固沙草方格鋪設(shè)機(jī)械技術(shù)現(xiàn)狀及技術(shù)瓶頸

孫雨橦， 袁杰潮， 閆路誠， 周為民， 張玉豪， 常同立

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

土地沙漠化一直是我國長期以來面臨的嚴(yán)峻環(huán)境問題。目前，針對(duì)土地荒漠化的防治措施主要分為生物防治措施、封育措施和工程防治措施3種。

生物防治措施主要是設(shè)法用種植的方法增加沙漠上的植被和提高植被覆蓋率。封育措施主要是對(duì)于具有自修復(fù)能力的沙化情況采取措施幫助其恢復(fù)植被的天然覆蓋。

上面兩種措施都是設(shè)法增加沙漠表面的植物覆蓋，逐漸實(shí)現(xiàn)荒漠化治理。然而現(xiàn)實(shí)的沙漠不是靜止的沙地，沙漠表面存在一些面積較大，流動(dòng)性較強(qiáng)的沙丘。在上風(fēng)地帶，沙丘在風(fēng)力的作業(yè)下移動(dòng)擴(kuò)散，侵蝕綠地，因此需要采用工程防治措施阻止沙丘移動(dòng)。最典型有效的工程措施是設(shè)置沙障固定沙丘。草方格沙障固沙是工程固沙法中被實(shí)踐證明最有效的方法[1]。我國荒漠化實(shí)景如圖1所示。

圖1 我國荒漠化實(shí)景

1 草方格改造沙漠的原理

草方格沙障是由豎直插在沙漠中的稻草、麥秸、芨芨草、蘆葦?shù)炔牧习凑找欢ǖ匿佋O(shè)方式組成的[2]。

在鋪設(shè)有草方格的沙地上，地表粗糙度有一定程度的增加。沙漠起風(fēng)時(shí)，貼近地表的氣流速度被減緩，不直接吹在沙土表面，減小了氣流帶動(dòng)的沙土總量，去除了沙漠風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的條件。

同時(shí)，草方格沙障可以增加沙層2 m以內(nèi)的濕度[3]，增加沙土含水量，對(duì)生物防治措施、封育措施有促進(jìn)作用。

2 草方格治沙方法綜述

2.1 草方格沙障的技術(shù)參數(shù)

草方格沙障的規(guī)格因設(shè)置地域，防護(hù)目的和風(fēng)蝕程度的不同而不同，同時(shí)根據(jù)不同地形與環(huán)境選擇不同形式的草方格沙障，增強(qiáng)治沙效果。草方格鋪設(shè)如圖2所示。

圖2 草方格鋪設(shè)

草方格是將稻草、麥秸、芨芨草、蘆葦?shù)炔迦肷惩林?0～15 cm深，外露20～25 cm。

正方形草方格沙障治沙效果最好[4]，草方格有1 m×1 m或2 m×2 m的大小等多種規(guī)格。通常1 m×1 m的草方格是最常見的。

2.2 草方格沙障制作人工施工工藝流程

鋪設(shè)草方格流程如圖3所示，草方格制作步驟通常包括如下4步：

圖3 鋪設(shè)草方格流程

(1)預(yù)劃經(jīng)線和緯線。在將要制作草方格沙障的沙土地上，預(yù)先劃上經(jīng)線和緯線，他們交叉形成方格，指引工人鋪設(shè)草方格。

(2)對(duì)稱鋪放稻草?？梢匀鲆恍┧陬A(yù)先準(zhǔn)備好的稻草上，濕潤稻草，提高柔韌性，將稻草對(duì)稱地平鋪在預(yù)先劃好的指引線上，控制好每個(gè)方格麥草的用量，保持麥草厚度的適中，防止太厚或太薄導(dǎo)致防沙效果不良。

(3)鐵鍬壓稻草中部進(jìn)入沙土。將鐵鍬豎直對(duì)準(zhǔn)稻草中部(也就是劃好的正方形邊線)，沿地面指引線用力豎直下壓，將稻草插入沙土，形成草方格的沙障草墻。

(4)草方格修整。人工鋪設(shè)草方格時(shí)，質(zhì)量影響因素多，難以保證草方格規(guī)范一致，需要草方格修整環(huán)節(jié)，將立起稻草兩側(cè)的沙土撥向稻草根部，再用腳將沙土踩實(shí)，使沙障牢固。

3 機(jī)械化鋪設(shè)草方格的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 固沙草方格鋪設(shè)工程技術(shù)機(jī)械化的必要性

目前，草方格沙障的工程鋪設(shè)多由人工進(jìn)行。我國沙化面積大，流動(dòng)沙域多，且一般作業(yè)地點(diǎn)偏遠(yuǎn)，環(huán)境惡劣，生態(tài)條件脆弱。人工鋪設(shè)草方格勞動(dòng)強(qiáng)度大，鋪設(shè)質(zhì)量不穩(wěn)定，在工程浩大，任務(wù)繁重的防風(fēng)固沙任務(wù)中，人工鋪設(shè)草方格效率低下，且成本高[5]，無法高質(zhì)量完成鋪設(shè)任務(wù)，機(jī)械化鋪設(shè)草方格可以節(jié)省大量的人工及提高工作效率，因此研發(fā)固沙草方格鋪設(shè)機(jī)器是必要的，機(jī)械化固沙設(shè)備研發(fā)的需求是緊迫的。

目前已經(jīng)有機(jī)械化鋪設(shè)草方格的報(bào)道，但是現(xiàn)有鋪設(shè)草方格的機(jī)械不能夠在沙丘的坡面上作業(yè)。

3.2 機(jī)械化鋪設(shè)草方格的發(fā)展現(xiàn)狀

可獲取的文獻(xiàn)表明：我國開展沙漠草方格機(jī)械化鋪設(shè)研究始于21世紀(jì)初。東北林業(yè)大學(xué)陸懷民承擔(dān)了國家863課題(項(xiàng)目號(hào)2002AA422170)開展“防風(fēng)固沙草方格鋪設(shè)機(jī)器人”研究。提出了用預(yù)制草簾子鋪設(shè)固沙草方格的方案，并完成了試驗(yàn)裝置研制，進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)[6-7]。

比較典型的是東北林業(yè)大學(xué)的舒慶開展了“防風(fēng)固沙草方格鋪設(shè)機(jī)器人設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析”。北京林業(yè)大學(xué)司凱開展了“立體固沙車橫向鋪設(shè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究”。

盡管在機(jī)械化草方格鋪設(shè)機(jī)械研制開發(fā)這個(gè)領(lǐng)域我國早已投入資源研究，但是效果并不明顯。在大多數(shù)地區(qū)，草方格鋪設(shè)依舊以人力為主，鮮有機(jī)械化鋪設(shè)固沙草方格的案例。

2016年12月7日北京林業(yè)大學(xué)發(fā)布消息：該校研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多功能立體固沙車，屬國內(nèi)首次。多功能立體固沙車如圖4所示。這是集立體固沙、噴播、散草插植和割灌平茬等功能于一體的自行式裝備，主要應(yīng)用于沙漠、沙地、戈壁及荒漠化地域的防風(fēng)固沙、環(huán)境治理和植被恢復(fù)等領(lǐng)域。同年12月，依托“十二五”國家科技支撐計(jì)劃農(nóng)業(yè)和村鎮(zhèn)建設(shè)領(lǐng)域所屬的“困難立地植被恢復(fù)技術(shù)研究與示范”科技項(xiàng)目，甘肅建投裝備制造公司聯(lián)合北京林業(yè)大學(xué)使用多功能立體固沙車在武威地區(qū)開展沙漠治理作業(yè)。

圖4 多功能立體固沙車

目前，固沙草方格鋪設(shè)機(jī)械大致由草方格鋪設(shè)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)兩個(gè)主要部分構(gòu)成。行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有自行式和牽引式兩種。行走方式普遍采用連續(xù)行走方式，便于縱向草方格的鋪設(shè)。但是，鋪設(shè)機(jī)構(gòu)方案是相同或類似的。鋪設(shè)機(jī)構(gòu)分為縱向鋪設(shè)機(jī)構(gòu)和橫向鋪設(shè)機(jī)構(gòu)兩部分，彼此獨(dú)立，縱向鋪設(shè)機(jī)構(gòu)在橫向鋪設(shè)機(jī)構(gòu)的前面，兩者前后縱向布置。

縱向鋪設(shè)機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要工作原理是將儲(chǔ)料倉中的稻草鋪放到沙地表面，用圓盤狀鏟刀將稻草壓入沙土。車輛行進(jìn)，圓盤鏟刀開始轉(zhuǎn)動(dòng)，持續(xù)將稻草壓入沙土，形成一排直立于沙土表面草方格的縱向部分。多功能立體固沙車還是采用預(yù)制草簾子進(jìn)行草方格鋪設(shè)作業(yè)。

橫向鋪設(shè)機(jī)構(gòu)的功能是鋪設(shè)直立于沙土表面草方格的橫向部分。車輛持續(xù)前行，草方格橫向部分的鋪設(shè)不是連續(xù)的，而是每隔一段距離(通常是草方格的邊長)鋪設(shè)一段橫格子，是斷續(xù)鋪設(shè)。依據(jù)橫向草格子的鋪設(shè)原理和方法，橫向鋪設(shè)機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，需要在車輛行走過程中對(duì)沙土地表面一個(gè)固定位置進(jìn)行鋪草和壓草兩次作業(yè)。兩次作業(yè)均不是瞬時(shí)可以完成的作業(yè)，因此橫向鋪草作業(yè)機(jī)構(gòu)是機(jī)械化鋪設(shè)草方格的技術(shù)關(guān)鍵和技術(shù)難點(diǎn)。

固沙草方格鋪設(shè)是現(xiàn)實(shí)的工程問題。機(jī)械化鋪設(shè)草方格設(shè)備的大面積推廣應(yīng)用不但需要機(jī)器設(shè)備的工作可靠性，也需要機(jī)器設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械化鋪設(shè)草方格的試驗(yàn)和實(shí)踐表明，現(xiàn)有草方格鋪設(shè)機(jī)器尚不能滿足大面積推廣應(yīng)用的條件。針對(duì)一些沙漠地區(qū)機(jī)器鋪設(shè)也存在一定弊端，因此在機(jī)械化鋪設(shè)草方格這一方面還需要更多的研究以及思考。

4 機(jī)械化鋪設(shè)草方格技術(shù)難點(diǎn)

通過查閱現(xiàn)有可獲得論文和專利等文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)適合大面積推廣應(yīng)用的機(jī)械化鋪設(shè)草方格技術(shù)還存在兩項(xiàng)技術(shù)瓶頸：

(1)用成捆稻草或散放稻草直接機(jī)械化鋪設(shè)草方格技術(shù)尚需研發(fā)。目前，實(shí)際應(yīng)用的草方格鋪設(shè)機(jī)械多采用草簾子作為設(shè)備工作的原材料。與人工鋪設(shè)草方格相比，這種機(jī)械化鋪設(shè)方法增加草簾子制造工序，產(chǎn)生了額外的人工費(fèi)用和成本。為了大面積工程化實(shí)施推廣，必需緩和利潤和成本的矛盾，機(jī)械化鋪設(shè)草方格需要直接采用成捆稻草或散放稻草作為機(jī)械設(shè)備的原材料，不能有額外的預(yù)加工工序。

如何用散放稻草或成捆的散稻草鋪設(shè)草方格還沒有成熟的機(jī)械設(shè)備，現(xiàn)有可查文獻(xiàn)將其工藝過程描述為稻草打散、輸送、鋪放、壓制等步驟。但是如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作，尚無成熟案例。

(2)橫向草方格的機(jī)械化鋪設(shè)是技術(shù)難點(diǎn)。草方格的鋪設(shè)過程分為(以車輛的行駛方向?yàn)閰⒖?縱向鋪設(shè)和橫向鋪設(shè)兩部分。采用輪式或履帶式行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械化草方格鋪設(shè)車輛需要在其走過時(shí)將橫向草方格與縱向草方格一起鋪好。與縱向草方格鋪設(shè)相比，橫向草方格鋪設(shè)機(jī)械的研發(fā)更加困難。究其原因，縱向草方格是連續(xù)的鋪設(shè)過程，橫向草方格則是斷續(xù)的鋪設(shè)過程，而且橫向草方格是在車輛運(yùn)動(dòng)過程中完成相對(duì)地面靜止的鋪草和壓草等幾道工序。

5 討論與展望

荒漠化治理路仍漫漫，傳統(tǒng)的人工治沙向機(jī)械化、智能化、集成化方向發(fā)展是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。機(jī)械化治沙不僅解放了勞動(dòng)力，提高治沙效率，加速荒漠化治理的進(jìn)程，還能保證良好的治沙效果，讓治沙更具有科學(xué)性和高效性[8]。過去，我國用工成本長期走低，人工治沙有一定的利潤空間。近些年，隨著用工成本增加，沙漠治理方面也出現(xiàn)用機(jī)器換人，拓展治沙工程利潤空間的需求。

沙漠治理是人類的環(huán)境保護(hù)事業(yè)，需要政府科技主管部門加大對(duì)固沙機(jī)械裝備研發(fā)的政策支持力度，整合設(shè)計(jì)研究單位，主管部門與生產(chǎn)實(shí)踐企業(yè)成立協(xié)同創(chuàng)新中心，開展有針對(duì)性的研發(fā)設(shè)計(jì)活動(dòng)，加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)。同時(shí)，對(duì)于治沙機(jī)械裝備上的難點(diǎn)做持續(xù)的深入研究，突破機(jī)械化固沙目前遇到的瓶頸，推進(jìn)治沙機(jī)械裝備的持續(xù)發(fā)展[9]。

草方格沙障對(duì)于防風(fēng)固沙有著不可替代的作用，而沙漠環(huán)境惡劣，形勢(shì)多變，這也就給人工固沙帶來了困難，為了提高效率，節(jié)約成本開展機(jī)器化的研究是必要的。如何將機(jī)械化鋪草機(jī)械的技術(shù)進(jìn)行有效提高，解決機(jī)器鋪草時(shí)遇到的難點(diǎn)，是如今進(jìn)行機(jī)械化沙漠治理時(shí)需要進(jìn)行深刻思考的。