新疆低立式砾石沙障的防沙效果

2021-04-04李菊艳伊力哈木伊马木玉米提吾提库尔关含笑

中国水土保持 2021年10期

李菊艳，伊力哈木·伊马木，玉米提·吾提库尔，张鹏，关含笑

(1.新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站，新疆乌鲁木齐 830002； 2.中国科学院大学，北京 100049；3.喀什大学新疆帕米尔高原生物资源与生态重点实验室，新疆喀什 844000；4.喀什大学生命与地理科学学院，新疆喀什 844000)

我国西北地区土壤风蚀造成的土壤荒漠化、沙化现象严重，干旱半干旱地区的开发建设项目又增加了裸露地表和破碎地表的面积，使地表的抗蚀能力大大减弱[1]，严重制约了经济的可持续发展。NEUMAN et al.[2]通过风洞实验研究认为，分布在表面的粗糙度元素可以显著减少下垫层细颗粒沉积物在风作用下的携带和迁移。防治土地风蚀沙化的一个重要途径就是研究砾石沙障的防风固沙效益并推广应用[3]。在干旱沙区，砾石早已被作为防风固沙的材料[4]，是防治风沙灾害最古老的措施之一[5]。胡春元等[6]对公路沙害的防护技术进行了较为详细的研究，认为高度为30 cm的机械沙障治沙效果较好。李显玉等[7]通过对防沙治沙典型模式的研究发现，机械沙障在赤峰市应用较多且有良好的固沙作用。高承兵等[8]认为，在甘肃民勤县设置砾石沙障能有效降低近地表风速并减轻风蚀。

砾石沙障可对流沙地表进行保护，削弱近地表风速，降低携沙气流饱和度，从而减少侵蚀堆积量，增强地表稳定性[9]，且在取材、稳定性和持久性等方面有较为突出的优势[10]。根据风沙流的运动机理，30 cm高的沙障可以阻挡90%的风沙[11]。有关砾石沙障配置的研究虽然较多，但新疆地区30 cm低立式砾石沙障的防风固沙效果至今仍有待研究。本试验选取年降雨量少、植被稀疏、风力大、地貌遭到严重破坏、水土流失以风蚀为主的新疆为研究地点，探索低立式砾石沙障的防沙效果，旨在为风沙灾害的防治提供一定的理论支撑。

1 研究区概况

研究地点为新疆卡拉贝利水利枢纽工程区，位于新疆喀什地区的克孜河流域，为喀什市与克尔克孜州的交界地带，地理位置为75°10′50″E、39°32′33″N。该区属温带大陆性干旱气候区，三面环山，东部为托乎拉克沙漠，多年平均气温11.7 ℃；多年平均降水量120 mm，多年平均水面蒸发量几乎达到年平均降水量的27倍，蒸发强烈且降雨量小；多年平均最大风速为19.7 m/s，风力最高可达12级，风速10 m/s以上的西北风集中在5—7月，年平均大风日数23.1 d，年平均风速1.9 m/s，全年最大风速可达到31 m/s，起沙风速大于5.0 m/s，极易产生风蚀。

2 研究方法

2.1 研究方法及对象

选取具有风蚀代表性的弃土场为试验对象，对土地进行平整化处理后，采用常见的砾石作为沙障材料，确定布设地主风向(西北风)，垂直于主风向布设长400 cm、高30 cm的沙障带。利用入口横截面为3 cm×3 cm、长度为10 cm的组合式多通道通风集沙仪在沙障主风向的下游20、40、80、120 cm处进行监测[12]。在沙障外的相同方向，设置空白对照组，作为无沙障影响处理。为尽可能地减小地块长度对风蚀量测量的影响，集沙仪安置点距样地边界大于100 m[13]。

2.2 数据分析模型的建立

沙障的防风蚀效益计算公式为

(1)

式中：ES为相比于对照组沙障后不同距离处输沙量的变化程度，可视为不同距离处的防沙效益；S为沙障后距离，cm，取值20、40、80、120 cm；G为对照组的输沙量，g；GS为沙障后不同距离处距地57 cm内(集沙仪高度)的输沙量，g。

3 结果与分析

3.1 距地0～30 cm范围内输沙量变化

图1是距地0～30 cm监测范围内的空间输沙量。数据表明，相比于对照组，30 cm沙障后20、40、80、120 cm处，距地0～30 cm高度范围内输沙量分别减少461.7、417.2、416.1、392.9 g，其单位面积减沙量分别为5.13、4.64、4.62、4.37 g/cm2，0～30 cm高度范围内平均减沙量为4.69 g/cm3，30 cm低立式砾石沙障对0～30 cm高度风沙的阻截作用明显。特别是障后20 cm处的输沙量，表明沙障阻断了一部分沙尘来源，改变了风沙流结构，使风的携沙量显著减少。与对照组相比，障后不同距离处输沙量在距地0～30 cm高度范围内变化较大，说明30 cm高度沙障对沙障后120 cm范围内输沙量空间变化的影响主要集中在距地30 cm高度(1倍沙障高度)内。

图1 距地0～30 cm范围内的输沙量变化

3.2 距地30～57 cm范围内输沙量变化

如图2所示，在30～57 cm高度内，相比于对照组，沙障后不同水平距离处的输沙量有所增加，增沙量表现为：障后20 cm(126.7 g)>障后40 cm(125.8 g)>障后80 cm(122.3 g)>障后120 cm(97.5 g)，单位面积增沙量分别为1.56、1.55、1.51、1.20 g/cm2，30～57 cm高度内平均增沙量为1.46 g/cm2。可见30 cm高度沙障增加了气流搬运沙粒的高度，使沙粒被上升气流裹挟从而使风沙流被抬升。这表明沙障的存在使近地层风沙得到了有效的控制，上层单位面积输沙量沿气流方向明显增大。

图2 距地30～57 cm范围内的输沙量变化

3.3 沙障的综合防沙效益

表1为30 cm低立式砾石沙障后水平距离120 cm、垂直距离57 cm范围内的输沙量增减情况。由表1可看出，30 cm低立式砾石沙障对近地表输沙量空间分布规律的影响较大，随着障后距离的增加，沙障对地表输沙量变化的影响逐渐减弱。

表1 30 cm低立式砾石沙障的综合防沙效益

从表1可知，沙障后不同水平距离处防沙效益最大值出现在障后20 cm处(55.0%)，障后40～120 cm的综合防沙效益较为接近，且均>47%，在沙障后120 cm处防沙效益仍达48.5%。水平距离120 cm内防沙效益随距离增加而递减的趋势不明显，表明砾石沙障的综合防沙距离超过120 cm，即4倍沙障高。

4 讨论

本研究表明，30 cm低立式砾石沙障能实现良好的防沙效益，沙障后0～120 cm的减沙范围均在距地0～30 cm内，增沙范围在距地30～57 cm，与沙障的基本作用原理一致[14]。一方面，沙障能够较好地吸收地表的风动量[15]，当裹挟着沙的风穿过砾石沙障时，会被分成许多支流，遇到砾石摩擦，阻力增大且改变了风沙流结构，使风的携沙能力下降。另一方面，沙障增加了气流搬运沙粒的高度。输沙量的降低程度在沙障后20 cm处最明显，在障后40、80、120 cm处综合防沙效益递减趋势不明显，综合防沙效益均>47%，可见沙障对风沙流的限制范围>120 cm，即综合防沙距离>4倍沙障高，防沙效益较强。控制投入成本、节省时间和劳动力投入是防沙工程需要考虑的重要因素[16]。砾石沙障作为该地区成本低廉且易获取的材料，是该地区较为理想的沙障材料。