李小東

(1.全國荒漠化防治(機(jī)械治沙工程)試驗(yàn)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(xiàng)牽引式半隱蔽型草沙障鋪設(shè)機(jī)、QYGSEII牽引式半隱蔽型草沙障固沙機(jī)等草沙障鋪設(shè)設(shè)備埋設(shè)的機(jī)械化沙障防風(fēng)固沙效益的研究尚少。為此本文探索了不同規(guī)格機(jī)械化半隱蔽式稻草方格沙障的防風(fēng)固沙效益，為后續(xù)機(jī)械化防沙治沙項(xiàng)目的開展和機(jī)械化治沙設(shè)備的研制試驗(yàn)提供指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究區(qū)位于甘肅省中部、河西走廊東端起點(diǎn)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(biāo)為38°08′13.27″～38°08′23.11″N，102°49′34.30″～102°50′1.33″E，遠(yuǎn)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(fēng)等自然災(zāi)害頻繁；土壤以風(fēng)沙土、灰棕漠土、棕漠土等為主，主要風(fēng)害為西北風(fēng)，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(jī)鋪設(shè)效率，采用經(jīng)過草簾編織機(jī)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(jìn)行沙障編織，草簾編制寬度為60 cm，草簾以鏈?zhǔn)骄€跡進(jìn)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(shè)后形成不同孔隙度(透風(fēng)系數(shù))的草沙障。

2.2 稻草簾鋪設(shè)

2017年10月25日，武威市祁連山山水林田湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程涼州區(qū)2017年北部防風(fēng)固沙林建設(shè)項(xiàng)目——機(jī)械壓沙示范區(qū)建設(shè)在武威市涼州區(qū)九墩灘生態(tài)建設(shè)指揮部全國荒漠化防治(機(jī)械治沙工程)試驗(yàn)示范基地開建，項(xiàng)目利用QYGSEII牽引式半隱蔽型草沙障固沙機(jī)、GSDQ750-132L單項(xiàng)牽引式半隱蔽型草沙障鋪設(shè)機(jī)完成機(jī)械壓沙示范區(qū)建設(shè)200 hm2，施工期限自2017年10月25日至2018年4月30日，管護(hù)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(fēng)固沙效益的影響，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)自然條件和天然植被生長狀況，結(jié)合造林樹種的生物學(xué)特性和生長表現(xiàn)，該項(xiàng)目工程中選擇耐干旱、耐貧瘠、適應(yīng)性強(qiáng)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(jìn)行造林。

在項(xiàng)目具體實(shí)施的過程中，利用固沙機(jī)分別鋪設(shè)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(jìn)行不同規(guī)格的草沙障防風(fēng)固沙效益研究。同時，通過調(diào)整固沙機(jī)壓輪機(jī)構(gòu)的位置和控制液壓系統(tǒng)壓沙深度，鋪設(shè)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(jī)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(jī)構(gòu)進(jìn)行智能高度調(diào)整，設(shè)備在工作時，送草機(jī)構(gòu)將編織好的稻草簾輸送至地面的同時稻草簾與壓輪機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)對草簾的作用力，實(shí)際鋪設(shè)成型的稻草的實(shí)際厚度(d)分別為：d<0.5 cm、0.5≤d<1 cm以及d≥1 cm，鋪設(shè)成型的草沙障為直立式沙障(如圖1)。

關(guān)于體育賽事的概念定義，學(xué)者黃海燕在其博士學(xué)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(xué)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(yùn)會、世界大學(xué)生運(yùn)動會等)、國際單項(xiàng)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(shè)示意圖

2.3 研究方法

2.3.1 孔隙度(透風(fēng)系數(shù))測定

孔隙度(透風(fēng)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(shè)成型的稻草的實(shí)際厚度直接反映出草沙障的透風(fēng)系數(shù)。通過利用游標(biāo)卡尺測定鋪設(shè)成的稻草簾實(shí)際厚度(d)，采用HYCG-09超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器測定不同厚度草沙障順風(fēng)向相鄰兩稻草簾中部的風(fēng)速，計算其相應(yīng)的孔隙度。

2.3.2 穩(wěn)定凹曲面特性研究

鋪設(shè)草沙障后的沙地，在風(fēng)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(hù)修復(fù)工程涼州區(qū)2017年北部防風(fēng)固沙林建設(shè)項(xiàng)目施工完成1年后(2019年4月)進(jìn)行，基于野外實(shí)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(fù)(如圖2)。通過測量不同規(guī)格的機(jī)械化稻草方格沙障凹曲面深度，進(jìn)而整理數(shù)據(jù)，對比分析不同規(guī)格機(jī)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(jī)械化草方格沙障對凹曲面特性的影響進(jìn)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(qiáng)度r關(guān)系示意圖

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

3 結(jié)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(jī)鋪設(shè)的草沙障平均實(shí)際厚度為4.12 cm、8.75 cm以及141.40 cm，對應(yīng)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(jī)鋪設(shè)的草沙障，稻草簾越厚，其對應(yīng)的孔隙度(透風(fēng)系數(shù))越小，當(dāng)?shù)静莺熀穸冗_(dá)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(jī)械化草沙障，測定其凹面深度，3次重復(fù)后，得到不同規(guī)格機(jī)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(jī)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(jī)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(shè)的20 cm、30 cm半隱蔽型機(jī)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(qiáng)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(jī)鋪設(shè)的高度為20 cm稻草沙障，在1年后，草沙障內(nèi)蝕積強(qiáng)度r顯示出不規(guī)則變化，鋪設(shè)的厚度為1.5 cm的1 m×1 m稻草沙障的蝕積強(qiáng)度r達(dá)到9.9 cm。且隨著鋪設(shè)規(guī)格的變化，1 m×1 m稻草沙障的蝕積強(qiáng)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(jī)鋪設(shè)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(shè)的1 m×1 m稻草沙障的蝕積強(qiáng)度r均高于鋪設(shè)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(shè)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(jié)合孔隙度分析1 m×1 m稻草沙障，蝕積強(qiáng)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(qiáng)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(jī)鋪設(shè)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(qiáng)度呈現(xiàn)不規(guī)則變化，當(dāng)鋪設(shè)草沙障厚度為1.5 cm時，草沙障內(nèi)發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象，部分沙障發(fā)生障埂破壞，分析原因可能是因?yàn)椴萆痴虾穸忍瘢紫抖忍?，?dǎo)致沙障近乎為不透風(fēng)結(jié)構(gòu)，部分沙粒向沙障根部堆積，部分被風(fēng)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(yán)重，有部分草沙障在風(fēng)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(shè)厚度為1 cm時，能產(chǎn)生較好的蝕積強(qiáng)度，也能達(dá)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(jī)鋪設(shè)施工的過程中，由于固沙機(jī)壓輪機(jī)構(gòu)往沙地壓草的特殊作業(yè)方式，導(dǎo)致寬度為60 cm的稻草簾鋪設(shè)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(shí)踐對此也有了充分證明。故而，在目前研制的固沙設(shè)備實(shí)際作業(yè)中基本不采用這種鋪設(shè)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(zhì)草簾插入沙地的智能化硬質(zhì)草沙障固沙裝備。這樣可以更大程度上避免材料浪費(fèi)，不僅可以鋪設(shè)更多規(guī)格的草沙障，而且在鋪設(shè)材料的選材上更具廣泛性。我們也正在朝這個方向攻關(guān)。

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(jié)果發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)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(dá)到1/9.90。而鋪設(shè)的2 m×2 m草沙障，在鋪設(shè)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(shè)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(shè)1 m×1m草沙障，設(shè)置草沙障鋪設(shè)高度為20 cm、厚度為1.5 cm時防風(fēng)固沙效益較好；在計劃鋪設(shè)2 m×2 m草沙障，設(shè)置草沙障鋪設(shè)高度為30 cm、厚度為1 cm或1.5 cm時防風(fēng)固沙效益較好。

分析原因，當(dāng)草沙障厚度d<0.5 cm時，機(jī)械化草沙障孔隙度(透風(fēng)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(shè)草沙障那種“下密上疏”結(jié)構(gòu)，防風(fēng)固沙效果差；當(dāng)草沙障厚度d≥1 cm時，機(jī)械化草沙障孔隙度(透風(fēng)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(qiáng)氣流作用下，根部發(fā)生掏蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致沙障失去防風(fēng)固沙作用，這一現(xiàn)象在40 cm高的草沙障中比較凸顯，機(jī)械化草沙障高度h=40 cm時，草沙障透風(fēng)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(dǎo)致沙障失去防風(fēng)固沙作用部分沙障在未達(dá)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(fēng)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(fēng)固沙效應(yīng)前，成活的沙生植物即可起到防風(fēng)固沙效果[8]。在實(shí)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(dá)到85%，因?yàn)椴莘礁裆痴戏€(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(jié)皮，達(dá)到固沙的目的。

4 討論與結(jié)論

(1)機(jī)械化草沙障的不同厚度，直接反映在孔隙度(透風(fēng)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(qiáng)，即孔隙度為40%～50%的機(jī)械化草沙障的防風(fēng)固沙效益明顯高于疏透度在10%以下的。孔隙度較小的草沙障，由于受到風(fēng)沙作用的強(qiáng)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(jī)鋪設(shè)高度為30 cm、厚度為1 cm的草沙障時，取得的防風(fēng)固沙效益最好。其中，鋪設(shè)1 m×1 m機(jī)械沙障的蝕積強(qiáng)度r較2 m×2 m機(jī)械沙障的大，沙障深寬比值K較2 m×2 m機(jī)械沙障的大。而且1 m×1 m機(jī)械沙障的鋪設(shè)成本明顯高昂，綜合考慮，建議推廣2 m×2 m機(jī)械沙障。

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

(4)從上述結(jié)論可以看出，機(jī)械化的草沙障防風(fēng)固沙效果與草沙障高度、草沙障厚度及孔隙度均有關(guān)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(fēng)固沙效果更好。因而，在今后實(shí)施機(jī)械化的草沙障鋪設(shè)時，應(yīng)盡量避免對原有沙丘上沙生植物的破壞。在考慮鋪設(shè)機(jī)械化沙障進(jìn)行防風(fēng)固沙的同時，還需控制沙障鋪設(shè)成本，從而以最小的經(jīng)濟(jì)支出取得較好的生態(tài)效益。