不同沙埋程度下帶狀沙障的防風固沙效果研究

袁立敏，黃海廣,3，閆德仁，胡小龍

不同沙埋程度下帶狀沙障的防風固沙效果研究

袁立敏1,2，黃海廣1,2,3，閆德仁1,2，胡小龍1,2

（1. 內蒙古自治區林業科學研究院，呼和浩特 010010；2. 內蒙古多倫渾善達克沙地生態系統國家定位觀測研究站，錫林郭勒盟 027300；3. 內蒙古農業大學林學院，呼和浩特 010018）

沙障在防護過程中，易發生沙障沙埋現象。為了對比分析不同沙埋程度下沙障的防風固沙效果差異，該文通過風洞模擬和野外試驗相結合的方法，研究了沙袋沙障在裸露、淺埋、深埋3種狀態下，防護區近地層風流場、輸沙通量等風沙運動規律，并以未設置沙障的流沙區作為對照，明確了沙埋過程中沙障的防風固沙效果變化規律。結果表明，沙障在經歷裸露至深埋過程中：1）對過境氣流的防護距離、防護高度逐漸減小，近地層風速廓線變化趨勢與對照相同，并逐漸服從對數函數；2）沙障防護區輸沙分布高度顯著降低（<0.01），輸沙分布高度由42 cm（裸露）降低至34 cm（淺埋），最終降至28 cm（深埋），而對照的輸沙分布高度為24 cm；3）近地層輸沙率分布曲線逐漸服從對數函數，0～50 cm高度范圍輸沙量也呈現遞增趨勢；4）3種埋設深度野外試驗說明，經過兩個風季后，裸露、淺埋、深埋的沙袋沙障防護區土壤風蝕呈現降低趨勢，風蝕深度分別比對照降低了18.53%、72.97%、80.40%。研究可以為沙障高度優化及應用技術提升提供理論依據。

土壤；侵蝕；沙障；風蝕；風速流場；風速廓線；輸沙量

0 引 言

土地沙漠化作為嚴峻的生態環境問題，一直備受公眾關注。沙障作為一種重要的沙漠化防治工程技術措施，發揮著不可替代的作用，其能夠削弱近地層過境風沙流強度，有效抑制地表沙粒運動，在風沙活動強烈區域其是植物存活的前提和必要條件。近年來，沙障的相關應用研究得到了很大發展，但多數相關研究傾向于固沙型沙障。固沙型沙障主要是通過隔絕氣流與松散沙層的接觸，或增大地表粗糙度來抑制地表風蝕[1]，如傳統草方格沙障、沙柳沙障、黏土沙障、礫石沙障、秸稈沙障等。學者們對沙障的防風固沙效益[2-6]、土壤改良與植被恢復效果[7-8]及沙障構造尺寸[9-10]等內容開展了研究并取得重要進展。

沙障沙埋多發生在沙障設置初期，當過境風沙流經過沙障時，受到其阻擋作用，消耗了大量動能，氣流攜沙能力下降，引起空中運動的沙粒墜落和在沙障兩側的堆積，開始發生沙埋。沙埋直接導致沙障高度降低，而沙障高度是決定其防護效果的重要結構參數之一[11]，特別是近地層0～50 cm高度范圍時，沙障高度是決定其防護效果的主要因素。但已有研究認為，沙障的防護效果與其高度并不完全呈現正相關關系[12]，還要受到沙障規格及沙障孔隙度等結構參數的影響，一般小規格沙柳沙障內輸沙率與風速呈對數關系，而大規格沙障內則呈指數關系[13]，沙障內部積沙厚度隨著規格的增大而減小[14]。另外，沙障孔隙度與其防風固沙效果相關性較大[15-17]，在相同強度的氣流下，不透風沙障嵌固端受力遠高于透風式沙障，不同孔隙率沙障背風側流場結構呈現相似性[18]。越接近沙障，背風側風速明顯偏離對數廓線分布，且偏離越明顯，并且沙障設置行數、孔隙度對柵欄沙障防護效果影響也十分顯著[19]。

一般認為，沙障被沙埋是導致其防風固沙功能衰減和喪失的主要原因，沙障被嚴重沙埋會導致防風固沙功能喪失，而輕度沙埋則有助于沙障形成穩定的防護結構體，在一定程度上可提高防護效果。對不同沙埋程度下沙障防護功能、防護效益的監測研究，有利于摸清沙障沙埋機理。但是，目前鮮見不同沙埋程度沙障防護效果研究的相關報道。本文選擇不透風型的沙袋沙障為研究對象，采用風洞模擬試驗并結合野外實測，對比研究了不同程度沙埋對沙障的防風固沙效果的影響，分析風速、輸沙率、輸沙分布高度、地表風蝕變化，探尋沙埋深度與沙障防風固沙效果關系，為沙障結構提升及其應用技術的完善提供理論依據。

1 試驗設計與方法

1.1 沙袋沙障簡介

本研究以沙袋沙障（Sandbag sand barrier）[20-21]為研究對象，其外層材料為黃麻纖維，內部灌裝風沙土，形成的沙袋截面為圓形，圓直徑為15 cm，沙袋倒放在流沙地表后，發生一定的形變，截面形狀由圓形變為橢圓形，橢圓短軸為10 cm，長軸為20 cm。一般在野外工程施工中，針對于多個方向的主害風流沙治理區，沙障多采用格狀配置，存在單一或兩個主害風治理區，僅采用帶狀配置可達到與格狀配置相同的防護效果[22]。帶狀沙障設置與主害風方向垂直，且僅在流動沙丘中下部設置沙障即可，見圖1，沙丘上部無沙障防護會逐漸削平。另外，同規格帶狀成本僅為格狀沙障的一半。所以，要針對治理區的主害風情況，設計所需沙障配置類型，避免成本浪費。本研究區僅存在西北單一方向的主害風，在野外鋪設的沙袋沙障采用帶狀配置即可。

圖1 沙袋沙障帶狀設置示意圖

1.2 風洞試驗

在中國科學院西北生態環境資源研究院沙漠與沙漠化重點實驗室開展風洞實驗。該風洞是直流閉口吹氣式風洞，風洞全長37 m，試驗段長21 m，截面1.2 m×1.2 m。試驗前在整個試驗段床面鋪設厚度15 cm的風沙土，風沙土粒徑特征見表1。

表1 流動沙丘風沙土沙粒度組成

平整沙面，將沙袋垂直于來風方向設置。對沙袋沙障沙埋過程中3種典型狀態開展了模擬試驗：1）裸露是沙袋沙障未被沙埋的狀態，沙障高10 cm，沙障鋪設初期沙障處于此狀態；2）淺埋是沙袋沙障一半被沙埋、一半裸露的狀態，沙障裸露高度5 cm，新鋪設的沙障極易達到此沙埋狀態，此種沙埋狀態較穩定且能夠長時間維持；3）深埋是指80%～90%沙障被沙埋，沙障裸露高度1～2 cm裸露，此狀態沙障多處于沙障鋪設區上風向或高程相對較低區域。3種典型沙埋狀態沙袋沙障設置方法如下：

1）裸露設置：將沙袋自然倒放于沙面，沙障高度10 cm（圖2a所示）；2）淺埋設置：在沙面開溝，溝深度4 cm、寬度20 cm，將沙袋放置開溝內，平整沙面，沙障出露地表高度5 cm（圖2b所示）；3）深埋設置：在沙面開溝，溝深度8 cm、寬度20 cm，將沙袋放置開溝內，平整沙面，沙障出露地表高度約1 cm（圖2c所示）。

圖2 沙袋沙障3種沙埋深度處理示意圖

采用風速廓線儀自動采集沙障前后不同位置的風速數據：沙障前（迎風側）2.0 H（H為沙障外露高度）、3.0 H處和沙障后（背風側）1.0 H、3.0 H、5.0 H、7.0 H處，觀測高度距床面分別為0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、12.0、20.0、30.0 cm共8個高度。試驗時室內溫度22 ℃，氣壓873 hPa，初始試驗風速12 m/s，風速廓線儀自動采集間隔2 s，采集時長3 min。

采用階梯式集沙儀采集沙障背風側的輸沙，集沙儀高50 cm，共25層，每層進沙口面積為2 cm×2 cm，集沙儀安裝于沙障后1.2 m處。同時在沙障前5、10、20、30 cm和沙障后5、10、20、30、40、50 cm處設置測釬，用來監測地表風蝕，每個位置設置3個重復測釬。采集輸沙和監測地表土壤風蝕同時進行，初始風速18 m/s，采集時間5 min。另外，對未設置沙障的風沙土床面進行相同的測釬與集沙儀設置，作為對照。每種沙障處理重復3次進行測試，每完成1組處理試驗，重新布置沙面，確保風沙土本底條件一致。

1.3 沙障野外布設

在庫布齊沙漠北緣選擇4個形態相似、坡度（5°～7°）、坡向一致的流動沙丘，將3種沙埋狀態的沙袋沙障分別設置在3個沙丘迎風坡底部至中上部2/3處，均采用4 m帶間距的條帶式規格設置。另一個沙丘不做任何處理，作為對照。沙袋沙障具體鋪設方法如下：

在沙丘的迎風面中上部至底部布設工程線，工程線走向與主風向垂直，相鄰工程線間距4 m。將長為1.2 m的黃麻纖維袋就地灌裝風沙土后敦實，用麻繩封口，沿著工程線將其擺放在沙面，依次將多個灌裝完畢的沙袋首尾相接擺放，確保兩個相鄰沙袋銜接處無縫隙，鋪設至沙丘邊緣，重復上述操作，依次進行下一行沙障的鋪設。以上為沙袋沙障裸露設置方法。為了形成沙袋沙障淺埋、深埋2種沙埋狀態，分別在其他2個沙丘迎風面布設工程線，沿工程線在沙丘表面開溝，將灌裝完畢的沙袋置于開溝內，保證沙袋沙障地上裸露高度5～6 cm（淺埋）、1～2 cm（深埋），依次以相同方法鋪設下一帶沙袋沙障，鋪設完沙丘中上部至底部區域即可。

1.4 土壤風蝕深度測定

沙障設置完畢后，分別在3種沙埋狀態的沙袋沙障設置區內選擇相鄰2條沙障安裝標樁，標樁預留高度20 cm，確保兩標樁連線垂直于沙障，每種處理重復3次，在對照沙丘進行相同標樁設置。經過兩個完整風季后，對沙障間地表風蝕深度進行調查。在兩標樁頂部拉直測繩，每隔10 cm測定測繩與地表的高度，其與標樁高度的差值即為土壤風蝕深度。

1.5 數據處理與分析

風速流場等值線圖采用Surfer8.0繪制，其中網格化方法采用克里格空間插值法。采用SAS 9.2完成數據方差分析和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 沙埋對沙障近地范圍風流場的影響

在裸露狀態時（圖3a），沙障對前后氣流強度影響較大，對背風側氣流強度的降低更為顯著，背風側有效防護距離至少可達70 cm，防護高度達到了15 cm，是沙障高度的1.5倍。在水平距離0～30 cm、高度5～15 cm范圍空間內出現了明顯的低速沉降區，并且主要分布在沙障的上方和后上方[11]。主要是由于受沙障的阻擋，氣流過境時在沙障兩側附近產生強烈的渦流，渦流又與來流互相阻碰，導致風沙流速度降低，形成了低速區。與此同時，在沙障的前方也出現降速區，風沙流強度也得到一定程度的削弱。風沙流強度的減弱直接導致氣流攜沙能力降低，沙粒發生沉降，堆積在沙障附近導致沙障被沙埋。隨著沙埋深度的增加，沙障地表裸露高度降低，沙障對近地層流場的影響也發生顯著變化，沙埋程度達到淺埋（圖3b），直至深埋時（圖3c）：流場變化逐漸平穩，紊流顯著減少，未出現低速沉降區；在沙障前后，氣流強度發生變化的高度、距離范圍顯著降低，深埋狀態時，防護高度、距離分別降至7、50 cm范圍以下。沙袋沙障在逐漸沙埋的過程中，其裸露高度降低，直接導致沙障的防護高度和防護距離的減小[11]。

另外，在沙障沙埋過程中，沙障裸露部分橫切面形狀、沙障裸露面積也隨之發生變化，也是導致流場變化的原因之一。裸露狀態時，沙障橫切面為橢圓形，沙障前后靠近地表層容易形成渦流，渦流對過境風沙流的運動方向、強度產生擾動與削減，空中運動沙粒開始墜落在沙障前后形成堆積。隨著積沙厚度的增加，沙袋沙障下部與地表所夾空間被沙粒填滿，直至沙粒堆積至沙障淺埋狀態。此時，沙障裸露高度降低至5 cm，裸露面積降低近50%，橫切面形狀近似半圓形，地表與裸露沙障間的基準面變化相對平緩，無渦流形成條件，過境風沙流受到沙障擾動強度減小，運動逐漸平緩。此時沙障前后沙粒堆積速度減緩，若無充足的沙物質供給，風蝕與堆積將處于平衡狀態。此狀態的沙障一般出現在沙障設置區的中部及下風向處，而在沙障設置區的上風向區域，充足的沙物質會對沙袋沙障繼續沙埋。當沙袋沙障處于全埋狀態時，其對過境風沙流的影響程度最小，氣流運動更為平緩，沙粒堆積也更為緩慢。

2.2 沙埋對沙障近地層輸沙的影響

沙障經歷了由裸露至淺埋最終全埋過程中，其下風向輸沙率及輸沙分布高度也發生顯著變化。沙障裸露狀態時，其能夠有效降低近地層輸沙率，0～50 cm高度內各層輸沙率均低于0.1 g/(cm2·min)，16～18 cm層輸沙率最大，也僅為0.087 g/(cm2·min)（圖4）。沙障淺埋狀態時，隨著采集高度的增加呈現對數遞減趨勢（<0.05），0～2 cm層輸沙率最大，達到了0.59 g/(cm2·min)。沙障深埋狀態時，0～50 cm高度內輸沙率變化規律與淺埋狀態一致，0～2 cm層輸沙率達到了0.89 g/(cm2·min)。沙袋沙障處于淺埋、深埋狀態時，與裸露狀態相比，其對過境風沙的攔截能力顯著降低，但是依然能夠起到一定的阻擋作用，淺埋、深埋狀態沙袋沙障近地表層0～2 cm層輸沙率比對照的低46.78%、20.17%。

注：沙障設置于0位置，左側為進風口，右側為出風口。

圖4 不同沙埋深度沙障背風側近地層輸沙率特征

無沙障防護的流動沙地近地層輸沙率分布服從對數函數[23-24]，3種沙埋狀態下，淺埋、沙埋沙袋沙障防護區近地層輸沙率分布規律與流動沙地的一致，裸露沙袋沙障防護區輸沙率分布不服從對數方程（表2）。這也說明了沙袋沙障處于裸露的狀態時，對近地層輸沙的攔截能力最強，由于沙障出露高度相對較高，使得較高層運動的沙粒也受到影響。另外，下墊面粗糙度最終決定了風沙活動層輸沙率分布特征[25]，在裸露狀態時，沙障的橫切面為橢圓形、沙障裸露于空氣中的體積最大，這些因素也導致了下墊面的粗糙度增大。沙袋沙障在沙埋過程中，下墊面的性質也越接近于流沙地表，導致輸沙率分布規律也越來越接近流沙地表。

表2 沙障沙埋深度與輸沙率擬合回歸方程

沙袋沙障在沙埋過程中，防護區輸沙量顯著增加，但是輸沙分布高度顯著降低（<0.01）。沙袋沙障裸露狀態時，輸沙分布高度最大可達42.00 cm，是對照的1.75倍，但是輸沙量僅為對照的35.46%。隨著沙障沙埋深度的增加，輸沙分布高度顯著降低，淺埋時34.00 cm，深埋時28.00 cm，沙埋至淺埋狀態時，防護區輸沙量與對照已無顯著差異。分析原因認為，過境風沙流經過沙障時，可分為三種運動狀態：第一種是受到沙障的阻擋，在沙障正前方形成湍流，部分沙粒堆積于沙障前方，另一部分與來流碰撞并融入，繼續向沙障后方運動；第二種也受到沙障的阻擋作用，運動路徑被抬升，導致這部分氣流向沙障后上方運動，至較高較遠處，另有部分風沙流翻越沙障消能，加之運動至沙障后方，空間變得開闊，一部分氣流速度減緩但依然繼續運動，一部分氣流在沙障后形成渦流，并與上層緩慢氣流碰撞并融入，繼續向沙障后方運動，在此過程中，氣流中部分沙粒在沙障后方堆積；第三種是較高處運動的風沙流，未受到沙障擾動，運動至沙障后方并與向沙障后上方運動的風沙流碰撞，產生水平和后上方的分流運動。輸沙高度分布高度差異，主要是由于沙障裸露部分對風沙流的抬升程度不同，影響了第二種運動的氣流向沙障后上方的運動路徑。在風沙流的整個運動過程中，氣流攜帶沙粒僅在在沙障前后損失，這部分沙粒形成了堆積，而堆積量直接影響到氣流輸沙量，而這些變化的直接原因是沙障裸露高度變化。

2.3 不同沙埋程度沙障防護區地表蝕積特征

沙障在沙埋過程中，其迎風側與背風側土壤風蝕深度均顯著降低。處在裸露、淺埋狀態時，在沙障兩側均發生相對較強的風蝕作用，然而達到深埋狀態時，地表風蝕程度降低。另外，由圖6可以看出，沙袋沙障處于裸露、淺埋和深埋狀態，其風蝕深度分別比對照降低18.53%，72.97%，80.40%。3種沙埋狀態相比，裸露沙袋沙障防護區平均風蝕深度最大，但是也比對照的低54.12%。沙袋沙障裸露狀態時，其出露地表面最高，對兩側近地層流場影響也最大，極易形成的較多、較強的湍流，而湍流是地表沙粒啟動的動力。所以沙障對過境風沙流的強烈擾動，將會加速氣流對地表的吹蝕作用，特別是在沙障的迎風側地表風蝕作用更為明顯。

注：不同大寫字母代表差異顯著（P＜0.01）。

圖6 不同沙埋深度沙障前后地表土壤風蝕特征

3 討 論

沙袋沙障的沙埋直接反應的是沙障高度變化，沙障高度是沙障防風固沙的關鍵構造參數，高度不同直接影響近地層風速廓線。風速廓線是風速隨高度的分布規律，一般遵循對數方程。在沙障防護區，風速廓線多發生變化，而區別于流沙區。沙障鋪設完畢后，沙障高度已經確定，但是在防護過程中，其前后容易堆積沙粒[1,17]，發生沙障沙埋，在此沙埋過程中基準面抬升，沙障的相對高度減小，沙障附近區域近地表風速廓線也隨之發生變化。沙障設置初期，沙障未開始沙埋，其對近地層0～30 cm高度風速廓線影響顯著，沙障迎風側、背風側風速分布曲線不服從對數函數[26]，與流沙區風速廓線差異顯著。沙障背風側風速廓線隨高度發生波動性變化較顯著，隨著與沙障距離的增加，有效防護高度（小于對照風速的高度）由17.82 cm增加到了29.55 cm，顯著高于沙障自身高度。但是在迎風側隨著與沙障距離的增加，有效防護高度呈現遞減趨勢，有效防護高度最大值僅為10.9～14.2 cm。

注：H為沙障高度，10 cm。

沙埋至沙障淺埋狀態時，背風側有效防護高度減小為8.2～11.8 cm，迎風側減小為8.1～11.7 cm，但均遵從相同的變化趨勢，即隨著與沙障距離的增加有效防護高度增加，在迎風側隨著與沙障距離的增加有效防護高度減小。另外，沙袋沙障處于3種沙埋狀態時，沙障背風側的有效防護高度均顯著高于沙障高度，裸露狀態時，背風側有效防護高度可達17.8～29.5 cm，至深埋狀態時，有效防護高度為3.5～5.5 cm。沙埋過程中，沙袋沙障有效防護距離和防護高度隨之呈現減小趨勢[27]，但是其對過境氣流的擾動程度也隨之減小，特別是在背風側[19]。擾動小，過境氣流多以層流方式前進，擾動強度大，瞬時風速極易發生波動性變化[28]，沙障前后形成紊流及渦流，反而會加速地表土壤風蝕。相比可知，沙障處于淺埋、深埋狀態時，沙障對氣流對過境氣流擾動小，與沙障接觸的氣流未發生顯著性波動變化，進而近地層氣流流場變化平緩，形成紊流的概率減小。

注：擬合方程y1代表沙障裸露方式，y2為淺埋方式，y3為深埋方式。

在沙埋過程中改變了沙障的防風固沙能力，同時也增加了其自身的穩定性。沙袋沙障受到風力的作用容易移動，發生形變，導致原有沙障結構不穩定，進而影響防護效益，特別鋪設于地形起伏變化顯著、坡度較大的區域，沙袋沙障更容易發生形變。然而，沙埋解決了此問題，沙袋沙障被沙埋，部分沙障在土壤下方受到土壤的固著，裸露部分受到氣流作用力相對較小，在一定程度上大大提高了沙障的穩定性。但是沙障被沙埋也大大降低了其實際裸露高度，對過境風沙流的阻擋力下降。前文所述沙障高度降低將會大大降低湍流及渦流的形成，這也說明沙埋有利于降低沙障防護區地表風蝕。而沙袋沙障屬于固沙型沙障，固沙是其最終目的。

2015年6月鋪設沙障，開展不同深度埋設試驗，至2017年8月沙障間裸露沙地地表發生了不同程度的風蝕。裸露、淺埋、深埋3種埋深狀態下，沙障障間地表最大風蝕深度分別為44.55、17.62、13.15 cm，障間平均風蝕深度分別為33.37、11.07、8.03 cm，而對照土壤風蝕深度達到了40.96 cm。當純凈氣流或風沙流經過新設置的沙障時，在沙障間產生旋渦，最終沙障方格內沙面變為凹曲面[29]。沙障經過較大的風沙流后，雖然沙障能夠有效減少地表風蝕，但是沙障前后地表依然處于風蝕狀態。沙障防護體系穩定前必然形成凹曲面，所以新設置的沙障在凹曲面形成階段必會產生較大程度的土壤風蝕。3種埋設處理的沙袋沙障防護區也出現了凹曲面，但是凹曲程度存在顯著差異。裸露沙袋沙障間凹曲程度最大，深埋處理最小，此結論與孫顯科等[30]研究結論一致，凹面深度隨障埂高度的增高而升高。通常在平坦而開闊的沙面上，是不會造成嚴重積沙危害[31]，但是一旦遇到障礙物、地形起伏、風速的突變均能造成不同程度積沙危害[2]。這也表明了，如果僅為了有效抑制地表風蝕，那么沙障的設置高度不易過高，以降低對過境風沙的擾動程度。這也恰恰說明，對沙袋沙障進行一定程度的埋設，或者降低其地上高度，將有助于減少地表風蝕。本研究中涉及的沙袋沙障設置高度較適宜平緩的流動沙地地表風蝕控制，對于有一定坡度的流沙地表，則應根據實際坡度情況設計沙障高度。另外，透風型沙障與緊密型或不透風型沙障防護原理差異較大，透風型沙障可適當增大設置高度，如麥草沙障設置高度則保持出露草頭高度10～20 cm左右[1,32]。

4 結 論

沙障在防護過程中經歷風蝕、沙埋狀態或者兩種狀態交替出現，過度風蝕或沙埋均會造成沙障失去防護作用。而適度的沙埋不但提高了沙障自身穩定，同時也在一定程度上提高沙障固沙效果。對沙袋沙障裸露、淺埋、深埋3種沙埋狀態下流場、風速廓線、輸沙特征及地表風蝕狀況的觀測及沙障防風固沙效益變化規律的分析表明：

1）在平緩流動沙地設置沙障時，必須考慮其結構的穩定性，特別是結構不穩定型沙障，建議對其進行適度的埋設處理，即可增加沙障結構的穩定性，又達到有效固沙目的。

2）沙障在沙埋一定程度后，防護區近地層風速廓線曲線逐漸服從對數函數，沙障的防護距離、防護高度逐漸減小。裸露狀態時，有效防護距離、防護高度可達70 cm、17.8～29.5 cm；淺埋狀態時，降低至45 cm、8.2～11.8 cm；深埋狀態時，降低至10～15 cm、3.5～5.5 cm。

3）沙障在沙埋過程中，輸沙率、輸沙量呈現增加的趨勢，但是輸沙的分布高度顯著降低。沙障處于裸露狀態時，可采輸沙高度可達42 cm，是對照的1.75倍，但是輸沙量僅為對照的35.46%，淺埋狀態時，可采輸沙高度已經降至20 cm，此時已與對照無顯著差異。

4）沙障在沙埋過程中，防護區地表土壤風蝕呈現降低趨勢。經過兩個完整風季，裸露、淺埋、深埋設置方式的沙袋沙障防護區最大風蝕深度分別為44.55、17.62、13.15 cm，平均風蝕深度為33.37、11.07、8.03 cm，而對照達到了40.96 cm。

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Effect of wind-preventing and sand fixation of belt sand barrier under different degree of sand burial

Yuan Limin1,2, Huang Haiguang1,2,3, Yan Deren1,2, Hu Xiaolong1,2

(1.010010; 2.027300; 3.010018,)

Sand barrier is easy to be buried by sand at the beginning of the sand barrier setting and it will lose wind-preventing and sand fixation function when it is buried deeper, but moderate sand bury can improve protect effect while sand burial will help the sand barrier to form a stable protective structure. So it is conducive to understanding the sand burial mechanism and the change law of protective benefits caused by sand burial. In order to study the difference of wind-preventing and sand fixation of different depth sand burial of sand barrier, the research conducted wind tunnel simulation and field experiment. The laws of wind flow field and sediment transport flux in surface layer of the protection zone which was protected by sandbag sand barrier under the condition of bare, shallow and deep sand buried were studied, andthe mobile sand dunes without sand barrier was taken as a control. In the wind tunnel test, the variation of the near-surface airflow field, wind speed profile, sediment transport rate and sediment transport height during the sand burial process were analyzed. Sandbag sand barriers were set up in the windward slopes of mobile sand dunes and wind erosion resistance effects of the three sand burial states were tested. The research results showed that with the sand barrier experienced the process of being bare-shallow-deep sand burial, 1) the variation of the airflow field was gradually and steadily in the near-surface layer, and the turbulent flow was reduced significantly, multiple low-speed settlement areas appeared at the right rear when it was bare, and disappeared when it was shallow burial; 2) Both of effective protecting distance and height of transit flow were decreased , that were at least 70 cm and 15 cm of the leeward side of the sand barrier when it was bare, but fell below 50 cm and 7 cm respectively when it was deep burial; 3) The wind speed distribution curve of the near surface layer on the windward and leeward side of the sand barrier did not obey the logarithmic function, and the wind speed profile was volatility change with the height, as the sand barrier was gradually buried by sand, wind speed profile was the same as that of the control and obeyed the law of logarithmic distribution; 4) The height of transporting sediment discharge on protection zone of the sand barriers decreased significantly (<0.01), height of transporting sediment discharge decreased from 42 cm (bare) to 34 cm (shallow burial) and finally to 28cm (deep burial), and the distribution height of the control was 24 cm; 5) Field experiments of three burial depths showed that wind erosion depth of bare, shallow and deep buried sandbag sand barriers in protection area showed a decreasing trend two years after setting up, the depth of wind erosion decreased by 18.53%, 72.97% and 80.40% respectively compared with the control. The research can provide theoretical support for optimization of sand barrier height and improvement of applied technology.

soils; erosion; sand barrier; wind erosion; wind speed flow field; wind profile; sediment discharge

2019-01-29

2019-04-11

國家自然科學基金資助項目（31760237）

袁立敏，副研究員，博士，主要從事荒漠土壤資源利用與保護研究，Email：nmgyuanlm@163.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.019

S288；S157.1

A

1002-6819(2019)-16-0172-08

袁立敏，黃海廣，閆德仁，胡小龍.不同沙埋程度下帶狀沙障的防風固沙效果研究[J]. 農業工程學報，2019，35(16)：172－179. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.019 http://www.tcsae.org

Yuan Limin, Huang Haiguang, Yan Deren, Hu Xiaolong. Effect of wind-preventing and sand fixation of belt sand barrier under different degree of sand burial[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 172－179. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.019 http://www.tcsae.org