不同沙埋程度下帶狀沙障的防風(fēng)固沙效果研究

袁立敏，黃海廣,3，閆德仁，胡小龍

不同沙埋程度下帶狀沙障的防風(fēng)固沙效果研究

袁立敏1,2，黃海廣1,2,3，閆德仁1,2，胡小龍1,2

（1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，呼和浩特 010010；2. 內(nèi)蒙古多倫渾善達(dá)克沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，錫林郭勒盟 027300；3. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，呼和浩特 010018）

沙障在防護(hù)過程中，易發(fā)生沙障沙埋現(xiàn)象。為了對(duì)比分析不同沙埋程度下沙障的防風(fēng)固沙效果差異，該文通過風(fēng)洞模擬和野外試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了沙袋沙障在裸露、淺埋、深埋3種狀態(tài)下，防護(hù)區(qū)近地層風(fēng)流場(chǎng)、輸沙通量等風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并以未設(shè)置沙障的流沙區(qū)作為對(duì)照，明確了沙埋過程中沙障的防風(fēng)固沙效果變化規(guī)律。結(jié)果表明，沙障在經(jīng)歷裸露至深埋過程中：1）對(duì)過境氣流的防護(hù)距離、防護(hù)高度逐漸減小，近地層風(fēng)速廓線變化趨勢(shì)與對(duì)照相同，并逐漸服從對(duì)數(shù)函數(shù)；2）沙障防護(hù)區(qū)輸沙分布高度顯著降低（<0.01），輸沙分布高度由42 cm（裸露）降低至34 cm（淺埋），最終降至28 cm（深埋），而對(duì)照的輸沙分布高度為24 cm；3）近地層輸沙率分布曲線逐漸服從對(duì)數(shù)函數(shù)，0～50 cm高度范圍輸沙量也呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)；4）3種埋設(shè)深度野外試驗(yàn)說明，經(jīng)過兩個(gè)風(fēng)季后，裸露、淺埋、深埋的沙袋沙障防護(hù)區(qū)土壤風(fēng)蝕呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，風(fēng)蝕深度分別比對(duì)照降低了18.53%、72.97%、80.40%。研究可以為沙障高度優(yōu)化及應(yīng)用技術(shù)提升提供理論依據(jù)。

土壤；侵蝕；沙障；風(fēng)蝕；風(fēng)速流場(chǎng)；風(fēng)速廓線；輸沙量

0 引 言

土地沙漠化作為嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題，一直備受公眾關(guān)注。沙障作為一種重要的沙漠化防治工程技術(shù)措施，發(fā)揮著不可替代的作用，其能夠削弱近地層過境風(fēng)沙流強(qiáng)度，有效抑制地表沙粒運(yùn)動(dòng)，在風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域其是植物存活的前提和必要條件。近年來，沙障的相關(guān)應(yīng)用研究得到了很大發(fā)展，但多數(shù)相關(guān)研究?jī)A向于固沙型沙障。固沙型沙障主要是通過隔絕氣流與松散沙層的接觸，或增大地表粗糙度來抑制地表風(fēng)蝕[1]，如傳統(tǒng)草方格沙障、沙柳沙障、黏土沙障、礫石沙障、秸稈沙障等。學(xué)者們對(duì)沙障的防風(fēng)固沙效益[2-6]、土壤改良與植被恢復(fù)效果[7-8]及沙障構(gòu)造尺寸[9-10]等內(nèi)容開展了研究并取得重要進(jìn)展。

沙障沙埋多發(fā)生在沙障設(shè)置初期，當(dāng)過境風(fēng)沙流經(jīng)過沙障時(shí)，受到其阻擋作用，消耗了大量動(dòng)能，氣流攜沙能力下降，引起空中運(yùn)動(dòng)的沙粒墜落和在沙障兩側(cè)的堆積，開始發(fā)生沙埋。沙埋直接導(dǎo)致沙障高度降低，而沙障高度是決定其防護(hù)效果的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一[11]，特別是近地層0～50 cm高度范圍時(shí)，沙障高度是決定其防護(hù)效果的主要因素。但已有研究認(rèn)為，沙障的防護(hù)效果與其高度并不完全呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[12]，還要受到沙障規(guī)格及沙障孔隙度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，一般小規(guī)格沙柳沙障內(nèi)輸沙率與風(fēng)速呈對(duì)數(shù)關(guān)系，而大規(guī)格沙障內(nèi)則呈指數(shù)關(guān)系[13]，沙障內(nèi)部積沙厚度隨著規(guī)格的增大而減小[14]。另外，沙障孔隙度與其防風(fēng)固沙效果相關(guān)性較大[15-17]，在相同強(qiáng)度的氣流下，不透風(fēng)沙障嵌固端受力遠(yuǎn)高于透風(fēng)式沙障，不同孔隙率沙障背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)相似性[18]。越接近沙障，背風(fēng)側(cè)風(fēng)速明顯偏離對(duì)數(shù)廓線分布，且偏離越明顯，并且沙障設(shè)置行數(shù)、孔隙度對(duì)柵欄沙障防護(hù)效果影響也十分顯著[19]。

一般認(rèn)為，沙障被沙埋是導(dǎo)致其防風(fēng)固沙功能衰減和喪失的主要原因，沙障被嚴(yán)重沙埋會(huì)導(dǎo)致防風(fēng)固沙功能喪失，而輕度沙埋則有助于沙障形成穩(wěn)定的防護(hù)結(jié)構(gòu)體，在一定程度上可提高防護(hù)效果。對(duì)不同沙埋程度下沙障防護(hù)功能、防護(hù)效益的監(jiān)測(cè)研究，有利于摸清沙障沙埋機(jī)理。但是，目前鮮見不同沙埋程度沙障防護(hù)效果研究的相關(guān)報(bào)道。本文選擇不透風(fēng)型的沙袋沙障為研究對(duì)象，采用風(fēng)洞模擬試驗(yàn)并結(jié)合野外實(shí)測(cè)，對(duì)比研究了不同程度沙埋對(duì)沙障的防風(fēng)固沙效果的影響，分析風(fēng)速、輸沙率、輸沙分布高度、地表風(fēng)蝕變化，探尋沙埋深度與沙障防風(fēng)固沙效果關(guān)系，為沙障結(jié)構(gòu)提升及其應(yīng)用技術(shù)的完善提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 沙袋沙障簡(jiǎn)介

本研究以沙袋沙障（Sandbag sand barrier）[20-21]為研究對(duì)象，其外層材料為黃麻纖維，內(nèi)部灌裝風(fēng)沙土，形成的沙袋截面為圓形，圓直徑為15 cm，沙袋倒放在流沙地表后，發(fā)生一定的形變，截面形狀由圓形變?yōu)闄E圓形，橢圓短軸為10 cm，長(zhǎng)軸為20 cm。一般在野外工程施工中，針對(duì)于多個(gè)方向的主害風(fēng)流沙治理區(qū)，沙障多采用格狀配置，存在單一或兩個(gè)主害風(fēng)治理區(qū)，僅采用帶狀配置可達(dá)到與格狀配置相同的防護(hù)效果[22]。帶狀沙障設(shè)置與主害風(fēng)方向垂直，且僅在流動(dòng)沙丘中下部設(shè)置沙障即可，見圖1，沙丘上部無沙障防護(hù)會(huì)逐漸削平。另外，同規(guī)格帶狀成本僅為格狀沙障的一半。所以，要針對(duì)治理區(qū)的主害風(fēng)情況，設(shè)計(jì)所需沙障配置類型，避免成本浪費(fèi)。本研究區(qū)僅存在西北單一方向的主害風(fēng)，在野外鋪設(shè)的沙袋沙障采用帶狀配置即可。

圖1 沙袋沙障帶狀設(shè)置示意圖

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

在中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。該風(fēng)洞是直流閉口吹氣式風(fēng)洞，風(fēng)洞全長(zhǎng)37 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)21 m，截面1.2 m×1.2 m。試驗(yàn)前在整個(gè)試驗(yàn)段床面鋪設(shè)厚度15 cm的風(fēng)沙土，風(fēng)沙土粒徑特征見表1。

表1 流動(dòng)沙丘風(fēng)沙土沙粒度組成

平整沙面，將沙袋垂直于來風(fēng)方向設(shè)置。對(duì)沙袋沙障沙埋過程中3種典型狀態(tài)開展了模擬試驗(yàn)：1）裸露是沙袋沙障未被沙埋的狀態(tài)，沙障高10 cm，沙障鋪設(shè)初期沙障處于此狀態(tài)；2）淺埋是沙袋沙障一半被沙埋、一半裸露的狀態(tài)，沙障裸露高度5 cm，新鋪設(shè)的沙障極易達(dá)到此沙埋狀態(tài)，此種沙埋狀態(tài)較穩(wěn)定且能夠長(zhǎng)時(shí)間維持；3）深埋是指80%～90%沙障被沙埋，沙障裸露高度1～2 cm裸露，此狀態(tài)沙障多處于沙障鋪設(shè)區(qū)上風(fēng)向或高程相對(duì)較低區(qū)域。3種典型沙埋狀態(tài)沙袋沙障設(shè)置方法如下：

1）裸露設(shè)置：將沙袋自然倒放于沙面，沙障高度10 cm（圖2a所示）；2）淺埋設(shè)置：在沙面開溝，溝深度4 cm、寬度20 cm，將沙袋放置開溝內(nèi)，平整沙面，沙障出露地表高度5 cm（圖2b所示）；3）深埋設(shè)置：在沙面開溝，溝深度8 cm、寬度20 cm，將沙袋放置開溝內(nèi)，平整沙面，沙障出露地表高度約1 cm（圖2c所示）。

圖2 沙袋沙障3種沙埋深度處理示意圖

采用風(fēng)速廓線儀自動(dòng)采集沙障前后不同位置的風(fēng)速數(shù)據(jù)：沙障前（迎風(fēng)側(cè)）2.0 H（H為沙障外露高度）、3.0 H處和沙障后（背風(fēng)側(cè)）1.0 H、3.0 H、5.0 H、7.0 H處，觀測(cè)高度距床面分別為0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、12.0、20.0、30.0 cm共8個(gè)高度。試驗(yàn)時(shí)室內(nèi)溫度22 ℃，氣壓873 hPa，初始試驗(yàn)風(fēng)速12 m/s，風(fēng)速廓線儀自動(dòng)采集間隔2 s，采集時(shí)長(zhǎng)3 min。

采用階梯式集沙儀采集沙障背風(fēng)側(cè)的輸沙，集沙儀高50 cm，共25層，每層進(jìn)沙口面積為2 cm×2 cm，集沙儀安裝于沙障后1.2 m處。同時(shí)在沙障前5、10、20、30 cm和沙障后5、10、20、30、40、50 cm處設(shè)置測(cè)釬，用來監(jiān)測(cè)地表風(fēng)蝕，每個(gè)位置設(shè)置3個(gè)重復(fù)測(cè)釬。采集輸沙和監(jiān)測(cè)地表土壤風(fēng)蝕同時(shí)進(jìn)行，初始風(fēng)速18 m/s，采集時(shí)間5 min。另外，對(duì)未設(shè)置沙障的風(fēng)沙土床面進(jìn)行相同的測(cè)釬與集沙儀設(shè)置，作為對(duì)照。每種沙障處理重復(fù)3次進(jìn)行測(cè)試，每完成1組處理試驗(yàn)，重新布置沙面，確保風(fēng)沙土本底條件一致。

1.3 沙障野外布設(shè)

在庫布齊沙漠北緣選擇4個(gè)形態(tài)相似、坡度（5°～7°）、坡向一致的流動(dòng)沙丘，將3種沙埋狀態(tài)的沙袋沙障分別設(shè)置在3個(gè)沙丘迎風(fēng)坡底部至中上部2/3處，均采用4 m帶間距的條帶式規(guī)格設(shè)置。另一個(gè)沙丘不做任何處理，作為對(duì)照。沙袋沙障具體鋪設(shè)方法如下：

在沙丘的迎風(fēng)面中上部至底部布設(shè)工程線，工程線走向與主風(fēng)向垂直，相鄰工程線間距4 m。將長(zhǎng)為1.2 m的黃麻纖維袋就地灌裝風(fēng)沙土后敦實(shí)，用麻繩封口，沿著工程線將其擺放在沙面，依次將多個(gè)灌裝完畢的沙袋首尾相接擺放，確保兩個(gè)相鄰沙袋銜接處無縫隙，鋪設(shè)至沙丘邊緣，重復(fù)上述操作，依次進(jìn)行下一行沙障的鋪設(shè)。以上為沙袋沙障裸露設(shè)置方法。為了形成沙袋沙障淺埋、深埋2種沙埋狀態(tài)，分別在其他2個(gè)沙丘迎風(fēng)面布設(shè)工程線，沿工程線在沙丘表面開溝，將灌裝完畢的沙袋置于開溝內(nèi)，保證沙袋沙障地上裸露高度5～6 cm（淺埋）、1～2 cm（深埋），依次以相同方法鋪設(shè)下一帶沙袋沙障，鋪設(shè)完沙丘中上部至底部區(qū)域即可。

1.4 土壤風(fēng)蝕深度測(cè)定

沙障設(shè)置完畢后，分別在3種沙埋狀態(tài)的沙袋沙障設(shè)置區(qū)內(nèi)選擇相鄰2條沙障安裝標(biāo)樁，標(biāo)樁預(yù)留高度20 cm，確保兩標(biāo)樁連線垂直于沙障，每種處理重復(fù)3次，在對(duì)照沙丘進(jìn)行相同標(biāo)樁設(shè)置。經(jīng)過兩個(gè)完整風(fēng)季后，對(duì)沙障間地表風(fēng)蝕深度進(jìn)行調(diào)查。在兩標(biāo)樁頂部拉直測(cè)繩，每隔10 cm測(cè)定測(cè)繩與地表的高度，其與標(biāo)樁高度的差值即為土壤風(fēng)蝕深度。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

風(fēng)速流場(chǎng)等值線圖采用Surfer8.0繪制，其中網(wǎng)格化方法采用克里格空間插值法。采用SAS 9.2完成數(shù)據(jù)方差分析和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙埋對(duì)沙障近地范圍風(fēng)流場(chǎng)的影響

在裸露狀態(tài)時(shí)（圖3a），沙障對(duì)前后氣流強(qiáng)度影響較大，對(duì)背風(fēng)側(cè)氣流強(qiáng)度的降低更為顯著，背風(fēng)側(cè)有效防護(hù)距離至少可達(dá)70 cm，防護(hù)高度達(dá)到了15 cm，是沙障高度的1.5倍。在水平距離0～30 cm、高度5～15 cm范圍空間內(nèi)出現(xiàn)了明顯的低速沉降區(qū)，并且主要分布在沙障的上方和后上方[11]。主要是由于受沙障的阻擋，氣流過境時(shí)在沙障兩側(cè)附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，渦流又與來流互相阻碰，導(dǎo)致風(fēng)沙流速度降低，形成了低速區(qū)。與此同時(shí)，在沙障的前方也出現(xiàn)降速區(qū)，風(fēng)沙流強(qiáng)度也得到一定程度的削弱。風(fēng)沙流強(qiáng)度的減弱直接導(dǎo)致氣流攜沙能力降低，沙粒發(fā)生沉降，堆積在沙障附近導(dǎo)致沙障被沙埋。隨著沙埋深度的增加，沙障地表裸露高度降低，沙障對(duì)近地層流場(chǎng)的影響也發(fā)生顯著變化，沙埋程度達(dá)到淺埋（圖3b），直至深埋時(shí)（圖3c）：流場(chǎng)變化逐漸平穩(wěn)，紊流顯著減少，未出現(xiàn)低速沉降區(qū)；在沙障前后，氣流強(qiáng)度發(fā)生變化的高度、距離范圍顯著降低，深埋狀態(tài)時(shí)，防護(hù)高度、距離分別降至7、50 cm范圍以下。沙袋沙障在逐漸沙埋的過程中，其裸露高度降低，直接導(dǎo)致沙障的防護(hù)高度和防護(hù)距離的減小[11]。

另外，在沙障沙埋過程中，沙障裸露部分橫切面形狀、沙障裸露面積也隨之發(fā)生變化，也是導(dǎo)致流場(chǎng)變化的原因之一。裸露狀態(tài)時(shí)，沙障橫切面為橢圓形，沙障前后靠近地表層容易形成渦流，渦流對(duì)過境風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)方向、強(qiáng)度產(chǎn)生擾動(dòng)與削減，空中運(yùn)動(dòng)沙粒開始?jí)嬄湓谏痴锨昂笮纬啥逊e。隨著積沙厚度的增加，沙袋沙障下部與地表所夾空間被沙粒填滿，直至沙粒堆積至沙障淺埋狀態(tài)。此時(shí)，沙障裸露高度降低至5 cm，裸露面積降低近50%，橫切面形狀近似半圓形，地表與裸露沙障間的基準(zhǔn)面變化相對(duì)平緩，無渦流形成條件，過境風(fēng)沙流受到沙障擾動(dòng)強(qiáng)度減小，運(yùn)動(dòng)逐漸平緩。此時(shí)沙障前后沙粒堆積速度減緩，若無充足的沙物質(zhì)供給，風(fēng)蝕與堆積將處于平衡狀態(tài)。此狀態(tài)的沙障一般出現(xiàn)在沙障設(shè)置區(qū)的中部及下風(fēng)向處，而在沙障設(shè)置區(qū)的上風(fēng)向區(qū)域，充足的沙物質(zhì)會(huì)對(duì)沙袋沙障繼續(xù)沙埋。當(dāng)沙袋沙障處于全埋狀態(tài)時(shí)，其對(duì)過境風(fēng)沙流的影響程度最小，氣流運(yùn)動(dòng)更為平緩，沙粒堆積也更為緩慢。

2.2 沙埋對(duì)沙障近地層輸沙的影響

沙障經(jīng)歷了由裸露至淺埋最終全埋過程中，其下風(fēng)向輸沙率及輸沙分布高度也發(fā)生顯著變化。沙障裸露狀態(tài)時(shí)，其能夠有效降低近地層輸沙率，0～50 cm高度內(nèi)各層輸沙率均低于0.1 g/(cm2·min)，16～18 cm層輸沙率最大，也僅為0.087 g/(cm2·min)（圖4）。沙障淺埋狀態(tài)時(shí)，隨著采集高度的增加呈現(xiàn)對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì)（<0.05），0～2 cm層輸沙率最大，達(dá)到了0.59 g/(cm2·min)。沙障深埋狀態(tài)時(shí)，0～50 cm高度內(nèi)輸沙率變化規(guī)律與淺埋狀態(tài)一致，0～2 cm層輸沙率達(dá)到了0.89 g/(cm2·min)。沙袋沙障處于淺埋、深埋狀態(tài)時(shí)，與裸露狀態(tài)相比，其對(duì)過境風(fēng)沙的攔截能力顯著降低，但是依然能夠起到一定的阻擋作用，淺埋、深埋狀態(tài)沙袋沙障近地表層0～2 cm層輸沙率比對(duì)照的低46.78%、20.17%。

注：沙障設(shè)置于0位置，左側(cè)為進(jìn)風(fēng)口，右側(cè)為出風(fēng)口。

圖4 不同沙埋深度沙障背風(fēng)側(cè)近地層輸沙率特征

無沙障防護(hù)的流動(dòng)沙地近地層輸沙率分布服從對(duì)數(shù)函數(shù)[23-24]，3種沙埋狀態(tài)下，淺埋、沙埋沙袋沙障防護(hù)區(qū)近地層輸沙率分布規(guī)律與流動(dòng)沙地的一致，裸露沙袋沙障防護(hù)區(qū)輸沙率分布不服從對(duì)數(shù)方程（表2）。這也說明了沙袋沙障處于裸露的狀態(tài)時(shí)，對(duì)近地層輸沙的攔截能力最強(qiáng)，由于沙障出露高度相對(duì)較高，使得較高層運(yùn)動(dòng)的沙粒也受到影響。另外，下墊面粗糙度最終決定了風(fēng)沙活動(dòng)層輸沙率分布特征[25]，在裸露狀態(tài)時(shí)，沙障的橫切面為橢圓形、沙障裸露于空氣中的體積最大，這些因素也導(dǎo)致了下墊面的粗糙度增大。沙袋沙障在沙埋過程中，下墊面的性質(zhì)也越接近于流沙地表，導(dǎo)致輸沙率分布規(guī)律也越來越接近流沙地表。

表2 沙障沙埋深度與輸沙率擬合回歸方程

沙袋沙障在沙埋過程中，防護(hù)區(qū)輸沙量顯著增加，但是輸沙分布高度顯著降低（<0.01）。沙袋沙障裸露狀態(tài)時(shí)，輸沙分布高度最大可達(dá)42.00 cm，是對(duì)照的1.75倍，但是輸沙量?jī)H為對(duì)照的35.46%。隨著沙障沙埋深度的增加，輸沙分布高度顯著降低，淺埋時(shí)34.00 cm，深埋時(shí)28.00 cm，沙埋至淺埋狀態(tài)時(shí)，防護(hù)區(qū)輸沙量與對(duì)照已無顯著差異。分析原因認(rèn)為，過境風(fēng)沙流經(jīng)過沙障時(shí)，可分為三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：第一種是受到沙障的阻擋，在沙障正前方形成湍流，部分沙粒堆積于沙障前方，另一部分與來流碰撞并融入，繼續(xù)向沙障后方運(yùn)動(dòng)；第二種也受到沙障的阻擋作用，運(yùn)動(dòng)路徑被抬升，導(dǎo)致這部分氣流向沙障后上方運(yùn)動(dòng)，至較高較遠(yuǎn)處，另有部分風(fēng)沙流翻越沙障消能，加之運(yùn)動(dòng)至沙障后方，空間變得開闊，一部分氣流速度減緩但依然繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，一部分氣流在沙障后形成渦流，并與上層緩慢氣流碰撞并融入，繼續(xù)向沙障后方運(yùn)動(dòng)，在此過程中，氣流中部分沙粒在沙障后方堆積；第三種是較高處運(yùn)動(dòng)的風(fēng)沙流，未受到沙障擾動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至沙障后方并與向沙障后上方運(yùn)動(dòng)的風(fēng)沙流碰撞，產(chǎn)生水平和后上方的分流運(yùn)動(dòng)。輸沙高度分布高度差異，主要是由于沙障裸露部分對(duì)風(fēng)沙流的抬升程度不同，影響了第二種運(yùn)動(dòng)的氣流向沙障后上方的運(yùn)動(dòng)路徑。在風(fēng)沙流的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，氣流攜帶沙粒僅在在沙障前后損失，這部分沙粒形成了堆積，而堆積量直接影響到氣流輸沙量，而這些變化的直接原因是沙障裸露高度變化。

2.3 不同沙埋程度沙障防護(hù)區(qū)地表蝕積特征

沙障在沙埋過程中，其迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)土壤風(fēng)蝕深度均顯著降低。處在裸露、淺埋狀態(tài)時(shí)，在沙障兩側(cè)均發(fā)生相對(duì)較強(qiáng)的風(fēng)蝕作用，然而達(dá)到深埋狀態(tài)時(shí)，地表風(fēng)蝕程度降低。另外，由圖6可以看出，沙袋沙障處于裸露、淺埋和深埋狀態(tài)，其風(fēng)蝕深度分別比對(duì)照降低18.53%，72.97%，80.40%。3種沙埋狀態(tài)相比，裸露沙袋沙障防護(hù)區(qū)平均風(fēng)蝕深度最大，但是也比對(duì)照的低54.12%。沙袋沙障裸露狀態(tài)時(shí)，其出露地表面最高，對(duì)兩側(cè)近地層流場(chǎng)影響也最大，極易形成的較多、較強(qiáng)的湍流，而湍流是地表沙粒啟動(dòng)的動(dòng)力。所以沙障對(duì)過境風(fēng)沙流的強(qiáng)烈擾動(dòng)，將會(huì)加速氣流對(duì)地表的吹蝕作用，特別是在沙障的迎風(fēng)側(cè)地表風(fēng)蝕作用更為明顯。

注：不同大寫字母代表差異顯著（P＜0.01）。

圖6 不同沙埋深度沙障前后地表土壤風(fēng)蝕特征

3 討 論

沙袋沙障的沙埋直接反應(yīng)的是沙障高度變化，沙障高度是沙障防風(fēng)固沙的關(guān)鍵構(gòu)造參數(shù)，高度不同直接影響近地層風(fēng)速廓線。風(fēng)速廓線是風(fēng)速隨高度的分布規(guī)律，一般遵循對(duì)數(shù)方程。在沙障防護(hù)區(qū)，風(fēng)速廓線多發(fā)生變化，而區(qū)別于流沙區(qū)。沙障鋪設(shè)完畢后，沙障高度已經(jīng)確定，但是在防護(hù)過程中，其前后容易堆積沙粒[1,17]，發(fā)生沙障沙埋，在此沙埋過程中基準(zhǔn)面抬升，沙障的相對(duì)高度減小，沙障附近區(qū)域近地表風(fēng)速廓線也隨之發(fā)生變化。沙障設(shè)置初期，沙障未開始沙埋，其對(duì)近地層0～30 cm高度風(fēng)速廓線影響顯著，沙障迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)風(fēng)速分布曲線不服從對(duì)數(shù)函數(shù)[26]，與流沙區(qū)風(fēng)速廓線差異顯著。沙障背風(fēng)側(cè)風(fēng)速廓線隨高度發(fā)生波動(dòng)性變化較顯著，隨著與沙障距離的增加，有效防護(hù)高度（小于對(duì)照風(fēng)速的高度）由17.82 cm增加到了29.55 cm，顯著高于沙障自身高度。但是在迎風(fēng)側(cè)隨著與沙障距離的增加，有效防護(hù)高度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，有效防護(hù)高度最大值僅為10.9～14.2 cm。

注：H為沙障高度，10 cm。

沙埋至沙障淺埋狀態(tài)時(shí)，背風(fēng)側(cè)有效防護(hù)高度減小為8.2～11.8 cm，迎風(fēng)側(cè)減小為8.1～11.7 cm，但均遵從相同的變化趨勢(shì)，即隨著與沙障距離的增加有效防護(hù)高度增加，在迎風(fēng)側(cè)隨著與沙障距離的增加有效防護(hù)高度減小。另外，沙袋沙障處于3種沙埋狀態(tài)時(shí)，沙障背風(fēng)側(cè)的有效防護(hù)高度均顯著高于沙障高度，裸露狀態(tài)時(shí)，背風(fēng)側(cè)有效防護(hù)高度可達(dá)17.8～29.5 cm，至深埋狀態(tài)時(shí)，有效防護(hù)高度為3.5～5.5 cm。沙埋過程中，沙袋沙障有效防護(hù)距離和防護(hù)高度隨之呈現(xiàn)減小趨勢(shì)[27]，但是其對(duì)過境氣流的擾動(dòng)程度也隨之減小，特別是在背風(fēng)側(cè)[19]。擾動(dòng)小，過境氣流多以層流方式前進(jìn)，擾動(dòng)強(qiáng)度大，瞬時(shí)風(fēng)速極易發(fā)生波動(dòng)性變化[28]，沙障前后形成紊流及渦流，反而會(huì)加速地表土壤風(fēng)蝕。相比可知，沙障處于淺埋、深埋狀態(tài)時(shí)，沙障對(duì)氣流對(duì)過境氣流擾動(dòng)小，與沙障接觸的氣流未發(fā)生顯著性波動(dòng)變化，進(jìn)而近地層氣流流場(chǎng)變化平緩，形成紊流的概率減小。

注：擬合方程y1代表沙障裸露方式，y2為淺埋方式，y3為深埋方式。

在沙埋過程中改變了沙障的防風(fēng)固沙能力，同時(shí)也增加了其自身的穩(wěn)定性。沙袋沙障受到風(fēng)力的作用容易移動(dòng)，發(fā)生形變，導(dǎo)致原有沙障結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，進(jìn)而影響防護(hù)效益，特別鋪設(shè)于地形起伏變化顯著、坡度較大的區(qū)域，沙袋沙障更容易發(fā)生形變。然而，沙埋解決了此問題，沙袋沙障被沙埋，部分沙障在土壤下方受到土壤的固著，裸露部分受到氣流作用力相對(duì)較小，在一定程度上大大提高了沙障的穩(wěn)定性。但是沙障被沙埋也大大降低了其實(shí)際裸露高度，對(duì)過境風(fēng)沙流的阻擋力下降。前文所述沙障高度降低將會(huì)大大降低湍流及渦流的形成，這也說明沙埋有利于降低沙障防護(hù)區(qū)地表風(fēng)蝕。而沙袋沙障屬于固沙型沙障，固沙是其最終目的。

2015年6月鋪設(shè)沙障，開展不同深度埋設(shè)試驗(yàn)，至2017年8月沙障間裸露沙地地表發(fā)生了不同程度的風(fēng)蝕。裸露、淺埋、深埋3種埋深狀態(tài)下，沙障障間地表最大風(fēng)蝕深度分別為44.55、17.62、13.15 cm，障間平均風(fēng)蝕深度分別為33.37、11.07、8.03 cm，而對(duì)照土壤風(fēng)蝕深度達(dá)到了40.96 cm。當(dāng)純凈氣流或風(fēng)沙流經(jīng)過新設(shè)置的沙障時(shí)，在沙障間產(chǎn)生旋渦，最終沙障方格內(nèi)沙面變?yōu)榘记鎇29]。沙障經(jīng)過較大的風(fēng)沙流后，雖然沙障能夠有效減少地表風(fēng)蝕，但是沙障前后地表依然處于風(fēng)蝕狀態(tài)。沙障防護(hù)體系穩(wěn)定前必然形成凹曲面，所以新設(shè)置的沙障在凹曲面形成階段必會(huì)產(chǎn)生較大程度的土壤風(fēng)蝕。3種埋設(shè)處理的沙袋沙障防護(hù)區(qū)也出現(xiàn)了凹曲面，但是凹曲程度存在顯著差異。裸露沙袋沙障間凹曲程度最大，深埋處理最小，此結(jié)論與孫顯科等[30]研究結(jié)論一致，凹面深度隨障埂高度的增高而升高。通常在平坦而開闊的沙面上，是不會(huì)造成嚴(yán)重積沙危害[31]，但是一旦遇到障礙物、地形起伏、風(fēng)速的突變均能造成不同程度積沙危害[2]。這也表明了，如果僅為了有效抑制地表風(fēng)蝕，那么沙障的設(shè)置高度不易過高，以降低對(duì)過境風(fēng)沙的擾動(dòng)程度。這也恰恰說明，對(duì)沙袋沙障進(jìn)行一定程度的埋設(shè)，或者降低其地上高度，將有助于減少地表風(fēng)蝕。本研究中涉及的沙袋沙障設(shè)置高度較適宜平緩的流動(dòng)沙地地表風(fēng)蝕控制，對(duì)于有一定坡度的流沙地表，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際坡度情況設(shè)計(jì)沙障高度。另外，透風(fēng)型沙障與緊密型或不透風(fēng)型沙障防護(hù)原理差異較大，透風(fēng)型沙障可適當(dāng)增大設(shè)置高度，如麥草沙障設(shè)置高度則保持出露草頭高度10～20 cm左右[1,32]。

4 結(jié) 論

沙障在防護(hù)過程中經(jīng)歷風(fēng)蝕、沙埋狀態(tài)或者兩種狀態(tài)交替出現(xiàn)，過度風(fēng)蝕或沙埋均會(huì)造成沙障失去防護(hù)作用。而適度的沙埋不但提高了沙障自身穩(wěn)定，同時(shí)也在一定程度上提高沙障固沙效果。對(duì)沙袋沙障裸露、淺埋、深埋3種沙埋狀態(tài)下流場(chǎng)、風(fēng)速廓線、輸沙特征及地表風(fēng)蝕狀況的觀測(cè)及沙障防風(fēng)固沙效益變化規(guī)律的分析表明：

1）在平緩流動(dòng)沙地設(shè)置沙障時(shí)，必須考慮其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，特別是結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定型沙障，建議對(duì)其進(jìn)行適度的埋設(shè)處理，即可增加沙障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又達(dá)到有效固沙目的。

2）沙障在沙埋一定程度后，防護(hù)區(qū)近地層風(fēng)速廓線曲線逐漸服從對(duì)數(shù)函數(shù)，沙障的防護(hù)距離、防護(hù)高度逐漸減小。裸露狀態(tài)時(shí)，有效防護(hù)距離、防護(hù)高度可達(dá)70 cm、17.8～29.5 cm；淺埋狀態(tài)時(shí)，降低至45 cm、8.2～11.8 cm；深埋狀態(tài)時(shí)，降低至10～15 cm、3.5～5.5 cm。

3）沙障在沙埋過程中，輸沙率、輸沙量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但是輸沙的分布高度顯著降低。沙障處于裸露狀態(tài)時(shí)，可采輸沙高度可達(dá)42 cm，是對(duì)照的1.75倍，但是輸沙量?jī)H為對(duì)照的35.46%，淺埋狀態(tài)時(shí)，可采輸沙高度已經(jīng)降至20 cm，此時(shí)已與對(duì)照無顯著差異。

4）沙障在沙埋過程中，防護(hù)區(qū)地表土壤風(fēng)蝕呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。經(jīng)過兩個(gè)完整風(fēng)季，裸露、淺埋、深埋設(shè)置方式的沙袋沙障防護(hù)區(qū)最大風(fēng)蝕深度分別為44.55、17.62、13.15 cm，平均風(fēng)蝕深度為33.37、11.07、8.03 cm，而對(duì)照達(dá)到了40.96 cm。

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Effect of wind-preventing and sand fixation of belt sand barrier under different degree of sand burial

Yuan Limin1,2, Huang Haiguang1,2,3, Yan Deren1,2, Hu Xiaolong1,2

(1.010010; 2.027300; 3.010018,)

Sand barrier is easy to be buried by sand at the beginning of the sand barrier setting and it will lose wind-preventing and sand fixation function when it is buried deeper, but moderate sand bury can improve protect effect while sand burial will help the sand barrier to form a stable protective structure. So it is conducive to understanding the sand burial mechanism and the change law of protective benefits caused by sand burial. In order to study the difference of wind-preventing and sand fixation of different depth sand burial of sand barrier, the research conducted wind tunnel simulation and field experiment. The laws of wind flow field and sediment transport flux in surface layer of the protection zone which was protected by sandbag sand barrier under the condition of bare, shallow and deep sand buried were studied, andthe mobile sand dunes without sand barrier was taken as a control. In the wind tunnel test, the variation of the near-surface airflow field, wind speed profile, sediment transport rate and sediment transport height during the sand burial process were analyzed. Sandbag sand barriers were set up in the windward slopes of mobile sand dunes and wind erosion resistance effects of the three sand burial states were tested. The research results showed that with the sand barrier experienced the process of being bare-shallow-deep sand burial, 1) the variation of the airflow field was gradually and steadily in the near-surface layer, and the turbulent flow was reduced significantly, multiple low-speed settlement areas appeared at the right rear when it was bare, and disappeared when it was shallow burial; 2) Both of effective protecting distance and height of transit flow were decreased , that were at least 70 cm and 15 cm of the leeward side of the sand barrier when it was bare, but fell below 50 cm and 7 cm respectively when it was deep burial; 3) The wind speed distribution curve of the near surface layer on the windward and leeward side of the sand barrier did not obey the logarithmic function, and the wind speed profile was volatility change with the height, as the sand barrier was gradually buried by sand, wind speed profile was the same as that of the control and obeyed the law of logarithmic distribution; 4) The height of transporting sediment discharge on protection zone of the sand barriers decreased significantly (<0.01), height of transporting sediment discharge decreased from 42 cm (bare) to 34 cm (shallow burial) and finally to 28cm (deep burial), and the distribution height of the control was 24 cm; 5) Field experiments of three burial depths showed that wind erosion depth of bare, shallow and deep buried sandbag sand barriers in protection area showed a decreasing trend two years after setting up, the depth of wind erosion decreased by 18.53%, 72.97% and 80.40% respectively compared with the control. The research can provide theoretical support for optimization of sand barrier height and improvement of applied technology.

soils; erosion; sand barrier; wind erosion; wind speed flow field; wind profile; sediment discharge

2019-01-29

2019-04-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31760237）

袁立敏，副研究員，博士，主要從事荒漠土壤資源利用與保護(hù)研究，Email：nmgyuanlm@163.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.019

S288；S157.1

A

1002-6819(2019)-16-0172-08

袁立敏，黃海廣，閆德仁，胡小龍.不同沙埋程度下帶狀沙障的防風(fēng)固沙效果研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(16)：172－179. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.019 http://www.tcsae.org

Yuan Limin, Huang Haiguang, Yan Deren, Hu Xiaolong. Effect of wind-preventing and sand fixation of belt sand barrier under different degree of sand burial[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 172－179. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.019 http://www.tcsae.org