亲水性多糖生物聚合物(HPB)对砂质边坡表- subsurface水文过程的调控机制及其生态修复意义

为解决砂质边坡因渗透性高、持水性差导致的生态脆弱性问题，中国研究团队通过实验室测试与ParFlow模型模拟，探究了亲水性多糖生物聚合物(HPB)浓度(10-30%)和养护时间(6-48h)对土壤水力特性(渗透性、给水度)及水文过程(产流模式、水平衡)的影响。研究发现高浓度HPB通过形成渗透阻隔层调控表- subsurface水分交换，为工程边坡生态修复提供新策略。

　　

砂质边坡如同地球表面脆弱的"皮肤"，其低粘聚力、弱剪切强度和高渗透性特性，使得它们在暴雨和干旱等极端气候事件面前不堪一击。传统加固材料如水泥和石灰虽能短期提升强度，却会破坏土壤微生物群落，阻碍植被恢复。更棘手的是，这类材料会随时间的推移逐渐老化失效，形成"加固-失效-再加固"的恶性循环。在这一背景下，兼具环境友好性和工程性能的生物聚合物(biopolymer)材料逐渐崭露头角，但学界对其如何调控表- subsurface水文过程的认识仍存在巨大空白。

针对这一科学难题，河海大学的研究团队创新性地采用亲水性多糖生物聚合物(Hydrophilic Polysaccharide Biopolymer, HPB)作为土壤改良剂，通过系统的实验室测试和先进的ParFlow耦合水文模型，揭示了HPB处理对砂质边坡水文过程的调控机制。研究成果发表在环境地学顶级期刊《CATENA》上，为边坡生态工程提供了理论依据和技术支撑。

研究团队采用多尺度研究方法：首先通过TST渗透仪测定不同HPB浓度(0-30%)和养护时间(0-48h)处理下土壤的渗透系数；继而运用数值模拟反演获得土壤给水度(specific yield)参数；最后基于常州新孟河岸坡的实际地形数据，构建三维耦合水文模型，模拟分析HPB处理对产流模式(runoff generation)、水平衡(water balance)和土壤饱和度动态(saturation dynamics)的影响。

HPB浓度对渗透性和给水度的影响
渗透实验显示，30% HPB处理可使砂土渗透系数降低2个数量级，达到10^-6 cm/s量级，相当于天然粘土的防渗性能。数值反演表明给水度随HPB浓度增加呈指数下降，20%浓度处理时给水度降至0.15，仅为原状砂土的1/3。这种"双重调控"效应源于HPB分子链在土壤孔隙中形成的三维网状结构，通过扫描电镜观察可见其有效封堵了毫米级孔隙通道。

养护时间的时效性规律
养护时间对HPB处理效果具有显著时变特性。前6h内渗透系数急剧下降，24h后趋于稳定，呈现典型的"快速固化-缓慢稳定"两阶段特征。这种时效性为工程施工提供了最佳作业窗口期参考。

表- subsurface水文过程调控机制
模型模拟揭示了HPB处理的"水文隔离"效应：高浓度(30%)处理形成10cm厚"阻水层"，使降雨入渗量减少62%，同时将饱和区限制在表层，产生典型的超渗产流(infiltration-excess runoff)；而低浓度(10%)处理则引发饱和产流(saturation-excess runoff)。这种选择性调控能力使得工程师可以根据降雨特性"定制"水文响应模式。

生态工程应用价值
研究首次量化了HPB处理对边坡水文循环的"三层调控"效应：表层形成防渗保护壳，中间层维持适度透水性，深层土壤则与大气影响隔离。这种独特的水文剖面为植被创造了"上防蒸发、下保墒情"的理想生境，现场观测显示处理后边坡的植被覆盖率提升3倍，实现了工程防护与生态修复的协同。

该研究的创新性在于将生物聚合物处理从传统的力学加固范畴，拓展到水文过程主动调控的新维度。提出的"浓度-时间-空间"三维控制理论，为不同气候区边坡治理提供了精准设计工具。特别是HPB材料在48h内即可形成稳定防护层的特点，使其在应急抢险工程中具有独特优势。未来研究可进一步探索HPB与其他生态工法(如植物根系)的协同效应，推动"仿生水文调控"技术的发展。