不同结构类型棉秆沙障防风固沙效应研究

JournalofSoilandWaterConservationVol.24No.2Apr.,2010　

　不同结构类型棉秆沙障防风固沙效应研究

马瑞1,王继和2,屈建军1,刘虎俊2,孙涛2,魏林源2

3

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000;2.甘肃省治沙研究所,甘肃兰州730000)

摘要:棉秆沙障具有原材料丰富,设置形式灵活多样,无污染等优点。在流沙上设置了植入式、栅栏式、集束式3种结构类型、6种规格的棉秆沙障,观测各沙障对近地表风速的影响,以及沙障内沙粒运动及沙面形态变化。结果表明:各种结构和规格的棉秆沙障均可在一定程度上增大地表粗糙度,降低近地表风速,减缓障内沙粒运动,降低输沙量。其中,带枝叶植入式行列沙障防风固沙效果最好,但稳定性较差,易于倒伏;栅栏式格状沙障防护效果次之,从100cm到10cm的风速降幅为75%,近地表10cm处风速仅为流沙上风速的33%,沙障稳固,维护量小。具体设置棉秆沙障时,其结构与规格的选择可根据当地的风沙流强度确定。关键词:棉秆沙障;防护效益;野外观测中图分类号:X171.4　　　文献标识码:A　　　文章编号:100922242(2010)0220048204

StudyonProtectiveEffectofDifferenceTypesofCottonHaulmSandBarriers

MARui1,WANGJi2he2,QUJian2jun1,LIUHu2jun2,SUNTao2,WEILin2yuan2

(1.ColdandAridRegionsEnvironmentandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,

Lanzhou,Gansu730000;2.GansuDesertControlResearchInstitute,Lanzhou,Gansu730000)

Abstract:Cottonhaulmsandbarriershavetheadvantagesofrichinrawmaterials,settingflexiblywithdi2verseforms,nopollutionandsoon.Setupthreetypes,sixspecsofcottonhaulmsandbarriersonshiftingsand,observedtheimpactiononwindspeed,movementofsandgrain,aswellasconfigurationofsandsur2face.Theresultsshowed:thesandbarrierswithdifferentstructuresanddimensionsallcanincreasethegroundroughness,decreasethewindvelocityandsandtransportrate,andabatethesandmovement.There2of,therowsandbarriersconstructedformcottonhaulmwithbranchesandleaveshavethebestprotectiveeffects,butithasalowstabilityandtendtofalldown;thefencesandbarriersincheckerboardpatternhavetheprotectiveeffectthatisnextonlytotheformer,thewindspeedreducedby75%fromheight100cmto10cm,andthewindspeedataheightof10cmonlyis33%ofthatabovetheshiftingsand,besides,thefixed2nessofthistypeofsandbarriersonlybringlittlemaintenance.Inpractice,thecottonhaulmsandbarriersshouldbeinstalledinproperstructureanddimensionaccordingtothecharacteristicsoflocalsandflowfield.Keywords:cottonhaulmsandbarrier;protectiveeffect;fieldobservation

沙漠化是当前世界干旱地区共同面临的严重问题,我国目前共有沙漠化土地约53.25万km2[1],在全球气

候变暖和人类活动的共同作用下,沙化面积仍在持续扩大,生态环境日益恶化,沙患不断,严重威胁着绿洲的存在。机械沙障是沙害治理的重要措施之一,而机械沙障所用原材料相对短缺的现实,严重制约着防沙治沙事业的发展,迫使风沙研究者开发和研制具有防沙功能的新材料[2]。目前用于设置固沙型沙障的常用材料有黏土、麦草、芦苇、塑料网等。黏土在有些沙区很短缺,麦草随着沙区封育禁牧多用于家畜饲料,面临原材料短缺、收购成本增加的窘境。塑料网和尼龙网在防沙治沙方面有不少优越性,具有可工业化生产、抗老化、防风沙等优点[226],但造价相对较高[2,6]。在我国西北干旱区,棉花是主要的经济作物之一,种植面积广,利用棉花作物的副产品棉秆为原材料开发研制新型沙障,既是对农业资源的高效利用,又可为防沙治沙事业开辟新途径。为此,我们通过试验研制出不同工艺和结构的棉秆沙障,获得了国家实用新型专利。在沙障研制过程中,于野外设置了不同结构和规格的棉秆沙障,对其防风固沙效应进行了野外观测,旨在为棉秆沙障的优化设计及其应用提供

3收稿日期:2009212208基金项目:国家“十一五”科技攻关项目(2006BAD26B08);甘肃省重大专项(0702NKDH030);甘肃省开发专项(0805TCYH027);科技部省

部会商项目(2007BAD46B02)

作者简介:马瑞(1977-),女,甘肃平凉人,博士,从事风沙工程与荒漠生态研究。E2mail:mr031103@126.com

通讯作者:王继和(1949-),男,甘肃民勤人,研究员,从事荒漠化防治和植物生理生态学研究。E2mail:wjh318@126.com

第2期　　　　　马瑞等:不同结构类型棉秆沙障防风固沙效应研究49

理论依据。

1　试验区概况

试验区位于甘肃民勤县,地处东经103°02′-104°02′,北纬38°05′-39°06′之间,东、西、北三面被腾格里和巴丹吉林沙漠所包围。该区具有西北干旱荒漠区的典型特征:气候干旱,光照充足,降水稀少,风大沙多。年平

均降水量116.2mm,蒸发量2643.9mm;年平均有风的记录占99.23%,当地的大风风向为NW,其次是NE,大于5m/s起沙风占全年有风日数的13.08%,4月份和5月份为大风和沙尘暴多发月份。湖区年均风沙日数达139d,最多时达150d,8级以上大风日数70d,年均强沙尘暴日数达29d。区内地下水位降低,植被退化,沙尘暴频繁,生态环境严重恶化。

2　沙障类型及观测方法

2.1　设置时间及沙障类型

试验点1布设在民勤治沙站流动沙丘上,布设时间为2007年11月;试验点2布设在民勤青土湖流动沙地上,布设时间为2008年4月。沙障按结构分为3种类型(图1):一是将带叶和侧枝的棉秆紧挨着以排状植入沙体的植入式沙障;二是将棉秆按比例横竖相交编制而成的栅栏式沙图1　棉秆沙障设置方式示意图障;三是用铁丝将棉秆成捆绑扎而成的集束式可移动沙

障。本研究中栅栏式沙障按高度制作为40cm高和20cm高两种高度的沙障,40cm高栅栏设置为行列式沙障,障间距1m;20cm高栅栏设置为障间距1m的行列式沙障和规格为1m×1m的方格状沙障两种形式,根据投影计算,栅栏沙障孔隙度介于35%～40%之间;集束式棉秆沙障直径7～10cm,沙障设置为方格状,规格分1m×1m和0.5m×0.5m两种。2.2　观测方法

风速测定:使用便携式风速廓线仪(ZL02261931.3),分别对不同沙障内垂直方向风速和水平方向风速进行同步测定,测点位于距沙障迎风边约3.5m的中心位置。风速数据采集器每两秒采集一次瞬时风速,每一测点重复采集200次,时间共计接近7min,对所得数据进行处理及标定,取得该时间段内的*均风速,计算粗糙度[1]。

lgZ2-(U2/U1)lgZ1lgZ0=

1-U2/U1

式中:Z0———地表粗糙度(cm);U1、U2———分别为高度Z1、Z2处的风速(m/s)。

输沙量测定:在风速测定的同时,布设10孔(孔尺寸:2cm×2cm)阶梯式集沙仪进行输沙量同步观测,计算单宽输沙率。

ΔT)Q=W/(2

式中:Q———输沙率(g/cm・h);W———集沙重量(g);ΔT———观测时间(h)。

障内蚀积状况观测:通过布设固定风蚀杆进行观测,每种结构的棉秆沙障内选择2～3个单元格(排)进行重复布设,风蚀杆沿主风向设置,杆间距10cm。

3　结果与分析

3.1　防风固沙作用

棉秆沙障设置后,露出沙面的障体对外来风沙流具有明显的阻滞作用,表现在两个方面:一是当过境风沙流经过棉秆沙障时,近地表气流在障前受阻,流速急剧降低,携沙能力减弱,且在障体前后形成小范围涡流,沙粒在棉秆及地表的撞击下因动能损耗而沉降下来;二是部分气流从沙障空隙中穿过,在穿过的过程中,受到棉秆分割及棉秆表面的摩擦阻力,气流的能量受到消耗,从而使部分沙粒在障后发生沉降。3.1.1　垂直方向风速变化及障内沙粒运动　变异系数CV反映一组数在单位均值上的离散程度。风速变异系数可用来反映风速沿高度的变化幅度,变异系数越大,说明风速值波动越大,沙障对近地表风速的影响越明显。

在没有设置沙障的流沙上,0～100cm的风速变异系数为0.16,10cm风速为100cm风速的67%,降幅仅为33%。在棉秆沙障区,风速变异情况及100cm至10cm的风速值发生了不同程度的改变,垂直梯度变化显著(表1和图2)。其中,植入式行列棉秆沙障区地表粗糙度为流沙的101.95倍,其风速变异系数和风速降幅

50水土保持学报　　　　　第24卷

表1　棉秆沙障内风速变化特征值最大,分别达到0.88和89%,现场观测发现障体高

沙障类型变异系数降幅/%度内风杯转动缓慢并发生间断,风感很弱,地表沙编号

A植入式行列棉秆沙障(带枝叶)0.8889粒静止或少量缓慢蠕移。同为栅栏式行列沙障,障

B40cm高栅栏式行列沙障0.5578

体高度差异对气流的影响较大,20cm高的栅栏式

C20cm高、1m×1m栅栏式方格沙障0.4875

行列沙障的风速变异系数为0.37,风速降幅为D20cm高栅栏式行列沙障0.376262%,比40cm高的栅栏式行列沙障风速降幅低16E1m×1m集束式方格沙障0.2753

F0.5m×0.5m集束式方格沙障0.2851个百分点,但40cm高度比20cm高度的棉秆沙障

G流沙0.1633需要多一倍的棉秆原材料,因此当20cm高度能够满足当地常见起沙风速下固沙需要时,为节省原材料和编制所需人力,不提倡设置太高。现场观测发现,当流沙表面沙粒沿风向大量蠕移并伴有少量跃移时,20cm高度的栅栏式行列沙障内沙粒运动明显减弱,由于障体阻力,气流在障体前后基部形成小范围的涡流,带动沙粒在原地做往返蠕动,由此可以认为20cm高度的棉秆栅栏式行列沙障有较好的固沙阻沙作用,但从长期观测来看,行列沙障的基部稳定性较差,在沙面稳定之前沙障基部容易被掏蚀,面临整体倒伏的危险,维护量大,宜使用在图2　棉秆沙障内垂直方向风速变化

风沙流强度相对较轻的绿洲外围地带的流沙固定中。相比之下,20cm高度的栅栏式格状棉秆沙障具有很好的稳定性,地表粗糙度为流沙的101.46倍,风速变异系数和风速降幅分别为0.48和75%,高出同高度的行列状沙障0.11,13个百分点;集束式1m×1m和0.5m×0.5m两种规格沙障的风速变异系数和风速降幅均接近,地表粗糙度分别为流沙的101.18,101.12倍,野外观测发现设置初期集束式沙障内沙粒运动明显,但一定阶段的蚀积作用后沙面形态趋于稳定,观测还发现1m×1m和0.5m×0.5m集束式沙障在设置初期分别存在障下掏蚀和沙埋现象,但设置过程简单、移动方便、容易维修,具有一定的优越性。3.1.2　水平方向风速变化　对1m×1m集束式方格沙障、20cm高栅栏式方格沙障、20cm高栅栏式行列沙障内及流沙上各高度风速进行的同步测定结果表明:随高度由100cm降至10cm,各类型沙障内风速与流沙上对应高度的风速差距越来越大。相对于流沙表面风速(图3),栅栏式方格沙障内风速降低幅度最明显,在10cm处,栅栏式方格沙障的风速仅为流沙上风速的33%,风速降低了67个百分点,对风速的降低幅度明显高出栅栏式行列沙障34个百分点和集束式方格沙障29个百分点;到40cm处分别高出栅栏式行

图3　棉秆沙障水平风速降幅列沙障和集束式方格沙障22个和20个百分点;而50cm处仅分别

高出9个和5个百分点;50cm以上3种沙障类型的风速降幅规律不明显。所以风速受沙障影响的范围主要

在近地表50cm范围内,在这一范围内,栅栏式方格沙障对风速的减弱作用最大;集束式沙障和栅栏式行列沙障结构截然不同,且设置高度相差10cm左右,但对风的影响程度相近。3.1.3　输沙量变化　空气携沙能力除了受粗糙度的影响外,还在很大程度上受沙障结构和高度的影响。0～20cm范围内,上述栅栏式方格沙障、栅栏式行列沙障、集束式方格沙障以及流沙的输沙率之比为11∶18∶34∶42,其中,两种栅栏式沙障内收集沙量集中分布在12cm内,颜色与地表流沙一致,而集束式沙障内沙量分布较

为均匀,因含部分过境沙,故沙粒较细,沙色不同于地表流沙。

3.2　固沙过程中的沙面形态变化

野外观测表明(图4):沙障使用初期,两种栅栏式沙障内沙粒运动和流沙相比明显减弱,沙面形态变化缓

慢,而集束式沙障内沙粒运动相对活跃,这在一定程度上缩短了稳定沙面形态的形成时间。总体来看,研究时段内,3种类型沙障蚀积面轮廓线有明显不同,其中,两种方格状沙障内表现为积沙,且积沙面较为对称,行列沙障内有蚀有积。从设置后一个月及半年时的蚀积廓线来看,集束式格状沙障在方格中心部位积沙较多,沙面呈凸曲面;栅栏式格状沙障在方格四周积沙较多,沙面呈凹曲面;栅栏式行列沙障内蚀积面沿主风向倾斜向上,在上风处表现为风蚀,下风处表现为风积,形成跨障式凹曲面。沙障使用一年左右,集束式沙障方格中部由积

第2期　　　　　马瑞等:不同结构类型棉秆沙障防风固沙效应研究51

沙转为风蚀,沙面下降,凸曲面向凹曲面转化;栅栏式行列沙障蚀积面倾斜度降低,上风处风蚀转为积沙,下风

处积沙减少,沙面趋于平缓。

图4　沙障内沙面廓线变化

4　结论与讨论

(1)不同结构和规格的棉秆沙障对风速均有减弱作用。带枝叶的植入式棉秆沙障内的风速变异系数和风速降幅均大于其它规格的棉秆沙障,且省去了编制沙障的前期工作,但因风蚀作用,沙障容易倒伏,组建的沙障

稳固性差。对于栅栏式沙障而言,20cm高度的格状沙障的风速降幅高于行列状沙障,近地表10cm处风速仅为流沙上风速的33%,沙面形态相对稳定,能起到较好的防风固沙作用,且沙障稳固,受到风蚀后不易倒伏,维护量小。具体设置棉秆沙障时,其结构与规格的选择可根据当地的风沙流场性质确定,在风沙活动强烈的区段可采用格状沙障,风沙流活动较弱的地区采用行列状沙障或植入式均可。

(2)由于沙障的设置增大了下垫面粗糙度,风沙流阻力增大,流场改变,动能减小,携沙能力减弱,在障内形成的小尺度空气涡流,使沙面上产生不同程度的风蚀和风积。其中,两种格状沙障内形成的沙面轮廓较为对称;集束式方格沙障内沙面经过积沙向风蚀的转化过程,沙面形态由凸曲面转为凹曲面;行列式沙障内蚀积面沿主风向倾斜向上,形成不对称的跨障式凹曲面,但随使用时间延长,沙面趋于平缓。

(3)麦草沙障和塑料网沙障在使用过程中容易在迎风侧边缘出现积沙现象[729],塑料沙障在障体下还容易出现掏蚀,这些问题在棉秆沙障中同样存在,但如果在迎风侧距沙障一定距离处设置高立式阻沙栅栏,就可以避免或减轻前沿积沙并提高整个沙障的防护效益[8,9];障下掏蚀往往发生在沙障设置初期,需要人工维护,而棉秆沙障设置简单、灵活,维护工作相对容易进行,当蚀积趋于平衡、沙面达到稳定时,障下掏蚀即可得以缓减或消除。

(4)棉秆沙障与其他材料的沙障相比具有一定的优点。与塑料网、尼龙网沙障相比,不但费用低,且避免了因使用化工材料而可能带来的环境污染;和黏土沙障、麦草沙障相比,棉秆沙障具有设置形式灵活多样的特点,可根据需要编制成不同结构和规格的沙障;另外,从材质上和民勤新西3年前的棉秆判断,棉秆沙障要比麦草沙障耐风蚀,使用时间应在5～7年。在民勤,20cm高的栅栏式沙障和集束式沙障成本费与同规格的麦草沙障接近,每667m2在520元左右,大量使用材料费还可以降低。现阶段,沙区封育使得麦草多用于家畜饲草,在麦草沙障原材料日益短缺、收购价增高的窘境下,棉秆沙障以其独有的特性,可作为干旱区工程治沙措施的有力补充。

参考文献:

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