不同类型沙障的适用性研究

丁亚龙

（甘肃省格赛克机械化防沙治沙有限公司，甘肃 武威 733000）

我国是世界上沙漠化面积大、分布广、危害重的国家之一，风沙问题严重影响我国北方的生态环境和社会经济发展。我国针对沙漠化及其防治问题进行了大量研究，开展了三北防护林、退耕还林、京津风沙源治理等重大生态工程建设，取得了举世瞩目的成就。但是，北方风沙区沙化土地综合治理仍然存在许多问题。

武威市生态地位突出，在全国生态格局中，其处于青藏高原生态屏障和北方防沙带的中心地带，南部是祁连山水源涵养区，北部有腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠，干旱缺水、沙多林少，生态环境脆弱，武威市是全国荒漠化最为严重的地区之一。现阶段，我国沙漠化治理工程的实施主要依靠人力，机械化固沙技术较为缺乏。治沙工作环境恶劣，现场人工实施难度较大，生产稳定性差，标准化程度不高，很难满足我国防沙治沙的需求。因此，本文重点研究了不同类型沙障的防风固沙效果，筛选出几种适用于机械化作业的沙障，为后续开展机械化研究提供理论基础。

1 沙障研究现状

如今，荒漠化防治是全球生态修复研究热点，包括中国在内的多个国家都制定了或正在制定防治荒漠化国家行动方案，各国的情况不同，防治对策也不同。荒漠化防治方法繁多，主要包括机械措施、化学措施、生物措施以及综合措施。其中，机械措施和化学措施一般被统称为工程措施。工程措施是指通过固、阻、疏、导等方式在沙面上设置沙障或覆盖沙面，以减轻或消除风沙危害，目前，常用方式有设置沙障、引水拉沙、设置挡风墙、沥青固沙、设置导风板等。

作为一项被多国采用且已经使用多年的防沙治沙措施，沙障主要采用无污染、可降解的环保材料。风沙流动区可沿主风向垂直方向设置沙障，达到降低近地表层风速、阻挡风沙流动、减少水分流失的目的，从而为沙生植物提供适宜的生长环境。近年来，随着科学技术水平的不断提升，越来越多的新型机械设备应用于治沙领域，如多功能立体固沙机、草方格治沙机、履带式行走治沙机等。然而总体来看，由于地形地貌和特殊环境因素的限制，机械化治沙目前尚处于萌芽阶段，机械化治沙设备品种较为单一，普及程度不足，这就需要选择一种或几种适宜防风固沙的沙障材料，促进机械化治沙设备的发展。

2 研究内容

近年来，越来越多的材料涌现在荒漠化防治领域，如稻草帘、黏土、麦草、芦苇秸秆和新型合成高分子材料等。本研究主要以稻草帘、抗老化编织袋、尼龙网、黏土、玉米秸秆、麦草和芦苇秸秆等为原料，在武威市沙漠化区域铺设多种沙障，综合分析沙障阻沙效果，筛选出几种能够应用于机械化作业且防风固沙效果较好的沙障，以推广应用机械化治沙技术及装备，为我国土地沙化综合治理添砖加瓦。

2.1 不同类型沙障的铺设

在研究区选择7 种沙障（稻草帘、抗老化编织袋、尼龙网、黏土、玉米秸秆、麦草和芦苇秸秆），各自铺设667 m，建立防风固沙试验区。

2.2 不同类型沙障防风固沙能力监测指标的建立

在不同类型的沙障样地内，建立多种监测指标，如风速、粗糙度、输沙量和蚀积状况等。

2.3 对不同类型沙障进行分析、评价及优选

本研究对监测指标进行综合分析，确定不同类型沙障的防风固沙效果，评价不同类型沙障的适用性。一是对监测指标进行分析，计算各类型沙障地表粗糙度、输沙量以及沙障内蚀积状况。二是根据监测指标及计算结果，对不同类型沙障的防风固沙效果进行适用性研究，筛选出3 种最适宜机械化作业的沙障。

3 研究方法

3.1 风速测定

本研究采用HYCG-09 超声波风速风向传感器对风速进行测定，其由传感器、数据采集终端、电源系统、野外防护箱和支架等组成。风速、风向、空气温度、空气湿度等传感器为专用传感器，具有高精度和高可靠性。本研究观测点布设在距沙障迎风坡3.5 m 处，通过测定不同高度（0.2 m 和1.0 m）的相对风速来反映风速在沙障内的变化。

3.2 粗糙度测定

由于下垫面起伏不平或者地表障碍物的影响，在风速廓线上，风速为零的位置不在高度等于零的地表，而在离地表某一高度的位置，这一高度被称为地表粗糙度。它能够反映不同下垫面的固有性质，也是评价防风固沙效果的一个重要指标，本研究采用式（1）计算粗糙度。

式中：为地表粗糙度，cm；、分别为高度、处的风速，m/s。

3.3 输沙量测定

输沙量是衡量一个地区风沙强度的重要指标，也是评价风沙危害程度的一个重要标准。在同一个沙丘面选取7 个地形、植被密度及植被盖度基本相似的样地，分别铺设7 种（稻草帘、抗老化编织袋、尼龙网、黏土、玉米秸秆、麦草和芦苇秸秆）规格为 2 m×2 m、高度为15 ～20 cm 的沙障各667 m，在不同类型沙障内布设10 孔（孔径2 cm）、通道间距60 mm 的阶梯式集沙仪进行输沙量观测，计算单宽输沙率。计算公式如下：

式中：为单宽输沙率，g/（cm·min）；为集沙质量，g；Δ为观察时间，min。

3.4 蚀积状况观测

对不同类型沙障不同时期的蚀积状况进行观测，记录风速、风向影响下不同时期的变化情况，进而通过比较得出不同类型沙障的蚀积状况。

4 结果与分析

不同类型沙障铺设后，露出地面的沙障都对风沙有阻挡作用，且不同类型沙障的防风固沙效果不同。

4.1 不同类型沙障的风速

风速的降幅可以反映风速在垂直方向的变化。变化幅度越大，风速波动越大，沙障对近地面风速的影响越明显。由表1 可以看出，不同类型沙障风速在垂直方向上都发生了变化，其降幅排序为：稻草帘＞麦草＞黏土＞芦苇秸秆＞玉米秸秆＞抗老化编织袋＞尼龙网。

表1 不同类型沙障风速降幅

4.2 不同类型沙障的地表粗糙度

本防风固沙试验是野外试验，相同风速很难控制，为了使得试验结果准确，试验初期，将不同类型沙障铺设在地貌类型、地表植被相似的同一沙丘的迎风面，使得不同类型沙障在迎风面的风速尽可能一样。由图1 可以看出，不同类型沙障地表粗糙度的排序为：稻草帘＞麦草＞黏土＞芦苇秸秆＞玉米秸秆＞抗老化编织袋＞尼龙网。

图1 不同类型沙障的地表粗糙度

4.3 不同类型沙障的输沙率

风速越大，输沙率越大。在同等地貌地形条件下，不同类型沙障的输沙率测定结果如图2 所示。尼龙网、抗老化编织袋、玉米秸秆、芦苇秸秆的输沙率远大于黏土、麦草和稻草帘，具体排序为：尼龙网＞抗老化编织袋＞玉米秸秆＞芦苇秸秆＞黏土＞麦草＞稻草帘。

图2 不同类型沙障的输沙率

4.4 不同类型沙障的蚀积状况

不同类型沙障在不同时期的蚀积状况如图3、图4 所示。稻草帘沙障铺设1年后，表层会出现一层薄的沙结皮，在封禁保护后，会形成有利于植被生长的环境，植被盖度为68%，只有沙障外围0 ～4 m 产生较弱沙障蚀积现象，且沙障底部没有被风沙掏蚀。抗老化编织袋沙障铺设1年后，表层会形成一层较薄的沙结皮，在迎风面0 ～6 m 会产生较强的风沙蚀积，沙障底部会被风沙掏蚀。

图3 新铺设不同类型的沙障

尼龙网沙障铺设6 个月后，由于风吹日晒，其极易老化，不利于阻挡风沙。黏土沙障铺设后，表层易快速形成一层沙土结皮，这层结皮强度较其他结皮高，孔隙小，不易于后期植被的生长，观测1年，只有一些沙生芦苇在铺设初期生长，没有新的植被产生。由于自身结构的限制，玉米秸秆沙障铺设初期，秸秆间会产生一定间隙，当风沙吹过玉米秸秆沙障时，部分沙粒会从间隙流过，不利于沙结皮的快速形成。麦草沙障裸露在沙丘表层的部分强度不高，其高度很难达到要求，即15 ～20 cm，故在沙障迎风面0 ～12 m 都会有明显的沙丘移动，随着距离迎风面越来越远，沙丘蚀积状况减弱。

芦苇秸秆沙障在布设形式上与玉米秸秆沙障有相似之处，但又有其自身特点，芦苇秸秆材质较硬，可以布设在同一高度，较其他沙障高5 ～10 cm，可以将大部分风沙阻挡在迎风面12 m 范围之内。

图4 铺设1年后不同类型的沙障

5 结论

本文通过防风固沙试验，对比分析了不同类型沙障的风速、地表粗糙度、输沙率和蚀积状况。风速在垂直方向的降幅排序为：稻草帘＞麦草＞黏土＞芦苇秸秆＞玉米秸秆＞抗老化编织袋＞尼龙网。不同类型沙障地表粗糙度的排序为：稻草帘＞麦草＞黏土＞芦苇秸秆＞玉米秸秆＞抗老化编织袋＞尼龙网。输沙率的排序为：尼龙网＞抗老化编织袋＞玉米秸秆＞芦苇秸秆＞黏土＞麦草＞稻草帘。风速越大，输沙率越大。输沙率与表面粗糙度成反比。黏土沙障具有快速形成沙土结皮、挡风效果好、增加地表粗糙度等优点，但是其表层形成的沙土结皮较为坚硬，致使沙丘水分不易渗入地底，造成大量的水分流失，不利于后期植被恢复。从后期大面积推广和防风固沙效果来看，最适用于机械化作业的沙障材料为稻草帘、麦草和芦苇秸秆。