烏蘭布和沙漠流動沙丘紗網沙障防風效能研究

閆德仁, 袁立敏, 黃海廣, 胡小龍, 楊制國

(內蒙古自治區林業科學研究院, 呼和浩特 010010)

烏蘭布和沙漠是在第四紀黃河洪積物、沖積物上覆蓋的風成沙丘，位于內蒙古狼山和巴音烏拉山東側、黃河西側，沙丘密集、植被稀少、風沙危害嚴重。其中，沿黃河內蒙古段西側有約50 km的密集流動沙丘通過風沙流或沙丘坍塌等方式直接侵入黃河河道，致使沿黃河段泥沙含量顯著增加[1]。早在20世紀50年代，在烏蘭布和沙漠就開展群眾造林治沙活動，并在沙漠邊緣營造長176 km、寬300～500 m的我國第一條大型防沙林帶，有效地阻止了烏蘭布和沙漠東侵，確保了包蘭鐵路暢通。特別是1978年中國實施“三北”防護林建設工程以來，草方格沙障固沙、黏土沙障固沙、高壓水打孔造林、冬貯大苗造林、梭梭造林固沙、飛播造林固沙、封沙育林等技術在烏蘭布和沙漠綜合治理得到了廣泛應用，并取得明顯成效，森林覆蓋率由0.3%提高到13.76%。而直壓立式紗網沙障固沙造林技術是內蒙古林業科學研究院科技人員結合沙障研究成果以及生物措施綜合治理流動沙地而設計的一種新型沙障(ZL201520624846.2)。該沙障材質輕、運輸方便，野外鋪設施工簡單、速度快、沙障使用壽命長。如果采用“直壓立式帶狀網膜沙障鋪設機”(授權專利ZL201621133757.9)進行機械化鋪設作業，能夠明顯提高該沙障鋪設效率。紗網沙障先后在科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地、渾善達克沙地、烏蘭布和沙漠等進行技術示范，取得了明顯的植被恢復效果[2-3]。為更廣泛地推廣示范這種紗網沙障技術，在烏蘭布和沙漠選擇典型流動沙丘測定直壓立式紗網沙障防風效果，其目的是為選擇適宜規格的紗網沙障進行流動沙地治理提供依據，并大幅度降低紗網沙障設置成本，便于生產應用。

1 研究區概況

研究區位于黃河烏蘭布和沙漠段劉拐子沙頭，地理坐標為40°09′58.75″N，106°50′28.38″E。本區屬中溫帶大陸性干旱氣候區，是由半干旱區向干旱區的過渡帶地帶。年平均氣溫8.0 ℃，多年主風向為西風、西北風。年平均風速2.8 m/s，年平均大風10～32 d，年平均揚沙75～79 d，沙塵暴日數19～22 d。年平均降水量142.7 mm，年平均蒸發量2 397.6 mm，地下水埋深2～3 m。研究地土壤類型為流動風沙土。流動沙丘高度5～10 m，流動沙丘密度0.8～0.9。天然植被覆蓋度小于5%，常見植物有人工栽種的梭梭(Haloxylonammodendron)、花棒(Hedysarumscoparium)以及天然植物種蘆葦(Phragmitesaustralis)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)和沙鞭(Psammochloavillosa)等。

2 材料與方法

2.1 直壓立式紗網沙障鋪設

紗網沙障材料為抗老化白色聚乙烯(PE)紗網環保材料。紗網網孔尺寸約20目，透風率40%～50%。紗網寬60 cm。PE材料使用壽命10 a以上，適宜在交通不便的流動沙地鋪設。

按照流動沙丘坡向、坡位相近原則，在迎風坡中下部鋪設直壓立式紗網沙障。沙障規格分別為帶寬2，4，6 m帶狀沙障，以及2 m×2 m，4 m×4 m，6 m×6 m網格沙障(圖1)。直壓立式紗網沙障鋪設時，按照沙障間距劃線，將網片平鋪在線上，然后用圓頭鐵鍬或專用鋪設機械沿平鋪網片中線部位下壓，連續兩次下壓之間不留空隙，每次下壓深度15～20 cm，使網片兩端向上翹起形成直立皺褶，外露地表高度10～15 cm。

2.2 風速測定

在2019年4月4日的1次大風事件中，在不同規格直壓立式紗網沙障的中心部位各安置1臺HOBO風速風向儀，同時在沒有設置沙障的對照沙丘同樣安置風速風向儀1臺。風速傳感器高度分別為10，30，200 cm。風速傳感器記錄時間為1次/s。風速測定期間(8：00—20：00)，200 cm高處的日平均風速5.42 m/s，主要風向為西北風。本研究僅選擇10，30 cm高度處風速傳感器記錄的30 s時間段風速平均值為分析數據，進行不同規格沙障、不同高度風速變化的對比分析。

圖1 設置紗網沙障

2.3 數據處理

采用Excel 2003表格進行數據處理。同時，用相對風速、粗糙度和防風效能等指標，評價直壓立式紗網沙障地面以上10，30 cm高度的防風效果。

相對風速能夠對沙障防風能力變化進行定量分析。其計算方法如下[4]：

u=(uz/uz0)×100%

(1)

式中:u為相對風速(%);uz為沙障內測定點Z高度處的風速(m/s);uz0為曠野對照流動沙丘測定點Z高度處的風速(m/s)。

粗糙度是指平均風速等于0的高度。粗糙度是衡量治沙防護效益的最重要指標之一。其計算方法如下[5]：

lgZ0=(lgZ2-AlgZ1)/(1-A)

(2)

式中:Z0為粗糙度(cm);Z1為平均風速V1處的高度(cm);Z2為平均風速V2處的高度(cm)；A為風速比,通常A=V2/V1，Z1=10 cm,Z2=200 cm。

防風效能是指設置沙障后削弱近地表風速能力的大小。通常用來評價沙障防護效益一個較直觀的指標。其計算方法如下[6]：

Eh=(Vh0-Vh)/Vh0×100%

(3)

式中:Eh為沙障內測定點高度h處的防風效能;Vh0為曠野對照流動沙丘測定點h高度處的風速(m/s);Vh為沙障內測定點h高度處的風速(m/s)。

3 結果與分析

3.1 紗網沙障地表粗糙度變化特征

地表粗糙度體現了地面結構的特征，地面越粗糙，摩擦阻力就越大，相應地風速的零點高度就越高，這樣避免地表風蝕不起沙的作用就越大。因此，粗糙度不僅是衡量地表性質的尺度，更是衡量治沙技術措施防護效益的最重要指標之一。從圖2可以看出，在不同風速條件下，2 m×2 m網格紗網沙障地表粗糙度最大，并隨著風速增加而呈現出逐漸降低的變化特征，且表現出明顯的線性變化(Y=-0.6408X+7.3263，R2=0.8809)規律。同時，其他規格的紗網沙障則沒有類似的變化特征。說明，在一定的環境條件下，設置特定規格的沙障，其地表粗糙度和風速變化具有一定的關聯性。

如果從近地表粗糙度及平均風速變化特征判斷，平均風速從4.24 m/s增加到10.06 m/s時，2 m×2 m網格紗網沙障的平均粗糙度為4.76 cm。而2 m帶狀沙障為1.77 cm，4 m×4 m網格、4 m帶狀、6 m×6 m網格和6 m帶狀紗網沙障的平均粗糙度分布為0.74，0.85，0.04，0.06 cm。表明隨著紗網沙障設置規格的增大，其近地表粗糙度降低。其中，在流動沙丘設置2 m×2 m網格或帶狀紗網沙障具有良好的防風效果，其次是設置4 m帶狀或4 m×4 m網格紗網沙障也具有一定的防風效果，而設置6 m帶狀或6 m×6 m網格紗網沙障幾乎沒有發揮降低風速的作用。通常，在曠野流動沙丘平均粗糙度約為0.024 cm[7]。

圖2 紗網沙障近地表粗糙度變化

此外，從圖3還可以看出風速比值變化特征。盡管風速不同，但對照區風速比值幾乎沒有變化，其平均為1.18，其變化范圍為1.12～1.21。而2 m×2 m網格紗網沙障的風速比值變化范圍在3.33～8.23，其平均值為5.46；2 m帶狀沙障風速比值變化范圍為2.44～3.09，其平均值為2.74；而4 m×4 m網格、4 m帶狀、6 m×6 m網格和6 m帶狀紗網沙障的平均風速比值分別為2.15，2.20，1.56，1.50。同樣反映出2 m×2 m網格沙障表現出較好的防風效果。因為同近地表粗糙度指標一樣，200 cm和10 cm高度的風速比越大，其降低風速效果也越明顯，也就越有利于減少風對流動沙丘地表的直接吹蝕作用，其隔絕風蝕不起沙的作用也就越大。

圖3 紗網沙障風速比值的變化

3.2 紗網沙障相對風速變化特征

相對風速反映了沙障防風能力變化的特征，相對風速越低，沙障防風效能則越高，或者說設置沙障對降低風蝕危害的效果越好。從圖4可以看出，不同風速條件下，隨著風速或設置紗網沙障網格的加大，10 cm高度處相對風速值呈現出增加的趨勢。例如，平均風速從4.24 m/s增加到10.06 m/s時，2 m帶狀紗網沙障相對風速平均值為43.18%；2 m×2 m網狀紗網沙障相對風速平均值為23.89%，4 m帶狀或4 m×4 m網狀紗網沙障相對風速平均值分別為54.59%，53.11%，而6 m帶狀或6 m×6 m網狀紗網沙障相對風速平均值高達78.99%，75.48%。說明不同風速、不同規格的紗網沙障對相對風速變化的影響程度存在差異，或者說2 m×2 m網狀、4 m帶狀或4 m×4 m網狀紗網沙障對相對風速變化影響的波動性更大一些，相應的對近地表風沙流擾動也較大。

另外，從30 cm高處相對風速變化(圖5)看，不同風速、不同規格的紗網沙障對相對風速變化影響程度明顯降低(圖4)，表明設置這種紗網沙障主要是降低近地表30 cm以下高度的風速。例如，平均風速從4.24 m/s增加到10.06 m/s時，2 m帶狀或2 m×2 m網狀紗網沙障相對風速平均值分別為72.26%，74.93%，4 m帶狀或4 m×4 m網狀紗網沙障相對風速平均值分別為79.90%，78.69%，6 m帶狀或6 m×6 m網狀紗網沙障相對風速平均值高達90.34%，83.23%。因此，可以根據10 cm高度處相對風速變化值量化評估紗網沙障的防風效果。

圖4 紗網沙障10 cm高處相對風速變化

圖5 紗網沙障30 cm高處相對風速變化

3.3 紗網沙障防風效能變化

防風效能是指設置沙障后削弱近地表風速能力的較直觀指標。通常，防風效能數值越高，其削弱近地表風速能力也越強。從圖6同樣可以看出，在相同風速下，隨著紗網沙障規格的增加，其防風效能逐漸降低，且隨著風速增加，不同規格紗網沙障防風效能變化總體呈現出降低的趨勢。例如，2 m×2 m網狀紗網沙障平均防風效能為76.11%，2 m帶狀紗網沙障平均防風效能為56.82%；4 m帶狀或4 m×4 m網狀紗網沙障平均防風效能分別為45.41%，44.89%，而6 m帶狀或6 m×6 m網狀紗網沙障平均防風效能分別為21.63%，25.52%，說明紗網沙障設置規格是影響其防風效能的重要因素。

圖6 紗網沙障10 cm高處防風效能變化

4 討 論

烏蘭布和沙漠沿黃河段以高大密集的流動沙丘為主，因風蝕或黃河水對河岸流動沙丘的侵蝕，每年都有大量泥沙通過風沙流或沙丘坍塌的形式進入黃河河道。羅鳳敏等[8]研究表明，烏蘭布和沙漠東北緣沙物質的輸移方向主要東南偏東方向，其輸沙率為35.11 kg/(m·d)，且春季輸沙率最高。杜鶴強等[9]測定結果表明，石嘴山—巴彥高勒段年均入黃風沙量高達9.31×106t/a，建立完善黃河沿岸風沙防護體系是解決黃河泥沙淤積問題的主要途徑。而設置沙障是治理流動沙地最有效的技術措施。但是，近些年來由于稻草沙障材料因采用機械化收割作業，材料質量明顯下降，鋪設草方格沙障的固沙效果受到直接影響，所以選擇新型PE紗網材料進行固沙實踐具有現實意義。

由于直壓立式紗網沙障也具有隨風運動而進行前后擺動的特性，同樣兼有疏透通風功能，對近地表風速擾動作用加強。所以，本研究結果表明在流動沙丘設置不同規格紗網沙障對近地表風速的減弱作用明顯。張克存等[10]對不同孔隙度的尼龍網沙障進行了風洞模擬研究，表明孔隙不同不僅對沙物質顆粒的穿透能力有影響，而且對通過尼龍網沙障的氣流具有顯著的紊動作用，最終影響沙障的防護效益。高天笑等[11]研究了不透風羽翼沙障對消弱風速的影響，由于羽翼沙障翼片隨風擺動，其防風效果明顯增加。袁立敏等[12]研究表明不同埋深沙袋沙障對過境風沙的攔截能力與裸露狀態的差異，表明淺埋或深埋的沙障其攔截能力顯著降低。

關于沙障設置規格對近地表風速變化的影響，韓致文等[13]認為，采用HDPE紗網材料，設置方格型沙障后，隨著沙障高度的增加，其降低風速的效果也相對隨著提高；而沙障設置高度相同時，網格越小其防風效應也相對越顯著，且愈接近地面，沙障削弱風速的作用越明顯。何志輝等[6]研究表明，尼龍紗網不同大小的孔隙分布密度和降低風速效果密切，且孔隙分布均勻的紗網能夠更好地發揮其防風阻沙作用。本研究表明，紗網沙障設置規格是影響其防風效能的重要因素，且主要是降低近地表30 cm以下高度的風速，其中降低近地表10 cm以下高度風速的效果更好。李錦榮等[14]認為沙障規格對風速影響不顯著，而沙障高度則顯著影響風速的變化。杜鶴強等[15]測定結果表明，烏蘭布和沙漠流動沙丘不同部位10 cm高度范圍內，其輸沙量占90%以上，這和本研究紗網沙障顯著降低近地表10 cm以下高度風速，減少風沙危害的結論是一致的。

5 結 論

在不同風速條件下，2 m×2 m網格紗網沙障地表粗糙度隨著風速增加而呈現出線性降低的規律，而其他規格的紗網沙障則沒有類似的變化特征。而在不同風速條件下，盡管不同規格的紗網沙障對相對風速變化的影響程度存在差異，但主要是降低近地表30 cm以下高度的風速變化。隨著風速增加，不同規格紗網沙障防風效能變化總體呈現出降低的趨勢。

在流動沙丘設置2 m，4 m帶狀或2 m×2 m，4 m×4 m網格狀紗網沙障能夠有效降低風速效能，并提高近地表粗糙度，而6 m帶狀或6 m×6 m網格狀紗網沙障降低風速效能相對較低。因此，在生產中不建議使用6 m帶狀或6 m×6 m網格狀紗網沙障。