全 文 ：第 27卷　第 1期
2006年 3月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
Journa l o f Inne r M ongo lia Ag ricultural University
Vo.l 27　No. 1
M a r. 2006
高立式沙柳沙障防风阻沙效益的研究*
赵国平 1 , 　胡春元 1 , 　张　勇3 , 　严喜斌 4 , 　徐连秀 1
(1. 　内蒙古农业大学生态环境学院 ,呼和浩特　010019;2. 　陕西省治沙研究所,榆林　719000;
3. 　内蒙古锡林郭勒盟林业调查设计队 ,锡林浩特　026000;4. 　鄂尔多斯市林业治沙科学研究所 ,鄂尔多斯　017000)
摘要:　本文以库布齐沙漠穿沙公路和神东公司巴图塔沙柳基地为试验区 , 对高立式沙柳沙障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. 8)软件作出高立式沙柳沙障体系内外的风速流场图 , 并运用粗糙度
(Z0)为物理参数对沙柳沙障的防风效益和阻沙作用进行了系统的研究分析。结果表明:复式带状高立式沙柳沙障
体系内外风速变化较明显 , 2m高风速呈现出在防沙体系的带前增强 , 带内平缓 , 带后减弱的趋势 , 而 0. 5m 高度的风
速在防沙体系内更趋向于平缓而稳定的变化;障前 4H ～ 10H范围内下垫面粗糙度变化不大 , 障间粗糙度明显增大 ,
障后 3H ～ 4H 处的粗糙度比障间粗糙度降低了 72%;当旷野风速大于起沙风速时 , 复式带状沙柳沙障防护体系内
外 , 风速比(V2m /V0. 5m )与输沙量的关系呈对数函数;无高立式沙柳沙障存在时 ,风沙流甚至直接威胁路面 , 沙丘移动
具有前进 、后退 、又前进 , 随风向的变化往复式移动的特点。
关键词:　沙柳沙障;　防风阻沙效益;　粗糙度
中图分类号:　S 727. 235　　　文献标识码:　A　　　文章编号:1009 -3575(2006)01 -0059 - 05
STUD IES ON THE EFFECT OF HIGH SALIX DESERTS BARRIER
ONW IND - BREAK ING AND SAND - BIND ING
ZHAO Guo - ping
1 , 　HU Chun - yuan1 , 　ZHANG Yong3 , 　YAN X i- bing4 , 　XU Lian - x iu1
(1. 　College of Ecology and Environm enta l Science, InnerMongolia Agricultura lUniversity, Huhhot　010019, Ch ina;
2. Shaanxi Prov ince Research Institu te for Sand Control Shaanx iYu lin　710009, China)
Abstract:　The high Sa lix de serts barrier a long the highw ay of crossing kubuqi dese rt and Ba tu ta Salix basew as observed. Then, ac-
co rding to the obse rva tion, by use of the softw are of Sufe r(8. 8) fo r the w ind speed flow chart and the benefit o f w ind - breaking and
sand -b inding of Sa lix dese rts ba rrie rw ith roughness leng th and roughed w ind speed was system a tically analyzed. Be side s, the effects
o f Sa lix de serts barrie r fo r the highw ay of c rossing kubuqi de sert w ere exp la ined. The re su lt showed that the double high sa lix de serts
barrier can bring obv ious change of w ind speed inside and outside system. The 2m high w ind speed present in the system o f contro l
sand, the form er is increasing , the la te r is decreasing and inside is sm oo th, but 0. 5m h igh w ind speed treed to sm ooth and steady;the
roughness leng th of ea rths su rface is smoo th in 4H ～ 10H form er, bu t barrier inside is obv ious increase, in 3H ～ 4H barrier la te r low er
ove r 72% of the roughness leng th, the func tion o f logarithm between thew ind speed ratio (V2m /V0. 5m )and sand - binding when field
w ind speed is en large than leaving speed. If the re is no barrier of con tro l sand, the w ind speed o f sand w ill threa t highw ay directly, the
character of dune mov ing has advance , back and advance, w ith the direction o fw ind m ove to and fro. the h ighw ay Salix de serts ba rrier
protec tion sy stem to contro l the quicksand comp le tely, rem ov ing the sandstorm to flow to m ove the bane towa rd the highway w ith sand
dune befo re, is a k ind o f very valid pro tective sy stem.
Key words:　Sa lix dese rts barrier;　 w ind - breaking and sand - bind ing effe cts;　 roughne ss
* 收稿日期:　2005 - 09 - 09基金项目:　国家自然科学基金资助项目(30360088)作者简介:　赵国平(1979 -),男 ,助工 ,硕士研究生 ,主要从事荒漠化防治研究.
引言
沙柳机械沙障类型 、高度 、规格 、疏透度 、设置方
式等直接影响着工程防沙体系的稳定。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 ,已在沙漠地区公路建设和养
护工作中得到广泛应用 ,但是对高立式沙柳沙障的
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沙柳沙障的防风固沙效益做
过系统的研究 ,但涉及的多为半隐蔽式沙柳沙障的
研究 ,因此本文试图通过野外实地调查和观测 ,对高
立式沙柳沙障的防风阻沙效益进行研究 ,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 。
1　研究地点与方法
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(N40°27′43. 1″, E108°38′51. 0″)、
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 ,高立式沙柳沙障的阻沙作
用的定位观测在穿沙公路 K88 - 89完成 ,防风和阻
沙效益的观测在穿沙公路 K92 - 93和神东公司巴图
塔沙柳基地完成 。
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 200cm和 50cm , 3s取 1组数据 ,
观测时间为 1h,所测风速为瞬时风速 ,每 1测点做 3
次重复 。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 3m in ～
10m in。带回室内用 1 /1000的天平称重 , 计算输沙
量 。
根据 2m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 ,按照下面公式
计算地面粗糙度 z0。
logz0 =
logz2 -
u2
u1
logz1
1 -
u2
u1
(1)
　　式中 z1、z2为观测高度值(m), u1 、u2为高度 z1 、z2
处的风速(m s-1)。Z 0为地面粗糙度(cm)。
Z 0是风速等于零的某一几何高度随地表粗糙度
变化的常数 ,还和空气的层结情况有关 ,对于 1个固
定地点来说 ,除非地面性质有所改变 ,否则 z0通常可
以假设是 1个常数 (吴正 , 1987)。也就是说 ,在中性
湍流边界层中 ,温度随高度的变化基本保持不变 ,空
气密度均一时 ,气流流动为定常流 ,光滑地表的风速
廓线服从对数定律。z0越大 ,表明地面对风速的阻力
越大 ,相对应削弱风速的能力就越大 。
2　结果分析
2.1　高立式沙柳沙障的防风作用
高立式带状机械沙障体系内外风速变化观测点
设置 在 库 布 齐 沙 漠 穿 沙 公 路 K88 - K89
(N 40°27′43. 1″, E108°38′51. 0°)处 ,观测点 1位于裸
露流动沙丘迎风坡坡中 ,西南方向约 200m处为高大
的流动沙丘 ,后续沙源比较丰富;观测点 2位于第 1
列沙障前 8m ,观测点 1、2相距 12m;观测点 3后 0. 6
m、观测点 4前 0. 3m处分别为 2m高相距 6. 1m的两
列沙柳带状沙障 ,保存率约为 60%。通过对两列高
立式沙柳沙障不同高度处风速的观测 (50次瞬时风
速随机抽样观测值 ),从图 1看出 ,高立式沙柳沙障
前后不同观测点 2m与 0. 5m高处风速流场图 ,带状
沙障前 2. 5H ～ 5H的风速流场线和旷野风速线走向
趋势基本一致 ,这说明在第 1列障前 2. 5H ～ 5H的范
围内风速的变化很小;据分析 ,由于高立式沙柳沙障
风速流场变化复杂多样 ,风沙流在第 1列沙柳沙障
遇阻后 ,在沙障背风面 0. 3m ～ 1. 2m处 2m高度出现
了强风涡流区 ,而在 0. 5m高度相同范围内则出现了
弱风区 ,根据实地观测和风速流场分析 ,部分沙物质
便在此范围内沉降 ,而 2m高度的风沙流继续携带沙
物质前行 ,随后遇第 2列沙障后 ,由于风沙流遇阻 ,
又形成涡流 ,动量向上传输很强 ,在 0. 5m和 2m高
度之间造成 1个很大的风速梯度 ,致使在第 2列沙
障前0. 3m ～ 0. 6m区域内 ,上方 2m高度形成强风涡
流 ,下方 0. 5m形成弱风区 ,仍有部分沙物质遇阻沉
降 ,当风沙流跃过第 2列沙柳沙障后 , 由于 2次受
阻 ,迫使风沙流的动能逐渐减小 ,挟沙能力减弱 ,最
后达到了饱和路径 ,便在其后 2H ～ 3H区域内沉降堆
积 。如图 1所示:
60 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报　　　　 　　　　　　　　2006年
图 1　高立式沙柳沙障不同测点风速流场示意图
图 2　高立式沙柳沙障不同观测点粗糙度变化图
2.2　高立式沙柳沙障对下垫面粗糙度的影响
观测点同上 ,通过对各观测点粗糙度计算 (50
次瞬时风速随机抽样值 ),高立式沙柳沙障前后各测
点粗糙度变化很大 ,观测点 1(旷野观测点 )处的平
均粗糙度为 0. 016 11cm ,第 1列沙障前 8m平均粗糙
度为 0. 016 17cm ,几乎和旷野测点的粗糙度相等 ,有
的反而减小 ,但从总体趋势来看 ,复式带状高立式沙
柳沙障对障前 4H ～ 10H范围内下垫面粗糙度影响
不大;而在复式带状沙障间 ,距第 1列沙障后 0. 6m
和第 2列沙障前 0. 3m观测点的粗糙度分别为裸露
流沙的 11倍和 20倍 ,第 2列沙障障后 0. 3m的粗糙
度较第 1列沙障障前 0. 6m的粗糙度显著增高 ,这是
由于沙丘近地表风沙流结构发生变化 ,其原因是过
境风沙流在沙丘基部遇到沙障时 ,近地表层的风速
被降低 ,风沙流中的沙粒开始下沉 ,随着沙粒的连续
沉积 ,气流中的含沙量不断减少 ,致使下层气流动量
向上传输的很快 , 2m高风速变化明显 ,因此可能出
现了上述结果 ,从而使粗糙度的增加更为显著;在复
式带状沙障后 6. 2m处的粗糙度比障间粗糙度降低
了 72%,但还是大大高于旷野测点粗糙度 ,约为旷野
粗糙度的 15倍 ,这说明复式带状高立式沙柳沙障的
防护效益障后有效距离明显的大于障前。如图 2所
示 。
附表　高立式沙柳沙障内外风速与输沙量变化野外观测表
三次
重复
风速(V)及
输沙量(Q)
观测点位置
旷野
观测点 1
复式带状
沙障前 8m
第 1列沙障
后 60cm
第 2列沙
障前 30cm
复式带状
沙障后 6. 2m
Ⅰ
Q
3:54 ～4:00
(g /cm2 m in) 29. 43 57. 138 27. 579 0 5. 44
V2m处平均(m /s) 9. 3 10. 6 11 9. 8 5
V0. 5m处平均(m /s) 7. 4 8 2. 8 2. 2 1. 3
V2m /V0. 5m 1. 257 1. 325 3. 928 4. 455 3. 846
Ⅱ
Q4:00 ～4:06
(g /cm2 m in) 35. 98 73. 591 10. 663 4. 41 7. 16
V2m处平均(m /s) 11 10. 5 13 10. 9 7. 2
V0. 5m处平均(m /s) 7. 8 9. 2 2. 9 2 2
V2m /V0. 5m 1. 410 1. 1413 4. 483 5. 45 3. 6
Ⅲ
Q4:06 ～4:12
(g /cm2 m in) 36. 619 46. 451 22. 692 0 1. 39
V2m处平均(m /s) 8. 5 7. 1 7. 6 7. 7 5
V0. 5m处平均(m /s) 6. 6 6. 3 3. 5 1. 7 1. 6
V2m /V0. 5m 1. 287 1. 126 9 2. 171 4. 529 3. 125
61第 1期　　　　　　　　　　　　　　赵国平等:　高立式沙柳沙障防风阻沙效益的研究
2.3　高立式沙柳沙障内外风速与输沙量的关系
根据野外实测表明 ,公路沿线的高立式沙柳沙
障防止流沙上路发挥了显著的作用 ,在沙障前后有
大量的沙物质被阻滞堆积 。据定点观测 ,沙粒无论
以何种形式运动 ,都以一定风力为其动力 ,由此高立
式沙柳沙障的阻沙作用决定于它的防风性能 。故
此 ,在观测风速的同时 ,在 0cm ～ 10cm范围内 ,设积
沙仪同步观测输沙量 ,每 6m in采样 1次 ,共测 3次
(采沙时设置积沙仪同上图 1风速测点)输沙量结果
如附表所示:
结果表明 ,高立式复式带状沙柳沙障内外风速
变化明显 ,为了更直观的表示风速变化 ,采用风速比
(V 2m /V 0. 5m)表示 。由附表可知 ,从旷野观测点到
复式带状沙障前 8m 、第 1列沙障后 60cm、第 2列沙
障前 30cm ,风速比在不断的增大 ,到第 2列沙障前
30cm达到最大值 ,随着障后观测点距离的增大 ,风
速比也在不断地增加;相对应的输沙量却先增大后
减小 ,从重复 3次的观测结果来看 ,复式带状沙障前
8m的输沙量最大 ,第 2列沙障前 30cm的输沙量最
小 ,也就是说输沙量在复式带状沙障间的积沙值达
到 1个最小值 ,随后随着障后测点距离的增大而又
增加。从由附表可知 ,复式带状防沙体系内 0. 5m高
度的风速更趋向于平缓而稳定的变化 ,这说明高立
式带状防护体系防风效果明显 ,可以有效的减弱下
层气流 ,而 2m高度的风速变化则较大 ,呈现出在防
沙体系的带前增强 ,带内平缓 ,带后减弱的趋势。经
回归分析 , 当旷野风速大于起沙风速时 ,复式带状
沙柳沙障防护体系内外 ,风速比 (V 2m /V 0. 5m )与输
沙量的关系呈对数函数 (图 3),从推算的趋势线方
程可以看出 ,当风速比与输沙量之间为对数函数时 ,
假定风速比为 1,也就是说 2m高度内为风速梯度为
0时 ,输沙量为 47. 616 g /cm2 m in,这与附表中的数
据相符 ,而且相关性也非常显著可达 0. 950 4。如图
3所示。
2.4　高立式沙柳沙障的阻沙作用
2002年 10月 ～ 2003年 4月 ,高立式沙柳沙障
阻沙作用观测点设置在 K88 +300(N40°27′034″,
E108°38′56. 7″)处 ,为了便于观测沙柳沙障的阻沙效
益 ,人为的破坏了两列高立式沙柳沙障 ,首先用水准
仪测出原地貌的相对高程 ,设置标杆 (钢条 )观测原
地貌的风蚀沙埋情况 ,具体方法是前 1次测值减去
后 1次余量 ,如果差为负数 ,表示风蚀 ,正数表示堆
积 。最后换算成测点每平方米面积上风蚀堆积量
(kg /m2)。通过对标杆的风蚀沙埋的 2次观测 (2002
年 10月 、2003年 4月 ),然后作出变化曲线图 ,结果
表明:无高立式沙柳沙障存在时 ,风沙流甚至直接到
达路面 ,沙丘移动具有前进 、后退 、又前进 ,随风向的
变化往复式移动的特点 。但是 ,该地区是西北风向
为主风向 ,所以沙丘由西北向东南方向移动幅度明
显大于反向移动的幅度。从图 4可以看出 ,无沙柳
沙障存在的前提下 ,如图中 a、b两点原高程分别为
0. 19m和 2. 4m ,经过 6个月的风蚀沙埋后 ,沙丘的
地貌发生了明显的变化 , a点堆积了 0. 97m厚的流
沙 ,而 b点却风蚀了 0. 12m厚的沙层 ,沙丘逐渐前移
向公路方向堆积 (如图 4所示)。这说明流动沙丘在
无沙障存在时 ,减少了阻碍而直接前移 ,最终加速了
沙丘的移动 。
图 3　高立式沙柳沙障体系内外风速比
( V 2m /V 0. 5m)与输沙量关系图
图 4　无高立式沙柳沙障存在时
沙丘逐渐活化变化图(6个月)
62 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报　　　　 　　　　　　　　2006年
3　结论
利用 Surfer(8. 8)软件作出不同旷野风速时的流
场图 ,并计算出空气动力粗糙度的基础上 ,对粗糙度
的动力学特性进行分析 ,并分析了高立式沙柳沙障
防沙体系内外风速与输沙量 、粗糙度等的变化关系 ,
结果表明:
3.1　复式带状高立式沙柳沙障体系内外的风速变
化较明显 , 2m高风速呈现出在防沙体系的带前增
强 ,带内平缓 ,带后减弱的趋势;而 0. 5m高度的风速
在防沙体系内外更趋向于平缓而稳定的变化 ,这说
明高立式带状防护体系防风效果明显 ,可以有效的
减弱下层气流。
3.2　复式带状高立式沙柳沙障对障前 4H ～ 10H范
围内下垫面粗糙度影响不大 ,障间粗糙度明显增大 ,
障后 3H ～ 4H 处的粗糙度比障间粗糙度降低了
72%,但还是大大高于旷野测点粗糙度 ,约为旷野粗
糙度的 15倍;
3.3　当旷野风速大于起沙风速时 ,复式带状沙柳沙
障防护体系内外 ,风速比 (V 2m /V 0. 5m )与输沙量的
关系呈对数函数;
3.4　无高立式沙柳沙障存在时 ,风沙流甚至直接威
胁路面 ,沙丘移动具有前进 、后退 、又前进 ,随风向的
变化往复式移动的特点。
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