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。     

半隐蔽格状沙障的综合防护效益观测研究

半隐蔽格状沙障,特别是麦草和碾压芦苇方格沙障,是近地风沙流边界层防止风沙危害的一种经济实用、功能独特、效果显著而应用最为广泛的固沙措施。它增大了下垫面的粗糙度,明显降低了底层风速,进而减弱了输沙强度,使流沙表面得以稳定。在格状边框内,由于气流的涡旋作用,使格内原始沙面充分蚀积最后达到平衡状态,即稳定的凹曲面形成。这种有规则排列的凹曲面,对不饱和风沙流具一种升力效应,而形成沙物质的非堆积搬运条件,这是格状沙障作用的关键。试验证明1m×1m,1.5m×1.5m和2m×2m草方格防沙效果都是显著的,0.5m×0.5m的方格不仅费工费料,而且防风固沙效果很不理想,并很快地被沙堤失去防护功能。同一规格的格状沙障往往由于设置的地形部位不同,其防护作用可能产生很大的差异。因此,应该根据一个地区的风沙流场性质和沙障功能综合评价半隐蔽沙障防护效益。     

HDPE功能性固沙障防风效应试验

根据仿生学原理,按照普遍使用并取得显著防护效益的草方格上疏下密式孔隙结构,采用抗紫外线性能强、耐极端气温和抗老化性强的HDPE材料制作出相似孔隙结构的功能性固沙障。通过风洞模拟试验,对比分析HDPE均一型与功能性固沙障的防风效应。结果表明：（1）均一型和功能性固沙障的有效防护距离随着风速的增大呈现指数衰减。（2）在低风速（<14 m·s^-1）条件下,均一型固沙障的总有效防护距离比功能性固沙障大;而在高风速（>14 m·s^-1）条件下,均一型固沙障的总有效防护距离比功能性固沙障小。无论风速大小,功能性固沙障网间的有效防护距离都远大于均一型。（3）均一型和功能性防沙网均可用于替代传统的防沙材料,具有极大的应用价值和推广前景。功能性防沙网适宜作较矮的半隐蔽式格状沙障,而均一型防沙网更适宜作高立式阻沙沙障。     

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。     

聚乳酸（PLA）沙障凹曲面及沉积物粒度特征研究

在乌兰布和沙漠平坦沙地布设1 m×1 m 、1.5 m×1.5 m和2 m×2 m规格的聚乳酸(PLA)沙袋格状沙障，在风季后利用插钎法和激光衍射法分别测量障格内部凹曲面形态、测定表面0~3 cm沉积物粒度组成，分析不同规格沙障内部凹曲面形态特征、蚀积效应，计算平均粒径、标准偏差等粒度参数。结果表明：3种规格PLA沙障内部均能发育成稳定凹曲面，凹曲面深度随着规格的增大而逐渐增加，蚀积系数则逐渐减小，保持在1/12~1/10之间；障格内不同方位蚀积剖面曲线基本符合二次函数，但蚀积强度差异较大；1 m×1 m和1.5 m×1.5 m规格沙障处于堆积状态，堆积强度分别是侵蚀强度的50.1倍和5.6倍，易发生沙埋；2 m×2 m 规格障内单位体积蚀积量为0.02 g·cm^-3，接近蚀积平衡状态，有利于长期发挥沙障防护效益；各规格障内沉积物均以极细沙和细沙为主，除1 m×1 m规格外，PLA沙障的阻滞作用使得极细颗粒含量百分比迅速下降。综合考虑沙障铺设成本和防护效果，得出在平坦沙地或者弱风区域内适合布设2 m×2 m 规格PLA沙障，研究结果可为PLA沙障在防沙工程中的合理应用提供科学参考。     

半隐蔽式草方格沙障凹曲面形成的流场解析及沉积表征

利用野外风沙观测、沉积物粒度分析和等比例实体草方格风洞流场模拟,解析了草方格沙障内部凹曲面形成的风沙流场过程。草方格分别作为疏透沙障和地表粗糙元对贴地层和近地层风沙流具有不同的影响：床面蚀、积分布和方格中心凹曲面的形成发展,以及沉积物粒度变化,取决于草带之间的贴地层流场分布格局以及草带对风沙流中固体物质的截留;近地层风力普遍受到草方格粗糙元的削弱,促进了沙面稳定。高风速下输沙率垂向分布的“象鼻”结构,体现了草方格对促使风沙流结构变异、形成和维持草方格凹曲面的重要性。沙丘不同部位草方格沉积物粒度分布模式不同,显示沙丘部位也是影响草方格内部流场的一个因素,以迎风坡中部最有利于方格内凹曲面的形成。     

沙障对流沙地植被和土壤养分的影响

机械沙障是风沙防治的重要工程措施。以设置在腾格里沙漠东南缘的沙坡头和吊坡梁不同年份的高密度聚乙烯（HDPE）沙障和麦草沙障为研究对象，分析沙障对植被生长和土壤养分的影响。结果表明：2012年和2010年布设的HDPE沙障中植被的物种数大于同期草方格沙障中的物种数；两种沙障内植被的物种多样性指数较低，且随沙障布设时间增加而增高，同期布设的HDPE沙障比草方格沙障的多样性指数高。沙障使土壤pH值总体呈降低的趋势，草方格沙障内的土壤pH值低于HDPE沙障内的土壤pH值；沙障内表层土壤（0~5 cm）的全氮、有机碳、速效钾、速效磷含量高于裸沙表层，呈增加的趋势，两种沙障间的表层土壤养分含量差异不显著。     

风沙危害防治的主要工程措施及其机理

对风沙危害防治的主要工程措施及其物理机理进行了深入研究,从理论上得出格状沙障内最大风蚀深度与方格边长之间的解析关系,利用流体力学理论计算了不同草头高度h₀所对应的最大间距L_max,得出格状沙障中心沙粒的起动风速随沙障规格和深宽比h/L的增加而减小,建立了栅栏下风侧风速为来流风速的百分率与栅栏下风向距离的关系,并对不同孔隙度尼纶网栅栏的风沙阻导效应、直立植物及戈壁砾石覆盖防沙措施的粗糙特征、化学工程固沙措施等进行了广泛研究。通过对已有研究成果的综合评述,剖析了风沙工程学面临的主要问题与任务,指出与生态环境治理、资源开发及可持续发展问题紧密结合,是风沙危害防治研究发展的方向,并亟待加强与生态环境恢复-资源高效开发一体化的风沙危害防治措施的理论研究与技术示范。     

聚乳酸（PLA）网格沙障耐老化性能及防沙效果

通过甘南玛曲高海拔沙化草地实地铺设和实验室加速老化试验,探索在高原极端环境下透风率20%—49%聚乳酸（PLA）网格沙障的使用寿命和防沙效果。结果表明,PLA网格沙障不仅耐辐射、耐老化,且防沙效果好,可成为严酷气候环境下替代草方格的一种新型沙障。     

草方格沙障腐蚀过程中土壤微生物的作用

沙坡头地区位于腾格里沙漠的东南缘。自1956年以来为防止铁路沙害采用草方格沙障和建立人工植被的方法固定流沙。而草方格沙障在铁路沙害防护体系中,是前期固定流沙的关键措施。延缓其腐烂过程,在生产实践中有着明显效益。 沙坡头为半荒漠地区,年降水量200毫米左右,主要集中于夏季,夏季最高温度约30 ℃,沙面可达60-70 ℃;日照时间长,风大,每年风期在100天以上,最大风速在20米/沙以上。草方格沙障使用的材料是当地的小麦秸秆。在流动沙丘上将麦草扎成方格沙障后,给沙土添加了有机物质,活化了沙土中的微生物。在微生物的作用下和自然界光、热、降水和风蚀等因素影响下,草方格沙障的防护年限一般为4年左右。在此期限以后,草方格沙障的地上裸露部分基本上分解殆尽。埋入沙土中的麦草7年左右也全部腐烂。因此研究土壤微生物对于麦草的分解矿化作用,对于阐明草方格沙障的腐烂规律是很有意义。     

半隐蔽式麦草方格沙障防护带宽度的探讨

建国以来,随着经济建设事业的发展,业已修筑的和正在修筑的通过沙漠地带的铁路有:包(头)兰(州)线、干(塘)武(威)线、乌(达)吉(兰泰)线、通(辽)让(湖路)线、沙(城)通(辽)线等等。由于风沙危害,沙漠铁路两刚必须进行防护,以防止流沙掩埋线路,危及行车安全。经过多年实践,除在适宜地段采用植物措施取得了较好的成效外,应用最广的工程防沙措施就是半隐蔽式麦草方格(1×1米)沙障。     

草方格沙障尺寸分析的简单模型

针对草方格沙障防护区域内流场的特点,提出一个单排理想涡列模型,用以模拟实际风沙流场。在此基础上,利用流体力学的分析方法,给出了与目前工程实际所建议的尺寸比较吻合的草方格沙障间距(或草方格边长)与出露草头高度的对应关系。     

粘土沙障及麦草沙障合理间距的调查研究

确定机械沙障障间距的基本原理是障间风蚀沙量等于积沙量。障间凹曲面面积与障间距及沙面坡度之间存在着显著的回归关系,运用这种回归关系就可以建立障间风蚀沙量等于积沙量的等式方程。在民勤沙区取样分别建立粘土沙障和麦草沙障的风蚀沙量等于积沙量的等式方程,计算出沙面坡度0°~8°和0°~10°的粘土沙障和麦草沙障间距分别是253.1~185.9 cm和261.4~155.0 cm;粘土沙障高度应为适宜高度范围内的最小值;粘土沙障在障高为15 cm、沙面坡度>8°时障间没有风蚀。麦草沙障在坡度>10°时障间没有风蚀;15 cm高的粘土沙障和固沙有效高度13 cm的麦草沙障的最小间距分别是185.9 cm和155.0 cm;若需要在固定就地沙面的基础上接纳外来流沙或者需要风蚀部分就地沙粒时,可将接纳沙量或风蚀沙量的平均厚度作为参数之一计算障间距;按照风蚀沙量≤积沙量的障间距设置的沙障,其方格形式只适合在害风方向多变的地段设置。     

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.     

库布齐沙漠北缘不同作物秸秆平铺式沙障的防风效能

本研究以七星湖沙漠风景区沙丘上的芦苇秸秆、向日葵秸秆和玉米秸秆平铺式沙障为研究对象,通过测定各沙障障格内以及裸沙丘近地表不同高度处的风速,对比研究了各沙障的防风效益。结果表明,①3种沙障在10 cm高度处均具有明显的防风效能,且随着高度的增加,防风效能减小,从10 cm到100 cm高度,3种沙障的防风效能平均降幅达63%。②在沙丘迎风坡,芦苇秸秆沙障的防风效能和地表粗糙度分别是向日葵秸秆沙障的1.36倍和2.34倍,是玉米秸秆沙障的1.76倍和1.88倍;在沙丘坡顶和背风坡,玉米秸秆沙障的防风效能及地表粗糙度均显著高于另外两者（P<0.01）。③3种沙障的风速廓线均呈现出一种类似于“S”型的变化特征,而作为对照的裸沙丘风速廓线则服从典型指数函数分布。