全 文 ：第 22卷第 2期
2008年 4月 水土保持学报Journal o f Soil and Wa ter Conserv ation Vo l
. 22 No . 2
Apr. , 2008
沙柳沙障防风阻沙效益的研究
赵国平 1 , 左合君 2 , 徐连秀 2 , 胡春元 2 , 付亚儒 1,*
( 1.陕西省治沙研究所 , 陕西 榆林 719000; 2.内蒙古农业大学 , 呼和浩特 010019)
摘要: 以库布齐沙漠穿沙公路和神东矿区巴图塔沙柳基地为试验区 ,对沙柳沙障体系内外风速和输沙量进行了
野外观测 ,根据调查和观测资料 ,利用 surfe r( 8. 0)软件作出沙障体系内外的风速流场图 ,并运用粗糙度 ( z0 )、摩阻
速度 (u* )等物理参数 ,对复式沙柳沙障的防风效益和阻沙作用进行了系统研究。 结果表明: 半隐蔽式、平铺式沙
柳沙障防沙体系内外 ,风速比 ( V2 m /V0. 3m )的变化随着向沙障体系的逐渐靠近呈非线性增大 ;粗糙度 ( z0 )的变
化则随风速比 ( V2m /V0. 3 m )的增大表现出两种情况:当旷野风速小于起沙风速时 ,其趋势线方程为多项式函数 ,
当旷野风速大于起沙风速时 ,其趋势线方程为指数函数 ;在沙柳沙障防沙体系内外 ,由于沙颗粒与沙柳体系内沙
柳发生碰撞 ,输沙率随防沙体系远近的分布不再简单遵循对数或者指数关系 ,其极值出现的距离随风速的增加而
波动 ,由于沙柳沙障构成的下垫面复杂多变 ,其对风沙流结构与风沙活动层风速廓线的影响很难确定。
关键词: 沙柳沙障 ; 防风阻沙效益 ; 粗糙度 ; 摩阻速度
中图分类号: S157. 2 文献标识码: A 文章编号: 1009-2242( 2008) 02-0038-04
Effect of Salix Deserts Barrier on Reducing Wind and Stabilizing Sand
ZHAO Guo-ping
1
, ZUO He-jun
2
, X U Lian-xiu
2
, HU Chun-yuan
2
, FU Ya-ru
1,*
( 1. Shaanx i Prov ince Research Institute for Sand Control , Yulin, Shaanxi 719000;
2. Inner Mongolia Agriculture University , Huhhot 010019)
Abstract: This paper observ es salix deser ts barrier along the highw ay of crossing Kubuqi desert and Batuta
salix dateba se. Then, according to the observa tion, make use o f the so ftw are of Sufer ( 8. 8) fo r the w ind
speed flow chart and i t sy stematically analyses th e benefi t o f w ind-breaking and sand-binding of salix deserts
barrier wi th roughness leng th and roughed wind speed. Besides, the research explains the ef fects of salix
deserts barrier fo r the highw ay of cro ssing Kubuqi desert. The result expresses that the half concealment
type, even spread type sand salix defend the sand inside the system, wind velocity ratio ( V2 m /V0. 3 m ) of
va riety along with to salix system of g radual clo se to curv e larg e; The va riety o f rough ( z 0 ) then compares
along w ith the w ind veloci ty ( V2 m /V0. 3 m ) of the aggrandizement express tw o kinds of circumstances: When
the w eald w ind veloci ty is small in rise sand wind veloci ty , it s t rend line is a polynomial function, being
w eald wind velo city is st rong w hi le rising sand wind velo city, i ts t rend line is index number function; Defend
the sand inside the sy stem a t the sand salix , because o f sand g rain and sand salix takes place co lli sion inside
system , sand ra te wi th defend sand sy stem to dist ribute far and nearly to no longer fol low loga ri thms in brief
o r is an index number rela tion, i t pole the value appear of distance wi th increment but motion o f w ind
velocity, because of sand the salix consti tute o f ear ths surface complications to change much , i t flow s
st ructure and the sandsto rm movable layer wind veloci ty influence of the line to the sandsto rm very dif ficult
assurance.
Key words: salix deser ts ba rrier; wind-breaking and sand-binding effects; rough ness; roughed w ind
speed
1 前 言
对于机械沙障防沙前人已作了大量的工作 ,积累了不少经验 ,取得了一系列重要成果 [1-3, 6, 11 ] ,已在沙漠地
区公路建设和养护工作中得到广泛应用 ,但是对半隐蔽式沙柳沙障的防风阻沙效益的研究 ,国内外很少有详细
报道 ,国内有些专家和学者虽然对此做过大量的研究 ,但大多数都是在风洞内完成的 [4-5, 9 ]。因此 ,本文试图通过
野外实地调查和观测 ,对半隐蔽式沙柳沙障的防风阻沙效益进行系统研究 ,为探索和优化沙漠地区公路工程防
护体系建设模式提供依据。
收稿日期: 2007-02-01 * 责任作者
基金项目:国家“十一五”科技攻关项目“毛乌素沙地沙化土地生物治理技术研究与试验示范 ( 2006BAD26B0701)”
作者简介:赵国平 ( 1979- ) ,男 ,青海乐都人 ,助理研究员 ,主要从事水土保持与荒漠化防治方面的研究。 E- mail: fh qlgu@ 126. com
2 研究地点与方法
2. 1 样地的选择
研究地点选定在内蒙古鄂尔多斯市库布齐沙漠穿沙公路 K88- 89( N 40°28′51. 3″, E108°39′45. 7″)、 K92-
93( N40°30′22. 8″, E108°40′51. 7″)等地段。 该地段以当地产的沙柳为材料 ,已在公路两侧建成沙柳沙障的防沙
体系 ,其中 ,半隐蔽式沙柳沙障体系内外风速变化的定位观测在穿沙公路 K88- 89完成 ,防风阻沙效益的观测
在穿沙公路 K92- 93和神东矿区巴图塔沙柳基地完成。
2. 2 研究方法
风速测定使用中国科学院兰州寒区旱区环境与工程研究所研制的 10～ 12通道遥测风速自动采集仪 ,观测
高度分别为 2 m和 0. 3 m , 3 s取一组数据 ,观测时间为 1 h ,所测风速为瞬时风速 ,在测定风速的同时用内蒙古
农业大学沙漠治理研究所自制的积沙仪测定输沙量。输沙量观测的时间视风速大小、输沙强度而定 ,一般 3～ 10
min。带回室内用 1 /1000的天平称重 ,计算输沙率。根据 2 m和 0. 3 m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 ,按照下面公式计算地面粗糙度 z 0和摩阻速度 u* [5-6, 13, 17]。
logz 0 =
logz 2 -
u2
u1 logz 1
1 -
u2
u1
, u* = A u2
lnz 0
z 0
式中: z 1 , z 2—— 观测高度值 ( m ) ; u1 ,u2—— 高度 z 1 , z 2处的风速 ( m /s) ; z 0—— 地面粗糙度 (cm ) ; u* ——摩
阻速度 ( cm /s) ; A—— 常数 ,一般气流为定常流时取 0. 4。
3 结果与分析
3. 1 沙柳沙障体系内外的流场特征
观测点设置在穿沙公路 K87( N 40°8′51. 3″, E108°39′45. 7″)处 ,观测点 1为裸露流沙 (旷野风速 ) ,观测点 2, 3
则设在 2 m× 2 m半隐蔽式沙柳沙障体系内 ,测点 1, 2相距为 5. 2 m,测点 2, 3相距 4. 8 m ,观测点 4, 5在 1 m×
1 m的平铺式沙柳沙障间 ,其间距为 7. 6 m ,体系内沙障保存良好 ,高度约为 0. 5 m,疏透度约为 50% 。布置测点
时由沙障体系中心向两侧展开。 为了避免野外风的阵发性对实验的影响 ,对 100次实测瞬时风速进行筛选 ,对
同一高度同一时段的风速进行平均 ,每一组又筛选出 5次观测值 ,得到 5组测量结果 ,由于当旷野风速小于起沙
风速时不能对风沙活动产生直接影响 ,故分析时选择旷野风速大于起沙风速的 6. 3 m /s和 9. 9 m /s,然后用
Sufer ( 8. 0)软件做出不同风速的流场速度图 ,如图 1( a, b)、图 2( a, b)所示。
图 1 旷野风速为 6. 3 m /s时的风速流场图
经过研究和分析 ,半隐蔽式沙柳沙障和平铺式沙柳沙障复合的防沙体系 ,能使贴地表 ( 0. 2 m )的风速减弱
到沙粒起动风速以下 ,保护表面沙粒不起动。半隐蔽式、平铺式复合的沙柳沙障流场形式复杂多变 ,当气流经过
半隐蔽式沙障体系的上方时 ,在接近沙障的低空区域 ,湍流、乱流等形式得到更为充分的发展 ,尤其是沙障内部
的流场特征 ,至今仍未有一个统一的认识 [5 ]。但就风沙流的性质而言 , 95%以上的沙物质集中在 0. 3 m以下的
高度进行搬运 ,这一贴地性质使半隐蔽式沙障在风沙工程中得到了广泛的应用 [ 10-12, 14 ]。
研究流场特征 ,有助于对半隐蔽式沙障内外的风沙流性质有进一步的认识 ,使其得到合理的设置 ,发挥更
大的防沙效益 [ 3]。从流场速度图分析看 ,当旷野风速为 6. 3 m /s时 ,半隐蔽式、平铺式沙柳沙障体系内 0. 3 m高
39第 2期 赵国平等: 沙柳沙障防风阻沙效益的研究
度范围内在 - 4 L, 0 L和 8. 2 L处各形成一个低速区 ,在障内 2m高度范围内从 - 6～ - 2 L, 0～ 2 L, 8～ 10 L处
上空则形成一个较大范围的加速区 ,相对应地障内 2～ 7 L风速变化却相对平稳 ;从障内 7～ 16 L,接近地表风
速衰减很快 ,在 8. 2 L处风速降低达最小值 ,而 2 m高度的风速则受沙障体系的影响不明显 ,风速的波动仍然很
大。当旷野风速为 9. 9 m /s时 ,流场速度图的总体趋势和 6. 6 m /s的趋势线大致一样 ,但风速在防沙体系 0. 3 m
高度范围内减弱的更明显。 根据实地调查和分析 ,在半隐蔽式沙柳沙障防沙体系内 ,主要在沙障体系前沿产生
一堆积区 ,这是由于在 - 4 L和 0 L处上方 ( 1 m以上 )气流形成一个加速区 ,挟沙动能增大 ,风沙流继续前进 ,
而底部气流 ( 0. 3 m以下 )变化比较平缓 ,一直深入到沙障的内部积沙较为均匀 ,这与中科院寒旱所王训明在风
洞内研究半隐蔽式沙障效益的结果基本相似 [ 10- 11]。
图 2 旷野风速为 9. 9 m /s时的风速流场图
表 1 复式防沙体系 (半隐蔽、平铺式沙柳沙障 )内外风速、粗糙度、摩阻速度
测点位置
重复
次数 物理参数 旷野点
(- 10L)
2m× 2m
沙障间
( - 4L)
2m× 2m
沙障间
( 0L)
1m× 1m
沙障间
( 8. 2L)
1m× 1m
沙障间
( 16L)
V2m ( 10次平均 ) 14. 2 13 9. 8 10. 8 7. 5
V 0. 3m ( 10次平均 ) 8. 3 6 4. 4 3. 9 2. 8
Ⅰ 风速比 ( V2m / V0. 3m ) 1. 71 2. 17 2. 23 2. 78 2. 69
粗糙度 ( cm) 0. 071 0. 152 0. 162 0. 228 0. 218
摩阻速度 ( cm /s ) 0. 153 0. 421 0. 348 0. 668 0. 432
V2m ( 6次平均 ) 10. 9 12. 2 9. 8 8. 8 6. 7
V 0. 3m ( 6次平均 ) 7. 6 5. 7 6. 1 3. 9 3. 4
Ⅱ 风速比 ( V2m /V 0. 3m ) 1. 43 2. 14 1. 61 2. 26 1. 97
粗糙度 ( cm) 0. 021 0. 148 0. 051 0. 166 0. 119
摩阻速度 ( cm /s ) 0. 023 0. 379 0. 067 0. 325 0. 151
V2m ( 8次平均 ) 10. 0 10. 3 9. 6 9. 3 8. 1
V 0. 3m ( 8次平均 ) 6. 9 4. 8 5. 1 4. 6 3. 5
Ⅲ 风速比 (V 2m / V 0. 3m ) 1. 45 2. 10 1. 88 2. 02 2. 31
粗糙度 ( cm) 0. 023 0. 142 0. 104 0. 129 0. 174
摩阻速度 ( cm /s ) 0. 024 0. 300 0. 176 0. 234 0. 323
3. 2 下垫面粗糙度与摩阻速度的变化
通过对 100次实测瞬时风速进行筛
选后 ,为了更直观地表示风速梯度的变
化 ,采用风速比 ( V2 m /V0. 3 m )表示 ,然后
计算出不同规格沙障的粗糙度 (z 0 )及其
相应的摩阻速度 (u* ) ,如表 1所示。经过
分析和研究 ,不同观测点 2 m高度风速
变化明显 ,由于复式半隐蔽、平铺式沙柳
沙障体系内外风速变化复杂多样 ,从旷
野 - 10 L到 2 m× 2 m半隐蔽式沙障间
( - 8～ 4 L) ,再到 1 m× 1 m的平铺式沙
柳沙障间 ( 4～ 16 L) ,其总体趋势是 2 m
高风速不断减小 ,但是降幅不大 ,从 3次
统计数据来看 ,平均只降低了 2. 67% ,有
的甚至增大 ,这说明沙障体系内对在较
高层的气流 ( 1. 5 m以上 )影响较小或形成涡流高速区 ,后者可能是由于风的阵发性和偶然性造成的 ;而在沙障
体系内 0. 3 m高度的风速从旷野- 10 L到 2 m× 2 m半隐蔽式沙障体系内 ( - 8～ 4 L)呈现出随着向防沙体系
中心靠近 ,风速近似于匀速减小 ,平均降幅可达 30%左右 ,在平铺式沙柳防沙体系内 ( 4～ 16 L) , 0. 3 m高度内
的风速降低更加明显 ,比旷野点 ( - 10 L)分别降低了 53. 01%和 66. 2% 。据分析 ,半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防
沙体系能使体系前沿 ( - 8～ - 4 L)大约为沙障的 8 H范围内 ,近地表 0. 3 m高度内风速降低到起沙风速以下 ,
随着向防沙体系中心靠近 ( - 4～ 16 L) ,半隐蔽式、平铺式沙柳防沙体系基本能控制 0. 3 m高度内近地表风沙
流 ,达到风过而沙不起 ,如表 1所示。
3. 3 沙障规格与下垫面粗糙度的变化关系
通过对 100次实测瞬时风速中选出旷野风速为 4. 3 m /s, 7. 9 m /s, 9. 6 m /s和≥ 1 0 m /s时 ,进行数据筛选
(风速随高度增加而增大 ) ,对同一高度同一时段的风速进行平均 ,得到 5组测量结果 ,每一组又筛选出 6次观测
值 ,然后分别计算出不同规格沙柳沙障的粗糙度 ,对其进行回归分析。结果表明:不同规格的沙柳沙障下垫面对
40 水土保持学报 第 22卷
图 3 不同规格沙柳沙障与粗糙度的变化趋势线
风沙流结构和风速廓线的影响不一样 ,当旷野风速小于
起沙风速 ( 4. 3 m /s) 时 ,不同规格的沙柳沙障与粗糙度
的变化呈非线性正相关 ,其趋势线方程为多项式函数 ,对
其可信度进行显著性检验 , R2 = 0. 858 6,趋势线方程拟
合效果较好 ;当旷野风速大于起沙风速 ( 7. 9 m /s, 9. 6
m /s,≥ 10 m /s)时 ,其趋势线方程为指数函数 ,并经过显
著性检验 ,其相关系数分别为 0. 715 8, 0. 825 1和
0. 836 9。 回归趋势线如图 3所示。
3. 4 风沙流结构特征
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。因此 ,不同
的防风固沙措施 ,首先表现在对近地面层风速的减弱及输沙量的减少。 观测方法同前 ,结果如表 2所示。
表 2 半隐蔽式、平铺式沙柳沙障粗糙度与输沙量关系的野外观测
沙障规格 V2 m /V0. 3 m 粗糙度 z 0
( cm )
流沙输沙量 Q
( g /cm2· min)
沙障输沙量 Q
( g /cm2· min)
减少的输
沙率 (% )
2m× 2m ( - 4L) 1. 92 0. 111 8. 88 2. 652 70. 8
2m× 2m( - 4L) 1. 89 0. 106 10. 29 3. 244 68. 7
2m× 2m ( - 4L) 1. 83 0. 093 29. 43 5. 39 81. 7
2m× 2m ( 0L) 2. 28 0. 170 11. 078 2. 152 80. 1
2m× 2m( 0L) 2. 10 0. 142 10. 722 0. 67 93. 8
2m× 2m( 0L) 2. 18 0. 154 12. 474 3. 691 70. 4
1m× 1m( 8. 2L) 2. 15 0. 150 14. 07 3. 685 73. 8
1m× 1m( 8. 2L) 2. 03 0. 131 22. 692 4. 41 80. 6
1m× 1m( 8. 2L) 3. 08 0. 257 6. 064 0. 108 98. 2
1m× 1m( 16L) 2. 77 0. 228 10. 663 2. 61 76. 8
1m× 1m( 16L) 2. 35 0. 179 10. 953 2. 76 74. 8
1m× 1m( 16L) 3. 06 0. 255 6. 376 0. 924 85. 5
注:输沙量的测定范围为 0～ 10 cm,输沙口为 10 cm× 10 cm的正方形。
从表 2可知 ,从沙障内部的风沙
流结构看 , 0～ 10 cm高度障内输沙量
Q远远小于流沙输沙量 Q ,结合试验
区实地观察 ,沙障内部积沙较流沙区
远为均匀 ,障内仅局部有堆积现象 ,
这反映了沙障内的输沙规律。将沙障
内的输沙率与流沙区的输沙率相比
较 ,沙障前缘平均减少的输沙率为流
沙区的 73. 33% ,障内 0 L处平均减少
的输沙率为 81. 43% , 8. 2 L处出现输
沙率减少极值为 98. 2% ,说明从流沙
区→沙障边缘→沙障内输沙率急速
降低 ,沙物质大多在沙障的边缘堆
积 ,出现沙障从边缘向内部逐渐被沙埋的过程。 这一结论与实地考察非常融合 ,也与中国科学院寒旱所王训明
在风洞内研究的半隐蔽式防沙体系内风沙流结构特征、积沙过程极为相似。据分析 ,随着风速比 ( V2m /V0. 3 m )
的变化 ,障内输沙量比流沙上输沙量减少 68. 7%～ 98. 2%不等 ,半隐蔽式、平铺式沙柳沙障复式防沙体系除改
变风沙流作用外 ,还大大提高了地面粗糙度。由于沙颗粒与沙柳体系内沙柳发生碰撞 ,输沙率随防沙体系远近
的分布不再简单地遵循对数关系或指数关系 ,其极值出现的距离随风速的增加而波动 ,由于沙柳沙障构成的下
垫面复杂多变 ,其对风沙流结构与风沙活动层风速廓线的影响很难确定。
4 结 论
( 1)半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防沙体系能使体系前沿 ( - 8～ - 4 L)大约 8 H范围内近地表 0. 3 m高度内
风速降低到起沙风速以下 ,随着向防沙体系中心靠近 (- 4～ 16 L) ,半隐蔽式、平铺式沙柳防沙体系基本能控制
0. 2 m高度内近地表风沙流 ,达到风过而沙不起。
( 2)半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防沙体系内外 ,风速比 ( V2 m /V0. 3 m )的变化随着向沙障体系的逐渐靠近呈
非线性增长 ,其总体趋势线为多项式函数 ;粗糙度 (z 0 )的变化则随着风速比 ( V2 m /V0. 3 m )的不断增大表现比
较凌乱 ,有的呈现出线性增长 ,有的则以指数函数增大。
( 3)半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防沙体系内外不同规格沙柳沙障的下垫面 ,对风沙流结构和风速廓线的影
响不一样。当旷野风速小于起沙风速时 ,不同规格的沙柳沙障与粗糙度的变化呈非线性正相关 ,其趋势线方程
为多项式函数 ;当旷野风速大于起沙风速时 ,其趋势线方程为指数函数。
( 4)半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防沙体系内外 ,由于沙颗粒与沙柳体系内沙柳发生碰撞 ,输沙率随防沙体系
远近的分布不再简单地遵循对数或者指数关系 ,其极值出现的距离随风速的增加而波动 ,由于沙柳沙障构成的
下垫面复杂多变 ,其对风沙流结构与风沙活动层风速廓线的影响很难确定。
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41第 2期 赵国平等: 沙柳沙障防风阻沙效益的研究
3 结 论
( 1) Cr单独处理中 ,随着 Cr浓度的增大 ,土样中残余 Cr含量也随之逐渐增大 ,但残余 Cr占外源 Cr的比例
降低 ,说明土壤中外源 Cr的增加会刺激植物对 Cr的吸收 ,导致 Cr向植物中的迁移量增大。
( 2)交互处理中 ,同一 As水平下 ,随着 Cr处理浓度的增大 ,土样中残余 Cr含量随之增大 ;随着 As水平的提
高 ,同一 Cr处理浓度的土壤中由于受外加 As的影响 , Cr残余量也增大 ,说明 Cr向植物中迁移的量降低 ,即 As
的加入阻止了植物对 Cr的吸收 ,从而减少 Cr对植物的毒害 ,且随着 As浓度的增大 ,这种阻止作用越明显。
( 3) As单独处理中 ,随着 As浓度的增大 ,土样中残余 As量也随之逐渐增大。但土壤中残余的 As量大于加
入的外源 As,植物体内吸收的 As受外源 As的影响较小。
( 4)交互处理中 ,在同一 As水平下 ,随着 Cr处理浓度的增大 ,植物样中 As浓度的变化比较平缓 ,而且不同
As水平下植物体中 As浓度的变化趋势基本一致 ,即土壤中 As向植物的迁移受外源 Cr的影响很小。
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上接第 41页
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65第 2期 易秀等: 铬砷及其交互作用对其土壤 -植物系统迁移的影响