荒漠化治理

回字形固沙体系固沙效应的风洞模拟试验

  • 屈建军 , 1, 2 ,
  • 朱志昊 , 1, 2 ,
  • 申保收 1 ,
  • 高永平 3 ,
  • 李宏 4
展开
  • 1.西北大学城市与环境学院,陕西 西安 710127
  • 2.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州),广东 广州 511458
  • 3.中国科学院西北生态环境资源研究院,沙坡头沙漠研究试验站,甘肃 兰州 730000
  • 4.中国科学院西北生态环境资源研究院,沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃 兰州 730000
朱志昊. E-mail:

屈建军(1959-),男,博士,研究员,主要从事风沙防治工程研究. E-mail:

收稿日期: 2025-03-17

  修回日期: 2025-05-01

  网络出版日期: 2026-03-12

基金资助

内蒙古自治区科技重大专项“揭榜挂帅”项目(2024JBGS00130203)

Wind tunnel simulation test on sand-fixing effect of the nested-square sand-fixing system

  • QU Jianjun , 1, 2 ,
  • ZHU Zhihao , 1, 2 ,
  • SHEN Baoshou 1 ,
  • GAO Yongping 3 ,
  • LI Hong 4
Expand
  • 1. College of Urban and Environmental Sciences, Northwest University, Xi'an 710127, Shaanxi China
  • 2. Guangdong Provincial Laboratory of Southern Marine Science and Engineering, Guangzhou 511458, Guangdong, China
  • 3. Shapotou Desert Research and Experiment Station, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China
  • 4. Key Laboratory of Desert and Desertification, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China

Received date: 2025-03-17

  Revised date: 2025-05-01

  Online published: 2026-03-12

摘要

本研究基于稳态草方格固沙尺寸(高长比为0.1~0.2),提出新型沙方格沙障技术,就地取沙构建高20 cm、长100 cm的沙方格沙障。该技术虽具有施工便捷、成本低廉优势,但单独使用易受风蚀破坏。为此通过在沙方格外围设置纤维网沙障或刷状草方格沙障,构建创新性回字形防护模式。为明晰沙方格沙障固沙机理,提升回字形固沙体系固沙效益,通过风洞模拟试验设置了单独沙方格沙障,以及纤维网沙障+沙方格沙障和刷状草方格沙障+沙方格沙障两种组合,测量输沙率和沙面蚀积状态。采用函数拟合输沙率随高度的变化关系,并分析纤维网沙障或刷状草方格沙障对沙方格沙障的防护效果。结果表明:(1) 单独使用沙方格沙障能显著降低0~10 cm高度的输沙率,但10 cm以上高度输沙率略有增加。(2) 前置柔性沙障(纤维网沙障或刷状草方格沙障)能有效削弱风沙流动能,进一步降低输沙率,其中刷状草方格沙障的阻沙效果优于纤维网沙障(84.6%>80.6%)。(3) 随着风速增加,沙方格沙障内的蚀积现象逐渐明显,积沙高度增加。在10 m·s-1风速下,前置柔性沙障能有效保护沙方格沙障,防止其高度降低;在更高风速下,刷状草方格沙障的防护效果优于纤维网沙障(沙方格高度分别降低2~8 cm与降低3~9 cm)。(4) 沙方格沙障与前置柔性沙障的联合应用能显著提高沙方格沙障的固沙效果和使用寿命。刷状草方格沙障因其复杂的三维刷状结构、更优的防护性能和较低的综合成本,建议在实际应用中优先考虑。本研究为沙漠化防治中沙障的优化设计提供了新的模式,为就地取材、以沙治沙和回字形治沙体系提供了科学依据和技术支撑。

本文引用格式

屈建军 , 朱志昊 , 申保收 , 高永平 , 李宏 . 回字形固沙体系固沙效应的风洞模拟试验[J]. 干旱区研究, 2025 , 42(9) : 1650 -1659 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.09.09

Abstract

This study proposes an innovative sand-checkerboard barrier system based on optimized, stead-state dimensions (height-to-length ratio=0.1-0.2), constructed using locally sourced sand to create barriers with a height and length of 20 cm and 100 cm, respectively. Although these sand checkerboards are efficient and cost-effective to construct, they are susceptible to aeolian erosion. To overcome this limitation, we developed a nested-square protection system that integrates sand checkerboards with peripheral barriers made of fiber netting or brush straw checkerboards. Through wind tunnel simulations, we systematically evaluated three configurations: standalone sand checkerboards, fiber-net+sand-checkerboard combinations, and brush-straw-checkerboard+sand-checkerboard composites. The quantitative analyses included sediment flux density profiles, surface erosion/deposition patterns, and functional modeling of height-dependent sand transport. The main findings of this study are summarized as follows. (1) Standalone sand checkerboards effectively reduce sediment flux density within 0-10 cm height but increase transport at higher levels. (2) Front flexible barriers significantly attenuate aeolian kinetic energy, with brush straw checkerboards outperforming fiber nets in transport reduction (84.6%>80.6%). (3) Front barriers effectively maintain barrier integrity at 10 m·s-1, whereas brush straw checkerboard demonstrates superior protection under extreme winds than the fiber net counterpart (The height of sand-checkerboard decreased by 2-8 cm vs. 3-9 cm). (4) Synergistic interactions in the composite systems enhance overall sediment retention and extend service life compared to the standalone configurations. The superior performance of the brush straw checkerboard barriers is attributed to their three-dimensional structure, which creates turbulent microzones for enhanced energy dissipation and their lower comprehensive cost. Moreover, this study offers a scientifically grounded framework for optimizing the barrier design, promoting “local-material utilization” and “sand-combatting-sand” strategies in the desertification control. The proposed nested-square system offers a scalable solution that balances ecological sustainability with engineering effectiveness for arid land management.

机械沙障作为风沙防治的核心工程措施,是指利用杂草、树枝以及其他材料,在流沙上设置阻滞风沙流和固定沙面的障碍物[1-3]。在自然条件恶劣地区,机械沙障由于其收效快特点,已成为干旱区沙害治理的首选方案[4]。然而面对广泛的沙化地区,如何在保证固沙效能的前提下实现成本控制,始终是沙障推广应用的核心挑战。现有沙障体系主要通过三个技术路径开展成本优化:其一,材料结构创新路径。著名的草方格沙障通过将农作物秸秆变废为宝来降低材料成本[5],但机械化收割导致的秸秆长度缩短已严重制约原料供给[6]。针对此问题,屈建军等[7]学者研制出新型刷状草方格沙障,相较于传统的草方格沙障,其在施工效率上提高60%以上,使用寿命延长至6 a,展示出替代传统草方格的潜力[8]。其二,就地取材路径。黏土沙障和砾石沙障虽有效节约运输成本,却面临施工成本较高及刚性结构易产生风蚀的问题[9-11];袋状沙障采取以沙治沙的策略来节约成本,但在细沙基质地区使用存在漏沙现象,难以长时间使用[12]。其三,机械化施工路径。当前草方格铺设机器人、大型立体固沙车、小型草方格铺设机械装备等虽缓解了人工成本压力,却存在生产成本高、适应性能差、作业效率低的技术瓶颈[13]
Bo等[14-15]研究得出,在防沙工程中,不需要在沙面连续铺设草方格,在与草方格防沙治沙效果相同的条件下,布设草方格与流沙条带相间体系,可减少铺设面积和成本约60%,减少施工量70%,这一发现为优化防沙工程的空间配置模式提供了重要理论支撑。但实际应用于环塔克拉玛干沙漠锁边工程的效果非常不好,间隔的流沙区域非常多且具有一定规模,间隔铺设沙障方法未起到实质性防沙治沙作用。基于此,作者提出可通过在流沙区域构建新型沙方格沙障(图1a),形成“以沙固沙”的新型防护体系。现有研究表明草方格沙障通过降低风速和增加地表粗糙度来拦截沙粒[8],在障格内气流涡旋作用下,原始沙面得到充分蚀积,沙粒向四周运动,最终达到平衡状态,形成稳定凹曲面,下凹的深度与凹面弦长比值范围一般在0.1~0.2[16-17]。据此,作者利用高长比为0.2的稳态草方格固沙尺寸,就地取沙堆积成高20 cm,长100 cm的沙方格,这种新型的“就地取材、以沙治沙”固沙障,其施工方便,成本低廉,但单独使用易受风蚀,为了防止沙方格沙障受风蚀造成的损坏,作者采用沙方格沙障外围与纤维网沙障(图1b)或刷状草方格沙障(图1c)联用,组合成回字形,以减少成本,规避带状分布易受多风向侵蚀的难点,提高回字形防护体系(图1d)的防护效应。
图1 沙方格沙障、纤维网沙障、刷状草方格沙障和回字形固沙体系

Fig. 1 Sand-checkerboard barrier, fiber net barrier, brush straw checkerboard barrier and nested-square sand-fixing system

沙方格沙障作为就地取材型沙障的创新模式,其构建材料源于风积沙本身,作为沙源-沙障双重载体的沙方格沙障,如何影响风沙流结构?沙方格沙障与纤维网沙障或刷状草方格沙障联用的固沙效益如何?纤维网沙障或刷状草方格沙障对沙方格沙障的防护作用如何?这些都缺乏试验验证,机制解析不足。本研究通过风洞模拟试验,得出沙方格沙障本体及其与纤维网沙障或刷状草方格沙障联用体系的输沙率变化和蚀积状态,探究沙方格沙障的固沙机理,以及纤维网沙障或刷状草方格沙障如何对沙方格沙障进行防护。以期为沙方格沙障具体应用提供科学机理,为回字形固沙体系提供相关技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

风洞模拟试验于2024年11月底在中国科学院西北生态环境与资源研究院沙坡头野外风洞实验室进行,该风洞气流为直流闭口吹气式,可调风速1~40 m·s-1,测量精度在±0.3%~±0.5%。试验段横截面1.2 m×1.2 m,长度21 m,边界层最大厚度为0.5 m,配有风速测量仪风速控制平台、多通道防沙风速风压自动采集系统、数码相机、台式计算机和秒表等设备[18]
采用沙粒堆砌成截面为底40 cm、高20 cm等腰直角三角形的沙埂,一个沙方格由四条沙埂构成,沙埂顶端相距1 m,底端相距60 cm,共布设3个相连的沙方格(图2a)。为提升沙方格固沙效益,紧挨沙方格前方布设两个纤维网方格或刷状草方格(图2b~图2c)。纤维网方格由20 cm宽的纤维网围成,长1 m、宽1 m、高20 cm。刷状草方格由直径20 cm的刷状草绳构成,内部长1 m、宽1 m、高20 cm。
图2 沙方格沙障及其与纤维网沙障或刷状草方格沙障联用

Fig. 2 Sand-checkerboard barrier and its combination with fiber net barrier or brush straw checkerboard barrier

1.2 数据收集

将沙障布设于10 cm厚的积沙表面,每组试验前,均补充沙样,并用工具刮平,以保证沙床的厚度、长度、表面形态一致。利用直立式集沙仪收集0~60 cm高度的输沙量(图2c),集沙仪有60个集沙口,分别长1 cm,宽0.5 cm,在沙障后2 m处摆放。设置6、10、14、18 m·s-1四组试验风速,分别吹蚀沙方格10、4、2、1 min。同时以未设置沙障条件为对照,吹蚀条件与布设沙方格时相同。在沙方格前布设纤维网沙障或刷状草方格沙障,四组试验风速对应吹蚀时间变为10、10、10、5 min。每次吹蚀完成后,用千分位天平称取每个高度层收集的沙重。总输沙率(qz)为不同高度输沙率之和,总输沙率减少率(Rs)由如下方程表示:
R s = 1 - q t g q t f × 100 %
式中: q t g为布设沙障后总输沙率(g·cm-2·min-1); q t f为无沙障时总输沙率(g·cm-2·min-1)。
运用插钎法对沙障内部的蚀积情况进行监测。在沙方格内部设置插钎(图3b),每个沙方格内部13根插钎,三个沙方格共39根插钎。设置6、10、14、18 m·s-1四组试验风速,分别吹蚀10、4、2、1 min。沙方格与纤维网沙障或刷状草方格沙障联用,每个纤维网沙障或刷状草方格沙障内部13根插钎(图3a),沙方格设置插钎情况与单独布设沙方格一样,两个防护沙障和三个沙方格共65根插钎,四组试验风速分别吹蚀10、10、10、5 min。每次吹蚀结束后,根据插钎刻度线确定沙障内部的风蚀积沙高度。
图3 插钎位置和集沙仪

Fig. 3 Plug position and sand sampler

2 结果与分析

2.1 输沙率变化特征

风速6 m·s-1下,无沙障时集沙仪未收集到沙粒,输沙率整体为0 g·cm-2·min-1图4展现出其余风速下无沙障,以及布设沙方格沙障、纤维网沙障+沙方格沙障、刷状草方格沙障+沙方格沙障共4种情况下输沙率分布。在无沙障下,输沙率随着高度的增加而减少,最大输沙率在最靠近沙面的地方。相较于无沙障情况,布设沙方格沙障能显著降低0~10 cm高度输沙率,而10 cm以上高度输沙率略有增加。通过在沙方格沙障前布设纤维网沙障或刷状草方格沙障,可进一步降低输沙率,刷状草方格沙障比纤维网沙障降低效果更好。
图4 不同风速下输沙率变化

Fig. 4 Variation of sediment flux density under different wind speeds

图5展示了不同风速下不同沙障类型沙面上方的输沙率非线性回归,发现沙面上方的输沙率遵循如下指数衰减函数:
q z = a + b × e - z c
式中: q z代表高度为z cm处的输沙率(g·cm-2·min-1),z代表高度(cm),abc代表回归系数。表1展现了回归结果,无沙障拟合优度(R2)均大于0.99,有沙障拟合优度均大于0.92,所有回归关系均具有统计学意义(P<0.001)。
图5 不同沙障类型输沙率拟合

Fig. 5 Fitting of sediment flux density of different sand barrier types

表1 不同沙障类型输沙率回归分析结果

Tab. 1 The regression analysis results of sediment flux density of different sand barrier types

沙障类型 风速/(m·s-1 a b c R2 P
无沙障 10 0.002 2.156 2.512 0.990 <0.001
14 0.064 14.941 2.979 0.992 <0.001
18 0.077 26.582 5.085 0.991 <0.001
沙方格沙障 10 0.006 0.407 7.359 0.960 <0.001
14 -0.065 2.059 16.503 0.983 <0.001
18 -1.156 6.723 29.010 0.959 <0.001
纤维网沙障+沙方格沙障 10 0.002 0.078 5.762 0.924 <0.001
14 0.007 0.758 9.357 0.957 <0.001
18 -0.184 2.782 18.425 0.983 <0.001
刷状草方格沙障+沙方格沙障 10 0.000 0.056 9.291 0.952 <0.001
14 -0.009 0.369 15.561 0.976 <0.001
18 -0.168 1.921 22.872 0.983 <0.001
由不同风速下总输沙率的减少率(Rs)可知(表2),在10、14、18 m·s-1的风速下,沙方格沙障的Rs值分别为29.6%、31.7%和22.7%,其Rs平均值为28.0%;纤维网沙障+沙方格沙障的Rs值较沙方格沙障分别提升了58.6%、51.0%和48.2%,其Rs平均值提升了52.6%;刷状草方格沙障+沙方格沙障的Rs值较沙方格沙障分别提升了59.6%、56.4%和53.8%,其Rs平均值提升了56.6%。刷状草方格沙障对沙方格沙障的帮助效果好于纤维网沙障。
表2 不同风速下不同沙障类型总输沙率减少率

Tab. 2 Reduction percentage of total sediment flux density of different sand barrier types under different wind speeds

沙障类型 风速/(m·s-1 平均
10 14 18
沙方格沙障 29.6% 31.7% 22.7% 28.0%
纤维网沙障+沙方格沙障 88.2% 82.7% 70.9% 80.6%
刷状草方格沙障+沙方格沙障 89.2% 88.1% 76.5% 84.6%

2.2 蚀积动态变化特征

风速6 m·s-1下,沙粒未启动,未出现蚀积状态。图6展示出其余风速下沙方格沙障内的蚀积状态。风速10 m·s-1下,第一个障格内前端和两侧出现积沙(0.0~0.5 cm),中央出现风蚀(-0.1~0.0 cm);第二个障格内两侧出现积沙(0.0~0.5 cm),中央出现风蚀(-0.2~0.0 cm);第三个障格内四周出现积沙(0.0~0.4 cm)。风速14 m·s-1下,第一个障格内前端和两侧出现积沙(0.0~0.8 cm),中央出现风蚀(-0.3~0.0 cm);第二个障格内沙面较平稳(-0.1~0.3 cm);第三个障格内后半部分出现积沙(0.0~0.7 cm)。风速18 m·s-1下,第一个和第二个障格内前半部分出现积沙(0.0~1.4 cm),第三个障格内整体出现积沙(0.1~1.8 cm)。随着风速变大,积沙高度逐渐增加,整体来看第三个障格积沙高度与沙面平稳状态更好。
图6 不同风速下沙方格沙障蚀积变化

Fig. 6 The change of erosion and deposition of sand-checkerboard barrier under different wind speeds

由于受到纤维网沙障或刷状草方格沙障防护,沙方格沙障在10 m·s-1风速下未出现蚀积变化,因此未对其比较。从图7可以看出,风速14 m·s-1下,积沙主要集中在第一个纤维网障格内,内部最高积沙高度为1.6 cm,第二个纤维网障格内积沙高度在0~0.4 cm;沙方格内两侧均出现积沙(3个沙方格分别为0.0~0.8 cm、0.0~0.8 cm和0.0~1.7 cm),第二个和第三个沙方格内中央出现风蚀(分别为-0.2~0.0 cm和-0.3~0.0 cm),最低风蚀深度达-0.3 cm。风速18 m·s-1下,积沙主要集中于第一个纤维网障格内后方和第二个纤维网障格内前方,积沙高度最高达2.0 cm;沙方格内前端和两侧均出现积沙(3个沙方格分别为0.0~0.8 cm、0.0~1.2 cm和0.0~1.6 cm),中央出现风蚀(3个沙方格分别为-0.4~0.0 cm、-0.4~0.0 cm和-0.5~0.0 cm),最低风蚀深度达-0.5 cm。相较而言,纤维网后方第一个沙方格沙面更平稳(-0.4~0.8 cm),第三个障格沙面起伏更大(-0.5~1.7 cm)。
图7 不同风速下沙方格沙障与纤维网沙障联用蚀积变化

Fig. 7 The change of erosion and deposition of sand-checkerboard barrier and fiber net barrier under different wind speeds

由刷状草方格沙障对沙方格沙障的蚀积影响效果可知(图8),积沙主要集中于第一个刷状草方格内,不同风速最高积沙高度分别可达1.9 cm和2.8 cm。第二个刷状草方格内积沙程度较轻,不同风速最高积沙高度分别可达0.5 cm和0.8 cm。第一个和第三个沙方格内出现风蚀,不同风速最深风蚀深度可达-0.2 cm和-0.3 cm。相较而言,刷状草方格后方第一个沙方格沙面更平稳(-0.2~0.8 cm),第三个沙方格沙面起伏更大(-0.3~1.9 cm)。
图8 不同风速下沙方格沙障与刷状草方格沙障联用蚀积变化

Fig. 8 The change of erosion and deposition of sand-checkerboard barrier and brush straw checkerboard barrier under different wind speeds

表3展示了不同风速吹蚀下沙方格沙障高度变化。10 m·s-1风速吹蚀5 min,沙方格高度降低1~2 cm,而增加了纤维网沙障或刷状草方格沙障防护,吹蚀10 min后沙方格高度不变。14 m·s-1风速吹蚀2 min,沙方格高度降低4~5 cm,而增加了沙障防护后吹蚀10 min,纤维网沙障防护的沙方格高度降低3~5 cm,刷状草方格沙障防护的沙方格高度降低2~5 cm。18 m·s-1风速吹蚀1 min,沙方格高度降低8~10 cm,而增加了沙障防护后吹蚀5 min,纤维网沙障防护的沙方格高度降低5~9 cm,刷状草方格沙障防护的沙方格高度降低5~8 cm。纤维网沙障或刷状草方格沙障可以有效防护沙方格,相较而言,刷状草方格沙障防护效果更好。
表3 沙方格沙障高度变化

Tab. 3 The height change of sand-checkerboard barrier

沙障类型 风速/(m·s-1
10 14 18
沙方格沙障 18~19 cm 15~16 cm 10~12 cm
纤维网沙障+沙方格沙障 20 cm 15~17 cm 11~15 cm
刷状草方格沙障+沙方格沙障 20 cm 15~18 cm 12~15 cm

3 讨论

沙方格沙障作为一种固沙障,对拦截风沙流有一定效果,但因其由沙粒堆砌而成,易受风沙流破坏,同时也扮演着沙源的角色,因此,如何应用沙方格沙障这把双刃剑很重要。本研究采用纤维网沙障或刷状草方格沙障这两种防风固沙性能优异的沙障来辅助沙方格沙障,将风沙流的动能削弱,从而提高沙方格沙障的使用寿命与固沙效益。

3.1 沙方格沙障及其与柔性沙障联用下输沙率差异

布设沙方格沙障能显著降低0~10 cm高度的输沙率,表明沙方格沙障在近地面处对沙粒的阻挡和固定作用明显,这与草方格效果相似[19-20]。而沙方格沙障没有透风性,靠近沙面气流只能挤压沿着沙障向上形成喷射流[21-22],导致10 cm以上高度的输沙率较无沙障略有增加。通过在沙方格沙障前布设纤维网沙障或刷状草方格沙障,可以减弱风沙流动能,使沙粒截留在前方障格内[23],降低风沙流对沙方格沙障的破坏效果,从而进一步降低输沙率。屈建军等[8]通过风洞模拟试验发现刷状草方格沙障流场中出现反向气流,形成涡旋。而邓雅文等[24]通过风洞模拟试验构建纤维网沙障流场,流场风速均大于0 m·s-1,并未出现反向气流。可见刷状草方格沙障相较于纤维网沙障,其具有复杂的三维刷状结构,兼具柔性变形和绳基固结特点,气流穿过沙障间隙,更容易产生湍流,减小风沙流动能[25],从而减少沙粒的输移,导致刷状草方格沙障的阻沙效果好于纤维网沙障。经过传统草方格沙障影响,输沙率服从高斯分布(R2>0.92)[26]。而受到刷状草方格沙障干扰,输沙率分布可分为两部分:高度在沙障高度以下,输沙率分布遵循指数衰减模型(R2>0.94);高度在沙障高度以上,输沙率分布遵循高斯分布模型(R2>0.98)[27]。沙方格沙障这种新型沙障,其与无沙障情况下的输沙率分布均遵循指数衰减模型(R2>0.92)[28-30],通过构建不同沙障的输沙率分布模型,可明晰沙障对风沙流结构的影响。综上所述,前置柔性层(纤维网沙障或刷状草方格沙障)主要通过弹性变形或产生小尺度湍流减小风沙流动能,降低输沙率;后置沙方格沙障通过刚性结构产生大尺度湍流,进一步消耗风沙流剩余动能。布设沙方格沙障、纤维网沙障+沙方格沙障和刷状草方格沙障+沙方格沙障均能有效降低输沙率,其中刷状草方格沙障+沙方格沙障的效果最佳。

3.2 沙方格沙障及其与柔性沙障联用对蚀积状态影响

随着风速变大,沙方格沙障顶端逐渐被破坏,高度大幅下降,部分沙方格沙粒落入障格内。风沙流受到沙方格的干扰,动能减弱,携沙能力下降,导致风沙流携带沙粒截留在障格内。并且障格内出现涡旋,使得沙粒移位,最终形成与草方格相似的凹曲面[8]。随着风速的增加,沙方格沙障内的蚀积现象逐渐明显,积沙高度也逐渐增加,这与以往研究结果相近[31]。10 m·s-1较低风速下,沙粒主要被拦截在障格前端,而随着风速增加,风沙流动能提升,积沙区域逐渐向后扩展。风沙流受到三个沙方格沙障的逐级能量损耗,实现沙粒逐级沉降,第三个障格在不同风速下均表现出较好的沙面平稳状态,这与镁水泥板沙障效果相近[32]
由于受到纤维网沙障或刷状草方格沙障的防护,风沙流破坏能力受到削弱,沙方格沙障在10 m·s-1较低风速下未出现蚀积变化。随着风速增大,纤维网沙障积沙区域后移,分布于两个障格内,而刷状草方格沙障积沙仍旧集中于第一个障格内,可见刷状草方格沙障具有良好的适应性,在较高风速条件下仍能保持稳定的防风效果[26]。相较而言,刷状草方格沙障拥有三维刷状结构,可诱导小尺度湍流,能够更有效地削弱风沙流动能,减小其破坏效果,使得后方沙方格沙障最深风蚀深度分别可达-0.2 cm和-0.3 cm,体现出刷状草方格沙障对沙面的保护效果更好。
无防护时,随着风速增大,沙方格沙障高度变低,其损坏程度变大。在10 m·s-1较低风速下,纤维网沙障或刷状草方格沙障削弱风沙流动能,能够有效保护沙方格沙障,防止其高度降低。在14 m·s-1和18 m·s-1风速下,纤维网沙障防护的沙方格沙障高度分别降低3~5 cm和5~9 cm,刷状草方格沙障防护的沙方格沙障高度分别降低2~5 cm和5~8 cm,这表明刷状草方格沙障的防护效果优于纤维网沙障。
在实际应用中,沙方格沙障仅需人工施工成本,避免了其余沙障的材料成本与运输成本。工人使用铁锹首先就地将沙粒堆砌成多条横向沙埂,其次在此基础上再堆砌多条纵向沙埂以形成沙方格沙障,1 hm2地成本在6000元左右。刷状草方格沙障已实现机械化生产,将散装麦草或稻草制作而成草帘和通用的草绳,通过专有设备聚合一体,制作而成多段刷状草绳[7]。在实际施工时,仅需将生产出的刷状草绳运往治沙区域,按照传统草方格网状铺设,相互交叉固定成方格网,无需压埋[8]。刷状草方格沙障1 hm2的材料、运输和人工成本合计39000元左右,而纤维网沙障1 hm2合计成本大约52500元,刷状草方格沙障成本较纤维网沙障降低25.7%。综合来看,刷状草方格沙障实际应用性强于纤维网沙障。
本研究选取了一种高长比为0.2的沙方格沙障进行风洞模拟试验,将来还可设置不同高长比(0.1和0.15)的沙方格沙障进行风洞模拟试验对比其固沙效益,利用数值模拟计算沙方格的防风效益,结合野外实地观测来筛选出适合的沙障,为沙方格沙障的应用提供更多选择,为回字形固沙体系提供更优的沙障配置。

4 结论

(1) 沙方格沙障作为一种固沙障,对拦截风沙流具有显著效果,尤其在近地面处对沙粒的阻挡和固定作用明显。然而,由于其由沙粒堆砌而成,缺乏透风性,易受风沙流破坏,且可能成为新的沙源。因此沙方格沙障的合理应用需要结合其他防护措施来进行。
(2) 通过在沙方格沙障前布设纤维网沙障或刷状草方格沙障,能够有效削弱风沙流动能,降低输沙率。其中,刷状草方格沙障由于其复杂的三维刷状结构,兼具柔性变形和绳基固结特点,能够产生小尺度湍流,进一步减小风沙流动能,其阻沙效果优于纤维网沙障。
(3) 随着风速增加,沙方格沙障内蚀积现象逐渐明显。在10 m·s-1风速下,积沙主要集中在障格的前端和两侧,中央区域出现风蚀;而在18 m·s-1风速下,积沙现象更加显著,第三个障格的沙面整体较为平稳。沙方格沙障通过逐级能量损耗实现沙粒的逐级沉降,第三个障格在不同风速下均表现出较好的沙面平稳状态。
(4) 纤维网沙障或刷状草方格沙障能够有效削弱风沙流的破坏能力。相较于纤维网沙障,刷状草方格沙障防护的沙方格沙障高度降低更少,障格内沙面风蚀深度更小,刷状草方格沙障能够更有效地保护沙方格沙障的完整性。
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