吉兰泰盐湖防护体系的防风阻沙效应

[目的] 定量描述防护体系防风阻沙能力及地表蚀积变化,揭示盐湖防护体系的防风阻沙作用规律,为吉兰泰盐湖防护体系防护效果评估提供数据支撑,为中国西北风沙区及荒漠盐湖沙害治理提供理论依据。[方法] 选择吉兰泰盐湖防护体系为研究对象,通过野外原位监测,对3,10月两场典型强风沙尘天气下不同下垫面0—30 cm高度内输沙以及逐月地表蚀积情况进行观测。[结果] ①2 m高度处风速由流动沙垄到盐湖湖心表现为衰减—急剧衰减—恢复阶段,到盐湖湖心时风速恢复至旷野风速。从白刺灌丛至盐碱滩地风速均较流动沙垄降低了70%～90%。②从白刺灌丛至盐湖湖心输沙量呈现为急剧降低—降低—缓慢增加的状态,整体较流动沙垄降低了83.89%～94.90%。③防护体系对两种主害风的防风阻沙效果明显,其风速及输沙量分别较流动沙垄降低了98.71%,91.79%,且西北风向下的防风阻沙效果优于西南风向。④6—9月白刺灌丛至盐湖湖心地表呈现为风积状态,且净蚀积强度较流动沙垄最高可降低157.04%。[结论] 虽然受季节和风向影响,但防护体系防风阻沙效果仍保持较好状态,它对风沙流的阻滞作用使地表由风蚀转为堆积,并使风速及输沙量均降低了90%以上,从而有效避免盐湖湖面积沙。     

青藏铁路南山口段风沙灾害防护体系优化

青藏铁路受到风沙灾害的严重威胁,得到世界范围的热切关注。为构建科学高效的青藏铁路风沙灾害防护体系,以风沙灾害典型路段—南山口段为研究对象,基于风沙灾害防护体系的野外调查,开展风洞模拟实验。研究结果显示:1)铁路路基是阻碍风沙运动的重要障碍物。风沙流遇阻抬升在路基迎风侧坡脚形成低速区,造成坡脚积沙;风沙流集流加速在路基迎风侧路肩形成高速区,造成路基风蚀。2)在当前防护体系中,第2、3道PE网栅栏防护效果较差,其积沙量仅占总积沙总量的2.42%和0.42%。轨枕栅栏防风阻沙效果较好,但其积沙压力较大,且与铁路距离较近,存在危害铁路运行的潜在风险。3)建议在铁路上风向增设高立式栅栏,将防护体系宽度增加至300~500 m,以利于将沙物质阻截在防护体系外缘;建议缩短PE网栅栏间距以持续降低风速,增强其阻沙效果。本研究可为青藏铁路风沙灾害防护体系建设与优化提供理论基础和技术支撑。     

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。     

新疆策勒县新开垦农田地表蚀积变化

用插钎法结合气象数据对新疆维吾尔自治区策勒县开垦年限分别为2和1a农田地表进行风蚀风积观测,结果表明,沿主风向,防护林带前后0—3H(树高)内表现为风积,林前风积量明显大于林后风积量,防护林带之间中部主要以风蚀为主。红枣幼苗旁种植的冬小麦在一定程度上能有效地抵御红枣根部风蚀。未开垦的植被盖度3个不同的下垫面内,植被盖度和高度越大,其阻沙积沙能力越强。由于新开垦未种植裸荒地地表疏松无植被覆盖,表现出同阶段内最大的地表风蚀量。新开垦农田地表蚀积变化不仅与植被覆盖度、防护林结构、风速大小与风向紧密相关外,还与地表的微地形有关。     

基于风洞试验的风沙区光伏阵列近地表形态变化规律研究

[目的] 研究库布齐沙漠中段沙区光伏阵列扰动下地表形态变化规律及其与风环境的关系,为科学制定沙区光伏电站次生风沙危害防治技术方案提供理论依据。[方法] 运用风洞试验方法,分析光伏阵列与风向之间夹角为0°,45°,90°,135°和180°时光伏阵列地表蚀积空间分布规律和地表形态剖面特征。[结果] 夹角为±90°时,迎风侧前两排电板区域地表蚀积变化表现为风蚀以中度和重度为主,堆积以轻度为主。第3—5排电板区域在前两排电板的遮蔽作用下风沙活动强度大幅降低。夹角为±45°时所有电板区域蚀积变化规律较为相似;45°时蚀积变化表现为风蚀以中度和重度为主,堆积以中度和轻度为主,小范围出现重度堆积现象;-45°时风蚀和堆积均表现为以轻度和中度为主。以8 m/s风速条件为例,不同夹角条件光伏阵列地表蚀积强度表现为：45°>90°>-45°>-90°>0°。夹角为0°时最小,蚀积变化极差仅为1.265 cm。夹角为45°时最大,蚀积变化极差可达5.429 cm。夹角绝对值相等符号相反风况条件下,夹角为正值相较负值时光伏阵列地表风沙活动更为强烈。夹角为45°时蚀积强度是夹角为-45°时的1.566倍,夹角为90°时则是夹角为-90°时的1.269倍。[结论] 沙区光伏阵列次生风沙危害的防治技术方案设计应充分考虑区域主害风向条件。     

神府-东胜煤田采煤塌陷区塌陷强度与风沙蚀积量相关分析

以神府-东胜煤田补连塔矿风沙区为例,通过野外系统观测,以非塌陷区为对照研究了不同塌陷年限T2004年塌陷区和T2005年塌陷区塌陷强度、区域风沙蚀积量和蚀积强度变化,分析了不同塌陷强度的单体沙丘在植被盖度约为10%时,塌陷强度与区域风沙蚀积量的相关关系。结果表明：采煤塌陷后,区域风沙蚀积量受起沙风（≥5 m/s）频率、塌陷强度和地表结构等因素的影响最为明显。因此本文研究的主要目的是通过研究不同塌陷年限塌陷区和不同塌陷强度单体沙丘不同部位的风蚀积沙规律,为有效控制采煤塌陷后地表风沙运动而采取科学的措施提供依据。     

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。     

不同孔隙度尼龙网对风沙流减弱作用的风洞模拟

通过对不同孔隙度尼龙网对风沙流减弱作用的风洞模拟实验,旨在探求输沙量与孔隙度和风速二者之间的关系,从而为防沙新材料的开发、野外工程防沙的优化设计及其应用提供理论依据。如果没有风蚀过程发展导致风沙流的出现,就不可能有因沙粒输送和堆积过程中引起的各种沙害。因此,防治沙害、改善沙区生态环境的根本措施还是选择合适的材料抑制或削弱风沙流的强度。而防沙材料本身又对携沙气流产生影响,如何协调二者之间的互馈关系,使得防沙材料发挥最大的防沙效益便是本文研究的目的。在前人研究的基础上,作者以平均净阻沙率、网后平均输沙率和风沙流动态变化趋势为参考指标,初步确定尼龙网防沙效益的最佳孔隙度β应该在40%左右。     

2种沙障内积砂粒径特征及其空间格局观测研究

土壤粒径分布是研究其沙化的重要物理指标之一,通过研究沙障方格内不同方位砂粒粒径特征对其微地貌蚀积状况进行分析,确定粒度特征对地貌形态的指示作用,为选取适宜沙障类型提供技术保障。在腾格里沙漠西缘流动沙丘布设的植物纤维网和土工编织袋沙障内不同区域取样并利用马尔文激光粒度仪测定砂粒径,对比分析障内与障间不同区域沙物质粒配组成、粒配曲线等参数特征。结果表明:土工编织袋沙障内截留砂粒作用强于纤维网沙障,即前者阻沙效果更优于后者。2种沙障内部方格砂粒含量在西方位比其余方位多18%~23%,表明在西方位为弱风蚀或强堆积。土工编织袋沙障方格中东和南方位砂粒含量比其余方位少8%~26%,即东方和南方位为风蚀区。土工编织袋沙障中部砂粒含量沿主风向逐渐提高,表示沙障内砂粒沉积增多;而纤维网沙障方格中变化不明显。在纤维网沙障区砂粒组分沿主风向逐渐减少,粒度组分与自然沙丘状态差异不显著(P<0.05),指示其沙障阻沙作用较弱。土工编织袋沙障砂粒组分集中在中南部,且跃移质组分分选性中部相比南北部较差,表明其砂粒组分在沙障内主风向下风区沉积较多。处于中线两侧纤维网沙障西侧比土工编织袋沙障东侧细砂和中砂含量高24%以上,而粗砂和极粗砂含量低近43%。     

毛乌素沙地3种主要植物群落的阻沙效益

[目的]对毛乌素沙地天然沙蒿、沙柳和锦鸡儿这3种主要植物群落的阻沙效益进行分析,为毛乌素沙地沙漠化防治及生态建设提供理论依据。[方法]通过测定标杆风蚀沙埋程度,分析各植物群落的风蚀量与阻沙量,从而对其阻沙效益进行比较分析。[结果](1)植被盖度越大,各植物群落的防风阻沙效果越明显;(2)地形条件相似,风速相同的情况下,3种植物群落在风蚀季节的临界防风蚀盖度不同。沙蒿群落的临界防风蚀盖度最小,约为60%,沙柳群落与锦鸡儿群落的临界防风蚀盖度相对较大,均大于60%,但锦鸡儿群落相对沙柳群落的临界防风蚀盖度小;(3)相同盖度下,3种植物群落的风蚀量与阻沙量之和大小顺序为:沙柳锦鸡儿沙蒿。[结论]在毛乌素沙地固定、半固定沙地上,沙蒿群落的防风阻沙效益突出,可作为主要固沙植物进行推广。     

平坦沙质地表蚀积量计算模型研究

通过对平坦沙质地表蚀积动态的野外观测,结合同时期区域风况资料,分析了平坦沙质地表蚀积过程。在输沙势和最大可能输沙量计算公式基础上,调整参数提出了平坦沙质地表蚀积量的计算模型,弥补了两者不能直观准确表示区域风沙活动的缺点。通过对比野外实测值与输沙势、模型预测值和最大可能输沙量之间的变化趋势得出它们存在同期波动特征。进一步比较回归方程可知,模型预测值回归方程更加显著,预测值更加接近实测值,能够更好地表示区域风沙活动特征和强度,可为沙漠的扩张和收缩提供量化预测依据。     

沙层厚度和粒径组成对覆沙黄土坡面产流产沙的影响

片沙覆盖黄土区是水蚀风蚀交错带内土壤侵蚀最为强烈的区域,研究该区内土壤侵蚀特征可对水蚀风蚀交错带水土流失的预报及防治提供理论依据。采用室内模拟降雨,研究黄土坡面不同覆沙厚度(2 cm、5 cm和10 cm)和沙层粒径组成(100%0.25 mm、75%0.25 mm+25%0.25mm、50%0.25 mm+50%0.25 mm、未处理原沙和100%0.25 mm)对坡面产流产沙的影响。结果表明,覆沙黄土坡面较黄土坡面的初始产流时间明显延长,产流速率和产流量减小,产沙速率和产沙量增大,降雨过程中产流产沙波动性增大,且这些变化随覆沙厚度增加而明显加强;沙层粒径组成在不同覆沙厚度下对坡面产流产沙的影响不同,2 cm覆沙厚度坡面在降雨前期随粒径变粗产流产沙呈增大趋势,降雨后期无明显变化;5 cm覆沙厚度坡面随沙层粒径变粗产流速率呈增加趋势,降雨前期上覆粗粒径沙层坡面的侵蚀速率高于细粒径沙层坡面,降雨后期恰好相反;10 cm覆沙厚度的坡面产流产沙随沙层粒径组成变化不明显。典型覆沙黄土坡面的产流过程为雨水垂直入渗―沙土界面潜流―沙层边缘渗流―地表径流,产沙过程为沙层边缘渗流侵蚀―沙层坍塌重力侵蚀―地表径流输移,明显不同于无覆沙黄土坡面的超渗产流方式及溅蚀―片蚀―细沟侵蚀的侵蚀发展过程。     

风沙冲蚀与碳化耦合作用下风积沙粉体混凝土耐久性能

该研究以风积沙粉体为水泥替代材料的风积沙粉体混凝土为研究对象,设计风沙冲蚀-碳化、碳化-风沙冲蚀2种工况,探讨其在风沙冲蚀、碳化环境下的劣化机理及耐久性能。结果表明,风沙冲蚀时,90o冲蚀角作用时以撞击作用为主,产生冲蚀坑洞,45°冲蚀角作用时以削切作用为主,产生冲蚀沟壑,且风沙冲蚀破坏混凝土表面水泥石结构,可使碳化深度增加3倍以上;碳化作用时,普通混凝土碳化时是由于氢氧化钙和水化硅酸钙发生脱钙反应,风积沙粉体混凝土则是由于氢氧化钙、水化硅酸钙和钙矾石发生脱钙反应,且由于碳化产物自身的膨胀作用使混凝土变的疏松,使风沙冲蚀后质量损失增加1.6倍以上;风积沙粉体混凝土内部孔径在20 nm以下的无害孔的比例多于普通混凝土21.37个百分点,200 nm以上多害孔少于普通混凝土13.93个百分点,其劣化显著性低于普通混凝土;相对于单一工况,风沙冲蚀、碳化耦合作用下劣化显著性更高,且风沙冲蚀-碳化耦合作用劣化显著性低于碳化-风沙冲蚀耦合作用,风沙冲蚀-碳化耦合作用后的10~15 mm范围内出现碳化区域、碳化产物发生变化(生成硫酸钙)及非碳化区域的混合区,且风沙冲蚀-碳化耦合作用后风积沙粉体混凝土孔隙度下降0.47%,20 nm以下的无害孔的比例高出普通混凝土25.15%。     

土壤凝结剂沙障防风固沙实验研究

 在7m/s、15m/s和20m/s的实验风速下,对不同浓度土壤凝结剂处理的沙障模型进行风洞吹蚀实验。实验结果表明:抗风蚀强度以40%浓度处理最强,20%最弱,但30%浓度防风蚀效果较为实用。在乌兰布和沙漠东北缘绿洲边缘的流动沙丘,采用较为适用的30%浓度的土壤凝结剂进行1m×1m,1.5m×1.5m,2m×2m等3种不同规格沙障喷洒实验,通过对风速、粗糙度、风沙流结构特征值,以及沙障的蚀积状况进行调查,其结果表明,各种规格的沙障中,1m×1m的沙障性能最好,1.5m×15m次之,2m×2m最差。沙丘不同部位沙障的抗蚀力不同,迎风坡受损程度和风蚀率最高。     

近地层沙尘水平通量与集沙效率野外观测分析

沙漠是沙尘物质的重要源区,沙漠近地层沙尘水平通量的测量与研究是认识沙尘输送过程、评估风沙活动强度的基础。集沙仪是测量沙尘水平通量的最重要手段之一,被广泛应用于各种观测试验中。集沙效率是集沙仪最重要的参数,是校正沙尘水平通量测量数据的依据。选择塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的典型平沙面为观测点,利用全自动高精度集沙仪,H-11B型Sensit风蚀传感器、10 m气象塔,于2010.7-2010.8月开展了野外观测试验,基于观测数据对全自动集沙仪的集沙效率、近地层沙尘水平通量进行了分析研究。结果表明:相同时段内,集沙总量与Sensit风蚀传感器所记录的跃移颗粒数具有较好的线性关系,R~2值平均为0.6053;全自动集沙仪在5 cm高度上的平均集沙效率为94.3%;观测期间,不同沙尘天气过程的沙尘输送量存在显著差异,通过宽2 cm×高5 cm截面的最大沙尘水平通量为190.335 kg,最小为1.2 kg;5 cm高度上的跃移输沙率总体上随着风速的增加而增大,但其中有部分天气时段输沙率随风速的变化不一致,而此情况下对应时段的地表温度明显更大。     

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...     

微生物固化风沙土的保水性能试验研究

[目的]研究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化风沙土的性能,为MICP技术在固化风沙土以及恢复生态等方面提供理论依据。[方法]采用MICP技术对风沙土进行不同次数的固化处理,通过扫描电镜和光学显微镜对固化风沙土的微观结构进行分析,并测试分析固化试样的基本物理性质和保水性。[结果]通过MICP处理的风沙土,在风沙土颗粒之间有碳酸钙晶体生成,将沙土颗粒胶结在一起,使松散的风积沙固化成具有一定强度的整体;随着固化次数的增加,固化风沙土的厚度、干密度、碳酸钙含量逐渐增大,渗透系数逐渐减小,固化厚度由3.38 mm增加至11.28 mm,干密度由原沙的1.61 g/cm³增加至2.05 g/cm³,碳酸钙含量由8.99%增加至13.08%,渗透系数由原沙的1.06×10^-3 cm/s减少至2.35×10^-4 cm/s;当固化处理次数不大于5次时,保水率随固化处理次数的增加而增大,固化试样的保水性能有所改善,固化处理超过5次后,保水性能则有所下降。[结论]采用MICP技术固化的风沙土,可明显改善风沙土的干密度...     

流动沙丘不同部位风蚀积沙特征研究

[目的]探究和利用流动沙丘各部位的风蚀积沙规律,为提升固沙技术措施提供依据。[方法]在典型新月型沙丘上设置3台光电子式积雪深度测定仪观测流动沙丘不同部位的风蚀和积沙规律。[结果]在特定风速下落沙坡随着起沙风速变化其积沙深度由1cm逐渐增加到12cm,并在起沙风速下降时形成一个强烈的积沙过程;迎风坡在起沙风速时处于最大的风蚀状态,并随风速变化形成一个由强风蚀到弱风蚀的转变过程;沙丘顶部在临近起沙风速时处于风蚀过程,并随起沙风速的逐渐增加又处于积沙过程。此外,流动沙丘迎风坡在12月至翌年5月间净风蚀深度月均值约为29.85cm;落沙坡在12月至翌6月间积沙深度月均值净增加139.5cm;而沙丘顶部在3—11月为风蚀发生期,平均风蚀深度变化值为27.3cm,12月至翌年3月为积沙发生期,平均积沙深度变化值为29.47cm。[结论]风速对流动沙丘不同部位风蚀积沙特征变化具有重要影响,而且不同部位风蚀积沙程度存在明显差异。     

高寒灌区风沙吹蚀对农业水利工程混凝土抗冻耐久性的影响

针对内蒙古引黄灌区农业水利工程混凝土实际服役环境,同时加大风积沙资源化利用效率,配制满足农业水利工程设计要求的风积沙混凝土,并研究风沙吹蚀作用对风积沙混凝土抗冻耐久性的影响。结果表明:相对动弹性模量可准确表征风积沙混凝土受风沙吹蚀影响下的冻融破坏,且风沙吹蚀影响下混凝土冻融循环后的内部损伤是未受风沙吹蚀影响下混凝土冻融循环后的2倍;在风沙吹蚀影响下的冻融过程中,风积沙混凝土水泥浆体在冻融过程发生"酥化",同时在风沙流的持续撞击、削切下,"酥化"的水泥浆体进一步剥落,迫使破坏表面水泥浆体与骨料连接处的界面过渡区较光滑;风积沙替代率为40%可以配制满足抗冻性要求的风积沙混凝土,但风积沙混凝土气泡间距系数不能准确评价其抗冻性,气泡盒维数与细骨料细度模数可反映气泡结构特征和细骨料颗粒级配,且二者呈负相关趋势,二者结合可对风积沙混凝土抗冻耐久性优劣进行初步判定。     

高寒沙区人工沙棘对风沙危害的生态响应

[目的]沙棘(Hippophae rhamnoides)是高寒沙区典型的优良治沙物种,其风沙危害的抗逆性研究对沙棘生态适应性机理及高寒沙区生物治沙工作具有重大的探究与指导意义。[方法]对不同类型沙丘不同林龄的人工沙棘林进行了样方调查和风沙活动监测。[结果]沙棘群落特征与地表风蚀强度变化具有时空同步性。轻度风蚀与中轻度沙埋现象有助于沙棘的生长与群落的发展,固定与半固定沙丘人工沙棘的株高冠幅均为流动型沙丘沙棘的3~6倍;沙棘各生长指标与株下蚀积深度具有显著的二次函数拟合关系,8年生沙棘生长的最佳沙埋深度在30—40cm。2008—2016年,各沙丘沙棘群落特征与局地输沙率、粗糙度、蚀积深度等风沙活动特征分别表现出显著的指数递减、多函数递增和二次函数先增后加减的变化规律。[结论]高寒沙区沙棘对风沙危害的响应特征反映了沙棘良好的风沙适应能力,也指示沙棘造林技术需要注重立地条件选取、造林结构改进与多物种配置,保障沙棘的稳定生长势态与良好的生态修复效益。