低立式纖維沙袋沙障防風(fēng)固沙效應(yīng)研究

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，呼和浩特010019；2.內(nèi)蒙古氣象科學(xué)研究所，呼和浩特010051）

沙障是降低近地表土壤風(fēng)蝕的有效措施之一。不同的沙障材料，沙障的設(shè)置類型也不同，從而其防護(hù)效果也存在差異，所以我國防沙治沙科技工作者在多年的研究中充分考慮了取材與效益這兩個(gè)因素的聯(lián)系，為治沙工作更好、更快地發(fā)展引進(jìn)了很多先進(jìn)的材料，并且積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前用于制作沙障的材料很多，如柴草、秸稈、黏土、樹枝、板條、卵石、煤矸石及一些活沙障等，但大范圍使用的仍主要是柴草樹枝類、黏土類和沙礫石。由于沙漠地區(qū)自然條件嚴(yán)酷，用柴草設(shè)置的沙障易腐爛分解，固沙功能持續(xù)時(shí)間短。而黏土、沙礫石本身重量大，取土、運(yùn)輸所需的人員、機(jī)械費(fèi)用高，沙障設(shè)置的效率也非常低。此外這幾類材料的沙障只能使用一次，不能重復(fù)使用[1－4]。土工布纖維沙袋沙障是近兩年出現(xiàn)的新型沙障，目前正處在研究性階段，還未推廣，最近由內(nèi)蒙古交通科研所在阿拉善盟阿左旗月亮湖旅行線進(jìn)行過沙袋沙障的實(shí)驗(yàn)，沙袋直徑10cm，分有鰭和無鰭兩種，平鋪在沙面上，鰭能起到擊碎風(fēng)沙流的作用，經(jīng)實(shí)驗(yàn)收到很好的效果，是值得今后推廣的新材料、新技術(shù)方法[5]。

本文以新型的不可降解纖維為外層材料（無鰭），內(nèi)部充填就地取材的沙土而設(shè)置的土工沙袋，以檢驗(yàn)低立式纖維沙袋沙障的防風(fēng)固沙效益，并比較不同配置形式所取得的成果，從而選取最佳配置，目前國內(nèi)未見有此相關(guān)研究報(bào)道。本文試驗(yàn)地在內(nèi)蒙古吉蘭泰鹽湖的西北流沙地，在典型的沙壟上鋪設(shè)，障內(nèi)規(guī)格都是1m×1m，分（15%，25%，35%）三種孔隙度。研究鋪完沙障后與裸沙空白對(duì)風(fēng)沙流的影響，并對(duì)比三種規(guī)格的防風(fēng)效益，進(jìn)而為纖維材料沙障的下一步研究和今后的推廣提供理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)控制鹽湖上風(fēng)向的流沙入侵起到一定的控制作用。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于39°49′N、105°30′E，處于烏蘭布和沙漠西南緣。該區(qū)屬溫帶荒漠氣候特征，冬季嚴(yán)寒、夏季酷熱、風(fēng)大沙多。降水少，年降水量為109.9mm，6—9月降水約占全年總降水量的80%，年平均氣溫8.6℃，蒸發(fā)量3 005.3mm，年均風(fēng)速3.3m／s，每年3—6月風(fēng)速較大，大風(fēng)日數(shù)34.5d，揚(yáng)沙日數(shù)82.5d，多東北、西南風(fēng)向，最大風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)和西北風(fēng)。

該區(qū)地貌大部分為南北走向的沙壟，東西相間分布，沙壟東西坡大都對(duì)稱分布，并且坡比較緩，其上基本無植被，為流動(dòng)沙丘。實(shí)驗(yàn)地選在典型的南北走向沙壟，南北長約80m，東西長30m，地形較平緩，西坡比東坡稍陡些，上下風(fēng)向都不受植被和周圍地形的影響，沙源豐富。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 沙障鋪設(shè)

本試驗(yàn)沙障材料為不可降解的化學(xué)纖維材料。沙障的鋪設(shè)按東西走向與流動(dòng)沙丘南北走向垂直設(shè)置，自北向南依次鋪設(shè)1m×1m（15%，25%，35%）三種孔隙度的低立式纖維沙袋沙障。每種規(guī)格的沙障南北鋪6行，東西19行，共90個(gè)格，格內(nèi)規(guī)格都是1m×1m，且每相鄰規(guī)格的沙障中間留空白裸沙10m。往沙袋灌沙時(shí)，先把一端挽一個(gè)結(jié)，在裝土?xí)r要把袋內(nèi)沙土敦實(shí)，使基部適當(dāng)寬些，這樣可以使沙袋比較穩(wěn)固，不會(huì)被大風(fēng)吹倒。沙袋直徑寬15cm、高30cm、其中靠地5cm在鋪設(shè)時(shí)就地被埋入，鋪完后沙袋均高出沙面25cm（即H＝25cm）。

2.2 指標(biāo)測(cè)定

風(fēng)速測(cè)定使用的是中國科學(xué)院蘭州寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所研制的便攜式多路風(fēng)速風(fēng)向采集儀。為分析障內(nèi)外風(fēng)速的變化，由東到西在沙障正中布設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，即障前1m（A1）、障中7m（A2）、障中14m（A3）、障中21m（A4）、障后1m（A5）、障后6m（A6），如圖1所示，A2—A4分別在障中第6，12，18格中，同時(shí)空白裸沙測(cè)點(diǎn)位置與上同步，即B1—B6。每一測(cè)點(diǎn)觀測(cè)6個(gè)高度，分別為10，20，30，50，100，200cm，每隔2s自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)，取100次為一組數(shù)據(jù)，每一測(cè)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間為4min，所測(cè)風(fēng)速為瞬時(shí)風(fēng)速。障內(nèi)和空白裸沙兩測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行，其中曠野200cm高度始終觀測(cè)。設(shè)置空白裸沙的目的主要是消除地形的影響，使不同規(guī)格沙障之間不相互作用，因此也可以近似地當(dāng)做曠野處理。由此同方位的裸沙與障內(nèi)所測(cè)風(fēng)速可看作鋪障之前與鋪障之后同一點(diǎn)所測(cè)風(fēng)速。依據(jù)障內(nèi)外不同高度及空白裸沙的風(fēng)速測(cè)量值，來反映沙障對(duì)風(fēng)的影響及不同孔隙度之間的防風(fēng)效益[6－8]。

圖1 風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

在測(cè)定風(fēng)速的同時(shí)用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理研究所自制的積沙儀測(cè)定輸沙量。四臺(tái)集沙儀分別設(shè)在曠野和三種不同規(guī)格的沙障中間，并且位置都在坡頂，同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，輸沙量觀測(cè)的時(shí)間40min。帶回室內(nèi)用1／1 000的天平稱重[9]。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙袋沙障對(duì)風(fēng)速的影響

沙障孔隙面積與沙障總面積之比叫做沙障孔隙度，是衡量沙障透風(fēng)性能的指標(biāo)。風(fēng)沙活動(dòng)層中風(fēng)速隨高度的分布遵循對(duì)數(shù)規(guī)律，但由于不同的下墊面對(duì)氣流紊動(dòng)性的影響程度不同[10－12]。如圖2為三種不同孔隙度沙障障中與同位置曠野風(fēng)速廓線的比較，其曠野風(fēng)速都相同（7.5m／s）。每個(gè)規(guī)格測(cè)點(diǎn)0.1～2.0m高度的風(fēng)速都為平均風(fēng)速，曲線為各規(guī)格散點(diǎn)的趨勢(shì)線，都符合對(duì)數(shù)規(guī)律。由圖2可知，35%孔隙度對(duì)風(fēng)的影響最大，25%次之，15%影響最小，其對(duì)風(fēng)的影響都很相似，對(duì)數(shù)曲線有平行的趨勢(shì)，都抬高了風(fēng)蝕基準(zhǔn)面。35%對(duì)風(fēng)速影響最大，其障內(nèi)粗糙度最大，實(shí)地觀測(cè)可知35%沙袋露出地表最多，但其阻沙效益不如另外兩種規(guī)格好，這與粗糙度最大不符，主要原因可能是沙障鋪設(shè)不久，風(fēng)向多變，障內(nèi)積沙不均造成的，另外各規(guī)格測(cè)點(diǎn)都在沙障中間，距上風(fēng)向入障邊都為14m，這個(gè)距離有可能影響風(fēng)沙流的飽和路徑長度，進(jìn)而影響輸沙量與風(fēng)速。

圖2 三種孔隙度沙障障中與曠野同位置風(fēng)速廓線變化比較

3.2 沙袋沙障對(duì)粗糙度的影響

粗糙度是近地表風(fēng)速為零的高度，它是反映地表對(duì)風(fēng)阻抗的重要參數(shù)[13－14]。粗糙度大對(duì)氣流的阻抗作用大，有許多學(xué)者研究報(bào)道地表覆蓋物能夠增大地表粗糙度。本文對(duì)三種規(guī)格的沙障和曠野進(jìn)行了對(duì)比，觀測(cè)位置都選在坡頂，即與上文測(cè)量不同規(guī)格沙障風(fēng)速變化的測(cè)點(diǎn)一樣，位置都在入障14m。觀測(cè)高度取2m和0.5m，2m 高風(fēng)速都取7.5m／s，高0.5m風(fēng)速為平均值（兩點(diǎn)風(fēng)速都同時(shí)觀測(cè)）。

計(jì)算粗糙度公式如下：

式中：z1，z2——觀測(cè)高度值（cm）；u1，u2——高度z1，z2處的風(fēng)速（m／s）；z0——地面粗糙度（cm）。

如表1所示，曠野粗糙度為0.02cm，從15%到35%孔隙度，沙障粗糙度逐漸增大，說明35%沙障對(duì)風(fēng)的減弱作用最強(qiáng)，原因?yàn)?5%的沙袋被沙埋的最少，出露沙面的高度最大，因此對(duì)風(fēng)的阻力大，防風(fēng)效益強(qiáng)。15%的沙袋幾乎被埋沒，25%的次之。由此可知35%疏透性最好，防風(fēng)阻沙效果最好。經(jīng)多重均值檢驗(yàn)，35%孔隙度有顯著增加地表粗糙度的效果。

表1 不同規(guī)格沙障內(nèi)的粗糙度變化

3.3 沙袋沙障對(duì)輸沙量的影響

從圖3可以看出，距沙面10cm高度范圍內(nèi)，0—2cm輸沙量占0—10cm總輸沙量的比值是曠野最小，各規(guī)格沙障變化不大。0—10cm輸沙量占0—30 cm總輸沙量的比值是曠野最大，說明沙障內(nèi)與曠野相比越靠近地表，沙障削弱作用越強(qiáng)。不同規(guī)格的沙障15%總輸沙量最大，35%次之，25%最小。據(jù)實(shí)際觀測(cè)可知15%沙障內(nèi)已被流沙積滿，基本形成穩(wěn)定曲面，因此阻沙效益不大，而另外兩種規(guī)格沙袋出露較多，對(duì)風(fēng)沙流有減弱作用，積沙相對(duì)較少。

圖3 不同孔隙度沙障障內(nèi)和曠野輸沙量對(duì)比

4 結(jié)論

低立式纖維沙袋沙障對(duì)1m以下風(fēng)速減弱明顯，并由進(jìn)障到出障風(fēng)速都在減小。對(duì)1m以上風(fēng)速減小與增大相間分布，波動(dòng)性較大。風(fēng)在入障前有一個(gè)減速區(qū)，其范圍大于障前4H，在出障后減速梯度最大能減到裸沙對(duì)照的46.7%，其障后風(fēng)速恢復(fù)到曠野風(fēng)速距離大于24H。3種規(guī)格沙障35%孔隙度對(duì)風(fēng)的削弱作用最強(qiáng)，25%次之，15%最小，障中粗糙度35%最大、25%次之，15%最小。與曠野相比三種規(guī)格沙障都具有明顯的阻沙作用，35%規(guī)格西南端淘蝕嚴(yán)重，35%孔隙度沙袋不宜鋪設(shè)在坡度較大的沙面上，坡度對(duì)15%規(guī)格沙障影響較小，在鋪設(shè)時(shí)要根據(jù)不同規(guī)格對(duì)沙袋就地沙埋深度有不同要求。

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