通天河七渡口风沙环境特征及沙害防治

通天河七渡口位于长江上游楚玛尔河和通天河交汇处，属于长江的水源涵养区和补给区，近年来该地区草场在风力侵蚀作用下出现沙漠化趋势。为控制沙化草地的进一步蔓延，我们在通天河七渡口进行了风沙环境观测，并开展了机械和植物固沙试验。结果表明：通天河七渡口年平均风速为1.95 m·s^-1，最大风速20.63 m·s^-1，主起沙风向为偏西风（包括W、WSW、WNW），次起沙风向为东北风（包括NNE、NE），年输沙势为93.06 VU，年合成输沙方向为107.54°，年总输沙量为3 007.30 g·cm^-1。经过两年的机械和植物固沙试验，沙障内形成了稳定的蚀积凹曲面，使沙层表面得到固定，有效控制了沙丘移动。随着沙障内人工植被的逐渐生长，试验区内地表微环境逐渐得到改善：（1）土壤颗粒变细，沙样粒径组分中粉沙和黏土增多，沙障内未种草地和沙障内人工种草地粉沙和黏土含量分别是流沙地的6.4倍和9.1倍；（2）表土有机质增多，流沙地、沙障内未种草地、沙障内人工种草地表土有机质含量分别为0.91、1.48、2.02 g·kg^-1；（3）沙层表面形成土壤结皮，土壤硬度增强，流沙地、沙障内未种草地、沙障内人工种草地土壤硬度分别为0.52、1.25、2.12 kPa。     

HDPE蜂巢式固沙障研制与防沙效应实验研究

 采用先进的HDPE新材料制成蜂巢式固沙障来替代传统的草方格。研究发现:HDPE蜂巢式固沙障可以增大下垫面的粗糙度,明显降低了地表底层风速,进而减弱输沙强度,使流沙表面得以稳定。在格状沙障内,由于气流的涡旋作用,使原始沙面充分蚀积,最后达到平衡状态,形成稳定的凹曲面。下凹的深度(h)与凹面玄长(S)的比值为13.6/100~13.2/100,这种下凹的深度(h)与凹面玄长(S)的比值与传统有效的草方格（草方格为13.3/100）防沙效应相当,其二者流场特性也相同。这种稳定的凹曲面,对不饱和风沙流具一种升力效应,形成沙物质的非堆积搬运条件,这是格状沙障作用的关键。实验表明,选用孔隙度为40％、高20 cm的HDPE固沙障防沙效果显著。     

库布齐沙漠HDPE网和植物纤维网沙障防沙试验效应

在库布齐沙漠流动沙丘区建立HDPE网和植物纤维网工程沙障试验区,采用MetOne 014A/024A型8通道风速仪、8方位集沙仪、风蚀插钎,观测试验沙障影响下的风速、输沙量和地表侵蚀堆积,对比分析不同规格HDPE网、植物纤维网方格沙障和HDPE网前沿高立式阻沙沙障的防风固沙效应。结果表明：（1）一定孔隙度（50%）的方格沙障中心风速垂直变化幅度与变化规律,仅与沙障平面规格和高度（h）密切相关,与试验材料基本无关。相同平面规格的方格沙障,高度（h）大者降风效应显著;相同高度的方格沙障,小规格降风效应较为显著;（2）试验沙障及其防沙体系对风沙流输沙产生明显影响,相近地貌部位,5.0m×5.0m（h=100cm）植物纤维网方格中心输沙量远小于1.0m×1.0m（h=20cm）HDPE网方格和流动沙丘区,大规格高立式沙障固沙效应优于小规格低立式沙障;（3）试验沙障的地表侵蚀堆积状态仅与沙障规格有关,沙障材料的影响不明显。     

塔里木沙漠公路沿线机械防沙体系效益分析

野外实测和室内风洞实验的数据分析表明,塔里木沙漠公路沿线高立式沙障和半隐蔽式沙障发挥了较大的防沙效益,平沙地上高立式沙障的防护距离在18H左右。3种高立式沙障防沙效益各不相同,以芦苇栅栏最佳,抗紫外线尼龙网栏次之,白尼龙网栏最差。随设置路段、地貌部位、风沙活动强度不同,各种高立式沙障使用年限有差异。沙漠腹地半隐蔽式沙障的掩埋速度为2.0~14.4m·a^-1左右,并随时间推移有一个加速的过程。     

高密度聚乙烯(HDPE)蜂巢式沙障对土壤水分的影响

先以机械沙障固沙、再进行生物固沙，是常见的治沙模式。近年来传统材料沙障与新型材料沙障的固沙效果差异一直引人关注。用中子水分仪分别测定流沙、高密度聚乙烯（HDPE）蜂巢式沙障和半隐蔽草方格沙障内的土壤含水量，通过对比流沙和两种机械沙障铺设下的土壤含水量、土壤蓄水量对降雨的响应关系以及在植物不同生长时期下的不同土层土壤含水量变化，评价其固沙效果。结果表明：（1）两种机械沙障对土壤水分都有较好的蓄积效果，且HDPE蜂巢式沙障蓄水量高于草方格沙障（P < 0.001）；（2）在较长的干旱时间里，草方格沙障的土壤蓄水量变化比新型HDPE蜂巢式沙障滞后；（3） HDPE蜂巢式沙障和草方格沙障都有较好的保水效果，但HDPE蜂巢式沙障因高度持久的优势，保水效果更高；（4） HDPE蜂巢式沙障60~110 cm土层的土壤含水量明显高于草方格沙障土壤含水量且固沙时间越长效果越明显，从铺设中期开始HDPE蜂巢式沙障60~110 cm土层土壤含水量为7%的情况连续出现，有时部分土层会出现土壤含水量在8%以上的情况；（5） HDPE蜂巢式沙障对植物个体生长的间接作用比草方格沙障大。     

乌鲁木齐市城区和郊区近地层风速廓线

利用乌鲁木齐市5座100 m气象塔10层风速观测资料,分析了乌鲁木齐市城区和郊区近地层风速季节变化和日变化特征。结果表明：（1）乌鲁木齐市风速最大值出现在14：00-16：00,最小值多在夜间或上午。冬季风速最小、夏季最大;冬季风速始终处于较为稳定、有微小波动的低值区;夏季风速表现出一定的变化趋势。（2）夏季风速在一年里波动最大,随地势降低波动减小,南郊最大（1.5~6.4 m·s^-1）,北郊最小（1.3~4.6 m·s^-1）;秋季和春季风速波动次之;冬季风速波动最小,南郊最大（1.3~4.6 m·s^-1）,北郊最小（0.7~2 m·s^-1）。（3）近地层100 m内城区和北郊风速随高度变化较小,冬季基本为1~2 m·s^-1,而南郊风速随高度增加变化幅度最大,从1 m·s^-1增加到4 m·s^-1以上;愈近地面,城区与郊区风速相差愈大,近地面城区平均风速明显低于郊区,春季、夏季、秋季和冬季分别低5%~32%、8%~30%、15%~37%、14%~48%。（4）近地层风速廓线在近中性层结时一般符合对数风速廓线模式,对数律显著性不强的时段主要在正午前后。     

复膜沙袋阻沙体与芦苇高立式方格沙障防沙机理风洞模拟实验

模型按1:10比例尺设计,在u_∞=7.0 m·s^-1、u_∞=10.0 m·s^-1和u_∞=15.0 m·s^-1实验风速下,先在纯气流作用下测定流场结构,然后在风沙流作用下测定蚀积状况。实验结果表明:紧密型、疏透型和通风型3种不同结构的复膜沙袋阻沙体前近处分布有拐角阻滞绕流区、阻沙体顶下方抬升加速区、阻沙体后回流区、阻沙体后贴地层低速回流区等流场特征结构,紧密型、疏透型两种类型复膜沙袋阻沙体防风阻沙效果显著;2.5 m×2.5 m、5 m×5 m和10 m×10 m的高立式芦苇方格前沿流速逐渐增大,最大值出现于迎风第一格上空,而后逐渐阻滞减速,至15~20 m处趋于稳定,区内积沙均匀。复膜沙袋阻沙体与原状芦苇高立式方格沙障适宜于流动性沙漠地区各种设施的沙害防治工程。     

直压立式纱网沙障对近地表输沙量及风速的影响

评价直压立式纱网沙障对流动沙地的固沙效果是其应用的前提。采用阶梯式集沙仪和HOBO风速仪野外测定了纱网沙障的输沙量及风速变化。结果表明:与对照相比,设置纱网沙障后,0~10 cm或0~20 cm高度范围内,带宽2、3、4、5 m带状沙障输沙量分别降低91.4%或89.7%、97.0%或96.4%、98.1%或96.7%、85.9%或84.2%;而2 m×2 m、3 m×3 m、 4 m×4 m、5 m×5 m网格沙障输沙量分别降低92.1%或91.2%、70.4%或65.6%、65.3%或65.2%、39.9%或30.0%。与对照相比,10、30、50 cm高度,带宽2、3、4 m带状沙障平均降低风速分别为26.7%、17.3%、11.8%,2 m×2 m、3 m×3 m、4 m×4 m、5 m×5 m网格沙障平均降低风速分别为55.3%、30.4%、23.0%。综合考虑,设置带宽3~4 m带状或网格纱网沙障能够满足工程固沙减少风沙危害的需求。     

青藏铁路沿线不同类型挡沙墙阻沙率

基于风洞试验对青藏铁路沿线不同类型防沙措施防沙效果进行模拟研究，探讨了不同类型挡沙墙的防沙效果。结果表明：挂板式、轨枕式和箱式挡沙墙输沙率随高度基本呈递增缓变型趋势，最大输沙率低于20%；铃铛式和高立式聚乙烯（PE）网挡沙墙随高度呈递减陡降型趋势，距地表6~8 cm处为转折点，转折点以上输沙率随高度增大急剧减小，转折点以下输沙率随高度变化较为平缓，最大输沙率低于50%。随着风速的增大，各挡沙墙的阻沙率呈递减趋势：挂板式和轨枕式挡沙墙对风速的敏感性最弱，整体阻沙效果较优，可大范围推广；箱式挡沙墙对风速的敏感性较弱，建议在风速18 m·s^-1以下的地区使用；PE网挡沙墙防沙效果对风速的敏感性最强，建议在风速10 m·s^-1以下的地区使用。     

低覆盖度羽翼袋沙障防风积沙效应的风洞试验

羽翼袋沙障是按照底袋固定流沙和袋上的羽翼片在风中波动削弱风速而设计出来的组合沙障，已获得专利授权。本试验针对羽翼袋沙障，在4种风速条件下，模拟了风速流场和阻沙固沙效果。结果表明：（1）与袋状沙障（对照）相比，羽翼袋沙障防风效果平均增加了48%，且风速越大降低风速效果越明显，说明羽翼片的波动能够显著消弱风速。（2）与对照相比，羽翼袋沙障的输沙量分别降低81.44%（翼高10 cm）、88.92%（翼高20 cm）。（3）同样是直径10 cm的袋，翼高20 cm的羽翼袋沙障风蚀量比翼高10 cm的降低风速13.6%，减少风蚀量19%。羽翼袋沙障具备固沙与削弱风速的作用，显著提高沙障的防风固沙效果，为防沙治沙开拓了新途径。     

半干旱区沙地高速公路防风固沙林营造技术及其效益研究

榆靖高速公路穿越毛乌素沙地腹地,风沙对公路的危害十分严重,主要表现为风沙对路面和路基边坡的风蚀和沙埋。提出了榆靖高速公路两侧防风固沙林综合防护体系,从公路路基向外依次为平整固沙绿化带,上、下风侧带宽都为20 m;草方格沙障与植物固沙带,上风侧带宽为260～330 m,下风侧带宽为100～150 m;前沿阻沙带,设置1～1.2 m高的高立式栅栏,走向与主风方向垂直;封沙育林育草保护带,上风侧带宽为300～500 m,下风侧带宽为200～300 m。4个防护带融为一体,起到了降低风速,固定流沙的作用,发挥出强大的防风固沙效益,极大地减少了风沙对公路的危害,保证公路畅通无阻,安全运营。     

不同扰动方式对沙砾质戈壁地表风蚀量的影响

通过野外风洞实验,测定了不同破坏方式、破坏面积和风速下的沙砾质戈壁风蚀量。结果表明：不同破坏方式引起的风蚀量不同,扰动强度越大造成的风蚀量越多;相同扰动方式下连续破坏造成的风蚀量稍高于间隔破坏。风蚀总量随破坏面积的增大而增加,且服从指数函数。风速为8～10 m·s^-1时,扰动的戈壁地表以轻微侵蚀为主;10～12 m·s^-1 是风蚀量增幅最大阶段;当风速大于 12 m·s^-1时,以强烈风蚀为主。风沙流中沙物质的主体是细沙和极细沙,在20 cm高度范围内,自风沙流下层至上层细沙含量比较稳定,极细沙含量逐渐降低,中沙含量逐渐上升。     

Field determination for roughness length above the different non-erodible surfaces

Non-erodible elements, for its disturbance to the near-surface airflow, have been widely used in arid and semi-arid regions to protect the surface from wind erosion. Roughness length was usually used to evaluate the protection effect of non-erodible elements from wind erosion. In this study, the wind profiles above five types of non-erodible surfaces including gravel, wheat straw checkerboard barriers, cotton stem checkerboard barriers, shrubs, and herbs were measured and analyzed. The wind velocities above these surfaces increased with height approximately in logarithmic functions. The roughness length of different non-erodible surfaces was calculated by the functions of wind profiles. The results reveal that:(1) Roughness length increased with wind velocity in given wind velocity ranges. (2) On vegetative surfaces, wind did not effectively bend the stems. The threshold wind velocity for bending the stems of Achnatherum splendens was 4 m/s, 10 m/s for Agropyron cristatum, and for Artemisia ordosica, no obvious bending of stems even for wind velocity reaching 12 m/s. (3) Correlation analysis results show that the vegetation''s coverage and frontal area affect the roughness length more significantly than the other parameters. (4) The protective results of these non-erodible elements were evaluated. The checkerboard sand barriers made of cotton stem could provide more effective protection than that made of wheat straw. In the same coverage conditions, vegetation could provide more effective protection from wind erosion than gravel, and the blending of different non-erodible elements especially the combination of blending of vegeation and checkerboard sand barriers could provide more effective protection to the surface.     

化学固沙材料研究进展及展望

作为三大治沙措施之一,化学固沙措施能够使流沙表面迅速地形成防风蚀的固沙层,受到广泛的关注。无机类化学固沙材料、有机类化学固沙材料及有机-无机复合类化学固沙材料等三大类化学固沙材料为化学固沙措施提供宽阔的发展空间,但各自也存在着缺点和不足。因此,研究和开发具有耐水蚀、耐冻融、耐风蚀及抗紫外线辐射性能、对环境没有污染及对植物无副作用、成本低廉的固沙材料是今后化学固沙材料的发展方向。     

毛乌素沙地光伏电站项目区风速流场及风蚀防治措施

针对毛乌素沙地光伏电站项目,观测项目区的风速、风速廓线及风速流场特征,探讨有效的风蚀防治措施及其合理布局。结果表明:(1)太阳能板的存在使项目区风速流场的空间分布发生了明显变化,显著增加了板间近地面出风口处的风速,降低了板间远地面进风口处的风速,太阳能板间呈现出明显的掏蚀区和堆积区。(2)与项目区外围相比,太阳能板使20 cm及200 cm高度的风速分别降低了44.06%及63.68%。项目区外围及太阳能板正中间风速随高度的增加均呈上升趋势,而且太阳能板间60 cm高度以下风速增加更明显,不利于地表沙土的固定。(3)项目区外围麦草方格沙障、砾石压盖及红泥覆盖均起到一定的固沙作用,其中,以砾石压盖措施的固沙效果最优。(4)太阳能板间,除麦草方格沙障外,其余各措施均能起到固沙作用,其中以掏蚀区+砾石/堆积区+红泥覆盖的组合措施的固沙效果最优。     

高立式阻沙网的阻沙效果对比

设计了高120cm的4种结构HDPE阻沙网：均匀结构阻沙网（a）、大条带上疏下密式阻沙网（b,60cm宽条带）、小条带疏密相间式阻沙网（c,20或10cm宽条带）和中条带上密下疏式阻沙网（d,40cm宽条带）,布设在塔克拉玛干沙漠腹地的垄间平地。阻沙试验结果表明：（1）4种结构阻沙网积沙纵断面的蚀积形态均呈单峰,但积沙宽度和高度不同,3种非均匀结构的阻沙网积沙高度均高于均匀结构阻沙网,积沙高度c> b> d> a。（2）4种结构阻沙网积沙量c> a> b> d,积沙量均集中在下风侧分布,但b和c阻沙网积沙在上风侧的积沙量高于a和d阻沙网。（3）不同结构阻沙网积沙量及其空间分布差异主要与阻沙网结构的特殊风场结构有关。