仿真固沙灌木防风积沙效应的风洞模拟研究

仿真固沙灌木是一种由抗老化的高分子化合物聚合而成并具有与油蓠、沙蒿等沙生灌木相似外部形状的新型防风固沙材料.在风洞内对不同疏透度(β)的仿真固沙灌木,在7,9,12,15 m/s的实验风速下进行模拟研究,测定其防风与积沙效应,探讨输沙量与风速和疏透度之间的关系.结果表明:仿真固沙灌木在不同风速条件下,整个风速流场过程可分为灌木前部、灌木内部、灌木后部3个区域,形成6个减速区和4个加速区,共10个新能区.其中,障前H、0.5H区域和障后0.5H～3H区域为主要的风速削减区.不同疏透度的仿真固沙灌木在不同风速条件下其水平风速降低趋势一致,平均降幅在35%～46%之间,其中,枝条数20根、疏透度(β)为36%～41%的仿真固沙灌木降幅最大.不同疏透度仿真固沙灌木障后输沙量随风速增加而增大,但其阻沙效益差异显著,疏透度(β)为36%～41%的仿真植物在不同风速下阻沙效益稳定,表现好.从仿真植物的构型设计与生产成本、防护效应及实际设置等方面综合考虑,初步确定仿真固沙灌木最佳疏透度(β)应在30%～40%之间,枝条数量在16～20根之间较为合适.     

两种不同配置灌木林防风固沙效益

[目的]探讨退化梭梭(Haloxylon ammodendron)林和仿真灌木+梭梭灌木林对风沙流的风速、输沙通量及其沙粒的分布影响,为干旱区退化的防风固沙林功能恢复和建立提供参考。[方法]同时测定不同高度下裸沙地、仿真灌木+梭梭林和梭梭林的风速、输沙通量及其沙粒径,比较分析其风速消减率、输沙通量变化及沙粒度随高度分布。[结果]在风速3.0~8.9m/s范围,仿真灌木+梭梭林内的20cm高度的风速平均削减率达到61.35%。梭梭林的输沙通量是仿真灌木+梭梭林的1.5倍,裸沙地平均输沙通量是仿真灌木+梭梭林输沙通量的4.13倍。梭梭林与仿真灌木+梭梭林的输沙通量随高度变化都呈指数递减,其风沙流含沙量及沙粒度的空间变化在10cm以下较大。[结论]仿真灌木+梭梭林降低了林地风沙流中黏粉粒(≤0.02mm)向空气中输送量,改变了风沙流的沙粒度空间结构,迫使风沙流的输沙集中在较低层。     

温度和降水对中国草本植物、灌木和乔木养分重吸收特征的影响

为进一步完善我国植物养分循环模型,收集了51篇国内外中英文文献进行meta分析,研究了草本植物、灌木、乔木氮(N)、磷(P)重吸收特征的差异及温度和降水量对其产生的影响。结果表明：(1)我国草本植物、灌木、乔木凋落叶平均N含量分别为9.05,14.91,12.72 mg/g,草本植物、灌木、乔木凋落叶平均P含量分别为0.50,0.79,0.76 mg/g。草本植物、灌木、乔木的平均N重吸收率分别为64.16%,51.97%,35.82%,草本植物、灌木、乔木的平均P重吸收率分别为65.51%,46.74%,41.72%;(2)草本植物调落叶N,P含量显著低于灌木和乔木,但草本植物N,P重吸收率显著高于灌木和乔木,灌木N重吸收率显著高于乔木,灌木的其他养分重吸收特征与乔木没有显著差异;(3) 3种生活型植物凋落叶N和P含量与年均温呈正比,而N重吸收与年均温呈反比,P重吸收率与年均温不相关。3种生活型植物凋落叶N含量和N重吸收率分别与年均降水量呈正比和反比,凋落叶P含量和P重吸收率均与年均降水量不相关。本研究中草本植物较高的养分重吸收率可能说明其相较灌木和乔木更新速率更快,不同生活型植物对...     

基于风洞模拟试验的典型机械防沙工程防护效益对比

为探究3种典型机械防沙工程措施实施后所体现的防护效益，通过风洞模拟试验，以敦煌黑山嘴地区的典型机械防沙工程为参考，对草方格与尼龙网格状沙障及阻沙栅栏的防风、固阻沙效益进行系统的对比分析。结果表明：草方格与尼龙网格状沙障的布设均能有效降低风速，当指示风速为20 m/s时，1.5 cm高度的风速降低率分别达到82.5%与80.9%,同时极大地增加流沙地表粗糙度，显著影响当地的风速变化；此外，两者在不同高度对风速削弱能力差异明显；草方格与尼龙网格状沙障也深刻影响当地风沙流结构，其中草方格沙障的固沙能力主要体现在近地表；阻沙栅栏前后平均输沙率降低44.2%,同时对当地流场结构影响深刻。综合分析可知，草方格与尼龙网格状沙障防风、固沙效益良好，阻沙栅栏阻沙效益显著。研究结果可为当地机械防沙工程建设提供指导，同时对其他地区防沙工程布设予以借鉴。     

均匀式沙蒿防风阻沙效益模拟试验研究

沙蒿广泛分布在半固定沙地、固定沙地,是固沙造林的理想植物,研究沙蒿的防风阻沙效益对沙区人工植被建设和土壤风蚀防控具有十分重要的理论指导意义。利用HOBO多剖面自计式遥测风速廓线仪和组合式多通道通风集沙仪,对盖度分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%的人工模拟均匀式沙蒿林内风速、粗糙度、近地表输沙率等进行了观测。结果表明,盖度50%是均匀式沙蒿的一个临界点,当植被盖度不大于50%时,随着植被盖度的增大,林内近地表风速逐渐降低,粗糙度逐渐增大,近地表输沙率逐渐减小;当植被盖度大于50%时,随着盖度增加,林内的近地表风速、粗糙度、近地表输沙率并无明显变化。     

不同配置方式沙蒿灌丛对土壤风蚀影响的对比分析

沙蒿灌丛广泛分布在半固定沙地、固定沙地、覆沙滩地、梁地等多种生境中,是固沙造林的理想植物。研究不同配置方式的沙蒿对土壤风蚀的影响对于干旱、半干旱地区生态建设和防治土壤风蚀具有十分重要的意义。本文选取毛乌素沙地常见的覆盖度在20%～25%的3种配置格局沙蒿灌木林进行分析研究,通过其对周围的风场分布以及风能变化两个方面出发进行研究,从量化的角度探讨灌木群落风场中粗糙度、风速廓线、风力衰减等问题,比较不同配置格局的林带对土壤风蚀的影响程度,综上所述,结果表明,行带式、均匀式、随机式沙蒿配置方式的风速廓线都遵循一元线性回归;覆盖度相同的3种配置方式,行带式配置的沙蒿林内地表粗糙度最稳定,平均防风效果最好。研究表明,行带式沙蒿对于土壤风蚀的防治效果最好。     

固沙植物防蚀效应研究

对流动沙丘采取埋设机械沙障与栽培固沙植物相结合的方法进行治沙;平缓固定沙地营造防护林带,然后进行农业开发。经过5 a的围封治理,防护林带与固沙植物发挥了显著的防护作用。防护林带可降低风速10~23%,提高气温0.1~1.0℃,增加地温1.5~3.1℃。流动沙丘植物覆盖率由15%增加到45%~85%,风速降低3.9%~31.7%,地温增加0.1~1.2℃。固沙植物起到了防止土壤风蚀的作用,防护林带5~10倍树高范围内无风蚀发生,而防护林带作用以外地区,风蚀面积达10%,侵蚀深度为0.6~3.6 cm。流动沙丘经过治理以后转化为半流动沙丘,移动速度仅为0.3~0.5 m/a,而附近没有治理的流动沙丘的流动速度达20~30 m/a。     

乌珠穆沁沙地生物基可降解聚乳酸(PLA)沙障防风固沙效益

为了探究PLA沙障对乌珠穆沁沙地沙化治理的效果,以方格状铺设不同规格(方格边长0.5 m×0.5 m, 1 m×1 m, 2 m×2 m和3 m×3 m)PLA沙障,以不同规格沙障影响的风蚀特征为研究对象,裸沙地设置对照(CK),采用美国HOBO便携式风速采集仪观测距地表10,20,50,100,200 cm高度的风速,同时使用自动旋转集沙仪收集近地表0—30 cm高度输沙量,分析了防风效能、固沙效益和风沙流挟沙粒径的变化特征。结果表明：(1) PLA沙障规格小于3 m×3 m时,风速廓线呈“S”型变化趋势;PLA沙障平均的地表粗糙度为0.64 cm, CK的平均粗糙度为0.51 cm,粗糙度提高了25.48%。(2)铺设PLA沙障后输沙量降低了38.72%～75.69%;PLA沙障输沙率随高度呈现良好的指数关系(R²>0.77);1 m×1 m和2 m×2 m沙障的固沙效益高于其他2种规格沙障,3 m×3 m规格的固沙效益最低,基本接近CK。(3)乌珠穆沁沙地风蚀物颗粒大小介于2～500μm,且大部分颗粒为100～250μm的细沙;铺设PLA沙障后,障格内...     

不同喷洒浓度沙蒿胶固沙效果试验

为了探究沙蒿胶的固沙效果,采用不同质量分数(0、0.02%、0.05%、0.10%、0.20%和0.50%)的沙蒿胶喷洒试验,对固沙试样的固结层厚度、抗压强度、抗风蚀能力、团聚体水稳定性、渗透性、保水性和沙蒿胶对植物种子萌发及幼苗生长的影响进行测定。结果表明:1)喷洒沙蒿胶后,固沙试样的固结层厚度和抗压强度显著增加,抗风蚀能力明显增强,质量分数0.10%的沙蒿胶处理,其起沙风速均在20 m/s以上;2)沙粒在沙蒿胶的作用下相互胶结,微团聚体质量百分数显著降低,大团聚体百分数显著增加;3)团聚体平均质量直径显著增加,表明沙蒿胶提高了沙样的水稳定性;4)沙面形成的固结层具有良好的渗透性,利于水分的入渗,沙蒿胶良好的吸水性和保水性,能够促进虫实(Corispermum puberulum)和沙蒿(Artemisia sphaerocephala Krasch.)2种固沙先锋植物种子的萌发及幼苗的生长。可见,沙蒿胶具有良好的固沙效果,且固沙成本低,可以作为一种环境友好型固沙剂,与生物固沙结合用于治沙,沙蒿胶喷洒质量分数以0.20%为宜。研究可为沙蒿胶的固沙应用提供理论依据。     

塔克拉玛干沙漠腹地的生态条件及植物防沙试验研究

在塔克拉玛干沙漠腹地特殊的生态条件下,通过植物固沙试验,对植物固沙中重要环节的植物种选择、配置、造林密度和造林季节以及合理灌溉问题进行了研究,并对不同灌溉条件下沙地盐分积累状况,以及对植物生长发育的影响进行了比较深入的研究。指出用矿化度>7.41g/L的咸水灌溉,对耐盐性较弱的固沙灌木的生长发育有限制作用。用矿化度<4.13g/L的咸水灌溉,在沟灌条件下对一般固沙灌木生长发育在短期内没有不利影响。而在滴灌条件下,林地盐分积累有逐年增加的趋势,这对固沙灌木的生长发育有一定的影响,可以用定期淋洗的方法来降低盐分的积累。     

模拟降雨下林下覆被结构对产流产沙过程的影响

植被具有良好的水土保持效益,深入了解覆被结构特征与产流产沙关系是研究植被防蚀功能的基础。以鄂中地区典型森林植被为对象,通过人工模拟降雨试验研究5种覆被结构(灌木、草本、枯落物、灌木+草本、灌木+草本+枯落物)和侵蚀性降雨(60,90,120 mm/h)对坡面侵蚀产沙过程的影响。结果表明:(1)坡面产流率、产沙率随降雨时间先迅速增大,后缓慢增大,最后达到稳定趋势。降雨强度是坡面侵蚀产沙的主导因素,与产流时间、产流率和产沙率呈显著正相关关系(p＜0.01)。(2)在有/无枯落物存在的情况下,植被覆盖度、植株密度分别是坡面产流产沙的主要影响因素。径流含沙量在不同覆被结构覆盖下表现为:草本＞灌木＞枯落物＞灌木+草本＞灌草枯。(3)结构特征参数对产流产沙影响的优先等级为覆盖度、生物量、植株密度、多样性指标,即水平结构＞竖直结构＞物种组成＞空间格局。研究结果旨在揭示覆被结构对坡面侵蚀产沙的作用机理,为南方林地土壤侵蚀模型的构建提供科学参考。     

改性水溶性聚氨酯的固沙促生性能及其机理

为探明改性水溶性聚氨酯(W-OHC)固沙促生机理,采用室内试验,研究其固沙的渗透性能、抗压性能、表面硬度、抗风蚀性、抗冻融性、保水性能等基本性能,并开展室外试验进行验证。结果表明,W-OHC在沙表面具有良好的渗透性,当W-OHC浓度为3%时,渗透厚度可达到14 mm。固沙层抗压强度随着浓度增加逐渐增大,最大可达到1.27 MPa,表面硬度随着W-OHC浓度增加呈增大趋势,可达到23.2 mm以上,且抗风蚀效果良好,浓度为3%、喷洒量为3 L/m2时,固沙层可抵抗25 m/s的风速侵蚀而7 min内表面基本不发生变化,在50次冻融循环条件下,抗压强度和表面硬度的损失率10.2%和6.5%。W-OHC溶液固化后形成空间网状结构,可以起到很好的保水促生作用,相同条件下的水蒸发率降低50%以上,可大大延长干旱条件下植被的生长周期,提高植被恢复的效率。室外验证表明,3%W-OHC喷洒的试验区2 a后的植被覆盖率可达85%。研究为W-OHC在防风固沙方面的规模化应用提供理论和技术支撑。     

沙漠-河岸过渡带不同天然植被群落类型防风效应评估

为了评估不同天然植被群落类型的防风效应,我们在库布齐沙漠与黄河河岸之间的生态过渡带选取了柠条（Caragana intermedia）、白刺（Nitraria tangutorum）、拂子茅（Calamagrostis ep igejos）、赖草（Leymus secalinus）和芨芨草（Achnatherum sp lendens）等5种常见的天然灌草植被群落以及裸露沙地,并对其防风效应作了比较。结果表明,这几种不同天然植被群落类型的在近地面（10 cm）防风效应从大到小的次序是:赖草群落>芨芨草群落>拂子茅群落>裸露沙地>白刺群落>柠条群落;同一天然植被群落类型不同高度的防风效应也有较大差异;随距离地面高度的变化,不同植被群落风速降低率亦有变化。为干旱、半干旱地区天然植被群落的保护提供了科学依据。     

毛乌素沙地不同防风材料降低风速效应的比较

在干旱半干旱区植被生态建设过程中 ,需要进行决策并经常引起争论的问题是 ,应该选择哪种类型植被 ,才能获得最大的防风效应。为比较不同防风材料降低风速效应的差异 ,在春季大风天气 ,选取毛乌素沙地 5种常见的灌草乔植物和 2种常见的人工防风材料栅格沙障和栅栏 ,进行防风性能野外实地观测。分析结果表明 ,几种防风材料降低风速性能从大到小的次序为 :沙蒿 >芨芨草 >杨柴和牛心朴子 >沙障 >栅栏 >旱柳 ,沙蒿性能最好 ,降低风速比率达到 0 .49,旱柳性能最差 ,近似为 0 ;就乔、灌、草植被类型而言 ,防风效应的一般次序为 :灌木 >草本 >乔木。据此认为 ,干旱半干旱区植被生态建设中 ,坚持以灌木和草本植物为主的原则 ,才能提高有效水资源的利用效率 ,取得较好的环保效益。     

不同铺设形式对固沙砖沙障防风沙效果影响的风洞试验

[目的] 研究带孔沙砖的铺设形式对风场特性和防风沙效果的影响,旨在为选择新型防风固沙材料提供理论依据。[方法] 通过风洞试验,探究净风条件下方格沙障、梯度行列式沙障的风压分布及平均风压系数波动情况;重点对比分析了风沙条件下这2种不同沙障形式的障后风速、防风效能和积沙效果。[结果] 相比于梯度行列式沙障,方格沙障内部平均风压系数均为负值,内部风流循环产生涡旋使其受压更稳定,且障后平均风速衰减率更高;防风效能沙障高度出现了先升高后下降的趋势,在10 cm高度方格沙障的防风效能为64.3%,比梯度行列式沙障高4.2%;方格沙障第1排、第2排后方格内总沙粒沉积率分别是梯度行列式沙障的1.14,1.66倍,且方格沙障的障后沉积沙粒量、障后沉积范围均要小于梯度行列式沙障。[结论] 方格沙障具有使风流明显衰减的功能,阻沙率大于梯度行列式沙障,沙粒主要沉降在方格内部,其防风沙效果最好,为最优铺设形式。     

库布齐沙漠新材料沙障的风速廓线特征

[目的]在库布齐沙漠杭锦旗独贵塔拉工业区测试HDPE网和植物纤维网新材料沙障防沙技术,为工程沙障对比优选提供理论支持。[方法]采用Met One 014A/024A型8通道风速风向仪(CR200X数采仪),观测沙障内20,80,150和200cm这4个高度的1min平均风速,对比分析不同材料、规格、高度的方格沙障及前沿高立式阻沙栅栏影响下的风速廓线特征。[结果](1)几种不同规格和高度的HDPE网和植物纤维网方格沙障及前沿高立式阻沙栅栏,都能显著降低近地表风速,具有良好的防风固沙效应。(2)方格沙障中心风速垂直变化幅度和变化规律,仅与沙障平面规格和外露高度密切相关,与试验材料基本无关;相同平面规格的方格沙障,外露高度越大,降风效果越显著;相同外露高度的方格沙障,小规格沙障的降风效果较为显著。(3)沙障防风固沙效益对比,需要充分考虑地貌部位、坡向、坡度、地表状况等的影响,对比观测未实施防沙措施的裸沙区对应地貌部位的输沙强度、风沙流场等因素,以便准确获取工程沙障效益参数。[结论]库布齐沙漠采用的新材料工程沙障措施具有显著的降风效应,在库布齐沙区的生态治理领域具有良好的推广前景。     

起沙风速的观测方式及其影响因素研究综述

起沙风速作为研究风沙运动规律、解决风沙工程问题的关键指标之一受到广泛关注。学者们根据研究目的及内容的不同总体主要采用两种研究方法:一是利用风速仪在野外进行直接测量;二是在之前学者研究的基础上,利用理论模型,通过计算临界摩擦速度等求得起沙风速。学者们在选择研究方法时会以研究内容作为参考,而起沙风速的影响因素是其中重要的一项。起沙风速受多种因素的影响,通常情况下:①起沙风速随粒径的增大而增大,但含水量变化会使这种现象发生改变;②植被覆盖度越大、植被类型越丰富、组合模式越复杂起沙风速越大;③地表结皮率、砾石覆盖度、地表粗糙度等均会对起沙风速产生影响。     

格库铁路不同固沙措施的防护效益

[目的]确定格库铁路沿线最佳固沙措施,为沿线固沙措施布设提供理论依据。[方法]通过流体仿真(ANSYS fluent)模拟格库铁路沿线高密度聚乙烯(high density polyethylene,HDPE)板和固化沙垄方格周围的流场变化、防护距离和积沙形态变化过程。[结果]当气流通过HDPE板和固化沙垄方格时,在其周围形成6个速度分区:迎风侧低速区、遇阻抬升区、集流加速区、第1减速区、第2减速区和速度恢复区;在同等风速条件下,同一高度处固化沙垄方格的有效防护距离大于HDPE板的有效防护距离;HDPE板和固化沙垄方格内的积沙随时间动态变化,透风型HDPE板防沙形式以板内固沙为主,不透风型固化沙垄方格以沙垄前阻沙为主。[结论]综合考虑,HDPE板方格的经济性实用性以及防沙效果更好。