草基高立式葵花秸稈沙障的壓制方法及防風(fēng)固沙效能研究

劉世增, 詹科杰, 方峨天, 楊自輝, 周蘭萍, 唐進(jìn)年

(甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 甘肅 武威 733000)

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草基高立式葵花秸稈沙障的壓制方法及防風(fēng)固沙效能研究

劉世增, 詹科杰, 方峨天, 楊自輝, 周蘭萍, 唐進(jìn)年

(甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 甘肅 武威 733000)

以葵花秸稈為原材料制作機(jī)械沙障，可以將葵花秸稈變廢為寶，具有良好的防風(fēng)固沙效能。通過對單條草基高立式葵花秸稈沙障背風(fēng)側(cè)地表10 cm風(fēng)速，多條沙障背風(fēng)側(cè)1 m，4 m處0～2 m高度內(nèi)的風(fēng)速廓線，風(fēng)沙流流量及積沙量進(jìn)行了測定，結(jié)果表明：1 m高的草基高立式葵花秸稈沙障可以明顯的降低沙障背風(fēng)側(cè)15 m范圍內(nèi)地表0.1 m高度處的風(fēng)速，風(fēng)速消減率隨距離的增加而逐漸減小。隨著草基高立式葵花秸稈沙障條帶數(shù)目的增加，風(fēng)速消減率明顯增加，同時(shí)風(fēng)速消減率隨高度增加逐漸減小，變化幅度先增加后減小。在地表0.14 m以下，單條草基高立式葵花秸稈沙障對其背風(fēng)側(cè)1 m處風(fēng)沙流流量的消減率均大于98%，單條沙障就可以非常明顯攔阻上風(fēng)向沙物質(zhì)向下輸運(yùn)并抑制沙障背風(fēng)側(cè)就地起沙。沙障設(shè)置后會在其兩側(cè)出現(xiàn)明顯的積沙，積沙量最大點(diǎn)位于沙障附近，隨著離沙障距離的增加，積沙量逐漸減低，變化趨勢遵循二次多項(xiàng)式函數(shù)。

防風(fēng)固沙; 葵花秸稈; 沙障; 風(fēng)速; 風(fēng)沙流流量

機(jī)械沙障是通過改變下墊面的性質(zhì)，增加地表粗糙度來實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)速，消減地表輸沙量，穩(wěn)定流動沙面、減輕由地表風(fēng)沙運(yùn)動所造成的災(zāi)害的一種有效措施[1-5]，是工程防沙措施的重要組成部分，也是生物固沙措施實(shí)施的輔助手段和先導(dǎo)措施。特別是在風(fēng)沙危害特別嚴(yán)重的地區(qū)，由于局地流沙貧瘠、風(fēng)沙活動強(qiáng)烈、環(huán)境惡劣，多數(shù)生物在此無法生存，生物固沙短期內(nèi)難于見效，機(jī)械沙障防治風(fēng)沙危害就顯得越發(fā)重要和必要。

在沙漠治理的實(shí)踐中，我國先后引進(jìn)或自主研發(fā)創(chuàng)造了麥草、黏土、棉花桿、仿真植物及尼龍網(wǎng)等材料的機(jī)械沙障，并在防沙治沙中推廣應(yīng)用[6-8]。上述機(jī)械沙障材料各異，形式多樣，結(jié)構(gòu)和功能的差異也很大，國內(nèi)外已有大量針對它們的防風(fēng)固沙效能、時(shí)效性、成本等方面的研究[9-13]。然而在傳統(tǒng)的麥草、黏土沙障在流沙防治中發(fā)揮極大作用的同時(shí)，也漸漸出現(xiàn)了一些制約它們效益的問題。例如：麥草沙障易于腐爛、使用壽命過短；黏土沙障設(shè)置后沙面極易形成物理結(jié)皮，引起水分入滲困難，不利于植物的恢復(fù)和生長。隨著科技的發(fā)展，大量的固沙新材料不斷出現(xiàn)，尼龍網(wǎng)、復(fù)膜沙袋等多種新型固沙材料被廣泛應(yīng)用于流沙固定工程，但其抗老化、耐高溫及成本等問題一直制約著他們的推廣應(yīng)用。

葵花是我國西北干旱區(qū)一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，近年來隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，其種植面積有逐年增加的趨勢。以葵花秸稈為原材料制作機(jī)械沙障，可以將葵花秸稈變廢為寶，消除因焚燒葵花秸稈而造成的空氣污染。2013年王文彪等人以葵花秸稈為材料在七星湖制作平鋪式沙障，觀測并驗(yàn)證了其良好的防風(fēng)固沙效益[14]。本文將就草基高立式葵花秸稈沙障的壓制方法及防風(fēng)固沙效益開展相關(guān)研究，進(jìn)而為草基高立式葵花秸稈沙障防沙工程的應(yīng)用及推廣提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

甘肅省民勤縣位于河西走廊東部石羊河流域下游，面積為1.6萬km2。地勢四周高、中間低，具有盆地特征，平均海拔高度在1 300～2 000 m，在地質(zhì)構(gòu)造上屬阿拉善臺塊的南部邊緣凹陷。西、北兩面是被巴丹吉林大荒漠區(qū)東侵和南侵形成的西沙窩和北沙窩，東面被騰格里大荒漠區(qū)西侵而形成的東沙窩緊緊包圍，屬暖溫帶干旱氣候區(qū)，多年平均降水量為113.6 mm，年平均蒸發(fā)量高達(dá)2 643.3 mm，是年降水量的23.2倍。年平均相對濕度51%，干燥度5.3；多西北風(fēng)，年均大風(fēng)日數(shù)26.3 d，沙塵暴日數(shù)25 d，年平均風(fēng)速2.5 m/s，起沙風(fēng)速大于5.0 m/s。

本研究所選試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省民勤縣境內(nèi)甘肅民勤綜合治沙試驗(yàn)站西北部流動沙丘分布區(qū)(102°56′9.54″E，38°38′21.6 N")，草基高立式葵花秸稈沙障布設(shè)區(qū)和對照區(qū)分別位于相鄰的兩座新月型沙丘，兩座沙丘幾乎平行分布，上風(fēng)向沙源充足，丘間礫質(zhì)沙地有少量白刺灌叢沙堆(Nitrariatangutorum)，蘆葦(P.communisTrin.)分布。

2 材料與方法

2.1 草基高立式葵花秸稈沙障設(shè)計(jì)原理及規(guī)格

沙障的規(guī)格及設(shè)置方式與沙障防風(fēng)固沙效益的發(fā)揮有很大的相關(guān)性，不同的沙障設(shè)置方式將對應(yīng)不同的防沙效益。目前一般認(rèn)為，在單一風(fēng)向的影響區(qū)，沙障可設(shè)置為條帶狀，而在多風(fēng)向地區(qū)，沙障一般設(shè)置為格狀。對于半透風(fēng)結(jié)構(gòu)沙障而言，其有效的水平防風(fēng)距離與沙障自身的設(shè)置高度、孔隙率有密切的關(guān)系，高度越大，防風(fēng)有效水平防護(hù)距離越大[15]。而在障間距離和沙障高度一定的情況下，沙障孔隙度的大小一般多采用25%～50%的透風(fēng)孔隙度[16]。

基于上述研究結(jié)果及沙障設(shè)計(jì)原理，我們將草基高立式葵花秸稈沙障的設(shè)置規(guī)格定為：兩端封閉的條帶式布設(shè)方式，沙障設(shè)置行距8～12 m，地面以上高度0.8 m，孔隙率30%左右。

2.2 草基高立式葵花秸稈沙障設(shè)置方法

草基高立式葵花秸稈沙障由葵花秸稈、固定樁、拉絲、麥草草基和沙埂組成。將葵花秸稈收集起來，剔除根部的須根和泥土，為了使沙障看起來整齊應(yīng)該選擇較直的葵花秸稈并適當(dāng)?shù)男藜羝漤敳俊Ｔ谏痴系脑O(shè)置點(diǎn)垂直于區(qū)域內(nèi)主風(fēng)向以5～10 m的間距栽好固定樁，作為草基高立式葵花秸稈沙障的一個(gè)制作單元，在固定樁上以葵花秸稈的2/3高度為標(biāo)準(zhǔn)拉緊、固定好一定強(qiáng)度鐵絲作為背風(fēng)向拉絲。固定樁和背風(fēng)向拉絲既可以作為排列葵花秸稈的標(biāo)準(zhǔn)線，又可以為葵花秸稈抵御大風(fēng)提供一定的支撐。以背風(fēng)向拉絲在沙面上的投影為軌跡在沙面上開深度大致等于0.2 m的溝，在溝底放置一定量麥草后將葵花秸稈的一頭橫排并列放置于所開的溝底并保證葵花秸稈直立于沙面，通過控制葵花秸稈的擺放密度可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整草基高立式葵花秸稈沙障的孔隙度。待葵花秸稈擺放整齊后用沙在葵花秸稈的兩面將所開的溝填平并堆起一個(gè)小埂形成草基和沙埂，沙埂的高度一般高于地面15～25 cm，并使得麥草草基的草頭露出沙埂。麥草組成的草基和沙埂可以有效的防止沙障底部產(chǎn)生的風(fēng)蝕，增加草基高立式葵花秸稈沙障的固沙效果和使用壽命。待兩根固定樁之間的葵花秸稈排滿后在和背風(fēng)向拉絲相同的高度以一定直徑的鐵絲拉緊固定好迎風(fēng)向拉絲。在背風(fēng)向拉絲和迎風(fēng)向拉絲的束縛及草基和沙埂的共同作用下能保證草基高立式葵花秸稈沙障在大風(fēng)的吹蝕下保持結(jié)構(gòu)和形態(tài)的完整。

2.3 研究方法

于2014—2015年3—5月對試驗(yàn)區(qū)及對照區(qū)風(fēng)速、風(fēng)沙流流量以及積沙量進(jìn)行測量。單條草基高立式葵花秸稈沙障背風(fēng)側(cè)1～15 m范圍內(nèi)以2 m為間距的地表10 cm處的風(fēng)速，多條沙障背風(fēng)側(cè)1 m，4 m處地表0～2 m高度的風(fēng)速廓線采用三葉式風(fēng)杯進(jìn)行測量，風(fēng)速廓線的測量高度分別為0.1，0.2，0.4，0.6，1.2，2.0 m。風(fēng)沙流流量是觀測高度內(nèi)單位時(shí)間通過單位寬度的總沙量，風(fēng)沙流流量用濾袋式階梯集沙儀測量，濾袋式階梯集沙儀觀測高度為20 cm，每2 cm為一層。沙障前后的風(fēng)蝕、積沙量用風(fēng)蝕釬測定，測量距離為沙障迎風(fēng)側(cè)2 m至背風(fēng)側(cè)8 m，測量點(diǎn)間距為1 m，積沙時(shí)間為2015年3—5月。風(fēng)速廓線、風(fēng)沙流流量的測量點(diǎn)分別位于沙障試驗(yàn)區(qū)所在沙丘和對照沙丘的相同位置處，均在相同時(shí)間段內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。

3結(jié)果與分析

3.1 單條草基高立式葵花秸稈沙障的防風(fēng)固沙效益

圖1為單條沙障背風(fēng)側(cè)1～15 m范圍內(nèi)地表10 cm處的風(fēng)速變化情況。結(jié)果表明：在單條平均高度為1 m的草基高立式葵花秸稈沙障的影響下沙障背風(fēng)側(cè)風(fēng)速明顯降低，沙障對風(fēng)速的消減符合典型的疏透形風(fēng)障對風(fēng)速的消減規(guī)律[17-19]。距離1 m處地表0.1 m高度的風(fēng)速消減率為59%，至3 m處達(dá)到所有觀測點(diǎn)中風(fēng)速消減率的最大值76%，繼而隨著距離的增加風(fēng)速消減率逐漸減小，至15 m處，風(fēng)速消減率減小為27%。

圖1 單條沙障背風(fēng)側(cè)風(fēng)速削減的變化

圖2為多條沙障背風(fēng)側(cè)距離沙障1 m和4 m處0～2 m范圍內(nèi)風(fēng)速消減率(與對照區(qū)風(fēng)速相比)隨高度的變化情況，從圖中可以看出：隨著草基高立式葵花秸稈沙障條帶數(shù)目的增加，距離沙障1 m處地表0.1 m高度處的風(fēng)速消減率明顯增大，為89%。從風(fēng)速消減率隨高度的變化情況來看，在1 m處地表0.1～0.6 m范圍內(nèi)風(fēng)速消減率隨高度的變化很小，僅為4%，隨著距離增加，此范圍內(nèi)風(fēng)速消減率的變化增大，在4 m處為14.7%。在0.6～1.2 m范圍內(nèi)1 m和4 m處風(fēng)速消減率隨高度的變化急劇增加，分別為55.7%和23.4%。而在1.2～2 m范圍內(nèi)風(fēng)速消減率隨高度的變化又有所減小，分別為12.8%和15.6%，變化幅度先增加后減小。分析其原因，風(fēng)速消減率隨高度的變化主要是受疏透型的單條草基高立式葵花秸稈沙障對風(fēng)場的影響規(guī)律造成的。0～0.4 m風(fēng)速消減率變化幅度小是因?yàn)榇藚^(qū)域處于疏透型沙障的遮蔽區(qū)域，氣流主要來自于風(fēng)障空隙；0.6～1.2 m范圍內(nèi)風(fēng)速消減率隨高度變化劇烈是因?yàn)榇藚^(qū)域部分已經(jīng)高于沙障的平均高度，受流場在沙障頂端被擠壓、加速的影響，0.6～1.2 m范圍內(nèi)的風(fēng)速梯度將明顯增加。1.2～2.0 m風(fēng)速風(fēng)速消減率變化幅度變小是因?yàn)樯痴系挠绊懺诖藚^(qū)域內(nèi)已經(jīng)逐漸消失。

圖2 多條沙障背風(fēng)側(cè)風(fēng)速削減的變化

圖3 單條沙障背風(fēng)側(cè)風(fēng)沙流削減的變化

圖3為單條沙障背風(fēng)側(cè)1 m處近地面0～0.2 m范圍內(nèi)風(fēng)沙流的消減情況，從圖中可以看出，在0.14 m以下，單條草基高立式葵花秸稈沙障對其背風(fēng)側(cè)1 m處的風(fēng)沙流的消減率均大于98%，然后隨高度的增加，消減率逐漸減小，但在0.18～0.20 m范圍內(nèi)仍能達(dá)到87.4%。這就說明單條沙障就可以非常明顯的攔阻上風(fēng)向沙物質(zhì)向下輸運(yùn)并抑制沙障背風(fēng)側(cè)就地起沙。

3.2 單條草基高立式葵花秸稈沙障的積沙量

通過設(shè)置風(fēng)蝕釬，對單條草基高立式葵花秸稈沙障迎風(fēng)側(cè)2 m及背風(fēng)側(cè)8 m范圍內(nèi)不同距離處的積沙厚度進(jìn)行測量和分析，結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，葵花秸稈沙障設(shè)置后對局地風(fēng)沙流具有明顯的阻擋作用，受平均高度為1 m的草基高立式葵花秸稈沙障的影響，上風(fēng)向輸運(yùn)的沙粒會在其附近迅速沉降并堆積下來，形成明顯的積沙區(qū)域，積沙量最大點(diǎn)位于沙障附近，在沙障設(shè)置3個(gè)月之后可達(dá)到99 cm，隨著離沙障距離的增加，積沙量逐漸減低。經(jīng)回歸擬合，沙障兩側(cè)積沙厚度均與離沙障的距離遵循二次多項(xiàng)式函數(shù)，迎風(fēng)側(cè)為y=4.65x2-38.65x+99 (R2=1.00)，背風(fēng)側(cè)為y=-0.55x2-6.91x+99.28 (R2=0.99)，式中y為積沙厚度(cm)；x為離沙障的距離(m)。

圖4 單條沙障積沙厚度的變化

4 結(jié) 論

(1) 草基高立式葵花秸稈沙障可以有效的降低沙障背風(fēng)側(cè)風(fēng)速，其對風(fēng)速的消減符合典型的疏透形風(fēng)障對風(fēng)速的消減規(guī)律。平均高度為1 m的沙障背風(fēng)側(cè)1 m處地表0.1 m高度的風(fēng)速消減率為59%，3 m處達(dá)到最大值，為76%，繼而隨著距離的增加風(fēng)速消減率逐漸減小。同時(shí)隨著草基高立式葵花秸稈沙障條帶的增加，沙障背風(fēng)側(cè)風(fēng)速消減率明顯增大。沙障對背風(fēng)側(cè)風(fēng)速的消減率隨距沙障的距離及高度的增加而減小。

(2) 單條沙障就可以非常明顯的攔阻上風(fēng)向沙物質(zhì)向下輸運(yùn)并抑制沙障背風(fēng)側(cè)就地起沙。在地表0.14 m以下，單條草基高立式葵花秸稈沙障對其背風(fēng)側(cè)1 m處的風(fēng)沙流流量的消減率均大于98%，然后隨高度的增加，消減率逐漸減小，但在0.18～0.2 m高度范圍內(nèi)仍能達(dá)到87.4%。

(3) 沙障兩側(cè)的積沙量最大點(diǎn)位于沙障附近，在沙障設(shè)置3個(gè)月之后可達(dá)到99 cm，隨著離沙障距離的增加，積沙量逐漸減低。經(jīng)回歸擬合，沙障兩側(cè)積沙厚度均與離沙障的距離遵循二次多項(xiàng)式函數(shù)。

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Research for Making Method ofHelianthusannuusStalk Sand Barrier and Its Windbreak and Sand-fixation Efficiency

LIU Shizeng, ZHAN Kejie, FANG Etian, YANG Zihui, ZHOU Lanping, TANG Jinnian

(GansuMinqinNationalStudiesStationforDesertSteppeEcosystem,Wuwei,Gansu733000,China)

Making mechanical sand barrier withHelianthusannuusstalk can change waste into treasure with good windbreak and sand fixation efficiency. By measuring the wind velocity at the height of 0.1 m, the wind profiles in the scope of 0 m to 2 m, the sand flux and sand collection quantity in the leeward side of ofHelianthusannuusstalk sand barrier with different distance, we found thatHelianthusannuusstalk belt could decrease wind velocity at the height of 0.1 m in the leeward side of it, in the scope of 0～15 m, wind velocity decreasing efficiencies decreased with the increase of distance to the sand barrier, and increased with addition of theHelianthusannuusstalk belt number, the variation ranges increased with height first, and then decreased. Below 0.14 m, the decrease efficiency of sand flux in the spot at the leeward side with a distance of 1 m to the sand barrier was larger than 98%, singleHelianthusannuusstalk belt could obstruct sand flux from windward and fix sand in location. Sand particles will deposit around theHelianthusannuusstalk sand barrier after a period of time, and the thickness of the sand deposition decreased with the increase of the distance to the sand barrier, and followed the power function.

windbreak and sand fixation;Helianthusannuusstalk; sand barrier; wind velocity; sand flux

2015-11-17

2015-12-16

國家科技支撐(2013BAC07B00);國家自然科學(xué)基金(41361001,31560235);甘肅省杰出青年基金(145RJDA327);甘肅省青年科技基金(145RJYA262)

劉世增(1963—),男,甘肅永昌人,研究員,博士,主要從事荒漠化防治研究工作。E-mail:shzliu@126.com

詹科杰(1979—),男,甘肅張掖人,副研究員,在讀博士,主要從事風(fēng)沙兩相流研究工作。E-mail:kejiezhan@aliyun.com

S157.1

A

1005-3409(2016)06-0098-04