新疆低立式礫石沙障的防沙效果

李菊艷，伊力哈木·伊馬木，玉米提·吾提庫爾，張 鵬，關含笑

(1.新疆維吾爾自治區(qū)水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊 830002； 2.中國科學院大學，北京 100049；3.喀什大學 新疆帕米爾高原生物資源與生態(tài)重點實驗室，新疆 喀什 844000；4.喀什大學 生命與地理科學學院，新疆 喀什 844000)

我國西北地區(qū)土壤風蝕造成的土壤荒漠化、沙化現(xiàn)象嚴重，干旱半干旱地區(qū)的開發(fā)建設項目又增加了裸露地表和破碎地表的面積，使地表的抗蝕能力大大減弱[1]，嚴重制約了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。NEUMAN et al.[2]通過風洞實驗研究認為，分布在表面的粗糙度元素可以顯著減少下墊層細顆粒沉積物在風作用下的攜帶和遷移。防治土地風蝕沙化的一個重要途徑就是研究礫石沙障的防風固沙效益并推廣應用[3]。在干旱沙區(qū)，礫石早已被作為防風固沙的材料[4]，是防治風沙災害最古老的措施之一[5]。胡春元等[6]對公路沙害的防護技術進行了較為詳細的研究，認為高度為30 cm的機械沙障治沙效果較好。李顯玉等[7]通過對防沙治沙典型模式的研究發(fā)現(xiàn)，機械沙障在赤峰市應用較多且有良好的固沙作用。高承兵等[8]認為，在甘肅民勤縣設置礫石沙障能有效降低近地表風速并減輕風蝕。

礫石沙障可對流沙地表進行保護，削弱近地表風速，降低攜沙氣流飽和度，從而減少侵蝕堆積量，增強地表穩(wěn)定性[9]，且在取材、穩(wěn)定性和持久性等方面有較為突出的優(yōu)勢[10]。根據(jù)風沙流的運動機理，30 cm高的沙障可以阻擋90%的風沙[11]。有關礫石沙障配置的研究雖然較多，但新疆地區(qū)30 cm低立式礫石沙障的防風固沙效果至今仍有待研究。本試驗選取年降雨量少、植被稀疏、風力大、地貌遭到嚴重破壞、水土流失以風蝕為主的新疆為研究地點，探索低立式礫石沙障的防沙效果，旨在為風沙災害的防治提供一定的理論支撐。

1 研究區(qū)概況

研究地點為新疆卡拉貝利水利樞紐工程區(qū)，位于新疆喀什地區(qū)的克孜河流域，為喀什市與克爾克孜州的交界地帶，地理位置為75°10′50″E、39°32′33″N。該區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，三面環(huán)山，東部為托乎拉克沙漠，多年平均氣溫11.7 ℃；多年平均降水量120 mm，多年平均水面蒸發(fā)量幾乎達到年平均降水量的27倍，蒸發(fā)強烈且降雨量小；多年平均最大風速為19.7 m/s，風力最高可達12級，風速10 m/s以上的西北風集中在5—7月，年平均大風日數(shù)23.1 d，年平均風速1.9 m/s，全年最大風速可達到31 m/s，起沙風速大于5.0 m/s，極易產(chǎn)生風蝕。

2 研究方法

2.1 研究方法及對象

選取具有風蝕代表性的棄土場為試驗對象，對土地進行平整化處理后，采用常見的礫石作為沙障材料，確定布設地主風向(西北風)，垂直于主風向布設長400 cm、高30 cm的沙障帶。利用入口橫截面為3 cm×3 cm、長度為10 cm的組合式多通道通風集沙儀在沙障主風向的下游20、40、80、120 cm處進行監(jiān)測[12]。在沙障外的相同方向，設置空白對照組，作為無沙障影響處理。為盡可能地減小地塊長度對風蝕量測量的影響，集沙儀安置點距樣地邊界大于100 m[13]。

2.2 數(shù)據(jù)分析模型的建立

沙障的防風蝕效益計算公式為

(1)

式中：ES為相比于對照組沙障后不同距離處輸沙量的變化程度，可視為不同距離處的防沙效益；S為沙障后距離，cm，取值20、40、80、120 cm；G為對照組的輸沙量，g；GS為沙障后不同距離處距地57 cm內(nèi)(集沙儀高度)的輸沙量，g。

3 結果與分析

3.1 距地0～30 cm范圍內(nèi)輸沙量變化

圖1是距地0～30 cm監(jiān)測范圍內(nèi)的空間輸沙量。數(shù)據(jù)表明，相比于對照組，30 cm沙障后20、40、80、120 cm處，距地0～30 cm高度范圍內(nèi)輸沙量分別減少461.7、417.2、416.1、392.9 g，其單位面積減沙量分別為5.13、4.64、4.62、4.37 g/cm2，0～30 cm高度范圍內(nèi)平均減沙量為4.69 g/cm3，30 cm低立式礫石沙障對0～30 cm高度風沙的阻截作用明顯。特別是障后20 cm處的輸沙量，表明沙障阻斷了一部分沙塵來源，改變了風沙流結構，使風的攜沙量顯著減少。與對照組相比，障后不同距離處輸沙量在距地0～30 cm高度范圍內(nèi)變化較大，說明30 cm高度沙障對沙障后120 cm范圍內(nèi)輸沙量空間變化的影響主要集中在距地30 cm高度(1倍沙障高度)內(nèi)。

圖1 距地0～30 cm范圍內(nèi)的輸沙量變化

3.2 距地30～57 cm范圍內(nèi)輸沙量變化

如圖2所示，在30～57 cm高度內(nèi)，相比于對照組，沙障后不同水平距離處的輸沙量有所增加，增沙量表現(xiàn)為：障后20 cm(126.7 g)>障后40 cm(125.8 g)>障后80 cm(122.3 g)>障后120 cm(97.5 g)，單位面積增沙量分別為1.56、1.55、1.51、1.20 g/cm2，30～57 cm高度內(nèi)平均增沙量為1.46 g/cm2。可見30 cm高度沙障增加了氣流搬運沙粒的高度，使沙粒被上升氣流裹挾從而使風沙流被抬升。這表明沙障的存在使近地層風沙得到了有效的控制，上層單位面積輸沙量沿氣流方向明顯增大。

圖2 距地30～57 cm范圍內(nèi)的輸沙量變化

3.3 沙障的綜合防沙效益

表1為30 cm低立式礫石沙障后水平距離120 cm、垂直距離57 cm范圍內(nèi)的輸沙量增減情況。由表1可看出，30 cm低立式礫石沙障對近地表輸沙量空間分布規(guī)律的影響較大，隨著障后距離的增加，沙障對地表輸沙量變化的影響逐漸減弱。

表1 30 cm低立式礫石沙障的綜合防沙效益

從表1可知，沙障后不同水平距離處防沙效益最大值出現(xiàn)在障后20 cm處(55.0%)，障后40～120 cm的綜合防沙效益較為接近，且均>47%，在沙障后120 cm處防沙效益仍達48.5%。水平距離120 cm內(nèi)防沙效益隨距離增加而遞減的趨勢不明顯，表明礫石沙障的綜合防沙距離超過120 cm，即4倍沙障高。

4 討 論

本研究表明，30 cm低立式礫石沙障能實現(xiàn)良好的防沙效益，沙障后0～120 cm的減沙范圍均在距地0～30 cm內(nèi)，增沙范圍在距地30～57 cm，與沙障的基本作用原理一致[14]。一方面，沙障能夠較好地吸收地表的風動量[15]，當裹挾著沙的風穿過礫石沙障時，會被分成許多支流，遇到礫石摩擦，阻力增大且改變了風沙流結構，使風的攜沙能力下降。另一方面，沙障增加了氣流搬運沙粒的高度。輸沙量的降低程度在沙障后20 cm處最明顯，在障后40、80、120 cm處綜合防沙效益遞減趨勢不明顯，綜合防沙效益均>47%，可見沙障對風沙流的限制范圍>120 cm，即綜合防沙距離>4倍沙障高，防沙效益較強。控制投入成本、節(jié)省時間和勞動力投入是防沙工程需要考慮的重要因素[16]。礫石沙障作為該地區(qū)成本低廉且易獲取的材料，是該地區(qū)較為理想的沙障材料。

5 結 論

(1)30 cm礫石沙障改變了近地表輸沙量的空間分布，使輸沙量在距地0～30 cm范圍內(nèi)與對照組差異最大，且距離沙障越近與對照組輸沙量的差異越明顯。

(2)沙障底層范圍(0～30 cm)呈現(xiàn)減沙效果，而上層范圍(30～57 cm)呈現(xiàn)增沙效果。

(3)沙障的綜合防沙效益隨著障后距離的增加而減小，30 cm礫石沙障對障后0～120 cm的綜合防沙效益>47%，綜合防沙距離>120 cm。

(4)本試驗為沙障的設置提供了一定的參考，礫石沙障材料方便獲取且具有較佳的防風蝕效果，可作為試驗地防沙布設措施。關于沙障的其他材料規(guī)格，以及沙障后更多距離處、更高垂直范圍內(nèi)的輸沙量情況等，仍有待于進一步研究。