高立式沙柳沙障防风效益研究

 通过鄂尔多斯市伊金霍洛旗纳林陶亥镇境内毛乌素沙地边缘沙区的高立式沙柳沙障风速野外观测,利用Surfer（8.8）软件绘制了高立式沙柳沙障体系内外的风速流场图,分析高立式沙柳沙障的防风效益。结果表明:当旷野风速大于起沙风速时,复式带状高立式沙柳沙障体系内外风速变化较明显,防沙带2m高处风速呈现带前增强,带内平缓,带后减弱的趋势;而防沙带0.5m高处风速带内更趋向于平缓、稳定。此外,对沙柳沙障的粗糙度进行了研究。结果表明:障前212H（障高）范围内下垫面粗糙度变化不大;障间粗糙度明显增大;障后212H处的粗糙度比障间粗糙度降低了33.3%,但还是高于旷野对照点粗糙度,为旷野粗糙度的29倍。     

高立式格状沙障防风效益

针对在风沙危害严重地区,半隐蔽式格状沙障容易遭沙埋,且其防护年限短等问题,提出了一种新型的防沙措施——高立式格状沙障(高1m,长×宽=8m×8m),并对该沙障的防风效益进行了观测。结果表明:(1)高立式格状沙障对风速具有显著削弱作用;且越接近地表,风速被削弱的程度越大;沙障内5个观测点2m高处风速平均减弱了33.0%,而0.2m高处风速平均减弱了81.5%。(2)高立式格状沙障使沙障顶部高度(1m)以下的风速廓线偏离对数曲线;沙障顶部以上风速和高度继续呈对数关系,且风速梯度明显大于对照点。(3)高立式格状沙障使地表粗糙度增大了44倍。     

半隐蔽式沙柳沙障的防风阻沙效益

对毛乌素沙地15,25和35cm的3个高度,1m×0.5m,1m×1m,1m×2m,2m×2m,2m×3m5种规格的半隐蔽格状沙柳沙障内近地表风沙流的活动过程进行了对比研究,分析了不同规格沙障的防风阻沙效益。结果表明,设置沙柳沙障后地表土壤中细粒物质含量明显增加;与裸沙丘相比,沙柳沙障内的相对输沙率明显减少。根据当地的自然条件和经济状况,认为毛乌素沙地适宜于当地铺设的沙柳沙障规格为2m×2m。     

沙柳沙障防风效益模拟试验研究

研究设定了2组试验,用沙柳柳条人工插成方格沙障,一组方格沙障高度1 m,规格分别为4 m×4 m,5 m×5m,6 m×6 m;另外一组方格沙障高度1.5 m,规格分别为6 m×6 m,7.5 m×7.5m,9 m×9 m。测定了每种规格沙障的地表粗糙度,防风效益。试验结果表明:在宽高比相同的情况下,1 m高的沙柳沙障的粗糙度大于1.5 m高的沙障,防风效益也好于1.5 m高的沙障;而在沙障高度一定的情况下,随着沙障面积的增大,沙障的防风效益在逐渐减弱。     

和田—若羌铁路戈壁盐碱区高立式“Z”字形沙障配置的风洞试验

[目的] 探究多排“Z”字形沙障的合理配置模式,为和田—若羌铁路沿线戈壁盐碱区的风沙防护提供科学参考。[方法] 在风洞中模拟当地的风沙环境,对孔隙率为40%的多排“Z”字形高立式沙障的防沙效果进行试验。 [结果] 多排沙障的迎风面与风向的夹角为钝角时,沙障后积沙出现分离现象;沙障的迎风面与风向的夹角为锐角时,沙障后积沙出现聚集现象。防沙效率随着风速增加都有所下降,当风速为12 m/s(7级风)时,设置两道高立式沙障和三道高立式沙障的防沙效率分别为74.0%和100%,当风速增加至15 m/s(9级风)时,设置两道高立式沙障和三道高立式沙障的防沙效率分别为72.7%,88.9%。[结论] 鉴于该研究区风沙条件,建议采用三道沙障,沙障的迎风面与风向尽量呈钝角布置。     

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...     

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。     

下垫面条件对风沙活动层气流紊动性影响的风洞模拟

通过对尼龙网格状沙障(孔隙度30%左右)、戈壁、麦草沙障和流沙地表风沙流特性的风洞模拟实验,旨在探讨不同下垫面与气流的紊动性之间的关系,以及如何影响风沙流的结构和风沙活动层的风速廓线,从而对工程防沙的优化设计提供理论依据。研究发现,对于特定的下垫面,在不同风速下同一高度层含沙量具有很大的相关性。由此可见,气流的紊动性是决定风沙活动层沙颗粒浓度分布的主要指标,也是治理沙害的一个很重要的判据。     

沙袋沙障对流动沙丘地表风沙及植被恢复的影响

为了解沙袋沙障对风沙及植被生长的影响,通过野外观测和样方调查法对铺设沙袋沙障沙丘风速、植物种数、植株密度、高度和盖度进行了调查,测定了对0—30cm输沙量。对1m×1m,2m×2m,3m×3m方格沙袋沙障防风效能、地表粗糙度、输沙特征值及植被生长情况进行了研究。结果表明,沙袋沙障能够有效地提高防风效能和增加地表粗糙度,且随着规格的增大防风效能与地表粗糙度均减小;1m×1m,2m×2m和3m×3m规格沙袋沙障地表粗糙度为5.79,2.38和2.12cm,分别比对照高91.31%,78.88%和76.26%;沙袋沙障能够有效降低输沙量,使0—30cm各层输沙率均显著小于对照,3种规格沙袋沙障对输沙率的影响顺序为:1m×1m2m×2m3m×3m;沙袋沙障铺设1a后,植物种类比对照多出一种,平均高度、密度和盖度分别比对照高91.5%,71.1%和125.4%,并且随着沙袋沙障规格的增大,植被平均高度、密度和盖度均呈现逐渐增大的趋势。     

双排高立式尼龙网阻沙障与草方格固沙障的优化配置及防沙效益

[目的]针对双排高立式尼龙网阻沙障与草方格固沙障联合应用,开展风洞试验研究,以优化联合沙障中尼龙网阻沙障孔隙度配置及探究各孔隙度下联合沙障的防沙效益。[方法]基于风洞模拟试验数据,开展不同孔隙度(40%,45%,55%)联合沙障,在不同风速下的风速流场、空气动力学粗糙度、摩阻风速、输沙率随高度和阻沙率方面的变化特征研究。[结果](1)相同风速下尼龙网阻沙障孔隙度40%时,联合沙障弱风区面积最大;(2)随着尼龙网阻沙障孔隙度的增大,空气动力学粗糙度和摩阻风速减小,相同风速和相同位置时,40%孔隙度下联合沙障空气动力学粗糙度和摩阻风速值最大;(3)风速增加地表输沙率也增加,联合沙障内部与背风侧输沙率随高度增加呈指数型递减,输沙主要集中在0～12 cm高度内;(4)风速大小与沙障阻沙率呈现负相关变化;阻沙率与孔隙度之间也呈负相关关系,孔隙度为40%的联合沙障具有较高阻沙率;双排高立式尼龙网阻沙措施与草方格固沙措施联合之间还存在阻沙率叠加。[结论] 40%孔隙度的双排高立式尼龙网和草方格的阻固联合可以实现较优的配置与防沙效益。     

沙漠地区高速公路工程防沙体系效益分析

沙漠地区高速公路建设在西部大开发中的战略地位和重要作用，决定了高速公路沙害防治已成为交通线路沙害防治的主要内容之一。以新地-麻黄沟高速公路为例，对防沙体系的防护效益进行研究。认为新地-麻黄沟高速公路防沙体系设计合理，符合当地自然环境条件；阻沙带、固沙带改变了风沙流结构，降低了输沙强度，增加了地表粗糙度，有效的起到了削弱风速，阻截流沙，控制沙丘形态变化，保持地表稳定的作用；防沙体系建成后仅节省清沙费一项，3年可收回体系建设投资，而防沙体系设计使用寿命为5～7年，若日常维护及时并辅以封育恢复天然植被措施，其使用寿命还可延长甚至长期发挥防沙作用；该地区公路防沙体系的结构配置对干旱、半干旱沙漠地区高速公路沙害防治具有一定的借鉴作用。     

沙漠公路不同固沙措施防风固沙效益和成本比较研究

对腾格里和库布齐沙漠公路不同固沙措施的防风固沙作用和运行成笨进行综合比较,结果表明,受沙障材料、设置规格、使用寿命的影响,不同沙障的防风固沙作用不同;沙障的防护作用随着沙障的破损而减弱;人工植被的防护作用随着建植时间的延长而增长。从运行成本分析,沙柳和柴草沙障成本低,土工材料和土壤凝结剂沙障运行成本较高,人工植被运行成本最高,实践中宜因地制宜采取不同的固沙措施。     

风沙区高等级公路设施与路基高度耦合对气流动力学和蚀积特征的影响

[目的] 揭示风沙地区不同高度高等级公路附属设施对过境风沙流的扰动效应,分析不同高度与公路设施影响下的公路路面积沙程度,为公路工程设计和穿沙公路防护措施的制定提供理论依据。 [方法] 采用了计算流体力学(CFD)数值模拟方法,将普通公路作为对照,对比分析不同路基高度和公路设施组合对近地表过境气流的影响,并通过野外实测数据进行验证。 [结果] 公路设施显著影响了路基过境气流,导致公路形成减速区,不同高度路基产生多样性的水平气流速度变化。当路基高度在1～2 m之间时,气流扰动较弱,有助于断面输沙;当路基高度在3 m高度时,气流扰动较强,不利于断面输沙。气流穿过护栏和中央隔离带时,气流从护栏下方经过,风速增加,护栏背风侧最大风速的距离随着路基高度的增加呈现先增加再减小的变化趋势,路基高度在0,1,2,3 m时,最大风速距离分别为10,20,25,20 cm。随后在护栏背风侧与上层气流合并,尾流持续扩散,形成减速区,过境气流在该区域发生衰减,沙粒颗粒产生沉积,最高积沙高度11.5 cm,积沙宽度4～4.5 m。 [结论] 路基高度和公路附属设施是影响公路沿线沙害的主要因素。路基高度对气流到达路基上方的风速产生显著影响,而护栏和防眩网的存在可能在背风侧形成弱风区,从而导致公路上的沙堆积,存在潜在危险。     

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。     

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。     

敦煌沙漠-绿洲过渡带近地表风沙动力环境

[目的]探究沙漠绿洲过渡带起沙风况、输沙势、风沙通量和近地表粒度特征,为阐明沙漠绿洲过渡带风沙动力过程提供理论依据。[方法]利用同步风况、输沙通量和近地表断面粒度资料,分析了沙漠、绿洲及其过渡带输沙势时空分布特征。[结果]由于沙漠和绿洲内部物质组成、空间结构和水热状况不同,沙漠—绿洲过渡风速梯度和起沙风累计作用时间差异显著;受沙漠和绿洲的交互作用,沙漠—绿洲过渡带存在两组主导风向。从近地表粒度特征沿程分布来看,自沙漠至绿洲方向,粗沙含量逐渐降低,粉沙和黏粒含量相对增加。沙漠—绿洲过渡带是绿洲生态系统的重要组成部分,对维持绿洲稳定意义重大。[结论]针对绿洲风沙危害防治,应从局地环流角度出发,充分考虑沙漠—绿洲过渡带的调节和缓冲作用。     

土工格栅沙障防风积沙效应风洞模拟实验

 模型按1∶10比例设计,在71、5和20m/s的实验风速下,对不同规格和孔隙度的土工格栅沙障模型进行风洞模拟实验,测定其防风与积沙效应。结果表明:不同规格格栅沙障的风速流场趋势相同,在障前、障中和障后形成4个减速区和3个加速区。障前、障后风速降低是土工格栅沙障防沙的主要机制;障中的增速区是引起沙障中部不积沙或少积沙的诱因。格栅沙障因障间互相连接而增强了防护功能,使得流沙被有效地控制在体系内部。同一规格的沙障,障内积沙厚度随着风速的增大而增大,随着距沙源距离的增加而减小。不同规格的沙障,障内积沙厚度随着规格的增大而减小,随着孔隙度的增大而减小。不同风速下,不同规格沙障间积沙厚度差异显著。从积沙厚度和防沙目的分析,10cm×10cm规格的沙障积沙效应最好,10cm×20cm次之,20cm×20cm最差。在设计与设置沙障时需要考虑成本、防护目的和沙源等多方面的因素。     

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。