聚丙烯酰胺浓度对模拟降雨条件下喀斯特剥采堆坡径流再分配与泥沙产率控制的影响

为什么降雨作用于矿堆很重要

在许多煤炭开采区，采掘后会留下大量松散的岩土堆积物——称为采弃土堆。当强降雨冲刷这些裸露、疏松的坡面时，浑浊的地表水会迅速径流，而污水也会沿着底部的裂隙渗入地下。在喀斯特地区，基岩布满溶洞与通道，这类渗漏水很容易将污染物带入地下河流和饮用水源。本研究考察了向这些堆体表面施用常见的土壤改良聚合物——聚丙烯酰胺（PAM）——是否能同时减缓侵蚀并降低地下污染风险。

布满隐蔽空洞的采矿地貌

研究聚焦于中国西南贵州省的一处露天煤矿，典型的喀斯特地貌由可溶性碳酸盐岩构成。这里的采掘形成了由弃岩和煤矸石构成的大型采弃土堆。由于这些材料松散、养分贫乏且植被稀少，在该地区夏季强降雨时易遭侵蚀。在喀斯特地带，降雨不仅沿坡面径流，还会沿基岩裂隙与暗道下渗，迅速汇入地下河流。因此，限制地表侵蚀和人工堆丘向下泄漏受污染水体尤为重要。

为疲弱土壤测试一种助剂

为开展试验，研究者在实验室降雨厅复原了一段采弃土堆剖面。他们在钢制槽中填入30厘米厚、代表现场弃土与黄土混合的样料，并将槽面倾斜至陡峭的30度。槽底开设若干槽缝以模拟天然岩石裂隙，三个独立收集器分别收集地表径流、浅层次流和从下方渗出的流体与泥沙。模拟降雨装置在模型坡面上产生与当地强降水相当的可控风暴。研究组喷施了三种不同浓度的PAM溶液——低剂量（1‰）、中剂量（3‰）与高剂量（5‰），并与未经处理的对照在相同90分钟降雨条件下进行比较。

聚合物如何重塑水流路径

PAM是长链分子，遇水膨胀并将土粒粘结成团，在表层形成一层薄而粘的膜。在实验中，所有PAM处理都改变了雨水在坡体内的流动方式。未经处理时，大量水快速下渗并以浅层和地下流的形式出现，携带细颗粒向下迁移；加入PAM后，更多水滞留于表层并以浅表径流形式外流，而来自深层的流量显著减少，且在高浓度下尤为明显。平均而言，地表径流量增加了超过17%，而地下径流在未经处理情况下占总量近一半，施用强效PAM后可降至不到十分之一。流量测量显示，聚合物增加了水流的内阻并降低了其侵蚀能力，尽管表层水流动更为湍动。

泥沙减少，但有权衡

伴随水流路径的变化，PAM显著减少了从坡面流失的泥沙量。与未处理的土壤相比，聚合物将地表径流携带的泥沙约减少了三分之一，并使地下泥沙流失减少近一半。较高浓度通常意味着更少的侵蚀。然而也有权衡：最强的PAM处理虽最能防止地下泄漏，但同时阻止了更多水分下渗，可能使采弃土堆过于干燥，不利于幼苗生长，进而延缓可提供长期保护的植被覆盖形成。中等浓度的PAM在这之间提供了较好的平衡：既显著减少了侵蚀与深层泄漏，又仍允许足够的水分下渗以支持根系生长。

为更安全的矿山整治寻找最佳点

对在脆弱喀斯特区作业的矿山管理者而言，这项研究提供了实用建议。向新建采弃土堆喷施适度剂量的PAM可迅速抑制侵蚀、减少污染水向地下通道的流入、并提高坡面稳定性——同时不会让未来植被失去必要的水分。作者建议，对于他们所测试的材料，中等用量（约3‰）是一个有效的起点。他们还强调需要长期野外监测，以确认PAM及其降解产物在环境中的安全性。与植被恢复结合、审慎使用，这种简单的聚合物有望成为将不稳定的废弃堆转变为更安全、更绿色丘陵的有用工具。

引用: Zhu, X., Yang, H. & Yan, Y. Effect of polyacrylamide concentration on runoff redistribution and sediment yield control from karst spoil heaps under simulated rainfall. Sci Rep 16, 14441 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44802-z

关键词: 喀斯特土壤侵蚀, 聚丙烯酰胺, 煤矿采弃土堆, 径流与泥沙, 地下水保护