固沙草方格铺设机械技术现状及技术瓶颈

孙雨橦， 袁杰潮， 闫路诚， 周为民， 张玉豪， 常同立

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

土地沙漠化一直是我国长期以来面临的严峻环境问题。目前，针对土地荒漠化的防治措施主要分为生物防治措施、封育措施和工程防治措施3种。

生物防治措施主要是设法用种植的方法增加沙漠上的植被和提高植被覆盖率。封育措施主要是对于具有自修复能力的沙化情况采取措施帮助其恢复植被的天然覆盖。

上面两种措施都是设法增加沙漠表面的植物覆盖，逐渐实现荒漠化治理。然而现实的沙漠不是静止的沙地，沙漠表面存在一些面积较大，流动性较强的沙丘。在上风地带，沙丘在风力的作业下移动扩散，侵蚀绿地，因此需要采用工程防治措施阻止沙丘移动。最典型有效的工程措施是设置沙障固定沙丘。草方格沙障固沙是工程固沙法中被实践证明最有效的方法[1]。我国荒漠化实景如图1所示。

图1 我国荒漠化实景

1 草方格改造沙漠的原理

草方格沙障是由竖直插在沙漠中的稻草、麦秸、芨芨草、芦苇等材料按照一定的铺设方式组成的[2]。

在铺设有草方格的沙地上，地表粗糙度有一定程度的增加。沙漠起风时，贴近地表的气流速度被减缓，不直接吹在沙土表面，减小了气流带动的沙土总量，去除了沙漠风沙运动的条件。

同时，草方格沙障可以增加沙层2 m以内的湿度[3]，增加沙土含水量，对生物防治措施、封育措施有促进作用。

2 草方格治沙方法综述

2.1 草方格沙障的技术参数

草方格沙障的规格因设置地域，防护目的和风蚀程度的不同而不同，同时根据不同地形与环境选择不同形式的草方格沙障，增强治沙效果。草方格铺设如图2所示。

图2 草方格铺设

草方格是将稻草、麦秸、芨芨草、芦苇等插入沙土中10～15 cm深，外露20～25 cm。

正方形草方格沙障治沙效果最好[4]，草方格有1 m×1 m或2 m×2 m的大小等多种规格。通常1 m×1 m的草方格是最常见的。

2.2 草方格沙障制作人工施工工艺流程

铺设草方格流程如图3所示，草方格制作步骤通常包括如下4步：

图3 铺设草方格流程

(1)预划经线和纬线。在将要制作草方格沙障的沙土地上，预先划上经线和纬线，他们交叉形成方格，指引工人铺设草方格。

(2)对称铺放稻草。可以撒一些水在预先准备好的稻草上，湿润稻草，提高柔韧性，将稻草对称地平铺在预先划好的指引线上，控制好每个方格麦草的用量，保持麦草厚度的适中，防止太厚或太薄导致防沙效果不良。

(3)铁锹压稻草中部进入沙土。将铁锹竖直对准稻草中部(也就是划好的正方形边线)，沿地面指引线用力竖直下压，将稻草插入沙土，形成草方格的沙障草墙。

(4)草方格修整。人工铺设草方格时，质量影响因素多，难以保证草方格规范一致，需要草方格修整环节，将立起稻草两侧的沙土拨向稻草根部，再用脚将沙土踩实，使沙障牢固。

3 机械化铺设草方格的发展现状

3.1 固沙草方格铺设工程技术机械化的必要性

目前，草方格沙障的工程铺设多由人工进行。我国沙化面积大，流动沙域多，且一般作业地点偏远，环境恶劣，生态条件脆弱。人工铺设草方格劳动强度大，铺设质量不稳定，在工程浩大，任务繁重的防风固沙任务中，人工铺设草方格效率低下，且成本高[5]，无法高质量完成铺设任务，机械化铺设草方格可以节省大量的人工及提高工作效率，因此研发固沙草方格铺设机器是必要的，机械化固沙设备研发的需求是紧迫的。

目前已经有机械化铺设草方格的报道，但是现有铺设草方格的机械不能够在沙丘的坡面上作业。

3.2 机械化铺设草方格的发展现状

可获取的文献表明：我国开展沙漠草方格机械化铺设研究始于21世纪初。东北林业大学陆怀民承担了国家863课题(项目号2002AA422170)开展“防风固沙草方格铺设机器人”研究。提出了用预制草帘子铺设固沙草方格的方案，并完成了试验装置研制，进行了测试试验[6-7]。

比较典型的是东北林业大学的舒庆开展了“防风固沙草方格铺设机器人设计及动力学分析”。北京林业大学司凯开展了“立体固沙车横向铺设系统的设计与研究”。

尽管在机械化草方格铺设机械研制开发这个领域我国早已投入资源研究，但是效果并不明显。在大多数地区，草方格铺设依旧以人力为主，鲜有机械化铺设固沙草方格的案例。

2016年12月7日北京林业大学发布消息：该校研制出了具有自主知识产权的多功能立体固沙车，属国内首次。多功能立体固沙车如图4所示。这是集立体固沙、喷播、散草插植和割灌平茬等功能于一体的自行式装备，主要应用于沙漠、沙地、戈壁及荒漠化地域的防风固沙、环境治理和植被恢复等领域。同年12月，依托“十二五”国家科技支撑计划农业和村镇建设领域所属的“困难立地植被恢复技术研究与示范”科技项目，甘肃建投装备制造公司联合北京林业大学使用多功能立体固沙车在武威地区开展沙漠治理作业。

图4 多功能立体固沙车

目前，固沙草方格铺设机械大致由草方格铺设机构和行走机构两个主要部分构成。行走机构设计方案有自行式和牵引式两种。行走方式普遍采用连续行走方式，便于纵向草方格的铺设。但是，铺设机构方案是相同或类似的。铺设机构分为纵向铺设机构和横向铺设机构两部分，彼此独立，纵向铺设机构在横向铺设机构的前面，两者前后纵向布置。

纵向铺设机构比较简单，主要工作原理是将储料仓中的稻草铺放到沙地表面，用圆盘状铲刀将稻草压入沙土。车辆行进，圆盘铲刀开始转动，持续将稻草压入沙土，形成一排直立于沙土表面草方格的纵向部分。多功能立体固沙车还是采用预制草帘子进行草方格铺设作业。

横向铺设机构的功能是铺设直立于沙土表面草方格的横向部分。车辆持续前行，草方格横向部分的铺设不是连续的，而是每隔一段距离(通常是草方格的边长)铺设一段横格子，是断续铺设。依据横向草格子的铺设原理和方法，横向铺设机构相对复杂，需要在车辆行走过程中对沙土地表面一个固定位置进行铺草和压草两次作业。两次作业均不是瞬时可以完成的作业，因此横向铺草作业机构是机械化铺设草方格的技术关键和技术难点。

固沙草方格铺设是现实的工程问题。机械化铺设草方格设备的大面积推广应用不但需要机器设备的工作可靠性，也需要机器设备使用的经济性。机械化铺设草方格的试验和实践表明，现有草方格铺设机器尚不能满足大面积推广应用的条件。针对一些沙漠地区机器铺设也存在一定弊端，因此在机械化铺设草方格这一方面还需要更多的研究以及思考。

4 机械化铺设草方格技术难点

通过查阅现有可获得论文和专利等文献，发现适合大面积推广应用的机械化铺设草方格技术还存在两项技术瓶颈：

(1)用成捆稻草或散放稻草直接机械化铺设草方格技术尚需研发。目前，实际应用的草方格铺设机械多采用草帘子作为设备工作的原材料。与人工铺设草方格相比，这种机械化铺设方法增加草帘子制造工序，产生了额外的人工费用和成本。为了大面积工程化实施推广，必需缓和利润和成本的矛盾，机械化铺设草方格需要直接采用成捆稻草或散放稻草作为机械设备的原材料，不能有额外的预加工工序。

如何用散放稻草或成捆的散稻草铺设草方格还没有成熟的机械设备，现有可查文献将其工艺过程描述为稻草打散、输送、铺放、压制等步骤。但是如何实现机械化操作，尚无成熟案例。

(2)横向草方格的机械化铺设是技术难点。草方格的铺设过程分为(以车辆的行驶方向为参考)纵向铺设和横向铺设两部分。采用轮式或履带式行走机构的机械化草方格铺设车辆需要在其走过时将横向草方格与纵向草方格一起铺好。与纵向草方格铺设相比，横向草方格铺设机械的研发更加困难。究其原因，纵向草方格是连续的铺设过程，横向草方格则是断续的铺设过程，而且横向草方格是在车辆运动过程中完成相对地面静止的铺草和压草等几道工序。

5 讨论与展望

荒漠化治理路仍漫漫，传统的人工治沙向机械化、智能化、集成化方向发展是技术发展的必然趋势。机械化治沙不仅解放了劳动力，提高治沙效率，加速荒漠化治理的进程，还能保证良好的治沙效果，让治沙更具有科学性和高效性[8]。过去，我国用工成本长期走低，人工治沙有一定的利润空间。近些年，随着用工成本增加，沙漠治理方面也出现用机器换人，拓展治沙工程利润空间的需求。

沙漠治理是人类的环境保护事业，需要政府科技主管部门加大对固沙机械装备研发的政策支持力度，整合设计研究单位，主管部门与生产实践企业成立协同创新中心，开展有针对性的研发设计活动，加强人才队伍建设。同时，对于治沙机械装备上的难点做持续的深入研究，突破机械化固沙目前遇到的瓶颈，推进治沙机械装备的持续发展[9]。

草方格沙障对于防风固沙有着不可替代的作用，而沙漠环境恶劣，形势多变，这也就给人工固沙带来了困难，为了提高效率，节约成本开展机器化的研究是必要的。如何将机械化铺草机械的技术进行有效提高，解决机器铺草时遇到的难点，是如今进行机械化沙漠治理时需要进行深刻思考的。