半隐蔽式沙柳沙障的防风阻沙效益

蒙仲举，任晓萌，高 永

（1.内蒙古农业大学 生态环境学院，内蒙古 呼和浩特010019；2.内蒙古气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特010051）

在流沙的治理措施中，工程措施治标，生物措施治本，工程措施和生物措施有机地结合，可以从根本上达到治理流沙的目的。机械沙障是最主要的工程措施之一［1－3］。

近年来，沙障防风阻沙效益的研究取得了很大进展［4－5］。高永等［6］对沙柳沙障的防风固沙效益研究结果表明，不同规格沙障防护效益，在大风条件下，小规格沙障的成本效益高于大规格的沙障；在小风条件下，大规格沙障的成本效益高于小规格的沙障。屈建军等［7］对半隐蔽式格状沙障综合防护效益的研究表明，半隐蔽式格状沙障不仅对沙地土壤改良有显著作用，而且还可以调节局部地区小气候，半隐蔽式格状沙柳沙障的防护效益由其材料性质、成本、劳务和风沙流场性质、地形条件以及防沙功能等多种因素决定，同时其高度、规格、紧密性、设置方法等直接影响防沙体系的稳定［7－9］。

为此，充分考虑到风沙流场特性以及不同地形部位的影响，本试验于2006年4—5月，在毛乌素沙地进行。试验设置了15，25，35cm这3种高度，1m×0.5m，1m×1m，1m×2m，2m×2m，2m×3m 这5种规格的半隐蔽式格状沙柳沙障，旨在通过对比分析不同高度、不同规格的方格沙柳沙障的防风阻沙效益，筛选出适宜当地的沙障规格，以期对沙区的机械沙障防沙治沙提供技术支撑。

1 试验区概况

试验地位于毛乌素沙地的东北缘内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗纳林陶亥镇纳林塔境内，地理坐标为110°04′06″—110°04′11″E，39°50′54″— 39°50′60″N。该区广泛分布着固定、半固定沙丘，沙丘形态有新月型沙丘、新月型沙丘链、格状沙丘以及平沙地，平均海拔1 100～1 300m。属干旱、半干旱大陆性季风气候。年均气温为5.5～9.1℃，极端最高气温为31～39℃，最低为－33℃，气温年较差为33℃，有效积温为3 200～3 800℃，无霜期为164～180d，年降水量为370～410mm，年日照时数为2 600～2 900h。风大且频繁，以西北风为主，持续时间长，年平均风速3.6m／s，最大风速为24m／s，年大风日数为13～15d，年沙尘暴日数约为11～25d，最多可达37d。土壤类型为风沙土。该区沙地植被占绝对优势，主要植物种有沙柳（Salix psammophila）、沙蒿（Artemisia arenaria）、沙 竹 （Psammochloa villosa）、沙 米〔Agriophyllum Squarrosum〕、叉 子 圆 柏 （Sabina vulgaris）、小叶杨（Populus simonii）、旱柳（Salix matsudana）、中间锦鸡儿（Caragana intermedia）、华北白前（Cynanchum mongolicum）等。

2 试验设计与方法

2.1 试验设计

根据地形选择较为平缓的Ⅰ，Ⅱ号两个大沙丘，沙丘高度、走向、面积等参数基本相似。在沙丘迎风坡分别设置1m×0.5m，1m×1m，1m×2m，2m×2m，2m×3m这5个不同规格的沙柳沙障。沙障孔隙度控制在45%，沙障外露高度分别设置15，25和35cm这3种高度，每一种规格的沙障都是从沙丘的基部一直设置到沙丘的顶部，方格沙障的长边走向与当地的主害风向（NW）垂直。以裸沙丘作为对照（CK）。

沙障设置完成后，在自然状态下 ，大于起沙风速（5m／s）的风对试验区的沙障吹蚀7d，致使障格内形成较为稳定的凹曲面，之后进行观察。

2.2 测定方法

2.2.1 机械组成测定 设置沙障前，在沙丘坡中取0—5cm表层沙样作为背景值。待障格内形成稳定的凹曲面后，分别在沙丘迎风坡沙障障格中心和4个边角取表层土样进行混合。

采用筛分法与比重计法测定其机械组成，粒径划分标准采用中国沙物质粒径划分标准（表1）［10］。

表1 中国沙物质粒径划分标准 mm

2.2.2 风沙流测定 在不同处理的坡底、坡中和坡顶等位置，使用多路风速风向自动采集仪测定2，0.5m两个垂直高度风速。输沙量观测的时间视风速大小、输沙强度而定，一般3～10min。带回室内用1／1 000的天平称重，计算输沙率。根据2和0.5m高度处风速的实测资料，利用统计的方法舍去离散较大的数据后用以分析不同下垫面的地表粗糙度［4］。

2.3 沙障成本效益分析

结合当地的实际情况对其防护效益进行分析，单位面积内的延长米用沙障两个相邻边长的和（L）除以沙障的面积（S）来计算［6］：

式中：L——沙障两个相邻边长的和（m）；a，b——沙障的边长（m）。下同。

式中：S——沙障面积 （m2）；a，b——沙障的边长（m）；M——单位面积内的延长米。下同。

沙障的成本效益（即：单位延长米的防护效益）用式（4）计算：

式中：D——成本效益；Q1——裸沙丘表面的输沙率；Q2——沙障内的输沙率。

3 结果与分析

3.1 沙柳沙障内土壤机械组成分析

风沙流是一种贴近沙面的沙物质搬运过程，它是风沙活动的最基本形式，又是各种风沙地貌形成和演变的主要动力条件［10］。图1是不同规格沙柳沙障内土壤0—5cm层机械组成分析结果。与对照相比，铺设沙障后0.5～0.25mm沙粒含量增加7.22%～18.60%，＜0.05mm 粉沙含量增幅较缓，而0.25～0.1mm的细沙含量减少9.72%～21.60%。从图1可以看出，1m×2m和1m×1m两种规格沙柳沙障中，粗沙含量减少0.19%～0.21%，中沙含量降低10.82%～13.30%，细沙含量增加6.80%～8.90%。当沙柳沙障外露高度为15cm时，中沙含量与对照相比减少0.39%～4.56%，粉沙含量减少2.78%～4.47%，而细沙含量增加1.08%～8.95%。

综上所述，沙障高度不同，改变过境气流的运动状态，从而在沙表面产生侵蚀、堆积现象，导致地表沙物质机械组成发生变化。

3.2 沙柳沙障对风速的影响

在流动沙丘设置半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防沙体系，既可增加地面粗糙度，阻止风沙流风蚀公路边坡，又可降低地面风速，从而达到防风阻沙的目的。从表2可以看出，所设的5种规格的沙障，1m×0.5m沙柳沙障的地表粗糙度最大，其中2m×3m规格沙障的粗超度最小，粗糙度变化规律整体呈现出随着沙障规格增大而减小，并且规格之间的差异在沙柳沙障外露高度越低表现越为明显。多重均值检验结果显示，规格越大，地表粗糙度越低，其中2m×2m规格可以视作一个转折点，低于此规格粗糙度急剧降低。

3.3 沙柳沙障的防护效益分析

沙柳沙障的成本效益分析结果见表3。由表3可以看出，沙障规格越小，沙障的输沙率越小，1m×0.5m规格沙障的输沙率仅为78.86kg／（h·m2），而2m×3m规格的沙柳沙障的输沙率高达629.77kg／（h·m2）。与对照相比，5种规格的半隐蔽沙柳沙障均表现出了较好的阻沙效应。同时可以看出，1m×2m和2m×2m两种规格的输沙率较为接近。在此，兼顾防风阻沙和成本等方面综合考虑，对沙障的成本效益进行分析，结果显示：沙障规格越小，防风阻沙效应越大，然而成本效益越低。因此，结合当地的自然条件和经济状况，2m×2m规格的半隐蔽式格状沙柳沙障防护效益较好，是适合于当地的一种设障规格。

表2 不同规格沙障的粗糙度

表3 不同规格沙柳沙障的防护效益计算

4 结论

设置沙柳沙障初期，对地表沙物质的机械组成产生不同程度的影响，铺设沙障后地表土壤中细粒物质含量也在增加，土壤的物理性质得到改善。

沙障规格越小，防风阻沙效应越大，然而成本效益越低。结合研究区的自然条件和经济状况，2m×2m规格的半隐蔽式格状沙柳沙障是适合于当地的一种设障规格。

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