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。     

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。     

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。     

青海湖沙地麦草方格沙障的蚀积效应与规格选取

根据青海湖克土沙地6种不同规格麦草方格沙障的全年插钎蚀积监测和风季后凹曲面形态测量,各规格凹曲面的形成主要受控于冬春季节西风和西北风的控制。东西向1 m间距的小规格堆积沙埋严重,蚀积强度大于15 g/cm2,且全年处于不断堆积状态;2 m间距的大规格中心偏南部位侵蚀严重,蚀积强度小于10 g/cm2;1.5 m间距的规格蚀积强度适中,容易形成稳定凹曲面,且蚀积年变化较小。综合分析,1.5 m×1.5 m规格的综合防护指数最大为0.64,为高寒沙区最为适宜的规格,其余规格可视地形和风况环境适当采用。     

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。     

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。     

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。     

内蒙古大塔-何家塔铁路风沙路基综合防护体系

内蒙古大塔-何家塔铁路全线风沙路基长61.5 km，占正线长度的48.7%，风沙危害已严重威胁到线路的正常运营，并制约了区域矿产资源的外运。通过对当地气候条件、植被类型、沙丘分布等因素的调查，确定了植物防护和工程防护相结合的综合治理方案。选用沙柳、柠条、杨柴、胡杨多种植物，采取高立式沙障、HDPE网方格、沙柳活沙障树枝方格、水冲沙柳种植和灌木植物防护带多措施并举，在半固定沙丘和流动沙丘区段，依据风沙路基的不同危害程度，采用不同层次的风沙防护措施，构建了具有严密性、整体性的防沙体系。实践证明，活沙障与植物防护林带等措施形成了完整的绿色防护体系，阻沙、固沙作用显著，大大降低了风沙上道等危害铁路的可能性，保障了铁路的安全运营，为同类地区沙漠铁路的风沙治理工作积累了宝贵经验。     

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。     

沙石质建筑垃圾不同覆盖方式防风固沙效益

为了解沙石质建筑垃圾不同覆盖方式防风固沙效益,在野外对不同覆盖方式的风蚀风积量、风沙流特征、土壤水分、植被生长状况进行了观测研究。结果表明：（1）不同覆盖方式年风蚀量较流沙减少了91%以上,其中平铺覆盖方式固沙效果好于带状和方格覆盖方式。平铺覆盖方式和流沙风沙流结构呈幂、指数函数分布,带状、方格覆盖方式呈多项式函数分布;（2）不同覆盖方式较流沙显著提高了土壤容积含水率（P<0.05）,平铺方式保水效果好于方格和带状覆盖方式。覆盖度30%平铺、1.5 m×1.5 m方格和宽1.5 m带状土壤各层平均容积含水率比流沙分别提高了3.1%、2.8%和1.5%;（3）不同的覆盖方式较流沙显著增加了植被盖度（P<0.05）,其中平铺方式群落多样性指数最高。覆盖度30%平铺植被盖度较流沙提高了5%。1.5 m×1.5 m方格覆盖方式植被群落多样性指数最低,植被盖度最高,较流沙提高了14%。     

干旱荒漠风沙区沙化土地综合整治技术研究——以古浪县黄花滩治沙示范区为例

采用“四带一体”的模式,对示范区沙漠化土地进行综合整治。试验结果表明：在干旱荒漠区,以低矮流动沙丘为主的沙漠化土地,采用“前沿阻沙林带+固沙林带+植物活体沙障阻沙带+封沙育林育草带”的“四带一体”防护模式,取得了显著的防护效果。示范区农作物受沙害面积从治理前的37.7%减少到治理后第1年的14.2%,第2、3年未受风沙危害;防护带后0.5 m和1.5 m高处平均风速较旷野分别降低75.9%和63.4%,平均输沙量从防护带前的2 556.1 mg·cm^-1·h^-1降低到防护带后的3.41 mg·cm^-1·h^-1;筛选出沙拐枣、花棒、沙枣、白榆、沙蒿为流动沙丘和丘间低地适宜的造林树种;粘土沙障设置以2 m×2 m为宜,麦草、尼龙网沙障1 m×1 m效果较好。造林初期,以沙米和碱蓬为主的一年生植物能够在林下大量繁衍, 盖度达到50.2%和34.1%, 对初期的沙丘固定发挥作用, 但也大量的消耗了浅层沙丘土壤水分。随着人工林的生长,一年生植物逐渐衰退,3年后深根系的天然沙蒿逐渐繁衍,盖度达到10%。     

塔克拉玛干沙漠肖塘地区空气动力学粗糙度分析

利用塔克拉玛干沙漠北部肖塘地区梯度自动站2007年1月1日至2007年5月31日的观测数据,计算出该区域中性条件下粗糙度范围是1.00×10-11~1.65×10-3 m,平均粗糙度为6.05×10-5 m,接近沙粒粒径的1/30,与平坦沙面粗糙度相似。摩擦速度的范围是0.14~2.33 m·s-1,平均值1.24 m·s-1。粗糙度随下垫面性质变化明显,与稳定度呈正相关,与风速呈负相关,摩擦速度随粗糙度增大而减小。     

梭梭人工林密度研究

对秋灌梭梭人工林进行了2m×4m、2.5m×1.5m和天然荒漠林对照的密度研究。结果表明,2.5m×3m,1333株/hm²作为初植密度和成林密度是较为合适的。土壤高含水量层的深度范围和时间过程构成的面积大,土壤水减少量和蒸散量小,能适时进入成林阶段的郁闭状态,现虽然生长状况一般,但水分供需平衡。而且在不灌溉情况下,仅靠降水不会出现固沙林衰亡的恶果。     

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.     

临哈铁路典型防沙工程区阻风效率与积沙量特征

为掌握临哈铁路沿线风沙防护措施的防护效果,优化布设方案,选择临哈铁路K217、K585、K745及其支线天策线K16典型防沙工程区,采用样带同步观测法和测钎法,测定了每个区域的阻风效率和积沙量特征。结果表明：由铁路外侧向内侧,防沙工程对风的抑制效应逐渐增强。1.5 m高沙障积沙带、2.5 m深路堑、10 m和16 m高路堤导致风速增减的幅度分别为114%—69%、44%、160%—24%和190%—75%。网格防护区比阻沙栅栏防护区在1 m高度处的平均抑风效应更强,网格的高度和边长越大,其抑风效应越强。在严重沙害路段,大部分沙粒堆积在迎风侧中部的0.5 m网格内,在轻微沙害路段1.5 m阻沙栅栏处积沙量最大。因此建议在沙障配置中,中等和严重沙害路段以0.5 m高防沙网格为主,特别是在上风向沙源丰富的戈壁地区;在轻微沙害路段以多道1.5 m阻沙栅栏为主,网格措施为辅。