武威市涼州區(qū)九墩灘機(jī)械化治沙研究

王開銘 達(dá)紅偉 鄭豆豆 戴敏

一、研究背景

武威市地處荒漠、半荒漠地帶，是河西走廊生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，也是生態(tài)脆弱、敏感區(qū)。武威市范圍內(nèi)的騰格里沙漠生態(tài)環(huán)境惡化，是武威市面臨的最為重要的生態(tài)問題。涼州區(qū)九墩灘位于騰格里沙漠的西南緣，其土壤和植被均具荒漠區(qū)特性，研究區(qū)干旱、高溫、少雨，大風(fēng)和沙塵暴是該區(qū)域的主要災(zāi)害性天氣，嚴(yán)重影響了周邊區(qū)域人們的生產(chǎn)、生活條件，制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會發(fā)展。

本論文借助《基于地表植被保護(hù)和恢復(fù)的土地荒漠化沙化治理關(guān)鍵技術(shù)集成及固沙裝備開發(fā)與應(yīng)用》《機(jī)械化在沙漠典型生態(tài)區(qū)生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用探索》等可研項目的研究內(nèi)容，在前期推廣應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，利用現(xiàn)代化的機(jī)械工程手段，將傳統(tǒng)草沙障固沙技術(shù)與現(xiàn)代裝備技術(shù)相結(jié)合，利用固沙裝備將稻草在沙漠表面鋪設(shè)成不同規(guī)格的草沙障，極大地增加了沙漠表面的粗糙度，消減近地風(fēng)力，阻止流沙、半流沙移動，截流雨水，防風(fēng)固沙作用非常明顯，比人工固沙質(zhì)量更高、固沙效果更好。

二、機(jī)械治沙簡介

在當(dāng)今的沙漠治理中，治沙工程可分為工程治沙、化學(xué)固沙和生物治沙等。其中，化學(xué)固沙成本相對較高，要求有特殊的施工機(jī)械，適用范圍有限；工程治沙因其成本低廉、治沙見效快等特點(diǎn)，在實際應(yīng)用中最為普及。根據(jù)治沙工程的作用，將工程治沙分為封閉、固定、阻攔、輸導(dǎo)、改向和消散等6 類，這揭示了工程治沙的原理。機(jī)械化治沙是指利用機(jī)械化手段實現(xiàn)治沙目的的一種方法。本研究所指的機(jī)械治沙是將機(jī)械化治沙與工程治沙相結(jié)合的治沙方式。

（一）沙漠網(wǎng)格鋪設(shè)機(jī)簡介

沙漠網(wǎng)格鋪設(shè)機(jī)：是一種能夠高效、科學(xué)地鋪設(shè)草沙障的固沙設(shè)備（見圖1）。

工作原理：沙漠網(wǎng)格鋪設(shè)機(jī)在鋪設(shè)草沙障的過程中，將鋪設(shè)所需要的稻草放在草料箱內(nèi)，通過橫向輸草機(jī)構(gòu)和縱向輸草機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，將稻草分別運(yùn)送到工作位置，然后橫向壓刀和縱向壓刀開始工作，完成草方格的鋪設(shè)。

圖1 沙漠網(wǎng)格鋪設(shè)機(jī)側(cè)視圖

功能作用：沙漠網(wǎng)格鋪設(shè)機(jī)主要作用是機(jī)械形成草方格固沙，增加沙漠表面的粗糙度，消減風(fēng)力，截流雨水，從而使固沙達(dá)到一定的效果。

（二）機(jī)械治沙優(yōu)勢

1.機(jī)械治沙更具科學(xué)性

機(jī)械治沙利用無人機(jī)信息采集技術(shù)在沙漠地區(qū)采集圖像，通過微機(jī)處理圖像，針對不同地貌、風(fēng)向、風(fēng)速、沙丘大小、沙丘坡度、植被情況、面積大小等環(huán)境特征綜合評測，對不同環(huán)境條件下的沙漠有針對性地制定科學(xué)治理方案。

2.機(jī)械治沙效率更高

傳統(tǒng)人工治沙平均2～3 人一組，每天能鋪設(shè)600多平方米草沙障，在局部范圍內(nèi)雖然能取得一定的成效，但面對“沙進(jìn)人退”的局面無法從整體上得以遏制。而機(jī)械治沙配置3 人每天即可鋪設(shè)草沙障近40000 平方米，固沙效率是人工的50 余倍。

3.機(jī)械治沙效果更好

沙漠網(wǎng)格鋪設(shè)機(jī)可通過液壓及地形感應(yīng)系統(tǒng)隨時調(diào)節(jié)壓草結(jié)構(gòu)保證草沙障壓草深度。通過實地比較，固沙機(jī)械壓制的草沙障更牢固，壓草深度更深，防風(fēng)固沙效果更明顯。同時，配合播種機(jī)以及其他配套設(shè)施，可有效恢復(fù)沙區(qū)植被，促進(jìn)流動沙丘向半固定沙丘、固定沙丘轉(zhuǎn)變，最終形成穩(wěn)定沙地，實現(xiàn)沙區(qū)的生態(tài)修復(fù)。

4.機(jī)械治沙確保固沙成果

利用沙漠網(wǎng)格鋪設(shè)機(jī)將稻草在沙漠表面鋪設(shè)成不同形式的草沙障，增大了沙漠表面的粗糙度，消減近地面風(fēng)力，阻止流沙、半流沙移動，截流雨水，可以起到明顯的防風(fēng)固沙作用。使用稻草簾作為治沙材料，其整體性較好，不易被風(fēng)吹散，可更長效地保持治沙效果。

5.機(jī)械治沙推動生態(tài)建設(shè)

在機(jī)械治沙效果的保障之下，可以在鋪設(shè)草沙障的沙丘上利用生物固沙技術(shù)開展植樹造林，綠化周邊環(huán)境，二者相得益彰，進(jìn)一步構(gòu)筑和完善防沙治沙生態(tài)屏障，加快了生態(tài)文明建設(shè)步伐。

三、技術(shù)方案

（一）研究內(nèi)容及供試材料

本研究利用沙漠網(wǎng)格鋪設(shè)機(jī)在涼州區(qū)九墩灘騰格里沙漠邊緣機(jī)械化鋪設(shè)草方格500 畝，供試草沙障材料為稻草簾。

（二）機(jī)械化草沙障鋪設(shè)方法

1.測量地形條件：通過無人機(jī)測繪，根據(jù)施工地形、面積、坡度、植被蓋度確定草沙障鋪設(shè)規(guī)格（考慮與主風(fēng)向角度）等。

2.工、機(jī)、料準(zhǔn)備：草沙障材料以稻草為主，將散料編制為符合規(guī)格的草簾。

3.規(guī)劃施工路線：根據(jù)地形情況及確定的草沙障方位確定固沙車作業(yè)路線，保證草沙障鋪設(shè)質(zhì)量，草方格沙障施工時應(yīng)先遠(yuǎn)后近、自上而下進(jìn)行鋪設(shè)。

4.邊坡整平：若施工沙區(qū)有明顯影響固沙車作業(yè)的環(huán)境地形，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┢秸硡^(qū)邊坡，保證固沙車能夠正常完成施工作業(yè)。治沙作業(yè)時，還應(yīng)最大限度保護(hù)原有植被。

（三）儀器與設(shè)備

本研究使用的儀器設(shè)備（見表1）。

表1 機(jī)械治沙試驗儀器設(shè)備相關(guān)信息

四、機(jī)械沙障防風(fēng)固沙效果評估

（一）草沙障鋪設(shè)

沙障高度：本研究鋪設(shè)低立式沙障，高度為地上保留10～15 厘米，地下10～15 厘米。

沙障方向：沙障的設(shè)置應(yīng)與主風(fēng)向垂直（見圖2）。

沙障間距：沙障間距與地形坡度及沙障高低關(guān)系極大，除此，還要考慮風(fēng)力強(qiáng)弱。原則上沙障間距L≤h/sinα（L 為帶間距，h 為沙障高度，α 為地形坡度），本研究根據(jù)地形設(shè)置2 米×2 米草方格。

圖2 風(fēng)坡沙障設(shè)置方向示意圖

（二）風(fēng)速測定

利用數(shù)字式風(fēng)速儀測量機(jī)械化鋪設(shè)草沙障后近地表風(fēng)速，每個樣方用“五點(diǎn)法”選取5 個測量點(diǎn)，以不鋪設(shè)草沙障的同一坡度和高度的沙丘為對照，每組重復(fù)5 次。

（三）侵蝕堆積量測定

侵蝕標(biāo)簽總長70 厘米，埋深35 厘米，外露35 厘米，每1 毫米打上標(biāo)志，定期記錄測點(diǎn)的深度r（單位厘米）。3 個調(diào)查點(diǎn)各測量深度值取平均值。各測點(diǎn)的沙面蝕積強(qiáng)度為（h）：

式中：H 為沙障高度，r 為深度。

按照上述步驟依次循環(huán)，每個測量樣方內(nèi)共測量5 個點(diǎn)。為減小誤差，測量在無風(fēng)或風(fēng)力較弱時進(jìn)行（見圖3）。

圖3 侵蝕堆積量測定

五、研究結(jié)果

沙漠網(wǎng)格鋪設(shè)機(jī)鋪設(shè)草沙障時，鋪設(shè)規(guī)格為2米×2 米，其中沙障埋入深度10～15 厘米，沙障外露高度10～15 厘米（見圖4）。風(fēng)速測定結(jié)果顯示，同一坡度、同一高度、同一時間內(nèi)，鋪設(shè)草沙障的近地表平均風(fēng)速為11.44 公里/小時，未鋪設(shè)草沙障的近地表平均風(fēng)速為20.98 公里/小時，相比近地表風(fēng)速降低了9.54 公里/小時。侵蝕堆積量測定結(jié)果表明，經(jīng)過半年時間，機(jī)械鋪設(shè)草沙障內(nèi)測量點(diǎn)侵蝕量從10 厘米變?yōu)?.31 厘米，侵蝕變化量為0.69 厘米，而裸沙測量點(diǎn)侵蝕量從10 厘米變?yōu)?.46 厘米，侵蝕變化量為2.54 厘米，較沙障內(nèi)變化量增多1.85 厘米。結(jié)合比較裸沙與沙障內(nèi)風(fēng)速、侵蝕量變化結(jié)果，說明這種沙漠網(wǎng)格鋪設(shè)機(jī)鋪設(shè)的草沙障能有效減緩近地表風(fēng)沙的移動速度，并控制局部風(fēng)沙的移動范圍，有顯著的防風(fēng)固沙作用（見圖5）。通過機(jī)械固沙、防風(fēng)固沙、封沙育林（草）、造林綠化等措施，原本一片荒蕪的沙漠呈現(xiàn)出一片綠色，這不僅使區(qū)域內(nèi)沙漠化得以遏制，生物多樣性進(jìn)一步豐富，區(qū)域小氣候得到改善，同時使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境逐漸步入良性循環(huán)。

圖4 沙漠網(wǎng)格鋪設(shè)機(jī)鋪設(shè)2 米×2 米草沙障實際效果

圖5 治理效果