閆德仁，胡小龍，黃海廣，袁立敏

(內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)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(fù)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(jìn)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(fēng)固沙效果[1]。為進(jìn)一步驗證該沙障的風(fēng)蝕控制效果，進(jìn)行了風(fēng)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(xué)院寒區(qū)旱區(qū)工程研究所沙坡頭研究站風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行。風(fēng)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(fēng)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(fēng)洞內(nèi)鋪設(shè)風(fēng)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(fēng)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(jìn)行風(fēng)洞吹蝕試驗。設(shè)計風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)蝕積沙測定 在紗網(wǎng)沙障迎風(fēng)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(fēng)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(fēng)蝕積沙深度，其平均值為沙障兩側(cè)不同距離處的風(fēng)蝕積沙狀況。

1.2.4 紗網(wǎng)沙障對風(fēng)場變化的影響 采用輪廓式畢托管測定沙障迎風(fēng)側(cè)10 cm、20 cm、30 cm及沙障背風(fēng)側(cè)10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm不同距離處風(fēng)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(fēng)速數(shù)據(jù)，采用Surfer 8軟件進(jìn)行風(fēng)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(fēng)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(fēng)沙流主要是在近地表運(yùn)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(fēng)沙流，減少風(fēng)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(fēng)沙流具有顯著的效果，并且，風(fēng)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(fēng)蝕積沙的變化特征

風(fēng)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(fēng)蝕積沙深度存在差異。其中，當(dāng)沙障高度20 cm時，在紗網(wǎng)沙障迎風(fēng)側(cè)2 H、1.5 H和1 H位置發(fā)生風(fēng)蝕，風(fēng)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(fēng)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(fēng)蝕積沙的變化

同樣，當(dāng)沙障高度10 cm時，在紗網(wǎng)沙障迎風(fēng)側(cè)2 H、1.5 H位置的風(fēng)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(dāng)沙障高度15 cm時，無論是在紗網(wǎng)沙障迎風(fēng)側(cè)，還是在背風(fēng)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(rèn)為，在紗網(wǎng)沙障迎風(fēng)側(cè)2 H范圍或背風(fēng)側(cè)3 H范圍內(nèi)進(jìn)行造林，均可以較好控制因風(fēng)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(fēng)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(dá)到了91.67%、95.35%、96.62%，且沒有風(fēng)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(fēng)沙危害得到明顯控制。

2.3 紗網(wǎng)沙障對風(fēng)場變化的影響

風(fēng)是塑造風(fēng)沙地貌形態(tài)的基本營力之一，也是沙粒發(fā)生運(yùn)動的動力基礎(chǔ)。所以設(shè)置沙障后，其風(fēng)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(fēng)速的效果，并且由于沙障高度不同，沙障兩側(cè)的風(fēng)場變化特征也不同。

從圖4中可以看出，當(dāng)沙障高度10 cm時，沙障背風(fēng)側(cè)0～20 cm和40～60 cm范圍形成明顯的弱風(fēng)區(qū)，在沙障迎風(fēng)側(cè)(負(fù)值)0～30 cm范圍內(nèi)，風(fēng)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(fēng)速渦旋，并對懸移的沙粒運(yùn)動產(chǎn)生影響，使空中的風(fēng)沙流處于不飽和狀態(tài)，并把沙粒運(yùn)送到更遠(yuǎn)的距離，從而減少地表風(fēng)蝕危害。

圖4 障高10 cm時沙障兩側(cè)風(fēng)速流場的變化

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

圖5 障高15 cm時沙障兩側(cè)風(fēng)速流場的變化

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

圖6 障高20 cm時沙障兩側(cè)風(fēng)速流場的變化

3 討論

風(fēng)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(jìn)行了篩選，從而提高了固沙應(yīng)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(rèn)為“輸沙量越大的風(fēng)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(yīng)，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(fēng)兩種形式；董智等[6]研究了土壤凝結(jié)劑沙障防風(fēng)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(fēng)流結(jié)構(gòu)與防風(fēng)效果，認(rèn)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(jī)不均勻配置模式內(nèi)形成由多個風(fēng)影區(qū)和風(fēng)速加速區(qū)組合的非常復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)”；張克存等[8]研究了不同下墊面對風(fēng)沙流特性影響，認(rèn)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(fēng)沙流特性的主要因素，而下墊面性質(zhì)通過影響風(fēng)沙活動層氣流的能量分布來改變風(fēng)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(fēng)特征，改變了風(fēng)沙流的運(yùn)動軌跡，并且由于風(fēng)動力和風(fēng)速流場的變化，氣流也發(fā)生了明顯的變動，改變著地表風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)，使沙障在控制地表風(fēng)蝕方面起到了明顯的作用。張克存等[2]利用風(fēng)洞模擬研究了不同孔隙度尼龍網(wǎng)對風(fēng)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(hù)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(fēng)運(yùn)動進(jìn)行前后擺動的特性，同樣兼有疏透和通風(fēng)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(qiáng)，在沙障背風(fēng)側(cè)形成弱風(fēng)區(qū)，同時改變沙障上方及沙障兩側(cè)風(fēng)速流場，并在10 cm以上空中形成多個渦旋，從而減少風(fēng)沙流對地表的風(fēng)蝕作用，為促進(jìn)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(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，有效攔截地表風(fēng)沙流中的沙粒，減少風(fēng)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(fēng)蝕積沙深度存在差異。通常，在紗網(wǎng)沙障迎風(fēng)側(cè)發(fā)生風(fēng)蝕，背風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)側(cè)形成的高風(fēng)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(fù)效果的影響[J].內(nèi)蒙古林業(yè)，2017(3)：10-11

[2] 張克存，俎瑞平，方海燕.不同孔隙度尼龍網(wǎng)對風(fēng)沙流減弱作用的風(fēng)洞模擬[J].水土保持學(xué)報，2004，18(4)：4-6，11

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

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

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[7] 楊文斌，盧琦，吳波，等.低覆蓋度不同配置灌叢內(nèi)風(fēng)流結(jié)構(gòu)與防風(fēng)效果的風(fēng)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(fēng)沙流特性影響的風(fēng)洞模擬研究[J].干旱區(qū)地理，2004，27(3)：352-355