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

（1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特，010018；2.內蒙古杭錦荒漠生態系統國家定位觀測研究站，內蒙古 鄂爾多斯，017400）

風沙災害是中國北方地區面臨的最嚴重的生態威脅之一［1-2］，對農田、工礦區、交通線路和居民點等造成嚴重影響，并制約區域社會經濟可持續發展，亟待采取措施進行治理［3-4］。在沙丘活動較強、水資源匱乏的地區，機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60年代，許多專家就對方格狀沙障進行了深入研究［11］，并且取得了豐碩的成果。目前，方格狀沙障仍是許多學者研究的對象［12-13］。方格沙障能否起到防風固沙的作用，其穩定的凹曲面形成是關鍵［14］。

風沙流通過沙障時，在障格內部會形成短軸與沙障高度接近，長軸為障高5～6倍的橢圓形渦流［15］，在渦流的作用下，障格內原始沙面經過充分蝕積后會達到平衡狀態，即形成穩定的凹曲面。屈建軍等［14］認為格狀沙障蝕積系數滿足1／10～1／8之間才能形成穩定的凹曲面。張登山等［16］通過對青海湖6種規格草方格沙障蝕積效應進行評定，得出凹曲面侵蝕強度與沙障規格大小呈正相關。周娜等［17］對草方格內部氣流場進行模擬，得出氣流在草方格障體前受阻滯減速，穿過草方格時，受狹管效應，在障格內形成加速區，對障格中心沙面風蝕，形成障格內中間低四周高的凹曲面。一般通過凹曲面形態、蝕積系數和蝕積強度來表征凹曲面特征，反映過境風沙流通過沙障時障格內部地表起伏變化，是衡量沙障防風固沙效果的重要手段，常作為沙障規格選取的重要依據［14-16］。

方格沙障規格參數的選取還需要考慮沙障材料的防護壽命，如傳統麥草沙障地上部分在風打沙割及日光照射下老化較快，同時在鋪設時一部分需埋入沙面以下，地下部分也易腐爛，導致其使用年限減少。沙漠地區秸稈、黏土、礫石等傳統沙障材料資源匱乏，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，將沙物質裝入沙袋中鋪設于地表，既可有效控制地表風沙活動，且在沙障鋪設5 a后性能仍較為穩定［19］，其可完全分解為二氧化碳和水［18］，對沙區環境不會產生二次污染，是一種應用前景極廣闊的防風固沙材料。目前對此沙障材料特性［19］、防風固沙效益［20-24］、對土壤物理性質影響［25-26］和對沙區植被恢復的作用［18，27］等方面均有相關研究。障格內蝕積特征作為障格間距確定的依據具有重要 意義［14，16］，本文 通 過 對PLA 沙 障 障 格 內 凹 曲 面形態和土壤蝕積特征進行定量描述，旨在揭示不同規格PLA 沙障障格內的蝕積規律，為今后PLA 沙障規格設置提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古阿拉善左旗吉蘭泰鎮北部5 km處的自然保護區內，地處烏蘭布和沙漠西南緣。該地區屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，冬季嚴寒，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，蒸發量大，年均降水109.9 mm，年均蒸發量3 005.2 mm；風力強勁，沙源物質豐富，冬季盛行西北風，夏季盛行西南風和東北風，風力平均4～5 級，平均風速3.6 m／s，最大瞬時風速24 m／s，年均揚沙日數82.5 d，年均風沙流頻率112.9次。在風力長期作用下，鹽湖北部形成大量西北—東南走向、長度數百米的巨大沙壟。土壤種類主要為灰漠土、風沙土和鹽漬土，間有鹽化草甸土出現。植物資源貧乏，結構單一，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 研究內容與方法

1.2.1 樣地布設 在試驗區選取西北—東南走向的的沙壟，沙壟長250 m，寬30 m，沙壟兩側不對稱，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PLA 沙障，沙障內填充風積沙后就地鋪設于沙表面，障體呈筒狀，障高約10 cm，自南向北沙障規格依次為0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，1.5 m×1.5 m 和2 m×2 m，每種規格區面積約為200 m2，間隔20 m。

1.2.2 凹曲面形態測量 為避免地形干擾，選擇沙壟頂部平坦處的障格為研究對象，每種規格選取10個障格作為重復。在風季前對障格內進行人為整平，風季結束后對凹曲面采用懸測法進行測量［16］。沿方格對角線和平行邊中點連線布設測線（方格的4條對稱軸），4條測線呈“米”型，將障格劃分為8 個方位區。沿測線兩頭拉直皮尺，而后用激光測距儀沿皮尺每隔5 cm 測量皮尺到沙面的距離，同時記錄測點到起點（點NW，N，NE 和E）的相對距離，記為X。并在每個方位區內選擇5～10個點測量皮尺到沙面的距離，以補充測線間的空白區域。

凹曲面與原沙面相對高差計算公式。

式中：Y——凹曲面與原始沙面相對高差（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表示風蝕。

1.2.3 數據處理 利用Surfer 8.0的空間插值和三維空間分析功能，分別繪制障格內凹曲面形態圖和計算障格內沙粒蝕積體積。采用Origin 2017擬合障格內蝕積深度曲線在不同方位變化規律。通過適用范圍和插值的優缺點對12種空間插值方法進行篩選驗證，篩選出6種空間插值方法（克里格法、徑向基函數法、自然臨點法、最近臨點法、局部多項式法和帶線性插值的三角剖分法）進行交叉驗證，確定最優空間插值方法，評價指標如下［28］：

（1）殘差計算公式。

式中：Zres——殘差值；Zdat——障格內蝕 積深度；Zgrd——該點模擬值。

（2）平均估計誤差百分比計算公式。

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

（3）相對均方差計算公式。

式中：s2——樣點方差。

（4）均方根 預測誤差計算公式。

分析每種方法的平均殘差、均方根預測誤差、相對誤差和誤差百分比進行篩選，篩選依據為計算值越小，效果越好，最終確定最優空間插值方法，通過計算分析本文選擇克里格方法進行空間插值。

蝕積參數常用指標包括蝕積系數、堆積強度、侵蝕強度和凈堆積強度等［15］。其中凹曲面深度、障格邊長和障格表面積為實測值，蝕積量是通過Surfer 8.0求得障格內蝕積體積后與沙粒密度乘積求得。計算公式如下：

①蝕積系數。

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

②蝕積／堆積強度。

式中：Q——風蝕強度或堆積強度（g／cm2）；M——風蝕量或堆積量（g）；S——障格規格表面積（cm2）。

③凈堆積強度。

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

④PLA 沙障障格內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高差（cm）；X——不同方位線上所取測量點距測量起點的投影距離（cm）。

2 結果與分析

2.1 不同規格障格蝕積凹曲面特征

沙障障格內凹曲面形態是對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。當風沙流通過沙障時，沙障影響流場和近地表風沙流結構，從而改變了地表的蝕積狀況。沙障規格的差異導致蝕積程度不同（見圖1）。在經歷一個風季后，對障格凹曲面進行測量，不同規格障格內蝕積差異明顯，但整體均呈中間低四周高，凹曲面中心深度隨著沙障規格的增大而加深，最深風蝕深度可達13 cm。障格四周為風沙流阻滯區，呈堆積狀態，堆積平均高度為6.29 cm。

由表1可知，隨著沙障規格的增大，障格內中心平均風蝕深度從6.70 cm 增加到23.00 cm。4種規格沙障蝕積系數均在1／8～1／10之間，即障格內風蝕深度達到障格邊長的1／8～1／10，屬于格狀沙障邊長與風蝕深度穩定比例［13］。在同一個障格內的不同區域，風蝕和堆積同時存在，風蝕強度隨著障格規格的增大呈增大趨勢，堆積強度與之相反。在障格穩定凹曲面形成前，其內部不同部位呈現蝕積動態過程。通過對比凹曲面形成前障格內的凈堆積強度（以原沙面為基準），可知PLA 障格內在凹曲面形成過程中，0.5 m×0.5 m和1 m×1 m障格內沙物質堆積量大于風蝕量，凈堆積強度分別為17.29 g／cm2和7.09 g／cm2，障格內大量積沙；1.5 m×1.5 m 障格內堆積量與風蝕量接近，凈堆積強度為0.61 g／cm2，障格內積沙量較少；而2 m×2 m 障格內風蝕量大于堆積量，凈堆積強度為－8.2 g／cm2，障格內沙物質被風蝕。

圖1 不同規格PLA沙障蝕積凹曲面擬合特征

表1 不同規格PLA沙障障格內蝕積特征

2.2 障格內不同方位蝕積剖面特征

圖2為不同規格PLA 沙障障格內不同方位蝕積深度變化。4種規格PLA 沙障內NW-SE 和NE-SW兩個方向中心深度較其他兩個方位更深，風蝕量更大，這與研究區風季主害風方向為NW-SE和NE-SW相符合［14，25］。在凹曲面形成過程中（以原沙面為基準），PLA 沙障障格內4 條方位線上蝕積情況不同。0.5 m×0.5 m 障格內，4個方向上斷面最低點均在原沙面以上，說明此規格障格內主要發生堆積；1 m×1 m障格內E-W 和N-S方向斷面最低點在原沙面以上，NW-SE和NE-SW 方向斷面有部分在原沙面以下，說明該規格沙障內仍以堆積為主；1.5 m×1.5 m障格內除N-S方向，其他3個方向上斷面均有部分在原沙面以下，障格內堆積與風蝕并存；2 m×2 m 障格內，4個方向上斷面大部分在原沙面以下，障格內以風蝕為主。

圖2 障格內不同方位蝕積深度狀況

對4種規格沙障障格內不同方向斷面輪廓線進行函數擬合，可為沙障凹曲面形態提供簡明的描述方法，擬合結果如表2所示。

表2 障格內不同方向斷面輪廓線擬合

由表2可知4種規格PLA 沙障障格內4個方位垂直剖面輪廓曲線均符合二項式函數。擬合系數均在0.8以上，擬合度較高，說明障格內形成的凹曲面較為光滑，障格內溝壑坑洼等較少。表2中方程中二次項系數和一次向系數分別為ɑ 和b，ɑ 為垂直剖面輪廓曲線開口大小，系數a的值在0.000 8～0.005 2范圍內變化，其數值隨障格規格的增大逐漸減小，在不同方向上其數值由大到小依次為：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。經計算，0.5 m×0.5 m 障格內4條擬合曲線中點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，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，凹曲面中心較方格中心向SE方向偏離；2 m×2 m 障格內，凹曲面中心較方格中心向S方向偏離。

3 討論

風沙流經過沙障后，由于氣流的渦旋作用，使障格內原始沙面充分蝕積后達到平衡狀態，即形成穩定的凹曲面。一般認為，格狀沙障滿足蝕積系數在1／10～1／8之間才能在障格內形成穩定的凹曲面，且這種比例關系是穩定的，不會隨意增大或減小［14，29］。本研究計算的蝕積系數均在上述研究結果范圍內，表明0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，1.5 m×1.5 m 和2 m×2 m規格的PLA 沙障內已形成穩定的凹曲面。本研究發現，隨著PLA 沙障規格的增大，障格內凹曲面中心風蝕深度和風蝕強度也呈現增大趨勢，與張登山等［16］研究結果一致，其中各指標數值大小有所差異，其原因可能是由于風力條件、沙物質屬性、沙障材料不同等原因所致。

沙障障格內凹曲面的形成主要受控于地表氣流運行速度、方向及地形等因素。障格內不同部位風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，風力較強，易被侵蝕；而障格四周由于障體對氣流的擾動，使流體以湍流形式運動，流速降低，促進沙粒沉降，多形成堆積現象。障格內蝕積分布的不同最終使其內部形成四周高、中央低的凹曲面［14，17，23］。研究區內PLA 方格沙障凹曲面的形成過程主要受控于當地風向風速條件，在不同風向作用下，障格內4條斷面輪廓曲線均符合二項式函數，障格內所形成的凹曲面較為光滑。且本文得出障格內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主害風方向，對N-S方向侵蝕較為嚴重，研究結果與袁立敏［24］等人研究結果一致。

根據凹曲面內蝕積體積變化，0.5 m×0.5 m 和1 m×1 m障格內以沙粒堆積為主，攔截風沙流效率較高，可有效控制地表風蝕。1.5 m×1.5 m 障格內風蝕強度與堆積強度差值較小，障內大致保持蝕積平衡。2 m×2 m 障格內風蝕強度大于其他3種規格，但根據同一研究區沙壟上鋪設8 a后的PLA 沙障來看［26］，2 m×2 m PLA 障格在鋪設8 a后仍可維持原有形狀（圖3），表明2 m×2 m 規格PLA 沙障內剛鋪設后雖會發生風蝕，但在形成穩定的凹曲面后，沙面將不再繼續向下風蝕，可長期發揮其固沙功能。

圖3 PLA沙障鋪設8 a后效果（2016，丁延龍）

在實際使用過程中，沙障鋪設成本是必須考慮的因素，較小規格的沙障防護效益好，但其鋪設成本亦十分高昂［9］，因此在進行沙障施工設計時，要因地制宜，在風沙流活動強烈或需要重點隔離保護的區域，適用小規格沙障；在風沙活動較弱、防護需求不強的地區，適用較大規格的沙障。同時，對于某一地區設置什么規格沙障較好，還需根據當地風向、地形起伏等特點合理配置，才能使沙障的綜合防護效果發揮到最佳。

4 結論

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

（2）0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，1.5 m×1.5 m 和2 m×2 m 這4種規格PLA 沙障障格內的凈堆積強度分別為17.29，7.09，0.61，8.2 g／cm2。在障格內穩定的凹曲面形成過程中，0.5 m×0.5 m 和1 m×1 m障格內呈積沙狀態，攔截風沙流效率高；1.5 m×1.5 m 障格內沙物質呈近乎積蝕平衡狀態；2 m×2 m 障格內沙物質布設初期有所風蝕，但之后可形成穩定的凹曲面，仍有控制地表風蝕的作用。