不同沙埋程度下带状沙障的防风固沙效果研究

袁立敏，黄海广,3，闫德仁，胡小龙

不同沙埋程度下带状沙障的防风固沙效果研究

袁立敏1,2，黄海广1,2,3，闫德仁1,2，胡小龙1,2

（1. 内蒙古自治区林业科学研究院，呼和浩特 010010；2. 内蒙古多伦浑善达克沙地生态系统国家定位观测研究站，锡林郭勒盟 027300；3. 内蒙古农业大学林学院，呼和浩特 010018）

沙障在防护过程中，易发生沙障沙埋现象。为了对比分析不同沙埋程度下沙障的防风固沙效果差异，该文通过风洞模拟和野外试验相结合的方法，研究了沙袋沙障在裸露、浅埋、深埋3种状态下，防护区近地层风流场、输沙通量等风沙运动规律，并以未设置沙障的流沙区作为对照，明确了沙埋过程中沙障的防风固沙效果变化规律。结果表明，沙障在经历裸露至深埋过程中：1）对过境气流的防护距离、防护高度逐渐减小，近地层风速廓线变化趋势与对照相同，并逐渐服从对数函数；2）沙障防护区输沙分布高度显著降低（<0.01），输沙分布高度由42 cm（裸露）降低至34 cm（浅埋），最终降至28 cm（深埋），而对照的输沙分布高度为24 cm；3）近地层输沙率分布曲线逐渐服从对数函数，0～50 cm高度范围输沙量也呈现递增趋势；4）3种埋设深度野外试验说明，经过两个风季后，裸露、浅埋、深埋的沙袋沙障防护区土壤风蚀呈现降低趋势，风蚀深度分别比对照降低了18.53%、72.97%、80.40%。研究可以为沙障高度优化及应用技术提升提供理论依据。

土壤；侵蚀；沙障；风蚀；风速流场；风速廓线；输沙量

0 引 言

土地沙漠化作为严峻的生态环境问题，一直备受公众关注。沙障作为一种重要的沙漠化防治工程技术措施，发挥着不可替代的作用，其能够削弱近地层过境风沙流强度，有效抑制地表沙粒运动，在风沙活动强烈区域其是植物存活的前提和必要条件。近年来，沙障的相关应用研究得到了很大发展，但多数相关研究倾向于固沙型沙障。固沙型沙障主要是通过隔绝气流与松散沙层的接触，或增大地表粗糙度来抑制地表风蚀[1]，如传统草方格沙障、沙柳沙障、黏土沙障、砾石沙障、秸秆沙障等。学者们对沙障的防风固沙效益[2-6]、土壤改良与植被恢复效果[7-8]及沙障构造尺寸[9-10]等内容开展了研究并取得重要进展。

沙障沙埋多发生在沙障设置初期，当过境风沙流经过沙障时，受到其阻挡作用，消耗了大量动能，气流携沙能力下降，引起空中运动的沙粒坠落和在沙障两侧的堆积，开始发生沙埋。沙埋直接导致沙障高度降低，而沙障高度是决定其防护效果的重要结构参数之一[11]，特别是近地层0～50 cm高度范围时，沙障高度是决定其防护效果的主要因素。但已有研究认为，沙障的防护效果与其高度并不完全呈现正相关关系[12]，还要受到沙障规格及沙障孔隙度等结构参数的影响，一般小规格沙柳沙障内输沙率与风速呈对数关系，而大规格沙障内则呈指数关系[13]，沙障内部积沙厚度随着规格的增大而减小[14]。另外，沙障孔隙度与其防风固沙效果相关性较大[15-17]，在相同强度的气流下，不透风沙障嵌固端受力远高于透风式沙障，不同孔隙率沙障背风侧流场结构呈现相似性[18]。越接近沙障，背风侧风速明显偏离对数廓线分布，且偏离越明显，并且沙障设置行数、孔隙度对栅栏沙障防护效果影响也十分显著[19]。

一般认为，沙障被沙埋是导致其防风固沙功能衰减和丧失的主要原因，沙障被严重沙埋会导致防风固沙功能丧失，而轻度沙埋则有助于沙障形成稳定的防护结构体，在一定程度上可提高防护效果。对不同沙埋程度下沙障防护功能、防护效益的监测研究，有利于摸清沙障沙埋机理。但是，目前鲜见不同沙埋程度沙障防护效果研究的相关报道。本文选择不透风型的沙袋沙障为研究对象，采用风洞模拟试验并结合野外实测，对比研究了不同程度沙埋对沙障的防风固沙效果的影响，分析风速、输沙率、输沙分布高度、地表风蚀变化，探寻沙埋深度与沙障防风固沙效果关系，为沙障结构提升及其应用技术的完善提供理论依据。

1 试验设计与方法

1.1 沙袋沙障简介

本研究以沙袋沙障（Sandbag sand barrier）[20-21]为研究对象，其外层材料为黄麻纤维，内部灌装风沙土，形成的沙袋截面为圆形，圆直径为15 cm，沙袋倒放在流沙地表后，发生一定的形变，截面形状由圆形变为椭圆形，椭圆短轴为10 cm，长轴为20 cm。一般在野外工程施工中，针对于多个方向的主害风流沙治理区，沙障多采用格状配置，存在单一或两个主害风治理区，仅采用带状配置可达到与格状配置相同的防护效果[22]。带状沙障设置与主害风方向垂直，且仅在流动沙丘中下部设置沙障即可，见图1，沙丘上部无沙障防护会逐渐削平。另外，同规格带状成本仅为格状沙障的一半。所以，要针对治理区的主害风情况，设计所需沙障配置类型，避免成本浪费。本研究区仅存在西北单一方向的主害风，在野外铺设的沙袋沙障采用带状配置即可。

图1 沙袋沙障带状设置示意图

1.2 风洞试验

在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开展风洞实验。该风洞是直流闭口吹气式风洞，风洞全长37 m，试验段长21 m，截面1.2 m×1.2 m。试验前在整个试验段床面铺设厚度15 cm的风沙土，风沙土粒径特征见表1。

表1 流动沙丘风沙土沙粒度组成

平整沙面，将沙袋垂直于来风方向设置。对沙袋沙障沙埋过程中3种典型状态开展了模拟试验：1）裸露是沙袋沙障未被沙埋的状态，沙障高10 cm，沙障铺设初期沙障处于此状态；2）浅埋是沙袋沙障一半被沙埋、一半裸露的状态，沙障裸露高度5 cm，新铺设的沙障极易达到此沙埋状态，此种沙埋状态较稳定且能够长时间维持；3）深埋是指80%～90%沙障被沙埋，沙障裸露高度1～2 cm裸露，此状态沙障多处于沙障铺设区上风向或高程相对较低区域。3种典型沙埋状态沙袋沙障设置方法如下：

1）裸露设置：将沙袋自然倒放于沙面，沙障高度10 cm（图2a所示）；2）浅埋设置：在沙面开沟，沟深度4 cm、宽度20 cm，将沙袋放置开沟内，平整沙面，沙障出露地表高度5 cm（图2b所示）；3）深埋设置：在沙面开沟，沟深度8 cm、宽度20 cm，将沙袋放置开沟内，平整沙面，沙障出露地表高度约1 cm（图2c所示）。

图2 沙袋沙障3种沙埋深度处理示意图

采用风速廓线仪自动采集沙障前后不同位置的风速数据：沙障前（迎风侧）2.0 H（H为沙障外露高度）、3.0 H处和沙障后（背风侧）1.0 H、3.0 H、5.0 H、7.0 H处，观测高度距床面分别为0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、12.0、20.0、30.0 cm共8个高度。试验时室内温度22 ℃，气压873 hPa，初始试验风速12 m/s，风速廓线仪自动采集间隔2 s，采集时长3 min。

采用阶梯式集沙仪采集沙障背风侧的输沙，集沙仪高50 cm，共25层，每层进沙口面积为2 cm×2 cm，集沙仪安装于沙障后1.2 m处。同时在沙障前5、10、20、30 cm和沙障后5、10、20、30、40、50 cm处设置测钎，用来监测地表风蚀，每个位置设置3个重复测钎。采集输沙和监测地表土壤风蚀同时进行，初始风速18 m/s，采集时间5 min。另外，对未设置沙障的风沙土床面进行相同的测钎与集沙仪设置，作为对照。每种沙障处理重复3次进行测试，每完成1组处理试验，重新布置沙面，确保风沙土本底条件一致。

1.3 沙障野外布设

在库布齐沙漠北缘选择4个形态相似、坡度（5°～7°）、坡向一致的流动沙丘，将3种沙埋状态的沙袋沙障分别设置在3个沙丘迎风坡底部至中上部2/3处，均采用4 m带间距的条带式规格设置。另一个沙丘不做任何处理，作为对照。沙袋沙障具体铺设方法如下：

在沙丘的迎风面中上部至底部布设工程线，工程线走向与主风向垂直，相邻工程线间距4 m。将长为1.2 m的黄麻纤维袋就地灌装风沙土后敦实，用麻绳封口，沿着工程线将其摆放在沙面，依次将多个灌装完毕的沙袋首尾相接摆放，确保两个相邻沙袋衔接处无缝隙，铺设至沙丘边缘，重复上述操作，依次进行下一行沙障的铺设。以上为沙袋沙障裸露设置方法。为了形成沙袋沙障浅埋、深埋2种沙埋状态，分别在其他2个沙丘迎风面布设工程线，沿工程线在沙丘表面开沟，将灌装完毕的沙袋置于开沟内，保证沙袋沙障地上裸露高度5～6 cm（浅埋）、1～2 cm（深埋），依次以相同方法铺设下一带沙袋沙障，铺设完沙丘中上部至底部区域即可。

1.4 土壤风蚀深度测定

沙障设置完毕后，分别在3种沙埋状态的沙袋沙障设置区内选择相邻2条沙障安装标桩，标桩预留高度20 cm，确保两标桩连线垂直于沙障，每种处理重复3次，在对照沙丘进行相同标桩设置。经过两个完整风季后，对沙障间地表风蚀深度进行调查。在两标桩顶部拉直测绳，每隔10 cm测定测绳与地表的高度，其与标桩高度的差值即为土壤风蚀深度。

1.5 数据处理与分析

风速流场等值线图采用Surfer8.0绘制，其中网格化方法采用克里格空间插值法。采用SAS 9.2完成数据方差分析和回归分析。

2 结果与分析

2.1 沙埋对沙障近地范围风流场的影响

在裸露状态时（图3a），沙障对前后气流强度影响较大，对背风侧气流强度的降低更为显著，背风侧有效防护距离至少可达70 cm，防护高度达到了15 cm，是沙障高度的1.5倍。在水平距离0～30 cm、高度5～15 cm范围空间内出现了明显的低速沉降区，并且主要分布在沙障的上方和后上方[11]。主要是由于受沙障的阻挡，气流过境时在沙障两侧附近产生强烈的涡流，涡流又与来流互相阻碰，导致风沙流速度降低，形成了低速区。与此同时，在沙障的前方也出现降速区，风沙流强度也得到一定程度的削弱。风沙流强度的减弱直接导致气流携沙能力降低，沙粒发生沉降，堆积在沙障附近导致沙障被沙埋。随着沙埋深度的增加，沙障地表裸露高度降低，沙障对近地层流场的影响也发生显著变化，沙埋程度达到浅埋（图3b），直至深埋时（图3c）：流场变化逐渐平稳，紊流显著减少，未出现低速沉降区；在沙障前后，气流强度发生变化的高度、距离范围显著降低，深埋状态时，防护高度、距离分别降至7、50 cm范围以下。沙袋沙障在逐渐沙埋的过程中，其裸露高度降低，直接导致沙障的防护高度和防护距离的减小[11]。

另外，在沙障沙埋过程中，沙障裸露部分横切面形状、沙障裸露面积也随之发生变化，也是导致流场变化的原因之一。裸露状态时，沙障横切面为椭圆形，沙障前后靠近地表层容易形成涡流，涡流对过境风沙流的运动方向、强度产生扰动与削减，空中运动沙粒开始坠落在沙障前后形成堆积。随着积沙厚度的增加，沙袋沙障下部与地表所夹空间被沙粒填满，直至沙粒堆积至沙障浅埋状态。此时，沙障裸露高度降低至5 cm，裸露面积降低近50%，横切面形状近似半圆形，地表与裸露沙障间的基准面变化相对平缓，无涡流形成条件，过境风沙流受到沙障扰动强度减小，运动逐渐平缓。此时沙障前后沙粒堆积速度减缓，若无充足的沙物质供给，风蚀与堆积将处于平衡状态。此状态的沙障一般出现在沙障设置区的中部及下风向处，而在沙障设置区的上风向区域，充足的沙物质会对沙袋沙障继续沙埋。当沙袋沙障处于全埋状态时，其对过境风沙流的影响程度最小，气流运动更为平缓，沙粒堆积也更为缓慢。

2.2 沙埋对沙障近地层输沙的影响

沙障经历了由裸露至浅埋最终全埋过程中，其下风向输沙率及输沙分布高度也发生显著变化。沙障裸露状态时，其能够有效降低近地层输沙率，0～50 cm高度内各层输沙率均低于0.1 g/(cm2·min)，16～18 cm层输沙率最大，也仅为0.087 g/(cm2·min)（图4）。沙障浅埋状态时，随着采集高度的增加呈现对数递减趋势（<0.05），0～2 cm层输沙率最大，达到了0.59 g/(cm2·min)。沙障深埋状态时，0～50 cm高度内输沙率变化规律与浅埋状态一致，0～2 cm层输沙率达到了0.89 g/(cm2·min)。沙袋沙障处于浅埋、深埋状态时，与裸露状态相比，其对过境风沙的拦截能力显著降低，但是依然能够起到一定的阻挡作用，浅埋、深埋状态沙袋沙障近地表层0～2 cm层输沙率比对照的低46.78%、20.17%。

注：沙障设置于0位置，左侧为进风口，右侧为出风口。

图4 不同沙埋深度沙障背风侧近地层输沙率特征

无沙障防护的流动沙地近地层输沙率分布服从对数函数[23-24]，3种沙埋状态下，浅埋、沙埋沙袋沙障防护区近地层输沙率分布规律与流动沙地的一致，裸露沙袋沙障防护区输沙率分布不服从对数方程（表2）。这也说明了沙袋沙障处于裸露的状态时，对近地层输沙的拦截能力最强，由于沙障出露高度相对较高，使得较高层运动的沙粒也受到影响。另外，下垫面粗糙度最终决定了风沙活动层输沙率分布特征[25]，在裸露状态时，沙障的横切面为椭圆形、沙障裸露于空气中的体积最大，这些因素也导致了下垫面的粗糙度增大。沙袋沙障在沙埋过程中，下垫面的性质也越接近于流沙地表，导致输沙率分布规律也越来越接近流沙地表。

表2 沙障沙埋深度与输沙率拟合回归方程

沙袋沙障在沙埋过程中，防护区输沙量显著增加，但是输沙分布高度显著降低（<0.01）。沙袋沙障裸露状态时，输沙分布高度最大可达42.00 cm，是对照的1.75倍，但是输沙量仅为对照的35.46%。随着沙障沙埋深度的增加，输沙分布高度显著降低，浅埋时34.00 cm，深埋时28.00 cm，沙埋至浅埋状态时，防护区输沙量与对照已无显著差异。分析原因认为，过境风沙流经过沙障时，可分为三种运动状态：第一种是受到沙障的阻挡，在沙障正前方形成湍流，部分沙粒堆积于沙障前方，另一部分与来流碰撞并融入，继续向沙障后方运动；第二种也受到沙障的阻挡作用，运动路径被抬升，导致这部分气流向沙障后上方运动，至较高较远处，另有部分风沙流翻越沙障消能，加之运动至沙障后方，空间变得开阔，一部分气流速度减缓但依然继续运动，一部分气流在沙障后形成涡流，并与上层缓慢气流碰撞并融入，继续向沙障后方运动，在此过程中，气流中部分沙粒在沙障后方堆积；第三种是较高处运动的风沙流，未受到沙障扰动，运动至沙障后方并与向沙障后上方运动的风沙流碰撞，产生水平和后上方的分流运动。输沙高度分布高度差异，主要是由于沙障裸露部分对风沙流的抬升程度不同，影响了第二种运动的气流向沙障后上方的运动路径。在风沙流的整个运动过程中，气流携带沙粒仅在在沙障前后损失，这部分沙粒形成了堆积，而堆积量直接影响到气流输沙量，而这些变化的直接原因是沙障裸露高度变化。

2.3 不同沙埋程度沙障防护区地表蚀积特征

沙障在沙埋过程中，其迎风侧与背风侧土壤风蚀深度均显著降低。处在裸露、浅埋状态时，在沙障两侧均发生相对较强的风蚀作用，然而达到深埋状态时，地表风蚀程度降低。另外，由图6可以看出，沙袋沙障处于裸露、浅埋和深埋状态，其风蚀深度分别比对照降低18.53%，72.97%，80.40%。3种沙埋状态相比，裸露沙袋沙障防护区平均风蚀深度最大，但是也比对照的低54.12%。沙袋沙障裸露状态时，其出露地表面最高，对两侧近地层流场影响也最大，极易形成的较多、较强的湍流，而湍流是地表沙粒启动的动力。所以沙障对过境风沙流的强烈扰动，将会加速气流对地表的吹蚀作用，特别是在沙障的迎风侧地表风蚀作用更为明显。

注：不同大写字母代表差异显著（P＜0.01）。

图6 不同沙埋深度沙障前后地表土壤风蚀特征

3 讨 论

沙袋沙障的沙埋直接反应的是沙障高度变化，沙障高度是沙障防风固沙的关键构造参数，高度不同直接影响近地层风速廓线。风速廓线是风速随高度的分布规律，一般遵循对数方程。在沙障防护区，风速廓线多发生变化，而区别于流沙区。沙障铺设完毕后，沙障高度已经确定，但是在防护过程中，其前后容易堆积沙粒[1,17]，发生沙障沙埋，在此沙埋过程中基准面抬升，沙障的相对高度减小，沙障附近区域近地表风速廓线也随之发生变化。沙障设置初期，沙障未开始沙埋，其对近地层0～30 cm高度风速廓线影响显著，沙障迎风侧、背风侧风速分布曲线不服从对数函数[26]，与流沙区风速廓线差异显著。沙障背风侧风速廓线随高度发生波动性变化较显著，随着与沙障距离的增加，有效防护高度（小于对照风速的高度）由17.82 cm增加到了29.55 cm，显著高于沙障自身高度。但是在迎风侧随着与沙障距离的增加，有效防护高度呈现递减趋势，有效防护高度最大值仅为10.9～14.2 cm。

注：H为沙障高度，10 cm。

沙埋至沙障浅埋状态时，背风侧有效防护高度减小为8.2～11.8 cm，迎风侧减小为8.1～11.7 cm，但均遵从相同的变化趋势，即随着与沙障距离的增加有效防护高度增加，在迎风侧随着与沙障距离的增加有效防护高度减小。另外，沙袋沙障处于3种沙埋状态时，沙障背风侧的有效防护高度均显著高于沙障高度，裸露状态时，背风侧有效防护高度可达17.8～29.5 cm，至深埋状态时，有效防护高度为3.5～5.5 cm。沙埋过程中，沙袋沙障有效防护距离和防护高度随之呈现减小趋势[27]，但是其对过境气流的扰动程度也随之减小，特别是在背风侧[19]。扰动小，过境气流多以层流方式前进，扰动强度大，瞬时风速极易发生波动性变化[28]，沙障前后形成紊流及涡流，反而会加速地表土壤风蚀。相比可知，沙障处于浅埋、深埋状态时，沙障对气流对过境气流扰动小，与沙障接触的气流未发生显著性波动变化，进而近地层气流流场变化平缓，形成紊流的概率减小。

注：拟合方程y1代表沙障裸露方式，y2为浅埋方式，y3为深埋方式。

在沙埋过程中改变了沙障的防风固沙能力，同时也增加了其自身的稳定性。沙袋沙障受到风力的作用容易移动，发生形变，导致原有沙障结构不稳定，进而影响防护效益，特别铺设于地形起伏变化显著、坡度较大的区域，沙袋沙障更容易发生形变。然而，沙埋解决了此问题，沙袋沙障被沙埋，部分沙障在土壤下方受到土壤的固着，裸露部分受到气流作用力相对较小，在一定程度上大大提高了沙障的稳定性。但是沙障被沙埋也大大降低了其实际裸露高度，对过境风沙流的阻挡力下降。前文所述沙障高度降低将会大大降低湍流及涡流的形成，这也说明沙埋有利于降低沙障防护区地表风蚀。而沙袋沙障属于固沙型沙障，固沙是其最终目的。

2015年6月铺设沙障，开展不同深度埋设试验，至2017年8月沙障间裸露沙地地表发生了不同程度的风蚀。裸露、浅埋、深埋3种埋深状态下，沙障障间地表最大风蚀深度分别为44.55、17.62、13.15 cm，障间平均风蚀深度分别为33.37、11.07、8.03 cm，而对照土壤风蚀深度达到了40.96 cm。当纯净气流或风沙流经过新设置的沙障时，在沙障间产生旋涡，最终沙障方格内沙面变为凹曲面[29]。沙障经过较大的风沙流后，虽然沙障能够有效减少地表风蚀，但是沙障前后地表依然处于风蚀状态。沙障防护体系稳定前必然形成凹曲面，所以新设置的沙障在凹曲面形成阶段必会产生较大程度的土壤风蚀。3种埋设处理的沙袋沙障防护区也出现了凹曲面，但是凹曲程度存在显著差异。裸露沙袋沙障间凹曲程度最大，深埋处理最小，此结论与孙显科等[30]研究结论一致，凹面深度随障埂高度的增高而升高。通常在平坦而开阔的沙面上，是不会造成严重积沙危害[31]，但是一旦遇到障碍物、地形起伏、风速的突变均能造成不同程度积沙危害[2]。这也表明了，如果仅为了有效抑制地表风蚀，那么沙障的设置高度不易过高，以降低对过境风沙的扰动程度。这也恰恰说明，对沙袋沙障进行一定程度的埋设，或者降低其地上高度，将有助于减少地表风蚀。本研究中涉及的沙袋沙障设置高度较适宜平缓的流动沙地地表风蚀控制，对于有一定坡度的流沙地表，则应根据实际坡度情况设计沙障高度。另外，透风型沙障与紧密型或不透风型沙障防护原理差异较大，透风型沙障可适当增大设置高度，如麦草沙障设置高度则保持出露草头高度10～20 cm左右[1,32]。

4 结 论

沙障在防护过程中经历风蚀、沙埋状态或者两种状态交替出现，过度风蚀或沙埋均会造成沙障失去防护作用。而适度的沙埋不但提高了沙障自身稳定，同时也在一定程度上提高沙障固沙效果。对沙袋沙障裸露、浅埋、深埋3种沙埋状态下流场、风速廓线、输沙特征及地表风蚀状况的观测及沙障防风固沙效益变化规律的分析表明：

1）在平缓流动沙地设置沙障时，必须考虑其结构的稳定性，特别是结构不稳定型沙障，建议对其进行适度的埋设处理，即可增加沙障结构的稳定性，又达到有效固沙目的。

2）沙障在沙埋一定程度后，防护区近地层风速廓线曲线逐渐服从对数函数，沙障的防护距离、防护高度逐渐减小。裸露状态时，有效防护距离、防护高度可达70 cm、17.8～29.5 cm；浅埋状态时，降低至45 cm、8.2～11.8 cm；深埋状态时，降低至10～15 cm、3.5～5.5 cm。

3）沙障在沙埋过程中，输沙率、输沙量呈现增加的趋势，但是输沙的分布高度显著降低。沙障处于裸露状态时，可采输沙高度可达42 cm，是对照的1.75倍，但是输沙量仅为对照的35.46%，浅埋状态时，可采输沙高度已经降至20 cm，此时已与对照无显著差异。

4）沙障在沙埋过程中，防护区地表土壤风蚀呈现降低趋势。经过两个完整风季，裸露、浅埋、深埋设置方式的沙袋沙障防护区最大风蚀深度分别为44.55、17.62、13.15 cm，平均风蚀深度为33.37、11.07、8.03 cm，而对照达到了40.96 cm。

[1] 孙保平. 荒漠化防治工程学[M]. 北京:中国林业出版社，2000：38－55.

[2] 屈建军，凌裕泉，俎瑞平，等. 半隐蔽格状沙障的综合防护效益观测研究[J]. 中国沙漠，2005，25(3)：329－335. Qu Jianjun, Ling Yuquan, Zu Ruiping, et al. Study on comprehensive sand-protecting efficiency of semi-buried checkerboard sand-barriers[J]. Journal of Desert Research, 2005, 25(3): 329－335. (in Chinese with English abstract)

[3] 党晓宏，高永，虞毅，等.可降解纤维沙障控制风蚀沙埋的作用规律[J]. 科技通报，2015，31(5)：41－52. Dang Xiaohong, Gao Yong, Yu Yi, et al. The affect law on the degradable fiber checkerboard control of wind erosion and sand bury[J]. Bulletin of Science and Technology, 2015, 31(5): 41－52. (in Chinese with English abstract)

[4] 李锦荣，蒙仲举，高永，等. 低立式格状土工沙障固沙效果研究[J]. 内蒙古农业大学学报（自然科学版），2009，30(1)：81－86. Li Jinrong, Meng Zhongju, Gao Yong, et al. Effect of upright geotextile checkerboard stabilizing sand[J].Journal of Inner Mongolia Agricultural University(Natural science edition), 2009, 30(1): 81－86. (in Chinese with English abstract)

[5] 闫德仁，胡小龙，黄海广，等. 不同几何形状纱网沙障输沙量风洞模拟实验研究[J]. 内蒙古林业科技，2017，43(3)：14－17. Yan Deren, Hu Xiaolong, Huang Haiguang, et al. Wind tunnel modeling test on sediment discharge of PE yarn net sand barrier with different geometrical shapes[J]. Journal of Mongolia Forestry Science and Technology, 2017, 43(3) :14－17. (in Chinese with English abstract)

[6] Qiu Guoyu, Bok Lee, Hideyuki Shimizu, et al.Principles of sand dune fixation with straw check board technology and its effects on environment[J]. Journal of Arid Environment, 2004, 56: 449－464.

[7] 马全林，王继和，刘虎俊，等. 机械沙障在退化人工梭梭林恢复中的应用[J]. 干旱区研究，2005，22(4)：526－531. Ma Quanlin, Wang Jihe, Liu Hujun,et al. Application of sand barriers in regenerating the degenerated artificial forests ofon bge[J]. Arid Zone Research. 2005, 22(4): 526－531. (in Chinese with English abstract)

[8] 高菲，高永，高强，等. 沙柳沙障对土壤理化性质的影响[J]. 内蒙古农业大学学报（自然科学版），2006，27(2)：39－42. Gao Fei, Gao Yong, Gao Qiang, et al. Effects ofcheckerboard of physical and chemical characteristics of sand soil[J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University(Natural science edition), 2006, 27(2): 39－42. (in Chinese with English abstract)

[9] 常兆丰，仲生年，韩福贵，等. 粘土沙障及麦草方格沙障合理间距的调查研究[J]. 中国沙漠，2000，20(4)：455－457. Chang Zhaofeng, Zhong Shengnian, Han Fugui, et al. Research of the suitable row-spacing on clay barrier and straw barrier[J].Journal of Desert Research, 2000, 20(4): 455－457. (in Chinese with English abstract)

[10] 王振亭，郑晓静. 草方格沙障尺寸分析的简单模型[J]. 中国沙漠，2002，22(3)：229—232. Wang Zhengting, Zheng Xiaojing. A simple model for calculating measurements of straw checkerboard barriers[J]. Journal of Desert Research, 2002, 22(3): 229－232. (in Chinese with English abstract)

[11] 李锦荣，孙保平，高永，等. 基于空气动力学的沙袋沙障气流场模拟[J]. 北京理工大学学报，2010，30（6）：749－752. Li Jinrong, Sun Baoping, Gao Yong, et al. Simulation of sand-bag barrier wind flow field based on aerodynamics[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2010, 30(6): 749－752. (in Chinese with English abstract)

[12] 张亚玲，王翔宇，高函，等. 沙柳沙障防风效益模拟试验研究[J]. 水土保持应用技术，2007(6)：3－5. Zhang Yaling, Wang Xiangyu, Gao Han, et al. Effect of salixcheckerboard on reducing wind of simulation test[J]. The Application Technology of Soil and Water Conservation, 2007(6): 3－5. (in Chinese with English abstract)

[13] 高永，邱国玉，丁国栋，等. 沙柳沙障的防风固沙效益研究[J]. 中国沙漠，2004，24(3)：355－370. Gao Yong, Qiu Guoyu, Ding Guodong, et al. Effect of salixcheckerboard on reducing wind and stabilizing sand[J]. Journal of Desert Research, 2004, 24(3): 355－370. (in Chinese with English abstract)

[14] 董智，李红丽，汪季，等. 土工格栅沙障防风积沙效应风洞模拟实验[J]. 中国水土保持科学，2007，5(1)：35－39. Dong Zhi, Li Hongli, Wang Ji, et al. Wind tunnel test on effect of controlling wind and deposited sand of geogrid sand-barrier[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2007, 5(1): 35－39. (in Chinese with English abstract)

[15] Raine J K, Stevenson D C. Wind protection by model fences in a simulated atmospheric boundary layer[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1977, 2(2): 159－180.

[16] Dong Zhibao, Qian Guangqiang, Luo Wanyin, et al. Threshold velocity for wind erosion: The effects of porous fences[J]. Environment Geology, 2006, 51(3): 471－475.

[17] 张登山，吴汪洋，田慧丽，等. 青海湖沙地麦草方格沙障的蚀积效应与规格选取[J]. 地理科学，2014，34(5)：627－634. Zhang Dengshan, Wu Wangyang, Tian Huili,et a1. Effects of erosion and deposition and dimensions selection of straw-checkerboard barriers in the desert of qinghai lake[J]. Scientia Geographica Sinica, 2014, 34(5): 627－634. (in Chinese with English abstract)

[18] 孙浩，刘晋浩，黄青青. 沙障风荷载作用下嵌固端受力分析[J]. 农业工程学报，2017，33(2):148－154. Sun Hao, Liu Jinhao, Huang Qingqing. Numerical analysis for force at embedded end of sand barrier under wind loads[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 148－154. (in Chinese with English abstract)

[19] 薄天利，郑晓静. 防沙栅栏风洞实验的数值模拟[J]. 兰州大学学报(自然科学版)，2005，41(5)：97－101. Bo Tianli, Zheng Xiaojing. Numerical simulation on sand fence in wind tunnel experiment[J]. Journal of Lanzhou University(Natural Sciences), 2005, 41(5): 97－101. (in Chinese with English abstract)

[20] 王晨沣，王玉杰，袁立敏，等. 不同形状沙袋沙障稳定性及防风效益[J]. 水土保持学报，2015，29(5)：7－12. Wang Chenfeng, Wang Yujie, Yuan Limin, et al. Stability and wind-break effect of sand barriers of different shapes[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(5): 7－12. (in Chinese with English abstract)

[21] 袁立敏，闫德仁，黄海广，等. 沙袋沙障对流动沙丘植被恢复的影响[J]. 内蒙古林业科技，2018，44(1)：25－28. Yuan Limin, Yan Deren, Huang Haiguang, et al. Influence of jute fiber sandbags sand barrier on vegetation recovery in mobile dunes[J]. Journal of Mongolia Forestry Science and Technology, 2018, 44(1): 25－28. (in Chinese with English abstract)

[22] LY/T 2986—2018，流动沙地沙障设置技术规程[S].

[23] G R. Near-bed mass flux profiles in Aeolian sand transport: High-resolution measurements in a wind tunnel[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 1999, 24(5): 393－412.

[24] 陈智，麻硕士，范贵生. 农牧交错区地表土壤风蚀物垂直分布规律研究[J]. 农机化研究，2007，29(4)：102－105. Chen Zhi, Ma Shuoshi, Fan Guisheng, et al. The vertical distribution laws of wind erosion matter over land surfaces in the cross region between farmland and grassland[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007, 29(4): 102－105. (in Chinese with English abstract)

[25] 杜鹤强，薛娴，孙家欢. 乌兰布和沙漠沿黄河区域下垫面特征及风沙活动观测[J]. 农业工程学报，2012，28 (2)：156－165. Du Heqiang, Xue Xian, Sun Jiahuan. Underlying surface characteristics and observation of blown-sand movement in Ulanbuh desert along bank of Yellow River[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28 (2): 156－165. (in Chinese with English abstract)

[26] 张克存，屈建军，俎瑞平，等. 不同下垫面对风沙流特性影响的风洞模拟研究[J]. 干旱区地理，2004，27(3)：352－355. Zhang Kecun, Qu Jianjun, Zu Ruiping, et al. Wind tunnel simulation about the effects of the different[J]. AridLand Geography, 2004,27(3): 352－355. (in Chinese with English abstract)

[27] Cornelis W M, Gabriels D. Optimal windbreak design for wind-erosion control[J]. Journal of Arid Environments, 2005, 61(5): 315－332.

[28] 张克存，屈建军，董治宝，等. 格状沙障内风速波动特征初步研究[J]. 干旱区研究，2006，23(1)：93－97. Zhang Kecun, Qu Jianjun, Dong Zhibao, et al. Preliminary research on fluctuation characteristics of wind speed over checkerboard sand barriers[J]. Arid Zone Research, 2006, 23(1): 93－97. (in Chinese with English abstract)

[29] Dong Zhibao, Luo Wanyin, Qian Guangqiang, et al. Evaluating the optimal porosity of fences for reducing wind erosion[J]. Sciences in Cold and Arid Regions, 2011, 3(1): 1－12.

[30] 孙显科，郭志中. 沙障固沙原理的研究[J]. 甘肃林业科技，1999，24(2)：7－12. Sun Xianke, Guo Zhizhong. Study on principals of fixing sand with sand control hedge[J]. Journal of Gansu Forestry Science and Technology, 1999, 24(2): 7－12. (in Chinese with English abstract)

[31] 韩致文，董治宝，王涛，等. 塔克拉玛干沙漠风沙运动若干特征观测研究[J]. 中国科学（D辑），2003，33(3)：255－264. Han Zhiwen, Dong Zhibao, Wang Tao, et al. Observation of several characteristics of aeolian sand movement in the Taklimakan Desert[J]. Science in China (Series D: Earth Sciences), 2003, 33(3): 255－264. (in Chinese with English abstract)

[32] 朱震达，赵兴梁，凌裕泉，等. 治沙工程学[M]. 北京:中国环境科学出版社，1998：96－116.

Effect of wind-preventing and sand fixation of belt sand barrier under different degree of sand burial

Yuan Limin1,2, Huang Haiguang1,2,3, Yan Deren1,2, Hu Xiaolong1,2

(1.010010; 2.027300; 3.010018,)

Sand barrier is easy to be buried by sand at the beginning of the sand barrier setting and it will lose wind-preventing and sand fixation function when it is buried deeper, but moderate sand bury can improve protect effect while sand burial will help the sand barrier to form a stable protective structure. So it is conducive to understanding the sand burial mechanism and the change law of protective benefits caused by sand burial. In order to study the difference of wind-preventing and sand fixation of different depth sand burial of sand barrier, the research conducted wind tunnel simulation and field experiment. The laws of wind flow field and sediment transport flux in surface layer of the protection zone which was protected by sandbag sand barrier under the condition of bare, shallow and deep sand buried were studied, andthe mobile sand dunes without sand barrier was taken as a control. In the wind tunnel test, the variation of the near-surface airflow field, wind speed profile, sediment transport rate and sediment transport height during the sand burial process were analyzed. Sandbag sand barriers were set up in the windward slopes of mobile sand dunes and wind erosion resistance effects of the three sand burial states were tested. The research results showed that with the sand barrier experienced the process of being bare-shallow-deep sand burial, 1) the variation of the airflow field was gradually and steadily in the near-surface layer, and the turbulent flow was reduced significantly, multiple low-speed settlement areas appeared at the right rear when it was bare, and disappeared when it was shallow burial; 2) Both of effective protecting distance and height of transit flow were decreased , that were at least 70 cm and 15 cm of the leeward side of the sand barrier when it was bare, but fell below 50 cm and 7 cm respectively when it was deep burial; 3) The wind speed distribution curve of the near surface layer on the windward and leeward side of the sand barrier did not obey the logarithmic function, and the wind speed profile was volatility change with the height, as the sand barrier was gradually buried by sand, wind speed profile was the same as that of the control and obeyed the law of logarithmic distribution; 4) The height of transporting sediment discharge on protection zone of the sand barriers decreased significantly (<0.01), height of transporting sediment discharge decreased from 42 cm (bare) to 34 cm (shallow burial) and finally to 28cm (deep burial), and the distribution height of the control was 24 cm; 5) Field experiments of three burial depths showed that wind erosion depth of bare, shallow and deep buried sandbag sand barriers in protection area showed a decreasing trend two years after setting up, the depth of wind erosion decreased by 18.53%, 72.97% and 80.40% respectively compared with the control. The research can provide theoretical support for optimization of sand barrier height and improvement of applied technology.

soils; erosion; sand barrier; wind erosion; wind speed flow field; wind profile; sediment discharge

2019-01-29

2019-04-11

国家自然科学基金资助项目（31760237）

袁立敏，副研究员，博士，主要从事荒漠土壤资源利用与保护研究，Email：nmgyuanlm@163.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.019

S288；S157.1

A

1002-6819(2019)-16-0172-08

袁立敏，黄海广，闫德仁，胡小龙.不同沙埋程度下带状沙障的防风固沙效果研究[J]. 农业工程学报，2019，35(16)：172－179. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.019 http://www.tcsae.org

Yuan Limin, Huang Haiguang, Yan Deren, Hu Xiaolong. Effect of wind-preventing and sand fixation of belt sand barrier under different degree of sand burial[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 172－179. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.019 http://www.tcsae.org