不同類型沙障的適用性研究

丁亞龍

（甘肅省格賽克機械化防沙治沙有限公司，甘肅 武威 733000）

我國是世界上沙漠化面積大、分布廣、危害重的國家之一，風(fēng)沙問題嚴重影響我國北方的生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展。我國針對沙漠化及其防治問題進行了大量研究，開展了三北防護林、退耕還林、京津風(fēng)沙源治理等重大生態(tài)工程建設(shè)，取得了舉世矚目的成就。但是，北方風(fēng)沙區(qū)沙化土地綜合治理仍然存在許多問題。

武威市生態(tài)地位突出，在全國生態(tài)格局中，其處于青藏高原生態(tài)屏障和北方防沙帶的中心地帶，南部是祁連山水源涵養(yǎng)區(qū)，北部有騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠，干旱缺水、沙多林少，生態(tài)環(huán)境脆弱，武威市是全國荒漠化最為嚴重的地區(qū)之一。現(xiàn)階段，我國沙漠化治理工程的實施主要依靠人力，機械化固沙技術(shù)較為缺乏。治沙工作環(huán)境惡劣，現(xiàn)場人工實施難度較大，生產(chǎn)穩(wěn)定性差，標準化程度不高，很難滿足我國防沙治沙的需求。因此，本文重點研究了不同類型沙障的防風(fēng)固沙效果，篩選出幾種適用于機械化作業(yè)的沙障，為后續(xù)開展機械化研究提供理論基礎(chǔ)。

1 沙障研究現(xiàn)狀

如今，荒漠化防治是全球生態(tài)修復(fù)研究熱點，包括中國在內(nèi)的多個國家都制定了或正在制定防治荒漠化國家行動方案，各國的情況不同，防治對策也不同。荒漠化防治方法繁多，主要包括機械措施、化學(xué)措施、生物措施以及綜合措施。其中，機械措施和化學(xué)措施一般被統(tǒng)稱為工程措施。工程措施是指通過固、阻、疏、導(dǎo)等方式在沙面上設(shè)置沙障或覆蓋沙面，以減輕或消除風(fēng)沙危害，目前，常用方式有設(shè)置沙障、引水拉沙、設(shè)置擋風(fēng)墻、瀝青固沙、設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板等。

作為一項被多國采用且已經(jīng)使用多年的防沙治沙措施，沙障主要采用無污染、可降解的環(huán)保材料。風(fēng)沙流動區(qū)可沿主風(fēng)向垂直方向設(shè)置沙障，達到降低近地表層風(fēng)速、阻擋風(fēng)沙流動、減少水分流失的目的，從而為沙生植物提供適宜的生長環(huán)境。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，越來越多的新型機械設(shè)備應(yīng)用于治沙領(lǐng)域，如多功能立體固沙機、草方格治沙機、履帶式行走治沙機等。然而總體來看，由于地形地貌和特殊環(huán)境因素的限制，機械化治沙目前尚處于萌芽階段，機械化治沙設(shè)備品種較為單一，普及程度不足，這就需要選擇一種或幾種適宜防風(fēng)固沙的沙障材料，促進機械化治沙設(shè)備的發(fā)展。

2 研究內(nèi)容

近年來，越來越多的材料涌現(xiàn)在荒漠化防治領(lǐng)域，如稻草簾、黏土、麥草、蘆葦秸稈和新型合成高分子材料等。本研究主要以稻草簾、抗老化編織袋、尼龍網(wǎng)、黏土、玉米秸稈、麥草和蘆葦秸稈等為原料，在武威市沙漠化區(qū)域鋪設(shè)多種沙障，綜合分析沙障阻沙效果，篩選出幾種能夠應(yīng)用于機械化作業(yè)且防風(fēng)固沙效果較好的沙障，以推廣應(yīng)用機械化治沙技術(shù)及裝備，為我國土地沙化綜合治理添磚加瓦。

2.1 不同類型沙障的鋪設(shè)

在研究區(qū)選擇7 種沙障（稻草簾、抗老化編織袋、尼龍網(wǎng)、黏土、玉米秸稈、麥草和蘆葦秸稈），各自鋪設(shè)667 m，建立防風(fēng)固沙試驗區(qū)。

2.2 不同類型沙障防風(fēng)固沙能力監(jiān)測指標的建立

在不同類型的沙障樣地內(nèi)，建立多種監(jiān)測指標，如風(fēng)速、粗糙度、輸沙量和蝕積狀況等。

2.3 對不同類型沙障進行分析、評價及優(yōu)選

本研究對監(jiān)測指標進行綜合分析，確定不同類型沙障的防風(fēng)固沙效果，評價不同類型沙障的適用性。一是對監(jiān)測指標進行分析，計算各類型沙障地表粗糙度、輸沙量以及沙障內(nèi)蝕積狀況。二是根據(jù)監(jiān)測指標及計算結(jié)果，對不同類型沙障的防風(fēng)固沙效果進行適用性研究，篩選出3 種最適宜機械化作業(yè)的沙障。

3 研究方法

3.1 風(fēng)速測定

本研究采用HYCG-09 超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器對風(fēng)速進行測定，其由傳感器、數(shù)據(jù)采集終端、電源系統(tǒng)、野外防護箱和支架等組成。風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、空氣濕度等傳感器為專用傳感器，具有高精度和高可靠性。本研究觀測點布設(shè)在距沙障迎風(fēng)坡3.5 m 處，通過測定不同高度（0.2 m 和1.0 m）的相對風(fēng)速來反映風(fēng)速在沙障內(nèi)的變化。

3.2 粗糙度測定

由于下墊面起伏不平或者地表障礙物的影響，在風(fēng)速廓線上，風(fēng)速為零的位置不在高度等于零的地表，而在離地表某一高度的位置，這一高度被稱為地表粗糙度。它能夠反映不同下墊面的固有性質(zhì)，也是評價防風(fēng)固沙效果的一個重要指標，本研究采用式（1）計算粗糙度。

式中：為地表粗糙度，cm；、分別為高度、處的風(fēng)速，m/s。

3.3 輸沙量測定

輸沙量是衡量一個地區(qū)風(fēng)沙強度的重要指標，也是評價風(fēng)沙危害程度的一個重要標準。在同一個沙丘面選取7 個地形、植被密度及植被蓋度基本相似的樣地，分別鋪設(shè)7 種（稻草簾、抗老化編織袋、尼龍網(wǎng)、黏土、玉米秸稈、麥草和蘆葦秸稈）規(guī)格為 2 m×2 m、高度為15 ～20 cm 的沙障各667 m，在不同類型沙障內(nèi)布設(shè)10 孔（孔徑2 cm）、通道間距60 mm 的階梯式集沙儀進行輸沙量觀測，計算單寬輸沙率。計算公式如下：

式中：為單寬輸沙率，g/（cm·min）；為集沙質(zhì)量，g；Δ為觀察時間，min。

3.4 蝕積狀況觀測

對不同類型沙障不同時期的蝕積狀況進行觀測，記錄風(fēng)速、風(fēng)向影響下不同時期的變化情況，進而通過比較得出不同類型沙障的蝕積狀況。

4 結(jié)果與分析

不同類型沙障鋪設(shè)后，露出地面的沙障都對風(fēng)沙有阻擋作用，且不同類型沙障的防風(fēng)固沙效果不同。

4.1 不同類型沙障的風(fēng)速

風(fēng)速的降幅可以反映風(fēng)速在垂直方向的變化。變化幅度越大，風(fēng)速波動越大，沙障對近地面風(fēng)速的影響越明顯。由表1 可以看出，不同類型沙障風(fēng)速在垂直方向上都發(fā)生了變化，其降幅排序為：稻草簾＞麥草＞黏土＞蘆葦秸稈＞玉米秸稈＞抗老化編織袋＞尼龍網(wǎng)。

表1 不同類型沙障風(fēng)速降幅

4.2 不同類型沙障的地表粗糙度

本防風(fēng)固沙試驗是野外試驗，相同風(fēng)速很難控制，為了使得試驗結(jié)果準確，試驗初期，將不同類型沙障鋪設(shè)在地貌類型、地表植被相似的同一沙丘的迎風(fēng)面，使得不同類型沙障在迎風(fēng)面的風(fēng)速盡可能一樣。由圖1 可以看出，不同類型沙障地表粗糙度的排序為：稻草簾＞麥草＞黏土＞蘆葦秸稈＞玉米秸稈＞抗老化編織袋＞尼龍網(wǎng)。

圖1 不同類型沙障的地表粗糙度

4.3 不同類型沙障的輸沙率

風(fēng)速越大，輸沙率越大。在同等地貌地形條件下，不同類型沙障的輸沙率測定結(jié)果如圖2 所示。尼龍網(wǎng)、抗老化編織袋、玉米秸稈、蘆葦秸稈的輸沙率遠大于黏土、麥草和稻草簾，具體排序為：尼龍網(wǎng)＞抗老化編織袋＞玉米秸稈＞蘆葦秸稈＞黏土＞麥草＞稻草簾。

圖2 不同類型沙障的輸沙率

4.4 不同類型沙障的蝕積狀況

不同類型沙障在不同時期的蝕積狀況如圖3、圖4 所示。稻草簾沙障鋪設(shè)1年后，表層會出現(xiàn)一層薄的沙結(jié)皮，在封禁保護后，會形成有利于植被生長的環(huán)境，植被蓋度為68%，只有沙障外圍0 ～4 m 產(chǎn)生較弱沙障蝕積現(xiàn)象，且沙障底部沒有被風(fēng)沙掏蝕。抗老化編織袋沙障鋪設(shè)1年后，表層會形成一層較薄的沙結(jié)皮，在迎風(fēng)面0 ～6 m 會產(chǎn)生較強的風(fēng)沙蝕積，沙障底部會被風(fēng)沙掏蝕。

圖3 新鋪設(shè)不同類型的沙障

尼龍網(wǎng)沙障鋪設(shè)6 個月后，由于風(fēng)吹日曬，其極易老化，不利于阻擋風(fēng)沙。黏土沙障鋪設(shè)后，表層易快速形成一層沙土結(jié)皮，這層結(jié)皮強度較其他結(jié)皮高，孔隙小，不易于后期植被的生長，觀測1年，只有一些沙生蘆葦在鋪設(shè)初期生長，沒有新的植被產(chǎn)生。由于自身結(jié)構(gòu)的限制，玉米秸稈沙障鋪設(shè)初期，秸稈間會產(chǎn)生一定間隙，當風(fēng)沙吹過玉米秸稈沙障時，部分沙粒會從間隙流過，不利于沙結(jié)皮的快速形成。麥草沙障裸露在沙丘表層的部分強度不高，其高度很難達到要求，即15 ～20 cm，故在沙障迎風(fēng)面0 ～12 m 都會有明顯的沙丘移動，隨著距離迎風(fēng)面越來越遠，沙丘蝕積狀況減弱。

蘆葦秸稈沙障在布設(shè)形式上與玉米秸稈沙障有相似之處，但又有其自身特點，蘆葦秸稈材質(zhì)較硬，可以布設(shè)在同一高度，較其他沙障高5 ～10 cm，可以將大部分風(fēng)沙阻擋在迎風(fēng)面12 m 范圍之內(nèi)。

圖4 鋪設(shè)1年后不同類型的沙障

5 結(jié)論

本文通過防風(fēng)固沙試驗，對比分析了不同類型沙障的風(fēng)速、地表粗糙度、輸沙率和蝕積狀況。風(fēng)速在垂直方向的降幅排序為：稻草簾＞麥草＞黏土＞蘆葦秸稈＞玉米秸稈＞抗老化編織袋＞尼龍網(wǎng)。不同類型沙障地表粗糙度的排序為：稻草簾＞麥草＞黏土＞蘆葦秸稈＞玉米秸稈＞抗老化編織袋＞尼龍網(wǎng)。輸沙率的排序為：尼龍網(wǎng)＞抗老化編織袋＞玉米秸稈＞蘆葦秸稈＞黏土＞麥草＞稻草簾。風(fēng)速越大，輸沙率越大。輸沙率與表面粗糙度成反比。黏土沙障具有快速形成沙土結(jié)皮、擋風(fēng)效果好、增加地表粗糙度等優(yōu)點，但是其表層形成的沙土結(jié)皮較為堅硬，致使沙丘水分不易滲入地底，造成大量的水分流失，不利于后期植被恢復(fù)。從后期大面積推廣和防風(fēng)固沙效果來看，最適用于機械化作業(yè)的沙障材料為稻草簾、麥草和蘆葦秸稈。