生物基可降解聚乳酸沙障的蚀积特征

刘湘杰，党晓宏，2，汪 季，2，丁延龙，焦宏远

（1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特，010018；2.内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯，017400）

风沙灾害是中国北方地区面临的最严重的生态威胁之一［1-2］，对农田、工矿区、交通线路和居民点等造成严重影响，并制约区域社会经济可持续发展，亟待采取措施进行治理［3-4］。在沙丘活动较强、水资源匮乏的地区，机械沙障已成为治理沙害的一种行之有效的措施［5-6］，沙障材料较多，比如：麦草沙障［7-8］、沙柳沙障［9］和黏土沙障［10］等。20世纪60年代，许多专家就对方格状沙障进行了深入研究［11］，并且取得了丰硕的成果。目前，方格状沙障仍是许多学者研究的对象［12-13］。方格沙障能否起到防风固沙的作用，其稳定的凹曲面形成是关键［14］。

风沙流通过沙障时，在障格内部会形成短轴与沙障高度接近，长轴为障高5～6倍的椭圆形涡流［15］，在涡流的作用下，障格内原始沙面经过充分蚀积后会达到平衡状态，即形成稳定的凹曲面。屈建军等［14］认为格状沙障蚀积系数满足1／10～1／8之间才能形成稳定的凹曲面。张登山等［16］通过对青海湖6种规格草方格沙障蚀积效应进行评定，得出凹曲面侵蚀强度与沙障规格大小呈正相关。周娜等［17］对草方格内部气流场进行模拟，得出气流在草方格障体前受阻滞减速，穿过草方格时，受狭管效应，在障格内形成加速区，对障格中心沙面风蚀，形成障格内中间低四周高的凹曲面。一般通过凹曲面形态、蚀积系数和蚀积强度来表征凹曲面特征，反映过境风沙流通过沙障时障格内部地表起伏变化，是衡量沙障防风固沙效果的重要手段，常作为沙障规格选取的重要依据［14-16］。

方格沙障规格参数的选取还需要考虑沙障材料的防护寿命，如传统麦草沙障地上部分在风打沙割及日光照射下老化较快，同时在铺设时一部分需埋入沙面以下，地下部分也易腐烂，导致其使用年限减少。沙漠地区秸秆、黏土、砾石等传统沙障材料资源匮乏，加之交通不便，大大增加了沙害治理的难度［18］。生物可降解聚乳酸（poly lactic acid）沙障（以下简称PLA 沙障）采用木薯淀粉等天然原料生成，遵循“以沙治沙”理念，就地取材，将沙物质装入沙袋中铺设于地表，既可有效控制地表风沙活动，且在沙障铺设5 a后性能仍较为稳定［19］，其可完全分解为二氧化碳和水［18］，对沙区环境不会产生二次污染，是一种应用前景极广阔的防风固沙材料。目前对此沙障材料特性［19］、防风固沙效益［20-24］、对土壤物理性质影响［25-26］和对沙区植被恢复的作用［18，27］等方面均有相关研究。障格内蚀积特征作为障格间距确定的依据具有重要 意义［14，16］，本文 通 过 对PLA 沙 障 障 格 内 凹 曲 面形态和土壤蚀积特征进行定量描述，旨在揭示不同规格PLA 沙障障格内的蚀积规律，为今后PLA 沙障规格设置提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古阿拉善左旗吉兰泰镇北部5 km处的自然保护区内，地处乌兰布和沙漠西南缘。该地区属于典型的温带大陆性干旱气候，冬季严寒，夏季炎热，气温年、日差较大，极端最低气温－31.2 ℃，极端最高气温40.9℃，年均气温8.6℃；干旱少雨，蒸发量大，年均降水109.9 mm，年均蒸发量3 005.2 mm；风力强劲，沙源物质丰富，冬季盛行西北风，夏季盛行西南风和东北风，风力平均4～5 级，平均风速3.6 m／s，最大瞬时风速24 m／s，年均扬沙日数82.5 d，年均风沙流频率112.9次。在风力长期作用下，盐湖北部形成大量西北—东南走向、长度数百米的巨大沙垄。土壤种类主要为灰漠土、风沙土和盐渍土，间有盐化草甸土出现。植物资源贫乏，结构单一，以梭梭（Hɑloxylonɑmmodendron）、白刺（Nitrɑriɑtɑngutorum）、阿拉善沙拐枣（Cɑlligonumɑlɑschɑnicum）和沙米（Agriophyllum squɑrrosum）等荒漠植被为主。

1.2 研究内容与方法

1.2.1 样地布设 在试验区选取西北—东南走向的的沙垄，沙垄长250 m，宽30 m，沙垄两侧不对称，西北坡坡度12°～13°，东北坡坡度25°～26°。沙垄顶部平坦宽阔，宽度大于15 m。在沙垄西北坡，沿坡底向沙垄顶部铺设PLA 沙障，沙障内填充风积沙后就地铺设于沙表面，障体呈筒状，障高约10 cm，自南向北沙障规格依次为0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，1.5 m×1.5 m 和2 m×2 m，每种规格区面积约为200 m2，间隔20 m。

1.2.2 凹曲面形态测量 为避免地形干扰，选择沙垄顶部平坦处的障格为研究对象，每种规格选取10个障格作为重复。在风季前对障格内进行人为整平，风季结束后对凹曲面采用悬测法进行测量［16］。沿方格对角线和平行边中点连线布设测线（方格的4条对称轴），4条测线呈“米”型，将障格划分为8 个方位区。沿测线两头拉直皮尺，而后用激光测距仪沿皮尺每隔5 cm 测量皮尺到沙面的距离，同时记录测点到起点（点NW，N，NE 和E）的相对距离，记为X。并在每个方位区内选择5～10个点测量皮尺到沙面的距离，以补充测线间的空白区域。

凹曲面与原沙面相对高差计算公式。

式中：Y——凹曲面与原始沙面相对高差（cm）；H——沙障障高（cm）；h——皮尺到凹曲面的距离（cm）；Y＞0表示堆积，Y＜0表示风蚀。

1.2.3 数据处理 利用Surfer 8.0的空间插值和三维空间分析功能，分别绘制障格内凹曲面形态图和计算障格内沙粒蚀积体积。采用Origin 2017拟合障格内蚀积深度曲线在不同方位变化规律。通过适用范围和插值的优缺点对12种空间插值方法进行筛选验证，筛选出6种空间插值方法（克里格法、径向基函数法、自然临点法、最近临点法、局部多项式法和带线性插值的三角剖分法）进行交叉验证，确定最优空间插值方法，评价指标如下［28］：

（1）残差计算公式。

式中：Zres——残差值；Zdat——障格内蚀 积深度；Zgrd——该点模拟值。

（2）平均估计误差百分比计算公式。

式中：Z*i（Xk）——位置Xk处随机变量Zi估计值；Zi（Xk）——位 置Xk处 的 样 点 值；¯Zi——样 点 平均值。

（3）相对均方差计算公式。

式中：s2——样点方差。

（4）均方根 预测误差计算公式。

分析每种方法的平均残差、均方根预测误差、相对误差和误差百分比进行筛选，筛选依据为计算值越小，效果越好，最终确定最优空间插值方法，通过计算分析本文选择克里格方法进行空间插值。

蚀积参数常用指标包括蚀积系数、堆积强度、侵蚀强度和净堆积强度等［15］。其中凹曲面深度、障格边长和障格表面积为实测值，蚀积量是通过Surfer 8.0求得障格内蚀积体积后与沙粒密度乘积求得。计算公式如下：

①蚀积系数。

式中：ɑ——蚀积系数；H——凹曲面中心深度（cm）；L——为障格边长（cm）。

②蚀积／堆积强度。

式中：Q——风蚀强度或堆积强度（g／cm2）；M——风蚀量或堆积量（g）；S——障格规格表面积（cm2）。

③净堆积强度。

式中：Q净——净堆积强度（g／cm2）；Q堆积——堆积强度（g／cm2）；Q侵蚀——侵蚀强度（g／cm2）。

④PLA 沙障障格内不同方位轮廓断面拟合方程。

式中：Y——充分蚀积后凹曲面与原始沙面的相对高差（cm）；X——不同方位线上所取测量点距测量起点的投影距离（cm）。

2 结果与分析

2.1 不同规格障格蚀积凹曲面特征

沙障障格内凹曲面形态是对地表蚀积状况最直观的反映，也是衡量沙障效果的重要指标。当风沙流通过沙障时，沙障影响流场和近地表风沙流结构，从而改变了地表的蚀积状况。沙障规格的差异导致蚀积程度不同（见图1）。在经历一个风季后，对障格凹曲面进行测量，不同规格障格内蚀积差异明显，但整体均呈中间低四周高，凹曲面中心深度随着沙障规格的增大而加深，最深风蚀深度可达13 cm。障格四周为风沙流阻滞区，呈堆积状态，堆积平均高度为6.29 cm。

由表1可知，随着沙障规格的增大，障格内中心平均风蚀深度从6.70 cm 增加到23.00 cm。4种规格沙障蚀积系数均在1／8～1／10之间，即障格内风蚀深度达到障格边长的1／8～1／10，属于格状沙障边长与风蚀深度稳定比例［13］。在同一个障格内的不同区域，风蚀和堆积同时存在，风蚀强度随着障格规格的增大呈增大趋势，堆积强度与之相反。在障格稳定凹曲面形成前，其内部不同部位呈现蚀积动态过程。通过对比凹曲面形成前障格内的净堆积强度（以原沙面为基准），可知PLA 障格内在凹曲面形成过程中，0.5 m×0.5 m和1 m×1 m障格内沙物质堆积量大于风蚀量，净堆积强度分别为17.29 g／cm2和7.09 g／cm2，障格内大量积沙；1.5 m×1.5 m 障格内堆积量与风蚀量接近，净堆积强度为0.61 g／cm2，障格内积沙量较少；而2 m×2 m 障格内风蚀量大于堆积量，净堆积强度为－8.2 g／cm2，障格内沙物质被风蚀。

图1 不同规格PLA沙障蚀积凹曲面拟合特征

表1 不同规格PLA沙障障格内蚀积特征

2.2 障格内不同方位蚀积剖面特征

图2为不同规格PLA 沙障障格内不同方位蚀积深度变化。4种规格PLA 沙障内NW-SE 和NE-SW两个方向中心深度较其他两个方位更深，风蚀量更大，这与研究区风季主害风方向为NW-SE和NE-SW相符合［14，25］。在凹曲面形成过程中（以原沙面为基准），PLA 沙障障格内4 条方位线上蚀积情况不同。0.5 m×0.5 m 障格内，4个方向上断面最低点均在原沙面以上，说明此规格障格内主要发生堆积；1 m×1 m障格内E-W 和N-S方向断面最低点在原沙面以上，NW-SE和NE-SW 方向断面有部分在原沙面以下，说明该规格沙障内仍以堆积为主；1.5 m×1.5 m障格内除N-S方向，其他3个方向上断面均有部分在原沙面以下，障格内堆积与风蚀并存；2 m×2 m 障格内，4个方向上断面大部分在原沙面以下，障格内以风蚀为主。

图2 障格内不同方位蚀积深度状况

对4种规格沙障障格内不同方向断面轮廓线进行函数拟合，可为沙障凹曲面形态提供简明的描述方法，拟合结果如表2所示。

表2 障格内不同方向断面轮廓线拟合

由表2可知4种规格PLA 沙障障格内4个方位垂直剖面轮廓曲线均符合二项式函数。拟合系数均在0.8以上，拟合度较高，说明障格内形成的凹曲面较为光滑，障格内沟壑坑洼等较少。表2中方程中二次项系数和一次向系数分别为ɑ 和b，ɑ 为垂直剖面轮廓曲线开口大小，系数a的值在0.000 8～0.005 2范围内变化，其数值随障格规格的增大逐渐减小，在不同方向上其数值由大到小依次为：E-W 和S-N＞NE-SW 和NW-SE。－b／2a代表拟合曲线中心在方位线上的位置。经计算，0.5 m×0.5 m 障格内4条拟合曲线中点均在障格中心处附近，因此凹曲面中心基本与方格中心重合；1 m×1 m 障格内，凹曲面中心较方格中心向SE 方向偏离；1.5 m×1.5 m 障格内，凹曲面中心较方格中心向SE方向偏离；2 m×2 m 障格内，凹曲面中心较方格中心向S方向偏离。

3 讨论

风沙流经过沙障后，由于气流的涡旋作用，使障格内原始沙面充分蚀积后达到平衡状态，即形成稳定的凹曲面。一般认为，格状沙障满足蚀积系数在1／10～1／8之间才能在障格内形成稳定的凹曲面，且这种比例关系是稳定的，不会随意增大或减小［14，29］。本研究计算的蚀积系数均在上述研究结果范围内，表明0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，1.5 m×1.5 m 和2 m×2 m规格的PLA 沙障内已形成稳定的凹曲面。本研究发现，随着PLA 沙障规格的增大，障格内凹曲面中心风蚀深度和风蚀强度也呈现增大趋势，与张登山等［16］研究结果一致，其中各指标数值大小有所差异，其原因可能是由于风力条件、沙物质属性、沙障材料不同等原因所致。

沙障障格内凹曲面的形成主要受控于地表气流运行速度、方向及地形等因素。障格内不同部位风蚀和堆积的分布还受到障体的作用，一般而言，障格中心距离障体最远，风力较强，易被侵蚀；而障格四周由于障体对气流的扰动，使流体以湍流形式运动，流速降低，促进沙粒沉降，多形成堆积现象。障格内蚀积分布的不同最终使其内部形成四周高、中央低的凹曲面［14，17，23］。研究区内PLA 方格沙障凹曲面的形成过程主要受控于当地风向风速条件，在不同风向作用下，障格内4条断面轮廓曲线均符合二项式函数，障格内所形成的凹曲面较为光滑。且本文得出障格内N-S方向曲线开口均较小，W-E方向轮廓曲线开口较大，这主要是受控于沙垄走向和研究区主害风方向，对N-S方向侵蚀较为严重，研究结果与袁立敏［24］等人研究结果一致。

根据凹曲面内蚀积体积变化，0.5 m×0.5 m 和1 m×1 m障格内以沙粒堆积为主，拦截风沙流效率较高，可有效控制地表风蚀。1.5 m×1.5 m 障格内风蚀强度与堆积强度差值较小，障内大致保持蚀积平衡。2 m×2 m 障格内风蚀强度大于其他3种规格，但根据同一研究区沙垄上铺设8 a后的PLA 沙障来看［26］，2 m×2 m PLA 障格在铺设8 a后仍可维持原有形状（图3），表明2 m×2 m 规格PLA 沙障内刚铺设后虽会发生风蚀，但在形成稳定的凹曲面后，沙面将不再继续向下风蚀，可长期发挥其固沙功能。

图3 PLA沙障铺设8 a后效果（2016，丁延龙）

在实际使用过程中，沙障铺设成本是必须考虑的因素，较小规格的沙障防护效益好，但其铺设成本亦十分高昂［9］，因此在进行沙障施工设计时，要因地制宜，在风沙流活动强烈或需要重点隔离保护的区域，适用小规格沙障；在风沙活动较弱、防护需求不强的地区，适用较大规格的沙障。同时，对于某一地区设置什么规格沙障较好，还需根据当地风向、地形起伏等特点合理配置，才能使沙障的综合防护效果发挥到最佳。

4 结论

（1）PLA 沙障障格内蚀积形态均呈四周高中间低的整体格局，随沙障规格的增大，凹曲面中心风蚀深度越深，最深可达13 cm。障格四周呈堆积状态，堆积平均高度6.29 cm。障格内凹曲面深度约为障格边长的1／10～1／8，均形成了稳定的凹曲面。PLA沙障障格内断面轮廓线基本符合二项式模型，平行主害风向的断面轮廓线深度较大，风蚀强度较高。

（2）0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，1.5 m×1.5 m 和2 m×2 m 这4种规格PLA 沙障障格内的净堆积强度分别为17.29，7.09，0.61，8.2 g／cm2。在障格内稳定的凹曲面形成过程中，0.5 m×0.5 m 和1 m×1 m障格内呈积沙状态，拦截风沙流效率高；1.5 m×1.5 m 障格内沙物质呈近乎积蚀平衡状态；2 m×2 m 障格内沙物质布设初期有所风蚀，但之后可形成稳定的凹曲面，仍有控制地表风蚀的作用。