兩種固沙方格沙障的防護(hù)效益及地形適應(yīng)性對(duì)比

馬學(xué)喜， 王海峰， 李生宇, 康向光, 孫 娜

(1.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所， 新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

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兩種固沙方格沙障的防護(hù)效益及地形適應(yīng)性對(duì)比

馬學(xué)喜1,2， 王海峰1， 李生宇1, 康向光1, 孫 娜1,2

(1.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所， 新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

摘要：[目的] 在塔克拉瑪干沙漠油田公路機(jī)械防沙展示區(qū)，對(duì)比兩種固沙技術(shù)的固沙效益及其地形適應(yīng)性，為工程防沙的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供理論依據(jù)。[方法] 對(duì)地形起伏條件下蘆葦方格和尼龍網(wǎng)方格沙障的風(fēng)沙危害狀況進(jìn)行了野外調(diào)查。[結(jié)果] 在固沙方格沙障設(shè)置初期，各種地形條件下蘆葦方格沙障的沙害類型相對(duì)單一，均為半埋危害。尼龍網(wǎng)方格沙障的沙害類型多樣，而且在沙丘縱斷面上變化很大，在迎風(fēng)坡和落沙坡風(fēng)蝕危害發(fā)生比例大；在調(diào)查區(qū)內(nèi)，尼龍網(wǎng)方格沙障4種沙害類型均有發(fā)生，發(fā)生的比例依次為：半埋>風(fēng)蝕>全埋>壓埋。兩種方格沙障防護(hù)效益的差異與地形引起強(qiáng)烈風(fēng)動(dòng)力空間分異、自身布設(shè)方法和孔隙度有關(guān)。[結(jié)論] 草方格地形適應(yīng)性強(qiáng)，在不同起伏的地貌區(qū)均有顯著的固沙效果，而尼龍網(wǎng)方格沙障更適宜布設(shè)在較平坦的地貌區(qū)，而不適于地形起伏較大的地貌區(qū)。

關(guān)鍵詞：尼龍網(wǎng)方格； 蘆葦方格； 風(fēng)沙危害； 蝕積變化

荒漠化威脅著全球資源環(huán)境和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，是全球重大環(huán)境問題之一，已受到廣泛關(guān)注[1]。為了防治荒漠化的擴(kuò)展，世界各地發(fā)展了形式多樣的防沙工程，包括物理、化學(xué)、生物3種防沙技術(shù)[2]。機(jī)械防沙措施具有見效快，不需水源，較耐沙埋等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于無灌溉條件的流動(dòng)沙丘地區(qū)，在工程防沙中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)制作材料，將機(jī)械防沙材料分為3類：傳統(tǒng)生物質(zhì)材料(作物秸稈為主)、礦物質(zhì)材料(黏土和礫石為主)和新型材料(以石油化工產(chǎn)品為原料或以農(nóng)作物經(jīng)發(fā)酵生成產(chǎn)品為原料[3])。草方格作為常用的傳統(tǒng)防沙材料，材料豐富廉價(jià)，且防沙效果明顯[4-7]。尼龍網(wǎng)沙障作為一種新型的防護(hù)材料，具有造價(jià)相對(duì)低廉，抗老化，抗風(fēng)沙，且可工業(yè)化生產(chǎn)，施工快速等優(yōu)點(diǎn)[8]，特別是在一些風(fēng)沙災(zāi)害比較嚴(yán)重的地區(qū)，尼龍網(wǎng)防護(hù)能快速達(dá)到立竿見影的效果。

學(xué)者們已從不同角度對(duì)草方格和尼龍網(wǎng)方格沙障做了較多研究[9-14]，但多針對(duì)某一種材料，而且地形條件相對(duì)平坦。然而兩種固沙材料對(duì)較大起伏地形的適應(yīng)性是否存在差異？至今相關(guān)研究報(bào)道鮮有報(bào)道。

2008年9月，對(duì)布設(shè)于塔克拉瑪干沙漠石油公路K297 km處的機(jī)械防沙展示區(qū)的尼龍網(wǎng)方格沙障與蘆葦草方格沙障的風(fēng)沙危害狀況進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查和綜合分析評(píng)價(jià)，比較兩者的沙害類型、防護(hù)效益以及地形適應(yīng)性。以期為防沙工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供借鑒和理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠石油公路南北縱貫塔克拉瑪干沙漠，是世界上第一條長(zhǎng)距離穿越流動(dòng)性沙漠的等級(jí)公路。塔克拉瑪干沙漠自然環(huán)境極其惡劣，風(fēng)沙危害是公路安全運(yùn)行的最大威脅?；谒死敻缮衬凸凤L(fēng)沙危害防治的大量研究工作[15-18]，形成了一套適合于流動(dòng)沙漠公路的沙害防治技術(shù)，為公路長(zhǎng)期保持暢通提供了有力技術(shù)保障。1995年建成以來，一直采用機(jī)械防沙，2006年更新為植物防沙，防護(hù)效果顯著，保障了公路交通安全運(yùn)行，其成功的防沙工程建設(shè)受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[19-21]。

本文研究區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠油田公路K297 km處，深入塔克拉瑪干沙漠腹地。根據(jù)巴音郭楞蒙古自治州且末縣塔中氣象站資料，該區(qū)起沙風(fēng)頻繁，年起沙風(fēng)向以ENE，NE，NNE，E的風(fēng)向組合為主，ENE方向風(fēng)時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度大，4—8月為風(fēng)季；研究區(qū)橫跨一條高大復(fù)合縱向沙壟，主要走向N50°E~N60°E，相對(duì)高程大于80 m，高大復(fù)合沙壟上分布著形態(tài)各異的次級(jí)沙丘，壟間地寬1~3 km，分布有沙丘鏈、新月形沙丘和小沙壟等[22]；地表沙物質(zhì)疏松，以細(xì)砂和極細(xì)砂為主。因此，該區(qū)風(fēng)力強(qiáng)勁，沙源豐富，為風(fēng)沙危害的形成提供了風(fēng)動(dòng)力條件和沙物質(zhì)基礎(chǔ)。

2003年在塔克拉瑪干沙漠油田公路全線綠化工程中，該段有意沒有綠化，而將其建成一個(gè)沙漠公路機(jī)械防沙工程建設(shè)技術(shù)展示區(qū)。該區(qū)防沙主要采用固沙工程措施，其中大部分采用蘆葦方格沙障，其規(guī)格為1 m×1 m，碾壓蘆葦稈出露地面20 cm，埋入沙中20 cm，疏透度約為0.35；部分區(qū)域布設(shè)了尼龍網(wǎng)(黑色)方格沙障，規(guī)格亦為1 m×1 m，尼龍網(wǎng)方格沙障高20 cm，疏透度約0.6，方格四角由插入沙中的4根長(zhǎng)度約40 cm的固定樁來固定。

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2008年9月，在研究區(qū)內(nèi)選擇縱向高大復(fù)合縱向沙壟與壟間平地過渡區(qū)，選取布設(shè)兩種方格沙障的沙丘起伏地，設(shè)置了南北長(zhǎng)100 m，東西寬55 m的調(diào)查區(qū)，調(diào)查區(qū)總面積為5 262.97 m2，其中蘆葦草方格沙障面積為1 797.47 m2，占34.15%，尼龍網(wǎng)方格沙障面積為3 465.5 m2，占65.85%。

通過調(diào)查，對(duì)兩種方格沙障的風(fēng)沙危害類型進(jìn)行了劃分，主要?jiǎng)澐譃轱L(fēng)蝕、壓埋、全埋、半埋等4種類型。風(fēng)蝕危害是指風(fēng)力對(duì)方格內(nèi)沙面產(chǎn)生強(qiáng)烈風(fēng)蝕和掏蝕，使沙障的外露高度大于20 cm，沙障固沙能力極大降低，其進(jìn)一步可演變?yōu)槠茐?；全埋是指方格?nèi)大量積沙，使沙障的外露高度在0～5 cm，固沙能力較微弱；半埋是方格內(nèi)有少量的積沙，沙障外露高度尚有5～15 cm，仍有較大的固沙能力；壓埋則是大量風(fēng)積沙掩埋沙障形成的危害，沙障外露高度小于0 cm，導(dǎo)致沙障防護(hù)功能基本喪失。

在蘆葦草方格沙障和尼龍網(wǎng)方格沙障固沙區(qū)，分別選擇一個(gè)次級(jí)新月形沙丘，從其迎風(fēng)坡腳至落沙坡腳設(shè)置一條縱斷面，用地質(zhì)羅盤和皮尺分別測(cè)量斷面各處的坡度和坡長(zhǎng)，并統(tǒng)計(jì)斷面上各種沙害類型的發(fā)生位置和長(zhǎng)度。將調(diào)查斷面數(shù)據(jù)輸入AutoCAD6.0，繪制斷面上沙丘沿縱斷面上風(fēng)沙危害類型分布圖。

用全站儀精確測(cè)量調(diào)查區(qū)域的地形，并劃出不同風(fēng)沙危害類型的分布范圍，將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，用CASS 7.0制圖，計(jì)算不同風(fēng)沙危害所發(fā)生面積。經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，調(diào)查區(qū)域的草方格沙障均為半埋危害，尼龍網(wǎng)方格沙障沙害類型多樣，不同部位的危害程度不一樣，因而特意針對(duì)尼龍網(wǎng)方格內(nèi)的微地形進(jìn)行了測(cè)量。分別選取沙丘背風(fēng)坡嚴(yán)重風(fēng)蝕、背風(fēng)坡半埋危害和丘間平地半埋危害的沙障方格，以方格的中心點(diǎn)為原點(diǎn)O，以相鄰兩邊分別為X軸(N方向)和Y軸(W方向)，分別選取方格2組對(duì)邊的中點(diǎn)連線、2條方格對(duì)角線共4條測(cè)線(呈“米”字形布局)，設(shè)置25個(gè)測(cè)點(diǎn)，用塔尺和鋼卷尺測(cè)量方格內(nèi)沙面與尼龍網(wǎng)上沿的垂直距離，記錄測(cè)點(diǎn)的直角坐標(biāo)x，y和距離值h。通過初始值(20 cm)減去距離值h計(jì)算沙面蝕積強(qiáng)度，即現(xiàn)在沙面相對(duì)于沙障設(shè)置初沙面高度的變化值。將數(shù)據(jù)輸入Surfer 8.0，用克里格插值法進(jìn)行空間插值，繪制方格沙障內(nèi)積沙等值線圖，并通過體積計(jì)算功能計(jì)算沙障的蝕積量。

3結(jié)果與分析

3.1　研究區(qū)沙害類型的發(fā)生面積

如表1所示，在蘆葦草方格沙障區(qū)，均為半埋危害，發(fā)生面積占100%；在尼龍網(wǎng)方格沙障區(qū)，半埋、壓埋、全埋、風(fēng)蝕4種沙害類型均有發(fā)生，其中半埋所占面積最大，其次為風(fēng)蝕，全埋和壓埋的發(fā)生面積均較小。

（1）港口岸線資源整合和港區(qū)功能布局優(yōu)化，推進(jìn)港口集約化發(fā)展。由于碼頭性質(zhì)、經(jīng)營(yíng)等方面的原因，杭州港存在著泊位利用效率不高，岸線使用效益差，部分港區(qū)功能布局分散等現(xiàn)象。本次港口總體規(guī)劃的編制，將按照岸線資源利用集約化和港口發(fā)展規(guī)模化、大型化和專業(yè)化的要求對(duì)岸線資源進(jìn)行整合利用，對(duì)港區(qū)和泊位功能進(jìn)行調(diào)整。總體規(guī)劃中處理好既有泊位與規(guī)劃新建泊位的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)港口岸線資源整合和港區(qū)功能布局優(yōu)化將是杭州港總體規(guī)劃編制工作的難點(diǎn)之一。

在尼龍網(wǎng)方格沙障區(qū)沙害類型的具有一定的分布規(guī)律，全埋均分布于沙脊線前后約1 m的范圍內(nèi)；壓埋危害主要分布于固沙區(qū)的迎風(fēng)側(cè)邊緣；風(fēng)蝕危害分布范圍較廣，有的分布于沙丘迎風(fēng)坡腳、迎風(fēng)坡中、落沙坡下部、沙丘兩翼以及部分平沙地。

表1　調(diào)查區(qū)沙害發(fā)生面積與比例

3.2　沙丘縱斷面上的沙害狀況

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蘆葦草方格沙障固沙區(qū)的風(fēng)沙危害類型均為半埋危害，而尼龍網(wǎng)方格沙障固沙區(qū)除了半埋危害外，還有風(fēng)蝕、壓埋、全埋等類型。

在次級(jí)新月形沙丘上，蘆葦草方格的固沙效果良好，受害程度較低，觀測(cè)斷面上背風(fēng)坡和迎風(fēng)坡的沙害類型均是半埋危害，蘆葦稈外露高度尚有5～15 cm，表明其受害程度較低，仍有較大的固沙能力。

而尼龍網(wǎng)方格沙障的固沙效果相對(duì)較差，受害程度較重，風(fēng)蝕、全埋和半埋3種風(fēng)沙災(zāi)害類型都有發(fā)生，其中風(fēng)蝕比例最大，占55.71%，主要分布于迎風(fēng)坡坡中和背風(fēng)坡下部；半埋其次，占40.00%，主要分布于落沙坡上部和迎風(fēng)坡上部；全埋最小，僅占4.29%，分布于丘頂。沙丘兩坡尼龍網(wǎng)沙障的風(fēng)沙危害都以半埋和風(fēng)蝕為主，其中沙丘背風(fēng)坡半埋(57.14%)發(fā)生比例大于風(fēng)蝕(39.29%)，而迎風(fēng)坡風(fēng)蝕(66.67%)發(fā)生比例大于半埋(28.57%)。

3.3　方格沙障內(nèi)的微地形蝕積特征

圖1為尼龍網(wǎng)方格設(shè)置3 a后不同地貌部位方格沙障內(nèi)的地貌的微形態(tài)。在沙丘背風(fēng)坡下部(圖1a)，尼龍網(wǎng)方格遭受嚴(yán)重風(fēng)蝕，尤其在方格的主風(fēng)向一側(cè)掏蝕非常嚴(yán)重，深度大于30 cm；相對(duì)于沙障設(shè)置初期沙面，方格內(nèi)各點(diǎn)均呈凈風(fēng)蝕狀態(tài)，風(fēng)蝕量達(dá)到0.097 m3/m2。在沙丘背風(fēng)坡上部(圖1b)，尼龍網(wǎng)方格遭受半埋危害，方格內(nèi)形成馬鞍狀的風(fēng)沙堆積，其西北和東南北角形成輕微風(fēng)蝕，部分尼龍網(wǎng)方格沙障下緣懸空于地表之上，而在西南和東北角的沙粒堆積已經(jīng)與尼龍網(wǎng)方格沙障上緣平齊；相對(duì)于沙障設(shè)置初期沙面，方格呈凈堆積狀態(tài)，積沙量達(dá)到0.101 m3/m2，風(fēng)蝕微量。在地形較平坦區(qū)(圖1c)，尼龍網(wǎng)方格防沙效果良好，沙害類型均為半埋危害，沙障內(nèi)沉積物基本呈一向西南傾斜的斜面，在迎主風(fēng)向的東側(cè)沉積量較多，相對(duì)于沙障設(shè)置初期沙面，方格呈凈堆積狀態(tài)，積沙量達(dá)到0.025 m3/m2，風(fēng)蝕量達(dá)到0.014 m3/m2，凈堆積量達(dá)到0.011 m3/m2?？梢姡谀猃埦W(wǎng)方格設(shè)置初期，在地形較平坦區(qū)域和沙丘背風(fēng)坡沙埋區(qū)，尼龍網(wǎng)沙障起到了較好固沙作用，而起伏較大的地貌部位易發(fā)生風(fēng)蝕，防護(hù)效益較差。

圖1　2008年尼龍網(wǎng)方格沙障內(nèi)微地貌特征

2013年9月，對(duì)該區(qū)沙丘不同地貌部位保存較好的尼龍網(wǎng)方格內(nèi)微地貌形態(tài)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見圖2所示。可見，在平沙地(圖2a)、迎風(fēng)坡中(圖2b)、丘頂(圖2c)和落沙坡中(圖2d)四個(gè)地貌部位中，尼龍網(wǎng)方格沙障均表現(xiàn)出較好的固沙效果，均呈凈堆積狀態(tài)，尤其在平沙地發(fā)育了較典型的凹曲面，積沙量分別為0.168，0.108，0.159，0.152 m3/m2，4個(gè)地貌部位平均為0.147 m3/m2，變差系數(shù)為0.18。

同期觀測(cè)的蘆葦方格沙障內(nèi)也呈凈堆積狀態(tài)，形成四周高中間低的凹曲面形態(tài)，丘間平地(圖2e)和迎風(fēng)坡中(圖2f)的積沙體積分別為0.179，0.152 m3，兩個(gè)地貌部位平均為0.166 m3。

可見，在地貌部位、設(shè)置時(shí)間相同的條件下，蘆葦草方格的積沙量大于尼龍網(wǎng)方格沙障；在平沙地和沙丘迎風(fēng)坡，尼龍網(wǎng)方格沙障積沙量分別是蘆葦方格沙障的93.86%和71.05%。因而尼龍網(wǎng)方格沙障維護(hù)較好時(shí)，其具有較好的防護(hù)效益，平沙地的積沙量與蘆葦方格較接近，而坡地差異較大。

圖2　2013年不同部位尼龍網(wǎng)方格和蘆葦方格沙障內(nèi)微地貌特征

3.4　方格沙障內(nèi)斷面蝕積特征

2種方格沙障經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積沙，方格內(nèi)的積沙凹曲面達(dá)到了穩(wěn)定蝕積平衡狀態(tài)，沙丘不同地貌部位縱斷面如圖3所示。草方格凹曲面趨于對(duì)稱，積沙最低點(diǎn)位于方格中心位置，不同地貌部位最低點(diǎn)積沙高度存在著差異，平沙地最低點(diǎn)積沙高度最大值為13.9 cm，迎風(fēng)坡中最小9.8 cm，丘頂和落沙坡最低點(diǎn)的積沙高度分別為10.2 cm和11.6 cm。尼龍網(wǎng)方格沙障最低點(diǎn)位置與草方格不同，最低點(diǎn)在縱斷面60 cm處。尼龍網(wǎng)方格在沙丘不同地貌部位縱斷面有差異，在迎風(fēng)坡中趨于線性，其他部位為凹曲面，左右不對(duì)稱。其最低點(diǎn)積沙高度還是平沙地比較大，與草方格相同。丘頂和落沙坡最低點(diǎn)的積沙高度分別為12.1和13.2 cm。

圖3　2013年草方格和尼龍網(wǎng)方格沙障不同地貌部位縱斷面蝕積特征

4討 論

4.1　防護(hù)效益與風(fēng)動(dòng)力空間分異的關(guān)系

在尼龍網(wǎng)方格沙障固沙區(qū)，地形起伏，雖然主要沙害類型是半埋，但風(fēng)蝕、壓埋、全埋等也占較大比例，三者合計(jì)28.21%(表1)；在沙丘縱斷面上，不同地貌部位的沙害類型不同。可見，地形起伏區(qū)沙障風(fēng)沙危害類型多樣，并與地貌部位有顯著空間耦合性，這種差異性分布源于沙丘地形擾動(dòng)下流場(chǎng)和風(fēng)速的空間分異。

沙丘是一種上凸的床面形態(tài)，對(duì)近地表氣流運(yùn)行形成很大障礙，迫使氣流抬升和繞行，其中一部分氣流在迎風(fēng)坡被抬升，由迎風(fēng)坡腳至丘頂氣流逐漸加速，在沙丘頂部達(dá)到最大[23-24]；在背風(fēng)坡空間約束驟然消失，氣流發(fā)生擴(kuò)散，附面層分離，形成大的氣流渦旋，風(fēng)速大幅降低；另一部氣流沿沙丘邊緣至兩翼繞流，由于沙壟區(qū)次級(jí)新月形沙丘分布密集，相互連接成沙丘鏈，因而在兩沙丘的側(cè)向連接區(qū)(兩翼)形成較閉塞的空間，繞流因空間壓縮風(fēng)速大幅增大。沙丘地形使近地表流場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，形成了風(fēng)速的顯著空間分異格局：迎風(fēng)坡加速區(qū)、落沙坡強(qiáng)烈減速區(qū)、兩翼加速區(qū)。因此，沙丘迎風(fēng)坡和兩翼沙障的風(fēng)蝕危害比例最高，而沙丘落沙坡半埋發(fā)生比例最高。

在沙丘迎風(fēng)坡不同部位風(fēng)速也有很大差異，坡腳氣流減速，坡中部氣流加速，接近沙丘頂部氣流減速，因此Wiggs 等[25]將沙丘迎風(fēng)坡劃分為坡腳-坡中侵蝕區(qū)和丘頂堆積區(qū)。

由于氣流背風(fēng)坡風(fēng)速大幅度降低，由迎風(fēng)坡搬運(yùn)來的沙物質(zhì)在落沙坡卸載堆積，并在重力作用下發(fā)生崩塌前移，因此風(fēng)沙危害主要以壓埋為主。從落沙坡腳至沙丘下風(fēng)向12H(H為沙丘高度，m)處，起沙風(fēng)向與迎風(fēng)坡風(fēng)向近似于垂直，且主要作用于背風(fēng)坡[22]，較大風(fēng)速時(shí)也能引起風(fēng)蝕發(fā)生。另外，反風(fēng)向盛行時(shí)，氣流直接作用沙丘落沙坡也能引起坡面風(fēng)蝕。

4.2　防護(hù)效益與沙障布設(shè)方式的關(guān)系

在地形起伏相同的條件下，蘆葦草方格沙障防護(hù)效果良好，沙害類型單一(半埋)，而尼龍網(wǎng)方格沙障防護(hù)效果相對(duì)較差，沙害類型多樣，尤其是風(fēng)蝕危害嚴(yán)重。這主要與2種沙障的布設(shè)方式有關(guān)。蘆葦方格沙障的材料為碾壓蘆葦桿，其具有一定強(qiáng)度和柔韌性，用平頭鍬插入沙土中即可直立，蘆葦桿與下伏沙面形成了良好的固著結(jié)構(gòu)。而尼龍網(wǎng)則柔軟無法直立，必須依賴固定樁(長(zhǎng)約40 cm，埋入地下20 cm左右)的支撐才能直立懸掛于沙面上，氣流可以從尼龍網(wǎng)與沙面之間的縫隙通過，同時(shí)伴隨風(fēng)吹尼龍網(wǎng)形變，縫隙擴(kuò)大，沙面氣流掏蝕使縫隙不斷擴(kuò)大，不僅防護(hù)效益下降，而且最終會(huì)影響固定樁的沙面穩(wěn)定性。另外，蘆葦方格沙障的各部位的蘆葦桿之間相互獨(dú)立性好，相互之間影響不大，而尼龍網(wǎng)方格沙障中的尼龍網(wǎng)和固定樁是不可分割的整體，一部分損壞尤其是固定樁倒伏必然牽連其他部分。因此這也是尼龍網(wǎng)方格沙障一旦局部損壞即快速蔓延的原因。

在地形平坦地貌部位(圖1c)尼龍網(wǎng)方格沙障防護(hù)效益最好，受災(zāi)最輕，積沙沉積于沙障中部，但由于尼龍網(wǎng)與沙面之間縫隙的吹蝕，仍沙障遭受一定強(qiáng)度的風(fēng)蝕危害，其中北部木樁因風(fēng)蝕而出露，埋深小于10 cm，有潛在風(fēng)蝕危害。但在地形起伏較大區(qū)域(圖1a)，沙障防護(hù)效益微弱，嚴(yán)重掏蝕使固定樁埋深極小，極易風(fēng)吹倒伏。

4.3　防護(hù)效益與沙障孔隙度的關(guān)系

孔隙度是影響沙障防護(hù)效益的最重要因素[26]，Ranga等[27]研究表明沙障的阻力主要受孔隙度和高度的影響，Perera[28]通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)沙障孔隙度超過30%時(shí)，沙障后的渦旋將會(huì)消失。沙障的孔隙度不僅直接影響沙顆粒的穿透能力，而且還改變氣流的紊動(dòng)特性，最終對(duì)沙障的防護(hù)效益產(chǎn)生至關(guān)重要的影響[12]。本試驗(yàn)區(qū)使用的尼龍網(wǎng)方格沙障是人工生產(chǎn)的一種以高密度聚乙烯( HDPE) 為主要原料的尼龍網(wǎng)，孔隙度為0.6，屬于通透風(fēng)型沙障，而該區(qū)布設(shè)的蘆葦方格沙障孔隙度為0.35，屬于緊密型，因而對(duì)近地表氣流影響作用不同[29]。兩種方格沙障的防護(hù)效益差異，與沙障的孔隙度有關(guān)，導(dǎo)致方格沙障內(nèi)的積沙形態(tài)和積沙量不同。

5結(jié) 論

在地形條件相近的條件下，蘆葦方格沙障和尼龍網(wǎng)方格沙障的風(fēng)沙危害狀況明顯不同，前者危害程度較低，沙害類型單一，各地貌部位均為半埋危害，而后者危害程度很大，沙害類型多樣，半埋、全埋、壓埋和風(fēng)蝕均有發(fā)生。在沙丘縱斷面上，尼龍網(wǎng)方格沙障的沙害類型隨地貌部位變化明顯，風(fēng)蝕發(fā)生比例最大，主要分布于沙丘落沙坡中、迎風(fēng)坡下，半埋其次，主要分布于落沙坡上部和迎風(fēng)坡上部，全埋很小，主要分布于丘頂。從整個(gè)防護(hù)體系來看，尼龍網(wǎng)方格沙障半埋危害發(fā)生面積最大，風(fēng)蝕其次，全埋和壓埋最小。在固沙方格內(nèi)部積沙微形態(tài)和積沙量來看，兩者也存在很大差異，蘆葦方格內(nèi)發(fā)育明顯的凹曲面，而尼龍網(wǎng)方格積沙形態(tài)不規(guī)則，而且受地貌部位影響大。

兩種材料的固沙方格沙障的防護(hù)效益和風(fēng)沙危害之所以存在的差異，與地形引起強(qiáng)烈風(fēng)動(dòng)力空間分異和自身布設(shè)方法和孔隙度有關(guān)，尼龍網(wǎng)方格與地面之間有空隙，易產(chǎn)生風(fēng)蝕，并威脅固定樁和沙障的穩(wěn)定性，尤其在地形起伏的條件下更易受損，而在平坦地形條件下較穩(wěn)定，防護(hù)性能較好，防護(hù)效益接近蘆葦方格。

可見，作為一種新興的非生物固沙材料，尼龍網(wǎng)方格沙障更適宜布設(shè)在起伏度小的地貌區(qū)，而不適于起伏較大的地貌區(qū)；而傳統(tǒng)的草方格對(duì)地形適應(yīng)性強(qiáng)，防護(hù)效益好。因此，對(duì)于固沙工程來說，尤其是極端干旱沙漠地區(qū)，草方格仍是首選固沙方案。但尼龍網(wǎng)方格材料輕，運(yùn)輸成本小，可工業(yè)化生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定，施工方便，適于重要防護(hù)對(duì)象的短期救急防護(hù)。因此地形起伏適應(yīng)性差是尼龍網(wǎng)方格沙障的重要缺點(diǎn)，而布設(shè)模式和布設(shè)配件革新是解決該問題關(guān)鍵的切入點(diǎn)。

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Comparison of Sand-protecting Efficiency and Terrain Adapted of Two Checkerboard Barriers

MA Xuexi1,2, WANG Haifeng1, LI Shengyu1, KANG Xiangguang1, SUN Na

(1.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi,

Xinjiang830011,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract：[Objective] To compare the sand preventing effects and terrain adaption of two different sand-barriers at sandy-prevention exhibition zone of the Taklimakan Desert petroleum highway in the Taklimakan Desert, in order to provide theoretical basis for application and structure optimization with sand control engineering. [Methods] The effect of reed checkerboard and nylon net checkerboard barrier on blown sand disaster in rugged terrain areas were investigated. [Results] The types of blown sand disaster during the early days of reed checkerboard barrier on the flat land and rugged terrain were relatively single and all semi-buried. The types of blown sand disaster with nylon net checkerboard barrier on the dune were diverse and varied greatly among different sites. The proportion of wind erosion was large in the windward and leeward slope. The sequence of blown sand disasters types with nylon net checkerboard barrier was the semi-buried, wind erosion, buried and deeply buried in the investigation areas. The protective effect of two checkerboard barriers on different sites was mainly caused by strong disturbance to the near ground surface wind field and wind speed from dune landform and the setting mode and the porosity. [Conclusion] The reed checkerboard fit different landforms. Sand-stabilizing project with nylon net checkerboard barrier is more suitable for flat sandy land than sites with rugged terrain in terms of controlling blown sand disasters.

Keywords:nylon net checkerboard; reed checkerboard; blown sand disasters; sand surface change

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0344-06

中圖分類號(hào)：S157.1， X171.4

通信作者：李生宇(1975—)，男(漢族)，河北省宣化縣人，博士，副研究員，主要研究風(fēng)沙地貌與風(fēng)沙災(zāi)害治理。E-mail：lishy_hb@163.com。

收稿日期：2014-05-04修回日期：2014-05-11

資助項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)科技支疆項(xiàng)目“新型HDPE防沙網(wǎng)及配套安裝組件研發(fā)與應(yīng)用”(201291106)

第一作者：馬學(xué)喜(1987—)，男(漢族)，甘肅省環(huán)縣人，碩士研究生，主要研究風(fēng)沙災(zāi)害治理與荒漠化防治。 E-mail：maxx1207dc@163.com。