低立式纖維沙袋沙障防風固沙效應研究

蒙仲舉，任曉萌，高 永

（1.內蒙古農業大學 生態環境學院，呼和浩特010019；2.內蒙古氣象科學研究所，呼和浩特010051）

沙障是降低近地表土壤風蝕的有效措施之一。不同的沙障材料，沙障的設置類型也不同，從而其防護效果也存在差異，所以我國防沙治沙科技工作者在多年的研究中充分考慮了取材與效益這兩個因素的聯系，為治沙工作更好、更快地發展引進了很多先進的材料，并且積累了豐富的經驗。目前用于制作沙障的材料很多，如柴草、秸稈、黏土、樹枝、板條、卵石、煤矸石及一些活沙障等，但大范圍使用的仍主要是柴草樹枝類、黏土類和沙礫石。由于沙漠地區自然條件嚴酷，用柴草設置的沙障易腐爛分解，固沙功能持續時間短。而黏土、沙礫石本身重量大，取土、運輸所需的人員、機械費用高，沙障設置的效率也非常低。此外這幾類材料的沙障只能使用一次，不能重復使用[1－4]。土工布纖維沙袋沙障是近兩年出現的新型沙障，目前正處在研究性階段，還未推廣，最近由內蒙古交通科研所在阿拉善盟阿左旗月亮湖旅行線進行過沙袋沙障的實驗，沙袋直徑10cm，分有鰭和無鰭兩種，平鋪在沙面上，鰭能起到擊碎風沙流的作用，經實驗收到很好的效果，是值得今后推廣的新材料、新技術方法[5]。

本文以新型的不可降解纖維為外層材料（無鰭），內部充填就地取材的沙土而設置的土工沙袋，以檢驗低立式纖維沙袋沙障的防風固沙效益，并比較不同配置形式所取得的成果，從而選取最佳配置，目前國內未見有此相關研究報道。本文試驗地在內蒙古吉蘭泰鹽湖的西北流沙地，在典型的沙壟上鋪設，障內規格都是1m×1m，分（15%，25%，35%）三種孔隙度。研究鋪完沙障后與裸沙空白對風沙流的影響，并對比三種規格的防風效益，進而為纖維材料沙障的下一步研究和今后的推廣提供理論依據，同時對控制鹽湖上風向的流沙入侵起到一定的控制作用。

1 試驗區概況

試驗地位于39°49′N、105°30′E，處于烏蘭布和沙漠西南緣。該區屬溫帶荒漠氣候特征，冬季嚴寒、夏季酷熱、風大沙多。降水少，年降水量為109.9mm，6—9月降水約占全年總降水量的80%，年平均氣溫8.6℃，蒸發量3 005.3mm，年均風速3.3m／s，每年3—6月風速較大，大風日數34.5d，揚沙日數82.5d，多東北、西南風向，最大風向為西風和西北風。

該區地貌大部分為南北走向的沙壟，東西相間分布，沙壟東西坡大都對稱分布，并且坡比較緩，其上基本無植被，為流動沙丘。實驗地選在典型的南北走向沙壟，南北長約80m，東西長30m，地形較平緩，西坡比東坡稍陡些，上下風向都不受植被和周圍地形的影響，沙源豐富。

2 試驗設計與方法

2.1 沙障鋪設

本試驗沙障材料為不可降解的化學纖維材料。沙障的鋪設按東西走向與流動沙丘南北走向垂直設置，自北向南依次鋪設1m×1m（15%，25%，35%）三種孔隙度的低立式纖維沙袋沙障。每種規格的沙障南北鋪6行，東西19行，共90個格，格內規格都是1m×1m，且每相鄰規格的沙障中間留空白裸沙10m。往沙袋灌沙時，先把一端挽一個結，在裝土時要把袋內沙土敦實，使基部適當寬些，這樣可以使沙袋比較穩固，不會被大風吹倒。沙袋直徑寬15cm、高30cm、其中靠地5cm在鋪設時就地被埋入，鋪完后沙袋均高出沙面25cm（即H＝25cm）。

2.2 指標測定

風速測定使用的是中國科學院蘭州寒區旱區環境與工程研究所研制的便攜式多路風速風向采集儀。為分析障內外風速的變化，由東到西在沙障正中布設6個測點，即障前1m（A1）、障中7m（A2）、障中14m（A3）、障中21m（A4）、障后1m（A5）、障后6m（A6），如圖1所示，A2—A4分別在障中第6，12，18格中，同時空白裸沙測點位置與上同步，即B1—B6。每一測點觀測6個高度，分別為10，20，30，50，100，200cm，每隔2s自動記錄一次數據，取100次為一組數據，每一測點觀測時間為4min，所測風速為瞬時風速。障內和空白裸沙兩測點同時進行，其中曠野200cm高度始終觀測。設置空白裸沙的目的主要是消除地形的影響，使不同規格沙障之間不相互作用，因此也可以近似地當做曠野處理。由此同方位的裸沙與障內所測風速可看作鋪障之前與鋪障之后同一點所測風速。依據障內外不同高度及空白裸沙的風速測量值，來反映沙障對風的影響及不同孔隙度之間的防風效益[6－8]。

圖1 風速測點布設圖

在測定風速的同時用內蒙古農業大學沙漠治理研究所自制的積沙儀測定輸沙量。四臺集沙儀分別設在曠野和三種不同規格的沙障中間，并且位置都在坡頂，同時進行測量，輸沙量觀測的時間40min。帶回室內用1／1 000的天平稱重[9]。

3 結果與分析

3.1 沙袋沙障對風速的影響

沙障孔隙面積與沙障總面積之比叫做沙障孔隙度，是衡量沙障透風性能的指標。風沙活動層中風速隨高度的分布遵循對數規律，但由于不同的下墊面對氣流紊動性的影響程度不同[10－12]。如圖2為三種不同孔隙度沙障障中與同位置曠野風速廓線的比較，其曠野風速都相同（7.5m／s）。每個規格測點0.1～2.0m高度的風速都為平均風速，曲線為各規格散點的趨勢線，都符合對數規律。由圖2可知，35%孔隙度對風的影響最大，25%次之，15%影響最小，其對風的影響都很相似，對數曲線有平行的趨勢，都抬高了風蝕基準面。35%對風速影響最大，其障內粗糙度最大，實地觀測可知35%沙袋露出地表最多，但其阻沙效益不如另外兩種規格好，這與粗糙度最大不符，主要原因可能是沙障鋪設不久，風向多變，障內積沙不均造成的，另外各規格測點都在沙障中間，距上風向入障邊都為14m，這個距離有可能影響風沙流的飽和路徑長度，進而影響輸沙量與風速。

圖2 三種孔隙度沙障障中與曠野同位置風速廓線變化比較

3.2 沙袋沙障對粗糙度的影響

粗糙度是近地表風速為零的高度，它是反映地表對風阻抗的重要參數[13－14]。粗糙度大對氣流的阻抗作用大，有許多學者研究報道地表覆蓋物能夠增大地表粗糙度。本文對三種規格的沙障和曠野進行了對比，觀測位置都選在坡頂，即與上文測量不同規格沙障風速變化的測點一樣，位置都在入障14m。觀測高度取2m和0.5m，2m 高風速都取7.5m／s，高0.5m風速為平均值（兩點風速都同時觀測）。

計算粗糙度公式如下：

式中：z1，z2——觀測高度值（cm）；u1，u2——高度z1，z2處的風速（m／s）；z0——地面粗糙度（cm）。

如表1所示，曠野粗糙度為0.02cm，從15%到35%孔隙度，沙障粗糙度逐漸增大，說明35%沙障對風的減弱作用最強，原因為35%的沙袋被沙埋的最少，出露沙面的高度最大，因此對風的阻力大，防風效益強。15%的沙袋幾乎被埋沒，25%的次之。由此可知35%疏透性最好，防風阻沙效果最好。經多重均值檢驗，35%孔隙度有顯著增加地表粗糙度的效果。

表1 不同規格沙障內的粗糙度變化

3.3 沙袋沙障對輸沙量的影響

從圖3可以看出，距沙面10cm高度范圍內，0—2cm輸沙量占0—10cm總輸沙量的比值是曠野最小，各規格沙障變化不大。0—10cm輸沙量占0—30 cm總輸沙量的比值是曠野最大，說明沙障內與曠野相比越靠近地表，沙障削弱作用越強。不同規格的沙障15%總輸沙量最大，35%次之，25%最小。據實際觀測可知15%沙障內已被流沙積滿，基本形成穩定曲面，因此阻沙效益不大，而另外兩種規格沙袋出露較多，對風沙流有減弱作用，積沙相對較少。

圖3 不同孔隙度沙障障內和曠野輸沙量對比

4 結論

低立式纖維沙袋沙障對1m以下風速減弱明顯，并由進障到出障風速都在減小。對1m以上風速減小與增大相間分布，波動性較大。風在入障前有一個減速區，其范圍大于障前4H，在出障后減速梯度最大能減到裸沙對照的46.7%，其障后風速恢復到曠野風速距離大于24H。3種規格沙障35%孔隙度對風的削弱作用最強，25%次之，15%最小，障中粗糙度35%最大、25%次之，15%最小。與曠野相比三種規格沙障都具有明顯的阻沙作用，35%規格西南端淘蝕嚴重，35%孔隙度沙袋不宜鋪設在坡度較大的沙面上，坡度對15%規格沙障影響較小，在鋪設時要根據不同規格對沙袋就地沙埋深度有不同要求。

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