮与下部土层的粘结度，形成了 相对光滑的沙土表面，摩擦阻力较小，可以有效地减弱 气流对沙土表面的影响，从而保护结皮下部土层免受风 蚀，而此结皮在仅施加粉煤灰的条件下因粉煤灰具有的 凝硬作用有限，不能有效地增强结皮与下部土层的粘结 度，极易被8m/s净风破坏，对于提高沙土的抗风蚀能 力的影响甚微。由图5可以看出，对照在14 m/s风沙流 历时10 min的吹蚀条件下表面形态变化过程。通过对在 14 m/s风^1?流连续3次历时10 min的吹蚀条件下粉煤灰 施用率为20%和PAM施用率为0.1%的沙土表面形态变 化过程进行观察后发现（图6).历时10 min吹蚀后的 沙土表层结皮出现了比较明显的磨蚀痕迹，但仍基本完 整；历时20 min吹蚀后的沙丨•.表尼较小部分结皮被破 坏，结皮卜部ill现镂空现象：历时30 min吹蚀后的沙土 表层仍残留部分未被破坏的结皮，但其下部镂空现象明 显。此外，吹蚀时间由20 min增至30 min沙土的风蚀 率增长速率较吹蚀时间由10 min增至20 min沙土的风 蚀率增长速率有所减缓，甚至下降。这是因为随着吹蚀 时间的增加，沙土所含可蚀性颗粒的含量逐渐降低，其 抗风蚀能力逐渐提髙^

由上述风沙流连续吹蚀过程可以总结出施加粉煤灰 和PAM的沙土表层结皮提高沙土的抗风蚀能力和在风沙 流作用下被破坏的机理，PAM极强的粘结作用促使沙土 表层结皮与下部土层很好地相互粘结，沙土表面相对光 滑，高速气流对其表面的影响减弱，结皮下部土层受到 了良好的保护而在一段吹蚀时间内不产生风蚀；而风沙 流对沙土表层结皮持续不断地打击和磨蚀，会导致结皮 越来越薄，最终破坏，结皮破坏处沙粒逸出，开始产生 风蚀，并且结皮下部逐步被镂空，直到结皮被完全破坏， 下部土层失去了结皮的保护作用，转而依靠因PAM良好 的粘结作用而形成的大粒径的极难被风蚀的团聚体来抵 抗风蚀，此时与施加粉煤灰的沙土在发生轻微风蚀时以 粉煤灰细颗粒增大沙粒之间的内聚力來抵抗风蚀的机理 相似，但抗风蚀效果要明显好于后者。

3结论

1)施加粉煤灰的沙土的起动风速显著提高，施加 PAM可以进一步提高沙土的起动风速，但增幅较小。沙 土的起动风速提高与粉煤灰和PAM可以增大颗粒之间的 内聚力、促进稳定土体结构的形成和减少沙土表层松散 颗粒的含量有关。

2)施加粉煤灰的沙土在发生轻微风蚀时（5级风） 主要是以粉煤灰细颗粒増大沙粒之间的内聚力来抵抗风 蚀的，在发生中度风蚀时（7级风）主要是以大粒径（0.6〜 2mm)粉煤灰团聚体的惯性力来抵抗风蚀的。施加粉煤 灰和PAM的沙七的抗风蚀能力比施加粉煤灰的沙土的抗 风蚀能力显著增大，可以有效地抵御7级风，PAM主要 是通过进一步增大沙土颗粒之间的内聚力和增强沙土表 层结皮与下部土层的粘结度来提高沙土的抗风蚀能力。

3)由于自然界中造成风蚀的大部分（97%〜99%) 风力主要集中在4〜8 m/s,而且从经济意义上考虑，故推 荐粉煤灰施用率为20%、PAM施用率为0.05%的用量水 平处理用于风蚀防治。