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(kù)爾，張 鵬，關(guān)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(cè)總站，新疆 烏魯木齊 830002； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.喀什大學(xué) 新疆帕米爾高原生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 喀什 844000；4.喀什大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院，新疆 喀什 844000)

我國(guó)西北地區(qū)土壤風(fēng)蝕造成的土壤荒漠化、沙化現(xiàn)象嚴(yán)重，干旱半干旱地區(qū)的開發(fā)建設(shè)項(xiàng)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(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。NEUMAN et al.[2]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，分布在表面的粗糙度元素可以顯著減少下墊層細(xì)顆粒沉積物在風(fēng)作用下的攜帶和遷移。防治土地風(fēng)蝕沙化的一個(gè)重要途徑就是研究礫石沙障的防風(fēng)固沙效益并推廣應(yīng)用[3]。在干旱沙區(qū)，礫石早已被作為防風(fēng)固沙的材料[4]，是防治風(fēng)沙災(zāi)害最古老的措施之一[5]。胡春元等[6]對(duì)公路沙害的防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，認(rèn)為高度為30 cm的機(jī)械沙障治沙效果較好。李顯玉等[7]通過對(duì)防沙治沙典型模式的研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械沙障在赤峰市應(yīng)用較多且有良好的固沙作用。高承兵等[8]認(rèn)為，在甘肅民勤縣設(shè)置礫石沙障能有效降低近地表風(fēng)速并減輕風(fēng)蝕。

礫石沙障可對(duì)流沙地表進(jìn)行保護(hù)，削弱近地表風(fēng)速，降低攜沙氣流飽和度，從而減少侵蝕堆積量，增強(qiáng)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(shì)[10]。根據(jù)風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，30 cm高的沙障可以阻擋90%的風(fēng)沙[11]。有關(guān)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(fēng)固沙效果至今仍有待研究。本試驗(yàn)選取年降雨量少、植被稀疏、風(fēng)力大、地貌遭到嚴(yán)重破壞、水土流失以風(fēng)蝕為主的新疆為研究地點(diǎn)，探索低立式礫石沙障的防沙效果，旨在為風(fēng)沙災(zāi)害的防治提供一定的理論支撐。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)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(dá)到年平均降水量的27倍，蒸發(fā)強(qiáng)烈且降雨量小；多年平均最大風(fēng)速為19.7 m/s，風(fēng)力最高可達(dá)12級(jí)，風(fēng)速10 m/s以上的西北風(fēng)集中在5—7月，年平均大風(fēng)日數(shù)23.1 d，年平均風(fēng)速1.9 m/s，全年最大風(fēng)速可達(dá)到31 m/s，起沙風(fēng)速大于5.0 m/s，極易產(chǎn)生風(fēng)蝕。

2 研究方法

2.1 研究方法及對(duì)象

選取具有風(fēng)蝕代表性的棄土場(chǎng)為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)土地進(jìn)行平整化處理后，采用常見的礫石作為沙障材料，確定布設(shè)地主風(fēng)向(西北風(fēng))，垂直于主風(fēng)向布設(shè)長(zhǎng)400 cm、高30 cm的沙障帶。利用入口橫截面為3 cm×3 cm、長(zhǎng)度為10 cm的組合式多通道通風(fēng)集沙儀在沙障主風(fēng)向的下游20、40、80、120 cm處進(jìn)行監(jiān)測(cè)[12]。在沙障外的相同方向，設(shè)置空白對(duì)照組，作為無沙障影響處理。為盡可能地減小地塊長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)蝕量測(cè)量的影響，集沙儀安置點(diǎn)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(fēng)蝕效益計(jì)算公式為

(1)

式中：ES為相比于對(duì)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(duì)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(jié)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(cè)范圍內(nèi)的空間輸沙量。數(shù)據(jù)表明，相比于對(duì)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(duì)0～30 cm高度風(fēng)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(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，使風(fēng)的攜沙量顯著減少。與對(duì)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(duì)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(duì)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(yùn)沙粒的高度，使沙粒被上升氣流裹挾從而使風(fēng)沙流被抬升。這表明沙障的存在使近地層風(fēng)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(duì)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(duì)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(dá)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(shì)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(shí)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(fēng)動(dòng)量[15]，當(dāng)裹挾著沙的風(fēng)穿過礫石沙障時(shí)，會(huì)被分成許多支流，遇到礫石摩擦，阻力增大且改變了風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，使風(fēng)的攜沙能力下降。另一方面，沙障增加了氣流搬運(yùn)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(shì)不明顯，綜合防沙效益均>47%，可見沙障對(duì)風(fēng)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(qiáng)?？刂仆度氤杀尽⒐?jié)省時(shí)間和勞動(dòng)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(jié) 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(duì)照組差異最大，且距離沙障越近與對(duì)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(duì)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(yàn)為沙障的設(shè)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(fēng)蝕效果，可作為試驗(yàn)地防沙布設(shè)措施。關(guān)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(jìn)一步研究。