直壓立式紗網(wǎng)沙障風洞試驗研究

閆德仁，胡小龍，黃海廣，袁立敏

(內(nèi)蒙古林業(yè)科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

設(shè)置沙障是防沙治沙工程建設(shè)中最常用而有效的技術(shù)措施，尤其在流動沙地治理和植被恢復中具有重要的作用。目前，設(shè)置的沙障主要是采用柴、草、枝條、板條等材料直插在沙面上，或用黏土、卵石等在沙面上堆成土埂，起到降低風速、阻擋和固定流沙的作用。但是，上述各種類型沙障設(shè)置初期存在的普遍問題是不能有效地控制沙障間因風蝕而形成的凹面深度，并影響沙障內(nèi)造林成活率和保存率，同時，鋪設(shè)沙障是以人工為主，工作量大，速度慢，效率低，成本高，因此，如何大幅度地降低沙障固沙成本，并減少沙障間風蝕凹面深度，快速建立植被，發(fā)揮目的樹種的生態(tài)作用是生產(chǎn)中亟須解決的問題。為此，我們在流動沙丘上設(shè)置直壓立式紗網(wǎng)沙障并進行固沙造林，經(jīng)過近2年的野外跟蹤調(diào)查，該沙障具有明顯的成本優(yōu)勢和顯著的防風固沙效果[1]。為進一步驗證該沙障的風蝕控制效果，進行了風洞試驗，目的是客觀分析該沙障的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在中國科學院寒區(qū)旱區(qū)工程研究所沙坡頭研究站風沙環(huán)境風洞中進行。風洞全長37.78 m，試驗段長度為21.0 m，橫斷面1.2 m×1.2 m。同時在距離試驗段起點約12 m處的洞體中心位置鋪設(shè)紗網(wǎng)沙障。沙障材料為抗老化PE紗網(wǎng)材料，紗網(wǎng)寬1.2 m，紗網(wǎng)孔隙20目(即網(wǎng)孔尺寸為0.71 mm)。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 沙障鋪設(shè) 紗網(wǎng)沙障垂直風向鋪設(shè)，采用帶狀(一條帶)鋪設(shè)。具體鋪設(shè)方法是先在風洞內(nèi)鋪設(shè)風積沙，鋪設(shè)寬度1.2 m，長度10 m，鋪沙厚度10 cm，然后將沙網(wǎng)放在風積沙平面的中心部位，在紗網(wǎng)中心部位下壓，下壓深度10 cm，使網(wǎng)片兩端翹起直立，形成直立網(wǎng)片，網(wǎng)片翹起高度分別為10 cm、15 cm和20 cm。按照試驗設(shè)計鋪好沙障后，進行風洞吹蝕試驗。設(shè)計風速為11 m·s-1，吹蝕時間3 min。

1.2.2 紗網(wǎng)沙障對輸沙量影響測定 在帶狀紗網(wǎng)沙障背風側(cè)1.2 m處，放置階梯式集沙儀。集沙儀共20層，每層高度2 cm，每層積沙口面積2 cm×2 cm。地面第一層高度范圍為0～2 cm，第二層高度范圍為2～4 cm，依次類推。同時，以未設(shè)置帶狀紗網(wǎng)沙障為對照處理。風速11 m·s-1條件下吹蝕時間3 min后，收集每個高度范圍的積沙量，然后用分析天平稱質(zhì)量，單位g·cm-2·min-1。

1.2.3 紗網(wǎng)沙障風蝕積沙測定 在紗網(wǎng)沙障迎風側(cè)0 H(H沙障露出地面高度)、0.5 H、1 H、1.5 H、2 H和沙障背風側(cè)0 H、0.5 H、1 H、1.5 H、2 H 和3 H的沙面分別設(shè)置三排平行的插釬，吹蝕時間3 min后，根據(jù)插釬頂部和沙面距離確定每個位置的風蝕積沙深度，其平均值為沙障兩側(cè)不同距離處的風蝕積沙狀況。

1.2.4 紗網(wǎng)沙障對風場變化的影響 采用輪廓式畢托管測定沙障迎風側(cè)10 cm、20 cm、30 cm及沙障背風側(cè)10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm不同距離處風速，采集高度分別為1 cm、2 cm、4 cm、8 cm、12 cm、20 cm、30 cm，針對以上風速數(shù)據(jù)，采用Surfer 8軟件進行風場計算及圖形處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 紗網(wǎng)沙障的輸沙量變化特征

從圖1可以看出，在未設(shè)沙障時， 以11 m·s-1風速吹蝕3 min后，在距地面0～2 cm高度范圍輸沙量為1.85 g·cm-2·min-1，占距地面0～24 cm高度范圍總輸沙量的41.45%，距地面2～4 cm高度范圍輸沙量為1.21 g·cm-2·min-1，占總輸沙量的27.08%，距地面4～6 cm高度范圍輸沙量為0.59 g·4cm-2·3 min-1，占總輸沙量的13.27%，同時，隨著距離地面高度的增加，輸沙量顯著降低，并且距地面24 cm及以上高度，階梯式集沙儀沒有積沙?？梢?，在未設(shè)沙障時，風沙流主要是在近地表運動，且距地面0～6 cm高度輸沙量占總輸沙量的81.82%，距地面0～10 cm高度輸沙量占總輸沙量的93.3%。因此，設(shè)置距地面以上10 cm高度的沙障就能夠較好的攔截地表風沙流，減少風沙危害。

圖1無沙障條件下輸沙量變化

參考圖1變化曲線，從圖2中可以明顯看出，設(shè)置帶狀紗網(wǎng)沙障后對攔截地表風沙流具有顯著的效果，并且，風沙流結(jié)構(gòu)也發(fā)生明顯的變化，即輸沙量最大的高度不是在距地表0～4 cm高度范圍，而是隨著沙障高度差異而變化。如，沙障高度為20 cm時，其輸沙量最大高度是在距地面6～10 cm高度范圍，高度10 cm時，最大輸沙量在距地面10～14 cm高度范圍，沙障高度15 cm時，最大輸沙量在距地面14～18 cm高度范圍，以后則隨著距離地面高度的增加，輸沙量急劇降低到零。

圖2 不同高度沙障輸沙量變化

從沙障攔沙效果看，在距離地表0～40 cm高度范圍內(nèi)，高度10 cm的帶狀紗網(wǎng)沙障總輸沙量為0.9 g·cm-2·min-1，高度15 cm沙障為1.11 g·cm-2·min-1，高度20 cm沙障為0.56 g·cm-2·min-1，而無沙障對照為4.47 g·cm-2·min-1，說明紗網(wǎng)沙障攔沙效果非常明顯。

同樣，在距離地表不同高度范圍內(nèi)，因沙障高度不同其攔沙效果存在差異。例如，在距離地表0～6 cm高度范圍內(nèi)，沙障高度10 cm的帶狀紗網(wǎng)沙障效果最好，其輸沙量為0.11 g·cm-2·min-1，高度15 cm沙障為0.14 g·cm-2·min-1，高度20 cm沙障為0.17 g·cm-2·min-1。而在距離地表8 cm高度以上范圍內(nèi)，高度20 cm的帶狀紗網(wǎng)沙障效果最好，例如，10～40 cm高度其輸沙量為0.32 g·cm-2·min-1，高度15 cm沙障為0.9 g·cm-2·min-1，高度10 cm沙障為0.71 g·cm-2·min-1。

2.2 紗網(wǎng)沙障風蝕積沙的變化特征

風蝕積沙特征是影響流動沙丘固沙造林的重要因素。從圖3中可以看出，不同沙障高度，沙障后0H處積沙量最大，積沙厚度為1.67～4.1 cm；沙障前0 H次之，積沙厚度為0.97～2.34 cm。同時，隨著沙障距離變化，沙障兩側(cè)風蝕積沙深度存在差異。其中，當沙障高度20 cm時，在紗網(wǎng)沙障迎風側(cè)2 H、1.5 H和1 H位置發(fā)生風蝕，風蝕深度分別為0.47 cm、0.4 cm和0.2 cm，而在障前0.5 H處形成0.3 cm的積沙，同時在紗網(wǎng)沙障背風側(cè)形成持續(xù)的積沙過程，并且在障后0 H處最大，積沙厚度為4.1 cm。

圖3 沙障前后不同距離風蝕積沙的變化

同樣，當沙障高度10 cm時，在紗網(wǎng)沙障迎風側(cè)2 H、1.5 H位置的風蝕深度分別為0.34 cm和0.1 cm，而在障前1 H處形成0.2 cm的積沙，其他位置則形成持續(xù)的積沙過程，并且在障后0 H處最大，積沙厚度為1.67 cm。但是，當沙障高度15 cm時，無論是在紗網(wǎng)沙障迎風側(cè)，還是在背風側(cè)不同的位置，均形成持續(xù)的積沙過程，并且在障后和障前0 H處最大，積沙厚度均為2.34 cm。因此，我們可以認為，在紗網(wǎng)沙障迎風側(cè)2 H范圍或背風側(cè)3 H范圍內(nèi)進行造林，均可以較好控制因風蝕造成對苗木根系的危害，可提高造林成活率和保存率。事實上[1]，在該沙障背風側(cè)30 cm范圍內(nèi)栽植樟子松、哲林4號楊、黃柳成活率分別達到了91.67%、95.35%、96.62%，且沒有風蝕危害，第2年保存率90%以上，并且草本植被蓋度平均提高到40%左右，風沙危害得到明顯控制。

2.3 紗網(wǎng)沙障對風場變化的影響

風是塑造風沙地貌形態(tài)的基本營力之一，也是沙粒發(fā)生運動的動力基礎(chǔ)。所以設(shè)置沙障后，其風速流場變化可以評價該沙障的固沙效果如何。從圖4、圖5、圖6中可以看出，在20 cm以下高度范圍內(nèi)，沙障具有降低風速的效果，并且由于沙障高度不同，沙障兩側(cè)的風場變化特征也不同。

從圖4中可以看出，當沙障高度10 cm時，沙障背風側(cè)0～20 cm和40～60 cm范圍形成明顯的弱風區(qū)，在沙障迎風側(cè)(負值)0～30 cm范圍內(nèi)，風速呈現(xiàn)出逐漸降低的過程，但在設(shè)置沙障位置(0距離)的上方10 cm以上高空則形成1個高風速渦旋，并對懸移的沙粒運動產(chǎn)生影響，使空中的風沙流處于不飽和狀態(tài)，并把沙粒運送到更遠的距離，從而減少地表風蝕危害。

圖4 障高10 cm時沙障兩側(cè)風速流場的變化

從圖5中看出，當沙障高度為15 cm時，沙障背風側(cè)范圍形成弱風區(qū)。而在沙障(0距離)上方及沙障背風側(cè)0～30 cm范圍內(nèi)空中則形成幾個高風速渦旋，這反映出直壓立式紗網(wǎng)隨風運動前后擺動的特點，同時由于紗網(wǎng)有網(wǎng)眼又具有通風的作用。正如張克存等[3]研究表明，不同下墊面通過影響風沙活動層氣流的能量分布來影響風沙流的結(jié)構(gòu)。所以，當沙障高度15 cm時，紗網(wǎng)沙障對空中氣流具有一定的擾動作用，出現(xiàn)3～4個高風速渦旋(圖5)。

圖5 障高15 cm時沙障兩側(cè)風速流場的變化

同樣，從圖6中看出，當沙障高度20 cm時，在沙障背風側(cè)形成弱風區(qū)，并在沙障位置(0距離)上方及沙障背風側(cè)10 cm高空范圍內(nèi)形成8～9個高風速渦旋，進一步印證了直壓立式紗網(wǎng)隨風運動前后擺動對空中氣流的擾動作用更加強烈，其降低風速的效果會更好。

圖6 障高20 cm時沙障兩側(cè)風速流場的變化

3 討論

風洞是研究沙障固沙成效的重要手段之一，其研究結(jié)論能夠從理論層面評價了不同固沙技術(shù)的成效，并對相關(guān)技術(shù)模式進行了篩選，從而提高了固沙應用技術(shù)的理論依據(jù)。徐先英等[4]研究了3種新型固沙劑的固沙效果，認為“輸沙量越大的風沙流，對固結(jié)表面的破壞程度越大”；屈建軍等[5]研究了尼龍網(wǎng)柵欄防沙效應，發(fā)現(xiàn)采用尼龍網(wǎng)制成的柵欄，其作用兼有疏透和通風兩種形式；董智等[6]研究了土壤凝結(jié)劑沙障防風固沙作用；楊文斌等[7]研究了低覆蓋度不同配置灌叢內(nèi)風流結(jié)構(gòu)與防風效果，認為“行帶式模式內(nèi)形成規(guī)整的隨灌叢帶波動的流場結(jié)構(gòu)，而隨機不均勻配置模式內(nèi)形成由多個風影區(qū)和風速加速區(qū)組合的非常復雜的流場結(jié)構(gòu)”；張克存等[8]研究了不同下墊面對風沙流特性影響，認為“不同性質(zhì)的下墊面對氣流的紊動性起重要作用，而攜沙氣流又是影響風沙流特性的主要因素，而下墊面性質(zhì)通過影響風沙活動層氣流的能量分布來改變風沙流結(jié)構(gòu)”。

本研究結(jié)果表明，設(shè)置紗網(wǎng)沙障后，不同高度沙障影響著風特征，改變了風沙流的運動軌跡，并且由于風動力和風速流場的變化，氣流也發(fā)生了明顯的變動，改變著地表風沙流的結(jié)構(gòu)，使沙障在控制地表風蝕方面起到了明顯的作用。張克存等[2]利用風洞模擬研究了不同孔隙度尼龍網(wǎng)對風沙流減弱作用，結(jié)果表明，不同孔隙度的尼龍網(wǎng)不僅直接影響沙顆粒的穿透能力，而且還改變氣流的紊動特性，最終對沙障的防護效益產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。直壓立式PE紗網(wǎng)沙障具有隨風運動進行前后擺動的特性，同樣兼有疏透和通風功能，一方面克服了沙埋危害，另一方面隨著沙障高度變化，對氣流擾動作用加強，在沙障背風側(cè)形成弱風區(qū)，同時改變沙障上方及沙障兩側(cè)風速流場，并在10 cm以上空中形成多個渦旋，從而減少風沙流對地表的風蝕作用，為促進植被生長提供保障。

4 初步結(jié)論

4.1 設(shè)置直壓立式紗網(wǎng)沙障改變了地表風沙流結(jié)構(gòu)，有效攔截地表風沙流中的沙粒，減少風沙危害，且不同規(guī)格的紗網(wǎng)沙障其攔沙效果不同。

4.2 不同沙障高度下直壓立式紗網(wǎng)沙障兩側(cè)風蝕積沙深度存在差異。通常，在紗網(wǎng)沙障迎風側(cè)發(fā)生風蝕，背風側(cè)形成積沙，且在沙障鋪設(shè)位置(0H處)積沙量最大。

4.3 直壓立式紗網(wǎng)沙障具有降低風速的效果，并且由于沙障高度不同，沙障上方及沙障兩側(cè)風速流場的變化特征不同。隨著障高增加，在沙障上方及沙障背風側(cè)形成的高風速渦旋數(shù)量也隨之增加。

[1] 閆德仁，胡小龍，黃海廣，等.紗網(wǎng)沙障對植被恢復效果的影響[J].內(nèi)蒙古林業(yè)，2017(3)：10-11

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[3] 張克存，屈建軍，俎瑞平.下墊面條件對風沙活動層氣流紊動性影響的風洞實驗[J].水土保持通報，2004，24(3)：1-4

[4] 徐先英，唐進年，金紅喜，等.3種新型化學固沙劑的固沙效益實驗研究[J].水土保持科學，2005，19(3)：62-65

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[6] 董智，李紅麗，左合君，等.土壤凝結(jié)劑沙障防風固沙實驗研究[J].中國水土保持科學，2004，2(2)：45-49

[7] 楊文斌，盧琦，吳波，等.低覆蓋度不同配置灌叢內(nèi)風流結(jié)構(gòu)與防風效果的風洞實驗[J].中國沙漠，2007，27(5)：791-795

[8] 張克存，屈建軍，俎瑞平，等.不同下墊面對風沙流特性影響的風洞模擬研究[J].干旱區(qū)地理，2004，27(3)：352-355