騰格里沙漠南緣不同規(guī)格機械化草沙障防風固沙效益研究

李小東

(1.全國荒漠化防治(機械治沙工程)試驗示范基地，甘肅 武威 733000；2.甘肅建投新能源科技股份有限公司，甘肅 武威 733000)

而對利用LGSV-200多功能立體固沙車、GSDQ750-132L單項牽引式半隱蔽型草沙障鋪設機、QYGSEII牽引式半隱蔽型草沙障固沙機等草沙障鋪設設備埋設的機械化沙障防風固沙效益的研究尚少。為此本文探索了不同規(guī)格機械化半隱蔽式稻草方格沙障的防風固沙效益，為后續(xù)機械化防沙治沙項目的開展和機械化治沙設備的研制試驗提供指導作用。

1 試驗區(qū)概況

本研究區(qū)位于甘肅省中部、河西走廊東端起點城市——武威市北部的騰格里沙漠南緣區(qū)域，該區(qū)域行政區(qū)劃屬武威市涼州區(qū)，與民勤縣接壤，地理坐標為38°08′13.27″～38°08′23.11″N，102°49′34.30″～102°50′1.33″E，遠離海洋，氣候干旱，晝夜溫差較大，年均氣溫5～10 ℃，夏季氣溫平均24.2～36 ℃，降水量80～200 mm，年均蒸發(fā)量2 020～3 900 mm，全年日照3 000～4 000 h，≥10 ℃年積溫2 500～3 000 ℃，無霜期140～170 d；干旱、沙塵暴、干熱風等自然災害頻繁；土壤以風沙土、灰棕漠土、棕漠土等為主，主要風害為西北風，為典型的溫帶大陸性干旱和半干旱荒漠氣候。區(qū)域內(nèi)自然植被稀疏，以沙旱生、超旱生荒漠植物為主，分布有沙米(Agriophyllumsquarrosum)、沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng.Syst.Veg.)、梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.) Bunge)、花棒(HedysarumscopariumFisch.et Mey.)、檸條(CaraganakorshinskiiKom)、檉柳(TamarixchinensisLour.)等植被。

2 材料與方法

2.1 稻草簾編織

為保證草沙障的孔隙度并提高固沙機鋪設效率，采用經(jīng)過草簾編織機編織而成的稻草簾。在編織稻草簾時，選擇平均直徑為0.5 cm左右的稻草進行沙障編織，草簾編制寬度為60 cm，草簾以鏈式線跡進行編織且草簾中的編織線以6根為宜。通過控制稻草編織的厚度，分別編織成0.5 cm稻草沙障、1 cm稻草沙障及1.5 cm稻草沙障，在鋪設后形成不同孔隙度(透風系數(shù))的草沙障。

2.2 稻草簾鋪設

2017年10月25日，武威市祁連山山水林田湖生態(tài)保護修復工程涼州區(qū)2017年北部防風固沙林建設項目——機械壓沙示范區(qū)建設在武威市涼州區(qū)九墩灘生態(tài)建設指揮部全國荒漠化防治(機械治沙工程)試驗示范基地開建，項目利用QYGSEII牽引式半隱蔽型草沙障固沙機、GSDQ750-132L單項牽引式半隱蔽型草沙障鋪設機完成機械壓沙示范區(qū)建設200 hm2，施工期限自2017年10月25日至2018年4月30日，管護期限為2018年4月30日至2019年4月30日。同時，為研究植被對草沙障防風固沙效益的影響，根據(jù)項目區(qū)自然條件和天然植被生長狀況，結合造林樹種的生物學特性和生長表現(xiàn)，該項目工程中選擇耐干旱、耐貧瘠、適應性強的梭梭苗木(平均直徑≥0.5 cm、苗高≥30 cm、一年生一級合格苗)在部分草沙障內(nèi)進行造林。

在項目具體實施的過程中，利用固沙機分別鋪設厚度為0.5 cm、1 cm、1.5 cm三種規(guī)格的1 m×1 m草方格、2 m×2 m草方格，進行不同規(guī)格的草沙障防風固沙效益研究。同時，通過調(diào)整固沙機壓輪機構的位置和控制液壓系統(tǒng)壓沙深度，鋪設后的合格草沙障可以在沙面以上形成不同的高度，本研究中以形成的高度為20 cm、30 cm以及40 cm的直立式半隱蔽式稻草方格沙障為研究對象。

因固沙機施工過程中超聲波測距傳感器和牽引控制系統(tǒng)協(xié)同作用，控制壓草機構進行智能高度調(diào)整，設備在工作時，送草機構將編織好的稻草簾輸送至地面的同時稻草簾與壓輪機構的壓草輪接觸，液壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓輪將稻草簾壓入沙面以下一定深度，由于壓輪機構對草簾的作用力，實際鋪設成型的稻草的實際厚度(d)分別為：d<0.5 cm、0.5≤d<1 cm以及d≥1 cm，鋪設成型的草沙障為直立式沙障(如圖1)。

關于體育賽事的概念定義，學者黃海燕在其博士學位論文中作了詳盡的歸納和論述[3]。具體而言，體育賽事的定義有狹義和廣義之分。根據(jù)姚頌平、陳錫堯等學者對國際性重大體育賽事的劃分[4-5]，本文所涉的國際性重大體育賽事主要包含3大類，分別是大型綜合性體育賽事(如奧運會、世界大學生運動會等)、國際單項體育組織主辦的高等級的國際性賽事(如世錦賽、F1、網(wǎng)球大師賽等)，以及由跨國公司或知名企業(yè)操辦的具有重要影響的系列國際性商業(yè)賽事。

圖1 直立式稻草沙障鋪設示意圖

2.3 研究方法

2.3.1 孔隙度(透風系數(shù))測定

孔隙度(透風系數(shù))：即在正方形方格內(nèi)沙障露出的草頭高度和寬度所能透過氣流的程度。鋪設成型的稻草的實際厚度直接反映出草沙障的透風系數(shù)。通過利用游標卡尺測定鋪設成的稻草簾實際厚度(d)，采用HYCG-09超聲波風速風向傳感器測定不同厚度草沙障順風向相鄰兩稻草簾中部的風速，計算其相應的孔隙度。

2.3.2 穩(wěn)定凹曲面特性研究

鋪設草沙障后的沙地，在風沙的持續(xù)作用下，草沙障方格出現(xiàn)內(nèi)部逐步形成凹坑的演化過程，形成方格內(nèi)凹坑后，部分草方格沙障及其內(nèi)部沙坑形態(tài)趨于穩(wěn)定，形成穩(wěn)定的凹曲面。凹曲面特性研究在武威市祁連山山水林田湖生態(tài)保護修復工程涼州區(qū)2017年北部防風固沙林建設項目施工完成1年后(2019年4月)進行，基于野外實測的主要手段，利用直木、皮尺、鋼尺等工具測定同一稻草方格沙障內(nèi)相對兩邊代表性位置處的垂直深度(Z)，不同高度(h)、不同厚度(d)、不同規(guī)格(邊長L)分別做3次重復(如圖2)。通過測量不同規(guī)格的機械化稻草方格沙障凹曲面深度，進而整理數(shù)據(jù)，對比分析不同規(guī)格機械化草方格沙障凹面形態(tài)和特征，并對不同厚度、不同高度的機械化草方格沙障對凹曲面特性的影響進行分析。

圖2 稻草沙障穩(wěn)定凹曲面深度Z與原始沙面蝕積強度r關系示意圖

記錄相應數(shù)據(jù)后，采用Excel和SAS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析處理，采用AutoCAD和CAXA軟件進行圖形繪制與處理。通過研究機械化草沙障的蝕積狀況和凹曲面形成狀況，分析防風固沙效益。

3 結果與分析

3.1 不同厚度草沙障的孔隙度分析

如表1所示，稻草沙障厚度d=0.5 cm、d=1 cm以及d=1.5 cm時，通過固沙機鋪設的草沙障平均實際厚度為4.12 cm、8.75 cm以及141.40 cm，對應測得的孔隙度分別為60%～70%、40%～50%、<10%。

表1 不同厚度草沙障的孔隙度

由表1得出，通過固沙機鋪設的草沙障，稻草簾越厚，其對應的孔隙度(透風系數(shù))越小，當?shù)静莺熀穸冗_到一定厚度后，其孔隙度無限接近于0。

3.2 不同規(guī)格草沙障凹曲面特性分析

分別針對不同厚度、不同高度的1 m×1 m、2 m×2 m機械化草沙障，測定其凹面深度，3次重復后，得到不同規(guī)格機械化草沙障的平均凹面深度Z(cm)，如表2、3所示。

表2 1年后1 m×1 m不同規(guī)格機械化草沙障的平均凹面深度Z

表3 1年后2 m×2 m不同規(guī)格機械化草沙障的平均凹面深度Z

不同規(guī)格草沙障的凹曲面深度Z差異顯著，在鋪設的20 cm、30 cm半隱蔽型機械化草沙障露出沙面的高度h越高，凹曲面深度Z越小。

3.2.1 不同高度草沙障的凹曲面特性分析

利用草沙障障內(nèi)蝕積強度(r)公式：

r=h-Z

判斷不同高度草沙障的蝕積狀態(tài)，r<0時，稻草方格沙障內(nèi)表現(xiàn)為吹蝕；r>0時，稻草方格沙障內(nèi)表現(xiàn)為積沙。

從圖3中可以看出：固沙機鋪設的高度為20 cm稻草沙障，在1年后，草沙障內(nèi)蝕積強度r顯示出不規(guī)則變化，鋪設的厚度為1.5 cm的1 m×1 m稻草沙障的蝕積強度r達到9.9 cm。且隨著鋪設規(guī)格的變化，1 m×1 m稻草沙障的蝕積強度明顯高于2 m×2 m稻草沙障。

圖3 不同高度草沙障的蝕積狀態(tài)示意圖

固沙機鋪設的高度為30 cm稻草沙障，1年后草沙障內(nèi)蝕積狀況為：沙障內(nèi)普遍產(chǎn)生積沙。鋪設的1 m×1 m稻草沙障的蝕積強度r均高于鋪設的2 m×2 m稻草沙障，尤其在厚度為0.5 cm和1 cm稻草簾鋪設的草沙障中表現(xiàn)更為突出，即孔隙度在50%以下時，草沙障障間積沙更多。結合孔隙度分析1 m×1 m稻草沙障，蝕積強度大小依次為，1 cm草沙障>0.5 cm草沙障>1.5 cm草沙障；2 m×2 m稻草沙障蝕積強度大小依次為1 cm草沙障>1.5 cm草沙障>0.5 cm草沙障。

固沙機鋪設的高度為40 cm稻草沙障，1年后，1 m×1 m及2 m×2 m草沙障內(nèi)蝕積強度呈現(xiàn)不規(guī)則變化，當鋪設草沙障厚度為1.5 cm時，草沙障內(nèi)發(fā)生風蝕現(xiàn)象，部分沙障發(fā)生障埂破壞，分析原因可能是因為草沙障厚度太厚，孔隙度太小，導致沙障近乎為不透風結構，部分沙粒向沙障根部堆積，部分被風裹挾吹移至沙障的有效防治范圍外，對沙障根部發(fā)生掏蝕，積沙、沙埋現(xiàn)象嚴重，有部分草沙障在風沙流的侵蝕下被沙埋，最后沙障失效。而2 m×2 m草沙障的鋪設厚度為1 cm時，能產(chǎn)生較好的蝕積強度，也能達到較好的穩(wěn)定狀態(tài)。

但是，對于40 cm高度稻草沙障在固沙機鋪設施工的過程中，由于固沙機壓輪機構往沙地壓草的特殊作業(yè)方式，導致寬度為60 cm的稻草簾鋪設時只能壓入沙地10 cm，這種直立式稻草沙障很容易被破壞，實踐對此也有了充分證明。故而，在目前研制的固沙設備實際作業(yè)中基本不采用這種鋪設方式。

這也給我們課題組提供了一個新的研究方向，那就是研制一款可以直接利用液壓系統(tǒng)將硬質草簾插入沙地的智能化硬質草沙障固沙裝備。這樣可以更大程度上避免材料浪費，不僅可以鋪設更多規(guī)格的草沙障，而且在鋪設材料的選材上更具廣泛性。我們也正在朝這個方向攻關。

3.2.2 不同厚度草沙障凹曲面特性分析

利用沙障深寬比值(蝕積系數(shù))公式：

K=Z/L

分別計算不同規(guī)格草沙障的蝕積系數(shù)，結果發(fā)現(xiàn)鋪設的規(guī)格為1 m×1 m、高度為20 cm、厚度為1.5 cm的草沙障蝕積系數(shù)達到1/9.90。而鋪設的2 m×2 m草沙障，在鋪設高度為20 cm、厚度為1.5 cm時的草沙障蝕積系數(shù)為1/9.43；在鋪設高度為30 cm時，厚度為1 cm的草沙障蝕積系數(shù)為1/9.95，厚度為1.5 cm草沙障的蝕積系數(shù)為1/9.48。

綜合分析，在計劃鋪設1 m×1m草沙障，設置草沙障鋪設高度為20 cm、厚度為1.5 cm時防風固沙效益較好；在計劃鋪設2 m×2 m草沙障，設置草沙障鋪設高度為30 cm、厚度為1 cm或1.5 cm時防風固沙效益較好。

分析原因，當草沙障厚度d<0.5 cm時，機械化草沙障孔隙度(透風系數(shù))較大，氣流可以裹挾部分沙粒穿越沙障，這種編織的稻草簾沙障厚度較均勻，無法形成人工鋪設草沙障那種“下密上疏”結構，防風固沙效果差；當草沙障厚度d≥1 cm時，機械化草沙障孔隙度(透風系數(shù))較小，大部分氣流需繞過沙障形成不穩(wěn)定氣流，絕大多數(shù)沙粒被沙障阻擋，而堆積在沙障根部，且有部分沙障在強氣流作用下，根部發(fā)生掏蝕現(xiàn)象，導致沙障失去防風固沙作用，這一現(xiàn)象在40 cm高的草沙障中比較凸顯，機械化草沙障高度h=40 cm時，草沙障透風系數(shù)急劇降低，使得大部分氣流要繞過沙障形成紊流，穩(wěn)定凹曲面不易形成，且部分沙障根部會發(fā)生掏蝕現(xiàn)象，導致沙障失去防風固沙作用部分沙障在未達到穩(wěn)定狀態(tài)即已被破壞。而草沙障厚度0.5≤d<1 cm時，部分氣流可以穿過沙障，帶走少許沙粒，更多的沙粒被草沙障阻擋在沙障根部，逐漸形成穩(wěn)定的凹曲面，防風固沙作用顯著。

3.3 草沙障內(nèi)植被對沙障凹曲面的特性影響分析

在穩(wěn)定的草沙障方格內(nèi)栽植梭梭等沙生植物，可顯著提高植物成活率；而在草沙障退化以致失去防風固沙效應前，成活的沙生植物即可起到防風固沙效果[8]。在實地觀測中發(fā)現(xiàn)，草方格沙障內(nèi)栽植梭梭苗木的成活率均高于裸露沙丘，部分草方格沙障內(nèi)栽植的梭梭苗成活率達到85%，因為草方格沙障穩(wěn)定了流沙，為梭梭苗木成活創(chuàng)造了良好條件。且在梭梭苗木的影響下，草方格沙障內(nèi)凹曲面成不規(guī)則弧線型，大量沙粒在梭梭苗木根部有堆積，并逐漸形成結皮，達到固沙的目的。

4 討論與結論

(1)機械化草沙障的不同厚度，直接反映在孔隙度(透風系數(shù))的大小上。表現(xiàn)為：在一定范圍內(nèi)，疏松透過性沙障相比緊密透過性沙障，其對降沙的作用更強，即孔隙度為40%～50%的機械化草沙障的防風固沙效益明顯高于疏透度在10%以下的?？紫抖容^小的草沙障，由于受到風沙作用的強力作用，在其根部發(fā)生掏蝕現(xiàn)象，使得沙障的形態(tài)發(fā)生惡化，逐漸失去防治作用。

(2)研究發(fā)現(xiàn)，采用固沙機鋪設高度為30 cm、厚度為1 cm的草沙障時，取得的防風固沙效益最好。其中，鋪設1 m×1 m機械沙障的蝕積強度r較2 m×2 m機械沙障的大，沙障深寬比值K較2 m×2 m機械沙障的大。而且1 m×1 m機械沙障的鋪設成本明顯高昂，綜合考慮，建議推廣2 m×2 m機械沙障。

(3)本文著重研究了項目實施過程中針對同一立地條件，利用固沙機鋪設不同規(guī)格稻草方格沙障的防風固沙效益。而對于不同坡度、不同位置、不同年限的機械化草沙障的防風固沙效益，有待進一步研究。

(4)從上述結論可以看出，機械化的草沙障防風固沙效果與草沙障高度、草沙障厚度及孔隙度均有關系，而且在草沙障內(nèi)栽植梭梭苗木或者天然生長了沙米等植物以后，草沙障的防風固沙效果更好。因而，在今后實施機械化的草沙障鋪設時，應盡量避免對原有沙丘上沙生植物的破壞。在考慮鋪設機械化沙障進行防風固沙的同時，還需控制沙障鋪設成本，從而以最小的經(jīng)濟支出取得較好的生態(tài)效益。