烏蘭布和沙漠流動(dòng)沙丘紗網(wǎng)沙障防風(fēng)效能研究

閆德仁, 袁立敏, 黃海廣, 胡小龍, 楊制國

(內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院, 呼和浩特 010010)

烏蘭布和沙漠是在第四紀(jì)黃河洪積物、沖積物上覆蓋的風(fēng)成沙丘，位于內(nèi)蒙古狼山和巴音烏拉山東側(cè)、黃河西側(cè)，沙丘密集、植被稀少、風(fēng)沙危害嚴(yán)重。其中，沿黃河內(nèi)蒙古段西側(cè)有約50 km的密集流動(dòng)沙丘通過風(fēng)沙流或沙丘坍塌等方式直接侵入黃河河道，致使沿黃河段泥沙含量顯著增加[1]。早在20世紀(jì)50年代，在烏蘭布和沙漠就開展群眾造林治沙活動(dòng)，并在沙漠邊緣營造長176 km、寬300～500 m的我國第一條大型防沙林帶，有效地阻止了烏蘭布和沙漠東侵，確保了包蘭鐵路暢通。特別是1978年中國實(shí)施“三北”防護(hù)林建設(shè)工程以來，草方格沙障固沙、黏土沙障固沙、高壓水打孔造林、冬貯大苗造林、梭梭造林固沙、飛播造林固沙、封沙育林等技術(shù)在烏蘭布和沙漠綜合治理得到了廣泛應(yīng)用，并取得明顯成效，森林覆蓋率由0.3%提高到13.76%。而直壓立式紗網(wǎng)沙障固沙造林技術(shù)是內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院科技人員結(jié)合沙障研究成果以及生物措施綜合治理流動(dòng)沙地而設(shè)計(jì)的一種新型沙障(ZL201520624846.2)。該沙障材質(zhì)輕、運(yùn)輸方便，野外鋪設(shè)施工簡單、速度快、沙障使用壽命長。如果采用“直壓立式帶狀網(wǎng)膜沙障鋪設(shè)機(jī)”(授權(quán)專利ZL201621133757.9)進(jìn)行機(jī)械化鋪設(shè)作業(yè)，能夠明顯提高該沙障鋪設(shè)效率。紗網(wǎng)沙障先后在科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地、渾善達(dá)克沙地、烏蘭布和沙漠等進(jìn)行技術(shù)示范，取得了明顯的植被恢復(fù)效果[2-3]。為更廣泛地推廣示范這種紗網(wǎng)沙障技術(shù)，在烏蘭布和沙漠選擇典型流動(dòng)沙丘測定直壓立式紗網(wǎng)沙障防風(fēng)效果，其目的是為選擇適宜規(guī)格的紗網(wǎng)沙障進(jìn)行流動(dòng)沙地治理提供依據(jù)，并大幅度降低紗網(wǎng)沙障設(shè)置成本，便于生產(chǎn)應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河烏蘭布和沙漠段劉拐子沙頭，地理坐標(biāo)為40°09′58.75″N，106°50′28.38″E。本區(qū)屬中溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，是由半干旱區(qū)向干旱區(qū)的過渡帶地帶。年平均氣溫8.0 ℃，多年主風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)、西北風(fēng)。年平均風(fēng)速2.8 m/s，年平均大風(fēng)10～32 d，年平均揚(yáng)沙75～79 d，沙塵暴日數(shù)19～22 d。年平均降水量142.7 mm，年平均蒸發(fā)量2 397.6 mm，地下水埋深2～3 m。研究地土壤類型為流動(dòng)風(fēng)沙土。流動(dòng)沙丘高度5～10 m，流動(dòng)沙丘密度0.8～0.9。天然植被覆蓋度小于5%，常見植物有人工栽種的梭梭(Haloxylonammodendron)、花棒(Hedysarumscoparium)以及天然植物種蘆葦(Phragmitesaustralis)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)和沙鞭(Psammochloavillosa)等。

2 材料與方法

2.1 直壓立式紗網(wǎng)沙障鋪設(shè)

紗網(wǎng)沙障材料為抗老化白色聚乙烯(PE)紗網(wǎng)環(huán)保材料。紗網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸約20目，透風(fēng)率40%～50%。紗網(wǎng)寬60 cm。PE材料使用壽命10 a以上，適宜在交通不便的流動(dòng)沙地鋪設(shè)。

按照流動(dòng)沙丘坡向、坡位相近原則，在迎風(fēng)坡中下部鋪設(shè)直壓立式紗網(wǎng)沙障。沙障規(guī)格分別為帶寬2，4，6 m帶狀沙障，以及2 m×2 m，4 m×4 m，6 m×6 m網(wǎng)格沙障(圖1)。直壓立式紗網(wǎng)沙障鋪設(shè)時(shí)，按照沙障間距劃線，將網(wǎng)片平鋪在線上，然后用圓頭鐵鍬或?qū)Ｓ娩佋O(shè)機(jī)械沿平鋪網(wǎng)片中線部位下壓，連續(xù)兩次下壓之間不留空隙，每次下壓深度15～20 cm，使網(wǎng)片兩端向上翹起形成直立皺褶，外露地表高度10～15 cm。

2.2 風(fēng)速測定

在2019年4月4日的1次大風(fēng)事件中，在不同規(guī)格直壓立式紗網(wǎng)沙障的中心部位各安置1臺(tái)HOBO風(fēng)速風(fēng)向儀，同時(shí)在沒有設(shè)置沙障的對(duì)照沙丘同樣安置風(fēng)速風(fēng)向儀1臺(tái)。風(fēng)速傳感器高度分別為10，30，200 cm。風(fēng)速傳感器記錄時(shí)間為1次/s。風(fēng)速測定期間(8：00—20：00)，200 cm高處的日平均風(fēng)速5.42 m/s，主要風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。本研究僅選擇10，30 cm高度處風(fēng)速傳感器記錄的30 s時(shí)間段風(fēng)速平均值為分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同規(guī)格沙障、不同高度風(fēng)速變化的對(duì)比分析。

圖1 設(shè)置紗網(wǎng)沙障

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003表格進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，用相對(duì)風(fēng)速、粗糙度和防風(fēng)效能等指標(biāo)，評(píng)價(jià)直壓立式紗網(wǎng)沙障地面以上10，30 cm高度的防風(fēng)效果。

相對(duì)風(fēng)速能夠?qū)ι痴戏里L(fēng)能力變化進(jìn)行定量分析。其計(jì)算方法如下[4]：

u=(uz/uz0)×100%

(1)

式中:u為相對(duì)風(fēng)速(%);uz為沙障內(nèi)測定點(diǎn)Z高度處的風(fēng)速(m/s);uz0為曠野對(duì)照流動(dòng)沙丘測定點(diǎn)Z高度處的風(fēng)速(m/s)。

粗糙度是指平均風(fēng)速等于0的高度。粗糙度是衡量治沙防護(hù)效益的最重要指標(biāo)之一。其計(jì)算方法如下[5]：

lgZ0=(lgZ2-AlgZ1)/(1-A)

(2)

式中:Z0為粗糙度(cm);Z1為平均風(fēng)速V1處的高度(cm);Z2為平均風(fēng)速V2處的高度(cm)；A為風(fēng)速比,通常A=V2/V1，Z1=10 cm,Z2=200 cm。

防風(fēng)效能是指設(shè)置沙障后削弱近地表風(fēng)速能力的大小。通常用來評(píng)價(jià)沙障防護(hù)效益一個(gè)較直觀的指標(biāo)。其計(jì)算方法如下[6]：

Eh=(Vh0-Vh)/Vh0×100%

(3)

式中:Eh為沙障內(nèi)測定點(diǎn)高度h處的防風(fēng)效能;Vh0為曠野對(duì)照流動(dòng)沙丘測定點(diǎn)h高度處的風(fēng)速(m/s);Vh為沙障內(nèi)測定點(diǎn)h高度處的風(fēng)速(m/s)。

3 結(jié)果與分析

3.1 紗網(wǎng)沙障地表粗糙度變化特征

地表粗糙度體現(xiàn)了地面結(jié)構(gòu)的特征，地面越粗糙，摩擦阻力就越大，相應(yīng)地風(fēng)速的零點(diǎn)高度就越高，這樣避免地表風(fēng)蝕不起沙的作用就越大。因此，粗糙度不僅是衡量地表性質(zhì)的尺度，更是衡量治沙技術(shù)措施防護(hù)效益的最重要指標(biāo)之一。從圖2可以看出，在不同風(fēng)速條件下，2 m×2 m網(wǎng)格紗網(wǎng)沙障地表粗糙度最大，并隨著風(fēng)速增加而呈現(xiàn)出逐漸降低的變化特征，且表現(xiàn)出明顯的線性變化(Y=-0.6408X+7.3263，R2=0.8809)規(guī)律。同時(shí)，其他規(guī)格的紗網(wǎng)沙障則沒有類似的變化特征。說明，在一定的環(huán)境條件下，設(shè)置特定規(guī)格的沙障，其地表粗糙度和風(fēng)速變化具有一定的關(guān)聯(lián)性。

如果從近地表粗糙度及平均風(fēng)速變化特征判斷，平均風(fēng)速從4.24 m/s增加到10.06 m/s時(shí)，2 m×2 m網(wǎng)格紗網(wǎng)沙障的平均粗糙度為4.76 cm。而2 m帶狀沙障為1.77 cm，4 m×4 m網(wǎng)格、4 m帶狀、6 m×6 m網(wǎng)格和6 m帶狀紗網(wǎng)沙障的平均粗糙度分布為0.74，0.85，0.04，0.06 cm。表明隨著紗網(wǎng)沙障設(shè)置規(guī)格的增大，其近地表粗糙度降低。其中，在流動(dòng)沙丘設(shè)置2 m×2 m網(wǎng)格或帶狀紗網(wǎng)沙障具有良好的防風(fēng)效果，其次是設(shè)置4 m帶狀或4 m×4 m網(wǎng)格紗網(wǎng)沙障也具有一定的防風(fēng)效果，而設(shè)置6 m帶狀或6 m×6 m網(wǎng)格紗網(wǎng)沙障幾乎沒有發(fā)揮降低風(fēng)速的作用。通常，在曠野流動(dòng)沙丘平均粗糙度約為0.024 cm[7]。

圖2 紗網(wǎng)沙障近地表粗糙度變化

此外，從圖3還可以看出風(fēng)速比值變化特征。盡管風(fēng)速不同，但對(duì)照區(qū)風(fēng)速比值幾乎沒有變化，其平均為1.18，其變化范圍為1.12～1.21。而2 m×2 m網(wǎng)格紗網(wǎng)沙障的風(fēng)速比值變化范圍在3.33～8.23，其平均值為5.46；2 m帶狀沙障風(fēng)速比值變化范圍為2.44～3.09，其平均值為2.74；而4 m×4 m網(wǎng)格、4 m帶狀、6 m×6 m網(wǎng)格和6 m帶狀紗網(wǎng)沙障的平均風(fēng)速比值分別為2.15，2.20，1.56，1.50。同樣反映出2 m×2 m網(wǎng)格沙障表現(xiàn)出較好的防風(fēng)效果。因?yàn)橥乇泶植诙戎笜?biāo)一樣，200 cm和10 cm高度的風(fēng)速比越大，其降低風(fēng)速效果也越明顯，也就越有利于減少風(fēng)對(duì)流動(dòng)沙丘地表的直接吹蝕作用，其隔絕風(fēng)蝕不起沙的作用也就越大。

圖3 紗網(wǎng)沙障風(fēng)速比值的變化

3.2 紗網(wǎng)沙障相對(duì)風(fēng)速變化特征

相對(duì)風(fēng)速反映了沙障防風(fēng)能力變化的特征，相對(duì)風(fēng)速越低，沙障防風(fēng)效能則越高，或者說設(shè)置沙障對(duì)降低風(fēng)蝕危害的效果越好。從圖4可以看出，不同風(fēng)速條件下，隨著風(fēng)速或設(shè)置紗網(wǎng)沙障網(wǎng)格的加大，10 cm高度處相對(duì)風(fēng)速值呈現(xiàn)出增加的趨勢。例如，平均風(fēng)速從4.24 m/s增加到10.06 m/s時(shí)，2 m帶狀紗網(wǎng)沙障相對(duì)風(fēng)速平均值為43.18%；2 m×2 m網(wǎng)狀紗網(wǎng)沙障相對(duì)風(fēng)速平均值為23.89%，4 m帶狀或4 m×4 m網(wǎng)狀紗網(wǎng)沙障相對(duì)風(fēng)速平均值分別為54.59%，53.11%，而6 m帶狀或6 m×6 m網(wǎng)狀紗網(wǎng)沙障相對(duì)風(fēng)速平均值高達(dá)78.99%，75.48%。說明不同風(fēng)速、不同規(guī)格的紗網(wǎng)沙障對(duì)相對(duì)風(fēng)速變化的影響程度存在差異，或者說2 m×2 m網(wǎng)狀、4 m帶狀或4 m×4 m網(wǎng)狀紗網(wǎng)沙障對(duì)相對(duì)風(fēng)速變化影響的波動(dòng)性更大一些，相應(yīng)的對(duì)近地表風(fēng)沙流擾動(dòng)也較大。

另外，從30 cm高處相對(duì)風(fēng)速變化(圖5)看，不同風(fēng)速、不同規(guī)格的紗網(wǎng)沙障對(duì)相對(duì)風(fēng)速變化影響程度明顯降低(圖4)，表明設(shè)置這種紗網(wǎng)沙障主要是降低近地表30 cm以下高度的風(fēng)速。例如，平均風(fēng)速從4.24 m/s增加到10.06 m/s時(shí)，2 m帶狀或2 m×2 m網(wǎng)狀紗網(wǎng)沙障相對(duì)風(fēng)速平均值分別為72.26%，74.93%，4 m帶狀或4 m×4 m網(wǎng)狀紗網(wǎng)沙障相對(duì)風(fēng)速平均值分別為79.90%，78.69%，6 m帶狀或6 m×6 m網(wǎng)狀紗網(wǎng)沙障相對(duì)風(fēng)速平均值高達(dá)90.34%，83.23%。因此，可以根據(jù)10 cm高度處相對(duì)風(fēng)速變化值量化評(píng)估紗網(wǎng)沙障的防風(fēng)效果。

圖4 紗網(wǎng)沙障10 cm高處相對(duì)風(fēng)速變化

圖5 紗網(wǎng)沙障30 cm高處相對(duì)風(fēng)速變化

3.3 紗網(wǎng)沙障防風(fēng)效能變化

防風(fēng)效能是指設(shè)置沙障后削弱近地表風(fēng)速能力的較直觀指標(biāo)。通常，防風(fēng)效能數(shù)值越高，其削弱近地表風(fēng)速能力也越強(qiáng)。從圖6同樣可以看出，在相同風(fēng)速下，隨著紗網(wǎng)沙障規(guī)格的增加，其防風(fēng)效能逐漸降低，且隨著風(fēng)速增加，不同規(guī)格紗網(wǎng)沙障防風(fēng)效能變化總體呈現(xiàn)出降低的趨勢。例如，2 m×2 m網(wǎng)狀紗網(wǎng)沙障平均防風(fēng)效能為76.11%，2 m帶狀紗網(wǎng)沙障平均防風(fēng)效能為56.82%；4 m帶狀或4 m×4 m網(wǎng)狀紗網(wǎng)沙障平均防風(fēng)效能分別為45.41%，44.89%，而6 m帶狀或6 m×6 m網(wǎng)狀紗網(wǎng)沙障平均防風(fēng)效能分別為21.63%，25.52%，說明紗網(wǎng)沙障設(shè)置規(guī)格是影響其防風(fēng)效能的重要因素。

圖6 紗網(wǎng)沙障10 cm高處防風(fēng)效能變化

4 討 論

烏蘭布和沙漠沿黃河段以高大密集的流動(dòng)沙丘為主，因風(fēng)蝕或黃河水對(duì)河岸流動(dòng)沙丘的侵蝕，每年都有大量泥沙通過風(fēng)沙流或沙丘坍塌的形式進(jìn)入黃河河道。羅鳳敏等[8]研究表明，烏蘭布和沙漠東北緣沙物質(zhì)的輸移方向主要東南偏東方向，其輸沙率為35.11 kg/(m·d)，且春季輸沙率最高。杜鶴強(qiáng)等[9]測定結(jié)果表明，石嘴山—巴彥高勒段年均入黃風(fēng)沙量高達(dá)9.31×106t/a，建立完善黃河沿岸風(fēng)沙防護(hù)體系是解決黃河泥沙淤積問題的主要途徑。而設(shè)置沙障是治理流動(dòng)沙地最有效的技術(shù)措施。但是，近些年來由于稻草沙障材料因采用機(jī)械化收割作業(yè)，材料質(zhì)量明顯下降，鋪設(shè)草方格沙障的固沙效果受到直接影響，所以選擇新型PE紗網(wǎng)材料進(jìn)行固沙實(shí)踐具有現(xiàn)實(shí)意義。

由于直壓立式紗網(wǎng)沙障也具有隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行前后擺動(dòng)的特性，同樣兼有疏透通風(fēng)功能，對(duì)近地表風(fēng)速擾動(dòng)作用加強(qiáng)。所以，本研究結(jié)果表明在流動(dòng)沙丘設(shè)置不同規(guī)格紗網(wǎng)沙障對(duì)近地表風(fēng)速的減弱作用明顯。張克存等[10]對(duì)不同孔隙度的尼龍網(wǎng)沙障進(jìn)行了風(fēng)洞模擬研究，表明孔隙不同不僅對(duì)沙物質(zhì)顆粒的穿透能力有影響，而且對(duì)通過尼龍網(wǎng)沙障的氣流具有顯著的紊動(dòng)作用，最終影響沙障的防護(hù)效益。高天笑等[11]研究了不透風(fēng)羽翼沙障對(duì)消弱風(fēng)速的影響，由于羽翼沙障翼片隨風(fēng)擺動(dòng)，其防風(fēng)效果明顯增加。袁立敏等[12]研究表明不同埋深沙袋沙障對(duì)過境風(fēng)沙的攔截能力與裸露狀態(tài)的差異，表明淺埋或深埋的沙障其攔截能力顯著降低。

關(guān)于沙障設(shè)置規(guī)格對(duì)近地表風(fēng)速變化的影響，韓致文等[13]認(rèn)為，采用HDPE紗網(wǎng)材料，設(shè)置方格型沙障后，隨著沙障高度的增加，其降低風(fēng)速的效果也相對(duì)隨著提高；而沙障設(shè)置高度相同時(shí)，網(wǎng)格越小其防風(fēng)效應(yīng)也相對(duì)越顯著，且愈接近地面，沙障削弱風(fēng)速的作用越明顯。何志輝等[6]研究表明，尼龍紗網(wǎng)不同大小的孔隙分布密度和降低風(fēng)速效果密切，且孔隙分布均勻的紗網(wǎng)能夠更好地發(fā)揮其防風(fēng)阻沙作用。本研究表明，紗網(wǎng)沙障設(shè)置規(guī)格是影響其防風(fēng)效能的重要因素，且主要是降低近地表30 cm以下高度的風(fēng)速，其中降低近地表10 cm以下高度風(fēng)速的效果更好。李錦榮等[14]認(rèn)為沙障規(guī)格對(duì)風(fēng)速影響不顯著，而沙障高度則顯著影響風(fēng)速的變化。杜鶴強(qiáng)等[15]測定結(jié)果表明，烏蘭布和沙漠流動(dòng)沙丘不同部位10 cm高度范圍內(nèi)，其輸沙量占90%以上，這和本研究紗網(wǎng)沙障顯著降低近地表10 cm以下高度風(fēng)速，減少風(fēng)沙危害的結(jié)論是一致的。

5 結(jié) 論

在不同風(fēng)速條件下，2 m×2 m網(wǎng)格紗網(wǎng)沙障地表粗糙度隨著風(fēng)速增加而呈現(xiàn)出線性降低的規(guī)律，而其他規(guī)格的紗網(wǎng)沙障則沒有類似的變化特征。而在不同風(fēng)速條件下，盡管不同規(guī)格的紗網(wǎng)沙障對(duì)相對(duì)風(fēng)速變化的影響程度存在差異，但主要是降低近地表30 cm以下高度的風(fēng)速變化。隨著風(fēng)速增加，不同規(guī)格紗網(wǎng)沙障防風(fēng)效能變化總體呈現(xiàn)出降低的趨勢。

在流動(dòng)沙丘設(shè)置2 m，4 m帶狀或2 m×2 m，4 m×4 m網(wǎng)格狀紗網(wǎng)沙障能夠有效降低風(fēng)速效能，并提高近地表粗糙度，而6 m帶狀或6 m×6 m網(wǎng)格狀紗網(wǎng)沙障降低風(fēng)速效能相對(duì)較低。因此，在生產(chǎn)中不建議使用6 m帶狀或6 m×6 m網(wǎng)格狀紗網(wǎng)沙障。