庫布齊沙漠新材料沙障的風(fēng)速廓線特征

郭彩贇, 韓致文, 鐘 帥, 李愛敏,4

(1.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 甘肅 蘭州730000; 2.中國科學(xué)院 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州730000; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049; 4.菏澤學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院, 山東 菏澤274015)

庫布齊沙漠新材料沙障的風(fēng)速廓線特征

郭彩贇1,2,3, 韓致文1,2, 鐘 帥1,2,3, 李愛敏1,2,3,4

(1.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 甘肅 蘭州730000; 2.中國科學(xué)院 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州730000; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049; 4.菏澤學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院, 山東 菏澤274015)

[目的] 在庫布齊沙漠杭錦旗獨(dú)貴塔拉工業(yè)區(qū)測試HDPE網(wǎng)和植物纖維網(wǎng)新材料沙障防沙技術(shù)，為工程沙障對比優(yōu)選提供理論支持。[方法] 采用Met One 014 A/024 A型8通道風(fēng)速風(fēng)向儀(CR200 X數(shù)采儀)，觀測沙障內(nèi)20，80，150和200 cm這4個(gè)高度的1 min平均風(fēng)速，對比分析不同材料、規(guī)格、高度的方格沙障及前沿高立式阻沙柵欄影響下的風(fēng)速廓線特征。[結(jié)果] (1) 幾種不同規(guī)格和高度的HDPE網(wǎng)和植物纖維網(wǎng)方格沙障及前沿高立式阻沙柵欄，都能顯著降低近地表風(fēng)速，具有良好的防風(fēng)固沙效應(yīng)。(2) 方格沙障中心風(fēng)速垂直變化幅度和變化規(guī)律，僅與沙障平面規(guī)格和外露高度密切相關(guān)，與試驗(yàn)材料基本無關(guān)；相同平面規(guī)格的方格沙障，外露高度越大，降風(fēng)效果越顯著；相同外露高度的方格沙障，小規(guī)格沙障的降風(fēng)效果較為顯著。(3) 沙障防風(fēng)固沙效益對比，需要充分考慮地貌部位、坡向、坡度、地表狀況等的影響，對比觀測未實(shí)施防沙措施的裸沙區(qū)對應(yīng)地貌部位的輸沙強(qiáng)度、風(fēng)沙流場等因素，以便準(zhǔn)確獲取工程沙障效益參數(shù)。[結(jié)論] 庫布齊沙漠采用的新材料工程沙障措施具有顯著的降風(fēng)效應(yīng)，在庫布齊沙區(qū)的生態(tài)治理領(lǐng)域具有良好的推廣前景。

庫布齊沙漠; 防沙試驗(yàn); 新材料沙障; 風(fēng)速廓線

風(fēng)速廓線即風(fēng)速隨高度的分布曲線。自Bagnold[1]首次提出風(fēng)速廓線術(shù)語以來，一直是風(fēng)沙物理學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。拜格諾風(fēng)速廓線遵循對數(shù)分布規(guī)律，在半對數(shù)紙上為通過點(diǎn)(ut，zt)的直線：

(1)

式中：k——卡曼常數(shù)(0.4);Ut——床面沖擊啟動(dòng)風(fēng)速(m/s)；y——空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度;V*′——摩阻風(fēng)速(m/s)。

(2)

劉賢萬[4]、王洪濤等[5]通過試驗(yàn)證明，凈風(fēng)和挾沙風(fēng)在同樣軸線風(fēng)速條件下的剪切風(fēng)速迥異，凈風(fēng)中的剪切風(fēng)速只反映了地表粗糙度阻力，而挾沙風(fēng)中的剪切風(fēng)速包括地表阻力和躍移層阻力。在中性大氣層結(jié)條件下，凈風(fēng)條件下邊界層中的風(fēng)速符合公式[6]：

(3)

式中：Uz——高度z處風(fēng)速(m/s)；u*——摩阻風(fēng)速(m/s)；k——常數(shù)；z——高度(cm)；z0——空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度。而風(fēng)沙流環(huán)境下?lián)P沙邊界層的內(nèi)邊界層風(fēng)速廓線在半對數(shù)紙上向上凸，外邊界層風(fēng)速廓線接近于普朗特對數(shù)形式。

影響風(fēng)速廓線分布形式的有地形坡度[7-8]、植被蓋度[9-10]、沙丘表面砂粒粒徑[11-12]和沙障孔隙度[13-14]等多種因素。目前關(guān)于風(fēng)速廓線研究方法多為修正不同于普朗特—拜格諾風(fēng)速廓線的風(fēng)沙流廓線系數(shù)，分段擬合風(fēng)沙流風(fēng)速廓線，使用其他函數(shù)擬合風(fēng)沙流風(fēng)速廓線和數(shù)值模擬等。

本文針對庫布齊沙漠自然環(huán)境特征及沙漠化防治技術(shù)需求，在杭錦旗獨(dú)貴塔拉工業(yè)區(qū)試驗(yàn)了HDPE網(wǎng)和植物纖維網(wǎng)新材料沙障防沙技術(shù)，觀測了沙障中心20，80，150和200 cm等4個(gè)高度的1 min平均風(fēng)速，對比分析了不同材料、規(guī)格、高度的方格沙障及前沿高立式阻沙沙障影響下的風(fēng)速廓線特征，以期為工程沙障對比優(yōu)選提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于鄂爾多斯高原北緣，地理坐標(biāo)108°53′43″E，40°26′25″N，廣泛分布流動(dòng)沙丘。該區(qū)屬于典型溫帶大陸性干旱氣候，具有夏秋溫暖少雨，冬季風(fēng)大干燥的氣候特點(diǎn)，年均降水量約186 mm，年均蒸發(fā)量2 278.7～3 274.4 mm，年均氣溫6.3 ℃，年均風(fēng)速3.2 m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速30 m/s，風(fēng)向多為南、東南風(fēng)。

1.2 材料選取

綜合考慮庫布齊沙漠的自然環(huán)境和防沙材料的運(yùn)輸成本，試驗(yàn)工程選取高密度聚乙烯網(wǎng)與植物纖維網(wǎng)2種強(qiáng)度高、無污染的透風(fēng)式防沙新材料。

高密度聚乙烯，英文名為high density polyethylene，簡稱HDPE。該材料是一種結(jié)晶度為80%～90%，支鏈化程度很小，符合《RoHS指令》要求的熱塑性樹脂材料，最大密度0.940～0.965 g/cm3，具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的透風(fēng)率[15-16]，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，絕緣性能好，分子量等級較高，抗環(huán)境應(yīng)力開裂性較強(qiáng)，使用壽命長達(dá)十年之久，且綠色環(huán)保，能回收重復(fù)利用，多用于薄膜、吹塑、防沙工程等[17]。為適應(yīng)沙漠高低溫環(huán)境，延長沙障抗老化時(shí)間，本試驗(yàn)使用的HDPE材料中添加了HALS-3受阻胺光穩(wěn)定劑、抗氧化劑和紫外線吸收劑，極大提升了材料抗老化能力。HDPE紗網(wǎng)孔隙度60%左右，顏色墨綠，以緯編方式制作而成。

植物纖維材料是一種來源于農(nóng)作物秸稈的快速再生植物，其主要成分為纖維素、木質(zhì)素和半纖維素，少量成分為脂肪族化合物、含氮化合物、果膠及無機(jī)物?？估匣芰^強(qiáng)，能降解，抗風(fēng)蝕，紗網(wǎng)采用平紋交織工藝機(jī)織方式生產(chǎn)，紗網(wǎng)孔隙度60%左右，是環(huán)境友好型新型防風(fēng)固沙材料。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為對比不同材料和規(guī)格試驗(yàn)沙障的風(fēng)速廓線形式，本試驗(yàn)在庫布齊沙漠杭錦旗獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)選取高大流動(dòng)沙丘區(qū)作為試驗(yàn)地，布置了新材料沙障固沙試驗(yàn)區(qū)，面積約16 000 m2。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了1.0 m×1.0 m(h=20 cm)，1.5 m×1.5 m(h=20 cm)，3.0 m×3.0 m(h=50 cm)，5.0 m×5.0 m(h=100 cm)等規(guī)格的HDPE網(wǎng)和植物纖維網(wǎng)方格沙障以及HDPE網(wǎng)前沿高立式阻沙沙障(h=100 cm)。外露高度20 cm的1.0 m×1.0 m和1.5 m×1.5 m試驗(yàn)沙障采用高度為40 cm的抗老化塑料立柱固定，立柱抗彎強(qiáng)度12.5 N/mm2，使用壽命10 a左右；外露高度50 cm的3.0 m×3.0 m和5.0 m×5.0 m方格沙障，固定立柱采用長度100～180 cm的木樁制作，立柱釘入沙面下約20～70 cm，將紗網(wǎng)纏繞固定于立柱。不同規(guī)格的方格沙障布設(shè)完成后，在試驗(yàn)區(qū)前沿三面構(gòu)建200 cm高、總長約740 m的HDPE網(wǎng)高立式阻沙柵欄，構(gòu)成方格沙障與高立式阻沙措施鑲嵌組合的綜合防沙體系。沙障規(guī)格與技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)材料與沙障規(guī)格

1.4 風(fēng)速觀測

采用多套Met One 014 A/024 A型多通道風(fēng)速風(fēng)向儀(CR200 X數(shù)采儀)，同步安置在試驗(yàn)區(qū)地形與地貌部位相近的不同材料規(guī)格方格沙障中心、前沿阻沙沙障內(nèi)外及試驗(yàn)區(qū)外沙丘相應(yīng)部位，對不同材料與規(guī)格方格沙障中心4個(gè)高度(20,80,150,200 cm)1 min平均風(fēng)速開展同步觀測，獲取相同風(fēng)沙流場環(huán)境下，不同材料、不同規(guī)格方格沙障中心、高立式阻沙柵欄內(nèi)外以及無防護(hù)措施沙丘相應(yīng)部位的風(fēng)速同步實(shí)測資料。不同情形的觀測時(shí)間60～102 min，獲取風(fēng)速樣本數(shù)61～102組。風(fēng)速數(shù)據(jù)運(yùn)用Microsoft Office Excel 2007整理，利用Origin 9.0和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理并作圖，對比分析相同風(fēng)沙流場環(huán)境下，不同材料規(guī)格、不同類型沙障及流動(dòng)沙丘區(qū)相應(yīng)部位的風(fēng)速廓線形式與水平流場變化。

2 結(jié)果與分析

風(fēng)速廓線分布形式反映了垂直方向上風(fēng)速的變化趨勢，指示近地表氣流的基本活動(dòng)規(guī)律。一般原始風(fēng)沙流風(fēng)速隨著高度的增加，廓線形式遵循冪指數(shù)或者對數(shù)分布規(guī)律[18-19]。防沙工程的主要原理就是改變沙面近地表特性、降低過境風(fēng)速，從而達(dá)到防風(fēng)固沙的目的[20]。在流沙表面布設(shè)沙障能有效降低風(fēng)速，風(fēng)沙流經(jīng)過工程沙障時(shí)遇阻消耗大量動(dòng)能，攔截沙粒的同時(shí)降低來流風(fēng)的攜沙能力，并影響風(fēng)速廓線形式。

2.1 不同材料與規(guī)格沙障的風(fēng)速廓線表達(dá)

2.1.1 不同措施風(fēng)速廓線綜合對比 試驗(yàn)區(qū)風(fēng)速廓線分布反映了不同材料、不同規(guī)格試驗(yàn)沙障中心和前沿高立式阻沙柵欄內(nèi)外垂直風(fēng)速變化規(guī)律，由試驗(yàn)區(qū)不同情形下的風(fēng)速廓線圖(圖1)可見，前沿高立式阻沙柵欄、不同規(guī)格HDPE網(wǎng)和植物纖維網(wǎng)方格沙障，都有顯著降風(fēng)效應(yīng)。其中5.0×5.0 m(h=100 cm)HDPE網(wǎng)和植物纖維網(wǎng)方格沙障、1.0×1.0 m(h=20 cm)半隱蔽沙蒿方格沙障和前沿高立式阻沙柵欄內(nèi)，風(fēng)速垂直梯度變化較小，平均風(fēng)速也相對較低，說明這4種沙障的綜合防風(fēng)固沙效益相對顯著。

圖1 試驗(yàn)區(qū)不同措施下的風(fēng)速廓線形式

2.1.2 HDPE 網(wǎng)前沿高立式阻沙沙障內(nèi)外風(fēng)速對比 前沿高立式阻沙柵欄能有效防止風(fēng)沙侵入，提高工程措施防風(fēng)固沙效益。圖2為風(fēng)速觀測結(jié)果。

圖2 前沿阻沙柵欄內(nèi)(下風(fēng)向)外(上風(fēng)向)2 m處風(fēng)速對比

由圖2可知，試驗(yàn)工程區(qū)HDPE材料的前沿高立式阻沙柵欄(h=200 cm)內(nèi)(下風(fēng)向)、外(上風(fēng)向)200 cm處風(fēng)速廓線形式變化迥異：柵欄外(上風(fēng)向)風(fēng)速廓線呈對數(shù)函數(shù)形式分布，符合原始動(dòng)床面風(fēng)沙流風(fēng)速廓線分布規(guī)律，而在柵欄內(nèi)(下風(fēng)向)，因受到高立式前沿高立式阻沙柵欄阻攔干擾，風(fēng)速廓線呈指數(shù)函數(shù)形式分布，與柵欄外風(fēng)速廓線分布趨勢相反。阻沙柵欄下風(fēng)向近地表風(fēng)速及其垂直變化幅度都較柵欄上風(fēng)向相應(yīng)高度處小，200 cm高度附近風(fēng)速值恢復(fù)，基本接近柵欄上風(fēng)向來流風(fēng)速，反映了高立式阻沙柵欄對自身高度以下區(qū)域風(fēng)速的降低作用較顯著，對風(fēng)速垂直梯度變化規(guī)律的影響較大，具有沙障風(fēng)沙物理學(xué)性能的典型性。

2.1.3 相同規(guī)格不同材料方格沙障中心風(fēng)速對比 圖3為相同規(guī)格不同材料方格沙障中心風(fēng)速的對比結(jié)果，由圖3可見，1.0 m×1.0 m(h=20 cm)HDPE網(wǎng)與植物纖維網(wǎng)方格沙障的防風(fēng)效益差別甚微，3.0 m×3.0 m(h=50 cm)HDPE網(wǎng)與植物纖維網(wǎng)方格沙障的降風(fēng)效果差別不大。

這說明在試驗(yàn)條件下，方格沙障中心部位的風(fēng)速垂直變化幅度與分布規(guī)律，僅與試驗(yàn)沙障的平面規(guī)格和高度密切相關(guān)，而與沙障材料(HDPE網(wǎng)，植物纖維網(wǎng))基本無關(guān)。

圖3 相同規(guī)格和高度，不同材料方格沙障中心風(fēng)速對比

另外，紗網(wǎng)材料孔隙度決定了砂礫物質(zhì)的穿透能力，是決定防沙效益的重要因素之一。不同孔隙度防沙網(wǎng)對流場的紊動(dòng)特性影響不同，近地面風(fēng)速廓線形式有差異，減弱風(fēng)沙流的影響力度也不盡相同。凌裕泉等[21]通過野外觀測發(fā)現(xiàn)30%～40%孔隙度的柵欄固沙效應(yīng)最顯著。還有學(xué)者[22-23]通過風(fēng)洞模擬試驗(yàn)確定了尼龍網(wǎng)在40%孔隙度時(shí)防沙效益最顯著。本次試驗(yàn)中使用的HDPE網(wǎng)與植物纖維網(wǎng)孔隙度皆在60%左右。圖3中所示相同規(guī)格、高度，不同材料紗網(wǎng)的風(fēng)速廓線形式差異不大，部分原因是本試驗(yàn)中兩種材料孔隙度較為接近，還不足以分析出孔隙度對風(fēng)速廓線的影響力度。

2.1.4 相同材料不同規(guī)格與高度方格沙障中心風(fēng)速對比 沙障平面規(guī)格與高度直接決定了沙障防風(fēng)固沙的影響范圍和高度。由3.0 m×3.0 m(h=50 cm)HDPE網(wǎng)方格沙障與5.0 m×5.0 m(h=100 cm)HDPE網(wǎng)方格沙障內(nèi)風(fēng)速對比(圖4)表明，5.0 m×5.0 m(h=100 cm)方格沙障中心垂直風(fēng)速的降風(fēng)效應(yīng)比3.0 m×3.0 m(h=50 cm)方格沙障中心顯著。其中：100 cm高度HDPE網(wǎng)方格沙障在外露高度(h)以下的風(fēng)速被明顯削減，100 cm以上風(fēng)速隨高度快速增大。說明相同材料的試驗(yàn)沙障外露高度(h)越大，降風(fēng)效果越顯著。方格沙障在外露高度(h)以下風(fēng)速被明顯削弱，垂直高度上風(fēng)速梯度變小，且越接近地面風(fēng)速削減作用越顯著，而外露高度(h)以上風(fēng)速會(huì)因沙障上沿的抬升作用而快速增大。

2.1.5 地形地貌對試驗(yàn)沙障中心風(fēng)速分布的影響 上述皆為相同地形與地貌部位條件下的風(fēng)速特征對比分析。地形與地貌部位對風(fēng)速廓線和試驗(yàn)沙障的防風(fēng)固沙效果有著不可避免的顯著影響[7-8]。試驗(yàn)區(qū)北緣沙面覆蓋有大約20 cm高的沙蒿植被，且地貌不同于1.0 m×1.0 m (h=20 cm)HDPE網(wǎng)新材料方格沙障區(qū)。為分析地形地貌對試驗(yàn)沙障中心風(fēng)速分布的影響，同步采集了試驗(yàn)區(qū)邊緣沙蒿草方格沙障中心與1.0 m×1.0 m(h=20 cm)HDPE方格沙障中心的風(fēng)速數(shù)據(jù)。

圖4 相同材料不同規(guī)格與高度HDPE方格沙障中心風(fēng)速對比

由1.0×1.0 m(h=20 cm)HDPE網(wǎng)方格沙障與1.0 m×1.0 m(h=20 cm)半隱蔽沙蒿方格沙障中心風(fēng)速及垂直分布對比(圖5)可以看出，1.0 m×1.0 m(h=20 cm)半隱蔽沙蒿方格沙障因草頭阻攔并增強(qiáng)了下墊面對風(fēng)沙流的擾動(dòng)，改變了過境風(fēng)沙流場結(jié)構(gòu)，使得半隱蔽沙蒿草方格內(nèi)風(fēng)沙流流場發(fā)生明顯改變，不再服從普通冪指數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)關(guān)系，而呈線性形式分布；1.0 m×1.0 m(h=20 cm)HDPE網(wǎng)方格沙障中心風(fēng)速呈對數(shù)函數(shù)形式分布。半隱蔽沙蒿方格沙障位于試驗(yàn)區(qū)前緣位置，受到多風(fēng)向影響，在飽和風(fēng)沙流作用下邊緣形成積沙，并逐漸掩埋沙蒿草方格沙障，填平凹曲面[20]，使沙蒿方格沙障防護(hù)效應(yīng)減弱或喪失。而得益于前緣沙蒿方格沙障的防護(hù)作用，相鄰的1.0 m×1.0 m(h=20 cm)HDPE網(wǎng)方格沙障中心風(fēng)沙流挾沙量大幅減小，風(fēng)速降低。

圖5 地形地貌對試驗(yàn)沙障中心風(fēng)速分布的影響

2.2風(fēng)速廓線函數(shù)形式

貼地層風(fēng)速廓線一般有冪指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)幾種常見形式[10]。觀測數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，試驗(yàn)區(qū)不同規(guī)格沙障內(nèi)風(fēng)速廓線函數(shù)多遵循此規(guī)律(表2)。

表2 試驗(yàn)區(qū)不同部位風(fēng)速廓線函數(shù)擬合情況

3 結(jié) 論

(1) 高度(h)分別為20,50,100和200 cm的1.0 m×1.0 m，1.5 m×1.5 m，3.0 m×3.0 m，5.0 m×5.0 m 規(guī)格的HDPE網(wǎng)和植物纖維網(wǎng)新材料方格沙障及前沿高立式阻沙柵欄，有效降低近地層風(fēng)速，減弱輸沙強(qiáng)度，改變風(fēng)速廓線分布，具有顯著的降風(fēng)固沙效應(yīng)。

(2) 高度200 cm的HDPE網(wǎng)前沿阻沙柵欄內(nèi)2.0 m處(下風(fēng)向，V=2.942e0.003 h)與柵欄外2.0 m處(上風(fēng)向，V=3.322+0.59 lnh)風(fēng)速及其廓線形式差異較大，反映了前沿高立式阻沙柵欄降風(fēng)作用的顯著性和對風(fēng)速垂直分布的明顯改變，具有沙障風(fēng)沙物理學(xué)性能的典型性。

(3) 試驗(yàn)沙障高度不同，20，80，150，200 cm這4個(gè)觀測高度的1 min平均風(fēng)速變化幅度有較大差異。試驗(yàn)方格沙障中心風(fēng)速垂直變化幅度及變化規(guī)律，僅與沙障平面規(guī)格和高度密切相關(guān)，而與試驗(yàn)材料(HDPE網(wǎng)，植物纖維網(wǎng))基本無關(guān)。相同平面規(guī)格的方格沙障，外露高度(h)越大，降風(fēng)效果越顯著；相同外露高度(h)的方格沙障，小規(guī)格沙障的降風(fēng)效果較顯著。沙障外露高度(h)以下的風(fēng)速被明顯削弱，且越接近地面風(fēng)速削減作用越顯著，外露高度(h)以上因沙障抬升作用引起風(fēng)速迅速增大。

(4) 試驗(yàn)選用的沙障材料HDPE網(wǎng)和植物纖維網(wǎng)孔隙度較為接近，野外試驗(yàn)條件下不足以對比沙障的孔隙度對風(fēng)速廓線的影響，故未考慮沙障孔隙度對風(fēng)速廓線形式的影響。對比評價(jià)沙障的防風(fēng)固沙效益，還應(yīng)充分考慮地形與地貌部位、坡向、坡度、地表狀況(物質(zhì)組成、植被覆蓋及粗糙度等因素)的作用，對比觀測無防沙措施的流沙區(qū)對應(yīng)地貌部位的輸沙強(qiáng)度、風(fēng)沙流場及地面粗糙度等因素，以便準(zhǔn)確獲取沙障的效益參數(shù)。

[1] Bagnold R A. The physics of blown sand and desert dunes[J]. Nature, 1974,18(4):167-187.

[2] Mcewan I K, Willetts B B. Adaptation of the near-surface wind to the development of sand transport[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1993,252(1):99-115.

[3] Mitha S, Tran M Q, Werner B T, et al. The grain-bed impact process in aeolian saltation[J]. Acta Mechanica, 1986,63(1):267-278.

[4] 劉賢萬.試驗(yàn)風(fēng)沙物理與風(fēng)沙工程學(xué)[M].1版.北京:科學(xué)出版社,1995:488-500.

[5] 王洪濤,董志寶,錢光強(qiáng),等.關(guān)于風(fēng)沙流中風(fēng)速廓線的進(jìn)一步試驗(yàn)研究[J].中國沙漠,2003,23(6):721-724.

[6] Dong Zhibao, Qinan Guangqiang, Lu Ping, et al. Turbulence fields in the lee of two-dimensional transverse dunes simulated in a wind tunnel[J]. Earth Surface Processes & Landforms, 2009,34(2):204-216.

[7] 李振山.地形起伏對氣流速度影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].水土保持研究,1999,6(4):75-79.

[8] 哈斯,董光榮.騰格里沙漠東南緣沙丘表面氣流與坡面形態(tài)的關(guān)系[J].中國沙漠,1999,19(1):1-5.

[9] 趙彩霞,鄭大瑋,何文清.植被覆蓋度的時(shí)間變化及其防風(fēng)蝕效應(yīng)[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2005,29(1):68-73.

[10] 毛東雷,雷加強(qiáng),曾凡江,等.策勒不同下墊面風(fēng)速廓線時(shí)空差異研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2014,28(11):171-177.

[11] Liu Jie, Song Mengxuan, Chen Kai, et al. An optimization methodology for wind lens profile using computational fluid dynamics simulation[J]. Energy, 2016,109:602-611.

[12] Grimenes A A, Thue-Hansen V. Annual variation of surface roughness obtained from wind profile measurements[J]. Theoretical & Applied Climatology, 2004,79(1/2):93-102.

[13] Ranga K G R, Gardea R J, Singhb S K, et al. Experimental study on characteristics of flow past porous fences[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 1988,29(1/2/3):155-163.

[14] 屈建軍,井哲帆,張克存,等. HDPE蜂巢式固沙障研制與防沙效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].中國沙漠,2008,28(4):599-604.

[15] 馮博,冷金華,陳弦,等.高密度聚乙烯/石墨/碳纖維導(dǎo)熱復(fù)合材料性能的研究[J].塑料工業(yè),2013,41(6):78-82.

[16] 邵鵬程,王雁玉,李渤,等.高密度聚乙烯的研究及應(yīng)用[J].塑料制造,2011(4):98-100.

[17] 巫曉鑫.尼龍6和高密度聚乙烯的耐熱改性及性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2013.

[18] 王文彪,黨曉宏,張吉樹,等.庫布齊沙漠北緣不同作物秸稈平鋪式沙障的防風(fēng)效能[J].中國沙漠,2013,33(1):65-71.

[19] 馬世威.沙漠學(xué)[M].1版.呼和浩特:內(nèi)蒙古人民出版社,1998:209-220.

[20] Anderson R S, Haff P K. Wind Modification and Bed Response During Saltation of Sand in Air[M]. Aeolian Grain Transport 1: Springer Vienna,1991:21-51.

[21] 凌裕泉,金炯,鄒本功,等.柵欄在防止前沿積沙中的作用:以沙坡頭地區(qū)為例[J].中國沙漠,1984,4(3):16-25.

[22] 張克存,俎瑞平,方海燕.不同孔隙度尼龍網(wǎng)對風(fēng)沙流減弱作用的風(fēng)洞模擬[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(4):4-6.

[23] 康惠惠,潘韜,蓋艾鴻,等.生態(tài)退化與恢復(fù)對三江源區(qū)土壤保持功能的影響[J].水土保持通報(bào),2017,37(3):7-14.

WindProfileCharacteristicsofNewMaterialsSand-BarriersinHobqDesert

GUO Caiyun1,2,3, HAN Zhiwen1,2, ZHONG Shuai1,2,3, LI Aimin1,2,3,4

(1.NorthwestInstituteofEco-environmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000,China; 2.KeyLaboratoryofDesertandDesertification,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 4.CollegeofUrbanConstruction,HezeUniversity,Heze,Shandong274015,China)

[Objective] The experiments about the new materials of HDPE net and plant fiber net were conducted in Hangjin Banner, Duguitala industrial zone of Hobq Desert, in order to provide theoretical support for the sand-barrier optimization. [Methods] The Met One 014 A/024 A 8 channel anemometers (acquisition instrument CR200 X) were used to observe the 1 min-averaged wind speed at the heights of 20 cm, 80 cm, 150 cm and 200 cm, and the wind profiles under the effects of sand-barriers with different materials, specifications, heights of the checkboard barriers and the highly-set vertical sand barriers were comprised and analyzed. [Results] (1) The high parallel sand-barriers, HDPE and plant fiber net sand-barriers with different specifications all could significantly reduce the surface velocity, they also had good sand-fixing benefit. (2) The vertical wind variation range and regularity measured in the center of the checkboard barriers were found strongly related to the sand-barrier plane specification and the exposing height, no relation was found with the materials. Under the same test specification condition, the higher the exposed height was, the much the velocity was reduced. At the checkboards with the same exposure height, the reducing effect of velocity with small size sand-barrier was more obvious. (3) The determination of the sand-fixing effect of sand-barriers with different specifications should take a full consideration of the influences of the topography position, slope direction, slope gradient and surface conditions. Besides that, it also needs to observe the sediment transport intensity, sand-flow field and other factors of the bare land topography that is not within the measurement zone. All these are essential to obtain the effectiveness of the engineering barrier accurately. [Conclusion] The sand barrier of the new material used in the Hobq desert had excellent effects of reducing velocity, and it has great application prospect in the ecological field.

Hobqdesert;desertpreventiveexperiment;newmaterialsandbarriers;windprofiles

A

1000-288X(2017)05-0260-06

S157.1, X171

文獻(xiàn)參數(shù)： 郭彩贇, 韓致文, 鐘帥, 等.庫布齊沙漠新材料沙障的風(fēng)速廓線特征[J].水土保持通報(bào)，2017,37(5)：260-265.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.044； Guo Caiyun, Han Zhiwen, Zhong Shuai, et al. Wind profile characteristics of new materials sand-barriers in Hobq desert[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：260-265.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.044

2017-01-21

2017-03-16

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“庫布齊沙漠生態(tài)綜合治理產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)與示范”(2015BAC06B01-01); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于床面侵蝕堆積觀測的新月形沙丘向沙丘鏈演變研究”(41371025)

郭彩贇(1990—),女(藏族),甘肅省肅南縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)轱L(fēng)沙災(zāi)害防治。E-mail:guocaiyun@lzb.ac.cn。

韓致文(1963—),男(漢族),甘肅省會(huì)寧縣人,博士生導(dǎo)師,研究員,主要從事風(fēng)沙地貌與防沙工程研究。E-mail:hzwen@lzb.ac.cn。