生物基可降解聚乳酸沙障的蝕積特征

劉湘杰，黨曉宏，2，汪 季，2，丁延龍，焦宏遠(yuǎn)

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010018；2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯，017400）

風(fēng)沙災(zāi)害是中國(guó)北方地區(qū)面臨的最嚴(yán)重的生態(tài)威脅之一［1-2］，對(duì)農(nóng)田、工礦區(qū)、交通線路和居民點(diǎn)等造成嚴(yán)重影響，并制約區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，亟待采取措施進(jìn)行治理［3-4］。在沙丘活動(dòng)較強(qiáng)、水資源匱乏的地區(qū)，機(jī)械沙障已成為治理沙害的一種行之有效的措施［5-6］，沙障材料較多，比如：麥草沙障［7-8］、沙柳沙障［9］和黏土沙障［10］等。20世紀(jì)60年代，許多專家就對(duì)方格狀沙障進(jìn)行了深入研究［11］，并且取得了豐碩的成果。目前，方格狀沙障仍是許多學(xué)者研究的對(duì)象［12-13］。方格沙障能否起到防風(fēng)固沙的作用，其穩(wěn)定的凹曲面形成是關(guān)鍵［14］。

風(fēng)沙流通過(guò)沙障時(shí)，在障格內(nèi)部會(huì)形成短軸與沙障高度接近，長(zhǎng)軸為障高5～6倍的橢圓形渦流［15］，在渦流的作用下，障格內(nèi)原始沙面經(jīng)過(guò)充分蝕積后會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，即形成穩(wěn)定的凹曲面。屈建軍等［14］認(rèn)為格狀沙障蝕積系數(shù)滿足1／10～1／8之間才能形成穩(wěn)定的凹曲面。張登山等［16］通過(guò)對(duì)青海湖6種規(guī)格草方格沙障蝕積效應(yīng)進(jìn)行評(píng)定，得出凹曲面侵蝕強(qiáng)度與沙障規(guī)格大小呈正相關(guān)。周娜等［17］對(duì)草方格內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得出氣流在草方格障體前受阻滯減速，穿過(guò)草方格時(shí)，受狹管效應(yīng)，在障格內(nèi)形成加速區(qū)，對(duì)障格中心沙面風(fēng)蝕，形成障格內(nèi)中間低四周高的凹曲面。一般通過(guò)凹曲面形態(tài)、蝕積系數(shù)和蝕積強(qiáng)度來(lái)表征凹曲面特征，反映過(guò)境風(fēng)沙流通過(guò)沙障時(shí)障格內(nèi)部地表起伏變化，是衡量沙障防風(fēng)固沙效果的重要手段，常作為沙障規(guī)格選取的重要依據(jù)［14-16］。

方格沙障規(guī)格參數(shù)的選取還需要考慮沙障材料的防護(hù)壽命，如傳統(tǒng)麥草沙障地上部分在風(fēng)打沙割及日光照射下老化較快，同時(shí)在鋪設(shè)時(shí)一部分需埋入沙面以下，地下部分也易腐爛，導(dǎo)致其使用年限減少。沙漠地區(qū)秸稈、黏土、礫石等傳統(tǒng)沙障材料資源匱乏，加之交通不便，大大增加了沙害治理的難度［18］。生物可降解聚乳酸（poly lactic acid）沙障（以下簡(jiǎn)稱PLA 沙障）采用木薯淀粉等天然原料生成，遵循“以沙治沙”理念，就地取材，將沙物質(zhì)裝入沙袋中鋪設(shè)于地表，既可有效控制地表風(fēng)沙活動(dòng)，且在沙障鋪設(shè)5 a后性能仍較為穩(wěn)定［19］，其可完全分解為二氧化碳和水［18］，對(duì)沙區(qū)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生二次污染，是一種應(yīng)用前景極廣闊的防風(fēng)固沙材料。目前對(duì)此沙障材料特性［19］、防風(fēng)固沙效益［20-24］、對(duì)土壤物理性質(zhì)影響［25-26］和對(duì)沙區(qū)植被恢復(fù)的作用［18，27］等方面均有相關(guān)研究。障格內(nèi)蝕積特征作為障格間距確定的依據(jù)具有重要 意義［14，16］，本文 通 過(guò) 對(duì)PLA 沙 障 障 格 內(nèi) 凹 曲 面形態(tài)和土壤蝕積特征進(jìn)行定量描述，旨在揭示不同規(guī)格PLA 沙障障格內(nèi)的蝕積規(guī)律，為今后PLA 沙障規(guī)格設(shè)置提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善左旗吉蘭泰鎮(zhèn)北部5 km處的自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，地處烏蘭布和沙漠西南緣。該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，氣溫年、日差較大，極端最低氣溫－31.2 ℃，極端最高氣溫40.9℃，年均氣溫8.6℃；干旱少雨，蒸發(fā)量大，年均降水109.9 mm，年均蒸發(fā)量3 005.2 mm；風(fēng)力強(qiáng)勁，沙源物質(zhì)豐富，冬季盛行西北風(fēng)，夏季盛行西南風(fēng)和東北風(fēng)，風(fēng)力平均4～5 級(jí)，平均風(fēng)速3.6 m／s，最大瞬時(shí)風(fēng)速24 m／s，年均揚(yáng)沙日數(shù)82.5 d，年均風(fēng)沙流頻率112.9次。在風(fēng)力長(zhǎng)期作用下，鹽湖北部形成大量西北—東南走向、長(zhǎng)度數(shù)百米的巨大沙壟。土壤種類主要為灰漠土、風(fēng)沙土和鹽漬土，間有鹽化草甸土出現(xiàn)。植物資源貧乏，結(jié)構(gòu)單一，以梭梭（Hɑloxylonɑmmodendron）、白刺（Nitrɑriɑtɑngutorum）、阿拉善沙拐棗（Cɑlligonumɑlɑschɑnicum）和沙米（Agriophyllum squɑrrosum）等荒漠植被為主。

1.2 研究?jī)?nèi)容與方法

1.2.1 樣地布設(shè) 在試驗(yàn)區(qū)選取西北—東南走向的的沙壟，沙壟長(zhǎng)250 m，寬30 m，沙壟兩側(cè)不對(duì)稱，西北坡坡度12°～13°，東北坡坡度25°～26°。沙壟頂部平坦寬闊，寬度大于15 m。在沙壟西北坡，沿坡底向沙壟頂部鋪設(shè)PLA 沙障，沙障內(nèi)填充風(fēng)積沙后就地鋪設(shè)于沙表面，障體呈筒狀，障高約10 cm，自南向北沙障規(guī)格依次為0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，1.5 m×1.5 m 和2 m×2 m，每種規(guī)格區(qū)面積約為200 m2，間隔20 m。

1.2.2 凹曲面形態(tài)測(cè)量 為避免地形干擾，選擇沙壟頂部平坦處的障格為研究對(duì)象，每種規(guī)格選取10個(gè)障格作為重復(fù)。在風(fēng)季前對(duì)障格內(nèi)進(jìn)行人為整平，風(fēng)季結(jié)束后對(duì)凹曲面采用懸測(cè)法進(jìn)行測(cè)量［16］。沿方格對(duì)角線和平行邊中點(diǎn)連線布設(shè)測(cè)線（方格的4條對(duì)稱軸），4條測(cè)線呈“米”型，將障格劃分為8 個(gè)方位區(qū)。沿測(cè)線兩頭拉直皮尺，而后用激光測(cè)距儀沿皮尺每隔5 cm 測(cè)量皮尺到沙面的距離，同時(shí)記錄測(cè)點(diǎn)到起點(diǎn)（點(diǎn)NW，N，NE 和E）的相對(duì)距離，記為X。并在每個(gè)方位區(qū)內(nèi)選擇5～10個(gè)點(diǎn)測(cè)量皮尺到沙面的距離，以補(bǔ)充測(cè)線間的空白區(qū)域。

凹曲面與原沙面相對(duì)高差計(jì)算公式。

式中：Y——凹曲面與原始沙面相對(duì)高差（cm）；H——沙障障高（cm）；h——皮尺到凹曲面的距離（cm）；Y＞0表示堆積，Y＜0表示風(fēng)蝕。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 利用Surfer 8.0的空間插值和三維空間分析功能，分別繪制障格內(nèi)凹曲面形態(tài)圖和計(jì)算障格內(nèi)沙粒蝕積體積。采用Origin 2017擬合障格內(nèi)蝕積深度曲線在不同方位變化規(guī)律。通過(guò)適用范圍和插值的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)12種空間插值方法進(jìn)行篩選驗(yàn)證，篩選出6種空間插值方法（克里格法、徑向基函數(shù)法、自然臨點(diǎn)法、最近臨點(diǎn)法、局部多項(xiàng)式法和帶線性插值的三角剖分法）進(jìn)行交叉驗(yàn)證，確定最優(yōu)空間插值方法，評(píng)價(jià)指標(biāo)如下［28］：

（1）殘差計(jì)算公式。

式中：Zres——?dú)埐钪?；Zdat——障格內(nèi)蝕 積深度；Zgrd——該點(diǎn)模擬值。

（2）平均估計(jì)誤差百分比計(jì)算公式。

式中：Z*i（Xk）——位置Xk處隨機(jī)變量Zi估計(jì)值；Zi（Xk）——位 置Xk處 的 樣 點(diǎn) 值；ˉZi——樣 點(diǎn) 平均值。

（3）相對(duì)均方差計(jì)算公式。

式中：s2——樣點(diǎn)方差。

（4）均方根 預(yù)測(cè)誤差計(jì)算公式。

分析每種方法的平均殘差、均方根預(yù)測(cè)誤差、相對(duì)誤差和誤差百分比進(jìn)行篩選，篩選依據(jù)為計(jì)算值越小，效果越好，最終確定最優(yōu)空間插值方法，通過(guò)計(jì)算分析本文選擇克里格方法進(jìn)行空間插值。

蝕積參數(shù)常用指標(biāo)包括蝕積系數(shù)、堆積強(qiáng)度、侵蝕強(qiáng)度和凈堆積強(qiáng)度等［15］。其中凹曲面深度、障格邊長(zhǎng)和障格表面積為實(shí)測(cè)值，蝕積量是通過(guò)Surfer 8.0求得障格內(nèi)蝕積體積后與沙粒密度乘積求得。計(jì)算公式如下：

①蝕積系數(shù)。

式中：ɑ——蝕積系數(shù)；H——凹曲面中心深度（cm）；L——為障格邊長(zhǎng)（cm）。

②蝕積／堆積強(qiáng)度。

式中：Q——風(fēng)蝕強(qiáng)度或堆積強(qiáng)度（g／cm2）；M——風(fēng)蝕量或堆積量（g）；S——障格規(guī)格表面積（cm2）。

③凈堆積強(qiáng)度。

式中：Q凈——凈堆積強(qiáng)度（g／cm2）；Q堆積——堆積強(qiáng)度（g／cm2）；Q侵蝕——侵蝕強(qiáng)度（g／cm2）。

④PLA 沙障障格內(nèi)不同方位輪廓斷面擬合方程。

式中：Y——充分蝕積后凹曲面與原始沙面的相對(duì)高差（cm）；X——不同方位線上所取測(cè)量點(diǎn)距測(cè)量起點(diǎn)的投影距離（cm）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同規(guī)格障格蝕積凹曲面特征

沙障障格內(nèi)凹曲面形態(tài)是對(duì)地表蝕積狀況最直觀的反映，也是衡量沙障效果的重要指標(biāo)。當(dāng)風(fēng)沙流通過(guò)沙障時(shí)，沙障影響流場(chǎng)和近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，從而改變了地表的蝕積狀況。沙障規(guī)格的差異導(dǎo)致蝕積程度不同（見圖1）。在經(jīng)歷一個(gè)風(fēng)季后，對(duì)障格凹曲面進(jìn)行測(cè)量，不同規(guī)格障格內(nèi)蝕積差異明顯，但整體均呈中間低四周高，凹曲面中心深度隨著沙障規(guī)格的增大而加深，最深風(fēng)蝕深度可達(dá)13 cm。障格四周為風(fēng)沙流阻滯區(qū)，呈堆積狀態(tài)，堆積平均高度為6.29 cm。

由表1可知，隨著沙障規(guī)格的增大，障格內(nèi)中心平均風(fēng)蝕深度從6.70 cm 增加到23.00 cm。4種規(guī)格沙障蝕積系數(shù)均在1／8～1／10之間，即障格內(nèi)風(fēng)蝕深度達(dá)到障格邊長(zhǎng)的1／8～1／10，屬于格狀沙障邊長(zhǎng)與風(fēng)蝕深度穩(wěn)定比例［13］。在同一個(gè)障格內(nèi)的不同區(qū)域，風(fēng)蝕和堆積同時(shí)存在，風(fēng)蝕強(qiáng)度隨著障格規(guī)格的增大呈增大趨勢(shì)，堆積強(qiáng)度與之相反。在障格穩(wěn)定凹曲面形成前，其內(nèi)部不同部位呈現(xiàn)蝕積動(dòng)態(tài)過(guò)程。通過(guò)對(duì)比凹曲面形成前障格內(nèi)的凈堆積強(qiáng)度（以原沙面為基準(zhǔn)），可知PLA 障格內(nèi)在凹曲面形成過(guò)程中，0.5 m×0.5 m和1 m×1 m障格內(nèi)沙物質(zhì)堆積量大于風(fēng)蝕量，凈堆積強(qiáng)度分別為17.29 g／cm2和7.09 g／cm2，障格內(nèi)大量積沙；1.5 m×1.5 m 障格內(nèi)堆積量與風(fēng)蝕量接近，凈堆積強(qiáng)度為0.61 g／cm2，障格內(nèi)積沙量較少；而2 m×2 m 障格內(nèi)風(fēng)蝕量大于堆積量，凈堆積強(qiáng)度為－8.2 g／cm2，障格內(nèi)沙物質(zhì)被風(fēng)蝕。

圖1 不同規(guī)格PLA沙障蝕積凹曲面擬合特征

表1 不同規(guī)格PLA沙障障格內(nèi)蝕積特征

2.2 障格內(nèi)不同方位蝕積剖面特征

圖2為不同規(guī)格PLA 沙障障格內(nèi)不同方位蝕積深度變化。4種規(guī)格PLA 沙障內(nèi)NW-SE 和NE-SW兩個(gè)方向中心深度較其他兩個(gè)方位更深，風(fēng)蝕量更大，這與研究區(qū)風(fēng)季主害風(fēng)方向?yàn)镹W-SE和NE-SW相符合［14，25］。在凹曲面形成過(guò)程中（以原沙面為基準(zhǔn)），PLA 沙障障格內(nèi)4 條方位線上蝕積情況不同。0.5 m×0.5 m 障格內(nèi)，4個(gè)方向上斷面最低點(diǎn)均在原沙面以上，說(shuō)明此規(guī)格障格內(nèi)主要發(fā)生堆積；1 m×1 m障格內(nèi)E-W 和N-S方向斷面最低點(diǎn)在原沙面以上，NW-SE和NE-SW 方向斷面有部分在原沙面以下，說(shuō)明該規(guī)格沙障內(nèi)仍以堆積為主；1.5 m×1.5 m障格內(nèi)除N-S方向，其他3個(gè)方向上斷面均有部分在原沙面以下，障格內(nèi)堆積與風(fēng)蝕并存；2 m×2 m 障格內(nèi)，4個(gè)方向上斷面大部分在原沙面以下，障格內(nèi)以風(fēng)蝕為主。

圖2 障格內(nèi)不同方位蝕積深度狀況

對(duì)4種規(guī)格沙障障格內(nèi)不同方向斷面輪廓線進(jìn)行函數(shù)擬合，可為沙障凹曲面形態(tài)提供簡(jiǎn)明的描述方法，擬合結(jié)果如表2所示。

表2 障格內(nèi)不同方向斷面輪廓線擬合

由表2可知4種規(guī)格PLA 沙障障格內(nèi)4個(gè)方位垂直剖面輪廓曲線均符合二項(xiàng)式函數(shù)。擬合系數(shù)均在0.8以上，擬合度較高，說(shuō)明障格內(nèi)形成的凹曲面較為光滑，障格內(nèi)溝壑坑洼等較少。表2中方程中二次項(xiàng)系數(shù)和一次向系數(shù)分別為ɑ 和b，ɑ 為垂直剖面輪廓曲線開口大小，系數(shù)a的值在0.000 8～0.005 2范圍內(nèi)變化，其數(shù)值隨障格規(guī)格的增大逐漸減小，在不同方向上其數(shù)值由大到小依次為：E-W 和S-N＞NE-SW 和NW-SE。－b／2a代表擬合曲線中心在方位線上的位置。經(jīng)計(jì)算，0.5 m×0.5 m 障格內(nèi)4條擬合曲線中點(diǎn)均在障格中心處附近，因此凹曲面中心基本與方格中心重合；1 m×1 m 障格內(nèi)，凹曲面中心較方格中心向SE 方向偏離；1.5 m×1.5 m 障格內(nèi)，凹曲面中心較方格中心向SE方向偏離；2 m×2 m 障格內(nèi)，凹曲面中心較方格中心向S方向偏離。

3 討論

風(fēng)沙流經(jīng)過(guò)沙障后，由于氣流的渦旋作用，使障格內(nèi)原始沙面充分蝕積后達(dá)到平衡狀態(tài)，即形成穩(wěn)定的凹曲面。一般認(rèn)為，格狀沙障滿足蝕積系數(shù)在1／10～1／8之間才能在障格內(nèi)形成穩(wěn)定的凹曲面，且這種比例關(guān)系是穩(wěn)定的，不會(huì)隨意增大或減?。?4，29］。本研究計(jì)算的蝕積系數(shù)均在上述研究結(jié)果范圍內(nèi)，表明0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，1.5 m×1.5 m 和2 m×2 m規(guī)格的PLA 沙障內(nèi)已形成穩(wěn)定的凹曲面。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著PLA 沙障規(guī)格的增大，障格內(nèi)凹曲面中心風(fēng)蝕深度和風(fēng)蝕強(qiáng)度也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，與張登山等［16］研究結(jié)果一致，其中各指標(biāo)數(shù)值大小有所差異，其原因可能是由于風(fēng)力條件、沙物質(zhì)屬性、沙障材料不同等原因所致。

沙障障格內(nèi)凹曲面的形成主要受控于地表氣流運(yùn)行速度、方向及地形等因素。障格內(nèi)不同部位風(fēng)蝕和堆積的分布還受到障體的作用，一般而言，障格中心距離障體最遠(yuǎn)，風(fēng)力較強(qiáng)，易被侵蝕；而障格四周由于障體對(duì)氣流的擾動(dòng)，使流體以湍流形式運(yùn)動(dòng)，流速降低，促進(jìn)沙粒沉降，多形成堆積現(xiàn)象。障格內(nèi)蝕積分布的不同最終使其內(nèi)部形成四周高、中央低的凹曲面［14，17，23］。研究區(qū)內(nèi)PLA 方格沙障凹曲面的形成過(guò)程主要受控于當(dāng)?shù)仫L(fēng)向風(fēng)速條件，在不同風(fēng)向作用下，障格內(nèi)4條斷面輪廓曲線均符合二項(xiàng)式函數(shù)，障格內(nèi)所形成的凹曲面較為光滑。且本文得出障格內(nèi)N-S方向曲線開口均較小，W-E方向輪廓曲線開口較大，這主要是受控于沙壟走向和研究區(qū)主害風(fēng)方向，對(duì)N-S方向侵蝕較為嚴(yán)重，研究結(jié)果與袁立敏［24］等人研究結(jié)果一致。

根據(jù)凹曲面內(nèi)蝕積體積變化，0.5 m×0.5 m 和1 m×1 m障格內(nèi)以沙粒堆積為主，攔截風(fēng)沙流效率較高，可有效控制地表風(fēng)蝕。1.5 m×1.5 m 障格內(nèi)風(fēng)蝕強(qiáng)度與堆積強(qiáng)度差值較小，障內(nèi)大致保持蝕積平衡。2 m×2 m 障格內(nèi)風(fēng)蝕強(qiáng)度大于其他3種規(guī)格，但根據(jù)同一研究區(qū)沙壟上鋪設(shè)8 a后的PLA 沙障來(lái)看［26］，2 m×2 m PLA 障格在鋪設(shè)8 a后仍可維持原有形狀（圖3），表明2 m×2 m 規(guī)格PLA 沙障內(nèi)剛鋪設(shè)后雖會(huì)發(fā)生風(fēng)蝕，但在形成穩(wěn)定的凹曲面后，沙面將不再繼續(xù)向下風(fēng)蝕，可長(zhǎng)期發(fā)揮其固沙功能。

圖3 PLA沙障鋪設(shè)8 a后效果（2016，丁延龍）

在實(shí)際使用過(guò)程中，沙障鋪設(shè)成本是必須考慮的因素，較小規(guī)格的沙障防護(hù)效益好，但其鋪設(shè)成本亦十分高昂［9］，因此在進(jìn)行沙障施工設(shè)計(jì)時(shí)，要因地制宜，在風(fēng)沙流活動(dòng)強(qiáng)烈或需要重點(diǎn)隔離保護(hù)的區(qū)域，適用小規(guī)格沙障；在風(fēng)沙活動(dòng)較弱、防護(hù)需求不強(qiáng)的地區(qū)，適用較大規(guī)格的沙障。同時(shí)，對(duì)于某一地區(qū)設(shè)置什么規(guī)格沙障較好，還需根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)向、地形起伏等特點(diǎn)合理配置，才能使沙障的綜合防護(hù)效果發(fā)揮到最佳。

4 結(jié)論

（1）PLA 沙障障格內(nèi)蝕積形態(tài)均呈四周高中間低的整體格局，隨沙障規(guī)格的增大，凹曲面中心風(fēng)蝕深度越深，最深可達(dá)13 cm。障格四周呈堆積狀態(tài)，堆積平均高度6.29 cm。障格內(nèi)凹曲面深度約為障格邊長(zhǎng)的1／10～1／8，均形成了穩(wěn)定的凹曲面。PLA沙障障格內(nèi)斷面輪廓線基本符合二項(xiàng)式模型，平行主害風(fēng)向的斷面輪廓線深度較大，風(fēng)蝕強(qiáng)度較高。

（2）0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，1.5 m×1.5 m 和2 m×2 m 這4種規(guī)格PLA 沙障障格內(nèi)的凈堆積強(qiáng)度分別為17.29，7.09，0.61，8.2 g／cm2。在障格內(nèi)穩(wěn)定的凹曲面形成過(guò)程中，0.5 m×0.5 m 和1 m×1 m障格內(nèi)呈積沙狀態(tài)，攔截風(fēng)沙流效率高；1.5 m×1.5 m 障格內(nèi)沙物質(zhì)呈近乎積蝕平衡狀態(tài)；2 m×2 m 障格內(nèi)沙物質(zhì)布設(shè)初期有所風(fēng)蝕，但之后可形成穩(wěn)定的凹曲面，仍有控制地表風(fēng)蝕的作用。