半隱蔽式沙柳沙障的防風(fēng)阻沙效益

蒙仲舉，任曉萌，高 永

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010019；2.內(nèi)蒙古氣象科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051）

在流沙的治理措施中，工程措施治標(biāo)，生物措施治本，工程措施和生物措施有機(jī)地結(jié)合，可以從根本上達(dá)到治理流沙的目的。機(jī)械沙障是最主要的工程措施之一［1－3］。

近年來(lái)，沙障防風(fēng)阻沙效益的研究取得了很大進(jìn)展［4－5］。高永等［6］對(duì)沙柳沙障的防風(fēng)固沙效益研究結(jié)果表明，不同規(guī)格沙障防護(hù)效益，在大風(fēng)條件下，小規(guī)格沙障的成本效益高于大規(guī)格的沙障；在小風(fēng)條件下，大規(guī)格沙障的成本效益高于小規(guī)格的沙障。屈建軍等［7］對(duì)半隱蔽式格狀沙障綜合防護(hù)效益的研究表明，半隱蔽式格狀沙障不僅對(duì)沙地土壤改良有顯著作用，而且還可以調(diào)節(jié)局部地區(qū)小氣候，半隱蔽式格狀沙柳沙障的防護(hù)效益由其材料性質(zhì)、成本、勞務(wù)和風(fēng)沙流場(chǎng)性質(zhì)、地形條件以及防沙功能等多種因素決定，同時(shí)其高度、規(guī)格、緊密性、設(shè)置方法等直接影響防沙體系的穩(wěn)定［7－9］。

為此，充分考慮到風(fēng)沙流場(chǎng)特性以及不同地形部位的影響，本試驗(yàn)于2006年4—5月，在毛烏素沙地進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)置了15，25，35cm這3種高度，1m×0.5m，1m×1m，1m×2m，2m×2m，2m×3m 這5種規(guī)格的半隱蔽式格狀沙柳沙障，旨在通過(guò)對(duì)比分析不同高度、不同規(guī)格的方格沙柳沙障的防風(fēng)阻沙效益，篩選出適宜當(dāng)?shù)氐纳痴弦?guī)格，以期對(duì)沙區(qū)的機(jī)械沙障防沙治沙提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于毛烏素沙地的東北緣內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗納林陶亥鎮(zhèn)納林塔境內(nèi)，地理坐標(biāo)為110°04′06″—110°04′11″E，39°50′54″— 39°50′60″N。該區(qū)廣泛分布著固定、半固定沙丘，沙丘形態(tài)有新月型沙丘、新月型沙丘鏈、格狀沙丘以及平沙地，平均海拔1 100～1 300m。屬干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫為5.5～9.1℃，極端最高氣溫為31～39℃，最低為－33℃，氣溫年較差為33℃，有效積溫為3 200～3 800℃，無(wú)霜期為164～180d，年降水量為370～410mm，年日照時(shí)數(shù)為2 600～2 900h。風(fēng)大且頻繁，以西北風(fēng)為主，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，年平均風(fēng)速3.6m／s，最大風(fēng)速為24m／s，年大風(fēng)日數(shù)為13～15d，年沙塵暴日數(shù)約為11～25d，最多可達(dá)37d。土壤類型為風(fēng)沙土。該區(qū)沙地植被占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，主要植物種有沙柳（Salix psammophila）、沙蒿（Artemisia arenaria）、沙 竹 （Psammochloa villosa）、沙 米〔Agriophyllum Squarrosum〕、叉 子 圓 柏 （Sabina vulgaris）、小葉楊（Populus simonii）、旱柳（Salix matsudana）、中間錦雞兒（Caragana intermedia）、華北白前（Cynanchum mongolicum）等。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)地形選擇較為平緩的Ⅰ，Ⅱ號(hào)兩個(gè)大沙丘，沙丘高度、走向、面積等參數(shù)基本相似。在沙丘迎風(fēng)坡分別設(shè)置1m×0.5m，1m×1m，1m×2m，2m×2m，2m×3m這5個(gè)不同規(guī)格的沙柳沙障。沙障孔隙度控制在45%，沙障外露高度分別設(shè)置15，25和35cm這3種高度，每一種規(guī)格的沙障都是從沙丘的基部一直設(shè)置到沙丘的頂部，方格沙障的長(zhǎng)邊走向與當(dāng)?shù)氐闹骱︼L(fēng)向（NW）垂直。以裸沙丘作為對(duì)照（CK）。

沙障設(shè)置完成后，在自然狀態(tài)下 ，大于起沙風(fēng)速（5m／s）的風(fēng)對(duì)試驗(yàn)區(qū)的沙障吹蝕7d，致使障格內(nèi)形成較為穩(wěn)定的凹曲面，之后進(jìn)行觀察。

2.2 測(cè)定方法

2.2.1 機(jī)械組成測(cè)定 設(shè)置沙障前，在沙丘坡中取0—5cm表層沙樣作為背景值。待障格內(nèi)形成穩(wěn)定的凹曲面后，分別在沙丘迎風(fēng)坡沙障障格中心和4個(gè)邊角取表層土樣進(jìn)行混合。

采用篩分法與比重計(jì)法測(cè)定其機(jī)械組成，粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)采用中國(guó)沙物質(zhì)粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1）［10］。

表1 中國(guó)沙物質(zhì)粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn) mm

2.2.2 風(fēng)沙流測(cè)定 在不同處理的坡底、坡中和坡頂?shù)任恢?，使用多路風(fēng)速風(fēng)向自動(dòng)采集儀測(cè)定2，0.5m兩個(gè)垂直高度風(fēng)速。輸沙量觀測(cè)的時(shí)間視風(fēng)速大小、輸沙強(qiáng)度而定，一般3～10min。帶回室內(nèi)用1／1 000的天平稱重，計(jì)算輸沙率。根據(jù)2和0.5m高度處風(fēng)速的實(shí)測(cè)資料，利用統(tǒng)計(jì)的方法舍去離散較大的數(shù)據(jù)后用以分析不同下墊面的地表粗糙度［4］。

2.3 沙障成本效益分析

結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況對(duì)其防護(hù)效益進(jìn)行分析，單位面積內(nèi)的延長(zhǎng)米用沙障兩個(gè)相鄰邊長(zhǎng)的和（L）除以沙障的面積（S）來(lái)計(jì)算［6］：

式中：L——沙障兩個(gè)相鄰邊長(zhǎng)的和（m）；a，b——沙障的邊長(zhǎng)（m）。下同。

式中：S——沙障面積 （m2）；a，b——沙障的邊長(zhǎng)（m）；M——單位面積內(nèi)的延長(zhǎng)米。下同。

沙障的成本效益（即：?jiǎn)挝谎娱L(zhǎng)米的防護(hù)效益）用式（4）計(jì)算：

式中：D——成本效益；Q1——裸沙丘表面的輸沙率；Q2——沙障內(nèi)的輸沙率。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙柳沙障內(nèi)土壤機(jī)械組成分析

風(fēng)沙流是一種貼近沙面的沙物質(zhì)搬運(yùn)過(guò)程，它是風(fēng)沙活動(dòng)的最基本形式，又是各種風(fēng)沙地貌形成和演變的主要?jiǎng)恿l件［10］。圖1是不同規(guī)格沙柳沙障內(nèi)土壤0—5cm層機(jī)械組成分析結(jié)果。與對(duì)照相比，鋪設(shè)沙障后0.5～0.25mm沙粒含量增加7.22%～18.60%，＜0.05mm 粉沙含量增幅較緩，而0.25～0.1mm的細(xì)沙含量減少9.72%～21.60%。從圖1可以看出，1m×2m和1m×1m兩種規(guī)格沙柳沙障中，粗沙含量減少0.19%～0.21%，中沙含量降低10.82%～13.30%，細(xì)沙含量增加6.80%～8.90%。當(dāng)沙柳沙障外露高度為15cm時(shí)，中沙含量與對(duì)照相比減少0.39%～4.56%，粉沙含量減少2.78%～4.47%，而細(xì)沙含量增加1.08%～8.95%。

綜上所述，沙障高度不同，改變過(guò)境氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而在沙表面產(chǎn)生侵蝕、堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致地表沙物質(zhì)機(jī)械組成發(fā)生變化。

3.2 沙柳沙障對(duì)風(fēng)速的影響

在流動(dòng)沙丘設(shè)置半隱蔽式、平鋪式沙柳沙障防沙體系，既可增加地面粗糙度，阻止風(fēng)沙流風(fēng)蝕公路邊坡，又可降低地面風(fēng)速，從而達(dá)到防風(fēng)阻沙的目的。從表2可以看出，所設(shè)的5種規(guī)格的沙障，1m×0.5m沙柳沙障的地表粗糙度最大，其中2m×3m規(guī)格沙障的粗超度最小，粗糙度變化規(guī)律整體呈現(xiàn)出隨著沙障規(guī)格增大而減小，并且規(guī)格之間的差異在沙柳沙障外露高度越低表現(xiàn)越為明顯。多重均值檢驗(yàn)結(jié)果顯示，規(guī)格越大，地表粗糙度越低，其中2m×2m規(guī)格可以視作一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，低于此規(guī)格粗糙度急劇降低。

3.3 沙柳沙障的防護(hù)效益分析

沙柳沙障的成本效益分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，沙障規(guī)格越小，沙障的輸沙率越小，1m×0.5m規(guī)格沙障的輸沙率僅為78.86kg／（h·m2），而2m×3m規(guī)格的沙柳沙障的輸沙率高達(dá)629.77kg／（h·m2）。與對(duì)照相比，5種規(guī)格的半隱蔽沙柳沙障均表現(xiàn)出了較好的阻沙效應(yīng)。同時(shí)可以看出，1m×2m和2m×2m兩種規(guī)格的輸沙率較為接近。在此，兼顧防風(fēng)阻沙和成本等方面綜合考慮，對(duì)沙障的成本效益進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：沙障規(guī)格越小，防風(fēng)阻沙效應(yīng)越大，然而成本效益越低。因此，結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件和經(jīng)濟(jì)狀況，2m×2m規(guī)格的半隱蔽式格狀沙柳沙障防護(hù)效益較好，是適合于當(dāng)?shù)氐囊环N設(shè)障規(guī)格。

表2 不同規(guī)格沙障的粗糙度

表3 不同規(guī)格沙柳沙障的防護(hù)效益計(jì)算

4 結(jié)論

設(shè)置沙柳沙障初期，對(duì)地表沙物質(zhì)的機(jī)械組成產(chǎn)生不同程度的影響，鋪設(shè)沙障后地表土壤中細(xì)粒物質(zhì)含量也在增加，土壤的物理性質(zhì)得到改善。

沙障規(guī)格越小，防風(fēng)阻沙效應(yīng)越大，然而成本效益越低。結(jié)合研究區(qū)的自然條件和經(jīng)濟(jì)狀況，2m×2m規(guī)格的半隱蔽式格狀沙柳沙障是適合于當(dāng)?shù)氐囊环N設(shè)障規(guī)格。

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