挡风墙设计及其在呼伦贝尔沙地治理中的应用

2021-09-19田美荣傅馨逸杨伟超冯朝阳高吉喜

环境工程技术学报 2021年5期

田美荣，傅馨逸，杨伟超，冯朝阳，高吉喜

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院 2.兰州大学生命科学学院 3.山东省人民政府人工影响天气办公室 4.生态环境部卫星环境应用中心

土地沙化威胁着人类的生存，阻碍自然环境和社会经济的可持续发展[1-2]。为遏制土地沙化带来的风沙危害，沙障作为一种治沙工程手段被广泛应用[3-6]。我国针对典型生态脆弱区流动沙丘及斑块状风蚀，已开展了一系列基于沙障的植被恢复技术试验研究与示范[7-9]。

沙障具有见效快、不需水源、较耐沙埋等优点，适用于无灌溉条件的流动沙丘地区，是最主要的非生物防沙治沙措施，对植被恢复起着重要作用[10]，是植物治沙的前提[11-12]。沙障有多种类型[13]，根据不同材料可分为传统生物质材料(作物秸秆、灌木、多年生草本植物等)，矿物质材料(黏土、砾石)，高分子化工材料(塑料网、尼龙网等)和新型材料(以石油化工产品为原料或以农作物经发酵生成产品为原料)。生物质材料成本低廉[7,14]、应用广泛，但易腐烂，防护年限短(3～5年)[7,15]；矿物质材料运输困难、耗费劳动成本较高，适宜就地取材；高分子化工材料的稳定性和时效性优于普通生物质材料沙障，但材料自身会给沙漠带来一定的二次污染[7]。聚乳酸纤维(PLA)是一种新型生物可降解固沙材料，可在自然条件下降解为水和二氧化碳，对沙化地区无二次污染，具有广阔的应用前景且环境友好[16-17]。此外，还有生物模块沙障[13]、人工多交棱柱型装置[18]、高密度聚乙烯沙障等多种新型沙障设置模式，为风沙灾害防治及沙漠化防治提供新的技术方法。

沙障设置应因地制宜，针对局部生态环境脆弱、大风天气频发地区，传统生物质沙障难以有效防风阻沙，因此挡风墙应运而生。挡风墙是一种高立式沙障[19]，为铁路、公路轨道两旁常用的阻沙工程措施[20-24]。笔者自主研发设计了5种类型的挡风墙，对其降低风速等性能进行对比研究，综合考虑防风效能、对表层土壤含水量的影响等生态效益，结合其制作成本，筛选出最优挡风墙结构参数，探索沙化严重的斑块状区域生态修复的治理模式，以期为大风口或大风频发地区的挡风墙设置提供参考依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

试验地位于内蒙古自治区呼伦贝尔市呼伦湖国家级自然保护区。呼伦湖是我国第五大淡水湖、内蒙古自治区第一大湖，是东北地区重要的生态系统，也是我国北方生态安全屏障的重要部分，在维持当地生态系统稳定中具有特殊的地位。研究区属于中温带，为温带干旱半干旱大陆性季风气候。春季干旱，多大风；夏季温和，降水集中；秋季气温急降，无霜期短[25]。多年平均降水量为237.18 mm，年平均气温为0.56 ℃。全年盛行西北风，年大风天数为20～40 d，平均风速为4～5 m/s，是我国著名的大风区之一[26]。呼伦湖周边地区沙化土地分布范围包括呼伦贝尔市7旗(市、区)，分布区域面积为831.6万hm2[27]。

1.2 研究方法

2016年4—10月在呼伦湖国家级自然保护区开展试验研究，选取代表性较强且地形平坦开阔的湖边沙地作为试验区，并将试验区用网围栏围封。以3个高度、3种孔隙类型的挡风墙作为研究对象，以空旷沙地为对照，分析不同高度和孔隙类型挡风墙的防风效能和对沙地土壤保水能力的影响。使用SPSS Statistics 20.0软件进行防风效能随距离变化拟合及方差分析等数据处理。

1.2.1挡风墙试验设计

挡风墙为自主设计，采用钢制材料，共有5种类型，其参数见表1，实地架设情况如图1所示。

表1 5种自主设计挡风墙的参数

图1 自主设计挡风墙照片Fig.1 Photos of self-designed wind-break walls

1.2.2野外观测指标

1.2.2.1瞬时风速

风速的观测点为每架挡风墙背风侧1、3、6、9 m距离处。分别测定每个观测点距地表0.5、1.0 m高度处的风速，每个点观测1 h，每1 min记录1次，取平均值。测定时保持观测点的位置在同一条直线上并与风向平行。瞬时风速观测使用Kestrel®4500手持式风速测量计，其操作范围为0.4～60 m/s，精度误差为±3%，即±0.1 m/s，以旷野沙地同一观测高度的风速为对照。

防风效能的计算公式[28]如下：

Eh=(uh0-uh)/uh0×100%

(1)

式中：Eh为挡风墙背风侧观测点距地表高度h处的防风效能，%；uh0为对应旷野沙地距地表高度h处的风速，m/s；uh为挡风墙背风侧观测点距地表高度h处的风速，m/s。

1.2.2.2表层土壤含水量的测定

以对角线取样法在样地内选取多个点混合取样，每个样点做3个重复。用小铁铲取表层土壤(0～5 cm)，装入铝盒并称重，带回室内采用烘干法测定土壤含水量。

2 结果与分析

2.1 近地表防风效能比较

挡风墙设置后能显著增大地表粗糙度，削弱近地表风速，增强地表稳定性[7]。各种高立式沙障对地表的保护作用首先表现为对风速的削弱作用，而降低风速是直观评价防风效能的指标[29-30]。

2.1.1不同高度挡风墙的防风效能

条形孔3个高度挡风墙防风效能随距离变化拟合公式如表2所示。由R2可知，拟合效果较好。

表2 3种条形孔挡风墙防风效能随距离变化拟合公式Table 2 Fitting formula of windproof efficiency of 3 stripe-shaped holes wind-break walls with different distances

条形孔3个高度挡风墙在0.5和1.0 m观测高度的防风效能随观测距离的变化如图2所示。由图2 可知，挡风墙背风侧相同距离、不同观测高度的防风效能差异显著(P<0.05)，挡风墙Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ各观测点距地表0.5 m高度处的防风效能均高于1.0 m高度处。随着观测距离增加，3个高度挡风墙防风效能均呈减小趋势。在观测距离为1 m时，距地表0.5 m高度处，挡风墙Ⅰ、Ⅱ的防风效能分别为83.91%、83.29%，优于挡风墙Ⅲ(74.66%)；距地表1.0 m高度处，防风效能为挡风墙Ⅰ(79.84%)>Ⅱ(71.11%)>Ⅲ(51.54%)。在观测距离3和6 m处，由于开放大气环境中不稳定的流向和流速导致了试验结果的不确定性。观测距离为9 m 时，防风效能明显降低，距地表0.5 m高度处的防风效能为挡风墙Ⅰ(71.14%)>Ⅱ(65.15%)>Ⅲ(52.29%)，距地表1.0 m高度处的防风效能为挡风墙Ⅰ(65.03%)>Ⅱ(61.87%)>Ⅲ(50.47%)。可见，挡风墙高度越高，防风效能越好。

图2 条形孔3个高度挡风墙在0.5和1.0 m观测高度防风效能随观测距离的变化Fig.2 Variation trend of windproof efficiency at 0.5 and 1.0 m above ground with different distances of 3 stripe-shaped holes wind-break walls

2.1.2不同孔隙类型挡风墙的防风效能

3种孔隙类型挡风墙防风效能随距离变化拟合公式如表3所示。由R2可知，拟合效果较好。

表3 3种孔隙类型挡风墙防风效能随距离变化拟合公式Table 3 Fitting formula of windproof efficiency of 3 hole types wind-break walls with different distances

3种孔隙类型挡风墙在0.5和1.0 m观测高度的防风效能随观测距离的变化如图3所示。由图3可知，3种孔隙类型挡风墙在其背风侧相同距离处防风效能差异显著(P<0.05)，各观测点距地表0.5 m 高度处的防风效能均高于1.0 m高度处。距地表0.5 m高度时，随着观测距离的增加，3种孔隙类型挡风墙防风效能均呈减小趋势；距地表1.0 m高度时，随观测距离增加，3种孔隙类型挡风墙的防风效能均呈先增大后减小的趋势。观测距离为1 m时，距地表0.5 m高度处的防风效能为挡风墙Ⅴ(87.30%)>Ⅳ(80.20%)>Ⅲ(74.66%)，距地表1.0 m 高度处的防风效能为挡风墙Ⅴ(69.33%)>Ⅳ(59.80%)>Ⅲ(51.54%)；观测距离为3 m时，距地表0.5与1.0 m高度处的防风效能均为挡风墙Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ；观测距离为6和9 m时，距地表0.5和1.0 m 高度处，挡风墙Ⅳ与Ⅴ防风效能相近，且均优于挡风墙Ⅲ。因此，相同高度挡风墙中，Ⅳ和Ⅴ型(方形孔与圆形孔)挡风墙的整体挡风效果较好。

图3 3种孔隙类型挡风墙在0.5和1.0 m观测高度防风效能随观测距离的变化Fig.3 Variation trend of windproof efficiency at 0.5 and 1.0 m above ground with different distances of 3 hole types wind-break walls

2.2 表层土壤含水量对比分析

土壤湿度与气候因子(如气温、降水量)密切相关，对气候变化的响应十分敏感[31]。沙障的设置在一定程度上可保持土壤含水量，进一步促进植被恢复[32]。本试验中，挡风墙背风侧各观测位置表层土壤含水量极低，均低于1%。在相同观测距离时，不同类型挡风墙背风侧表层土壤含水量不同；随着观测距离的变化，同一挡风墙背风侧各观测点表层土壤含水量呈波动性变化(图4)。随着观测距离的增加，挡风墙背风侧表层土壤含水量差异显著(P<0.05)，均呈先增加后减小的变化趋势，最高值均出现在观测距离1 m处。不同类型挡风墙背风侧的表层土壤保水能力差异显著(P<0.05)。与对照点对比分析可知，不同挡风墙背风侧表层土壤保水能力大小顺序为挡风墙Ⅴ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ。

图4 不同类型挡风墙背风侧各观测点表层土壤含水量随距离变化Fig.4 Variation of topsoil moisture content at the observation points on the leeward side of different types of wind-break walls with distances

2.3 挡风墙制作成本分析

挡风墙所用材料均为钢材，其制作成本如表4所示。由表4可知，5种类型挡风墙制作成本为挡风墙Ⅰ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ。

表4 5种类型挡风墙的制作成本Table 4 Cost of 5 types of wind-break walls 元/个

3 讨论

本研究设计了不同高度、不同孔隙类型的挡风墙，通过测量其背风侧防风效能以及土壤表层含水量指标，综合考虑制作成本等因素，筛选出可直接应用到沙化草地修复中的最优挡风墙设计。不同高度、不同孔隙类型的挡风墙均可在有限距离内降低地表风速，且越靠近地面削弱作用越明显。条形孔3个高度挡风墙(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)随着背风侧距离增加，防风效能均呈减小趋势，在观测距离1 m处出现明显的绝对低速区，之后风速逐渐恢复，该观测结果与李凯崇等[33]的研究结果一致。研究[34]表明，在挡风墙高度以上风速会增大，而1.0 m高度挡风墙与观测高度持平，有效防护距离会降低。因此，条形孔不同高度挡风墙防风效能为2.0 m(Ⅰ)和1.5 m(Ⅱ)高度优于1.0 m(Ⅲ)高度。

由于试验条件所限，本研究仍存在一些不足：1)试验的观测周期为一年中的植物生长季，未能进行长期跟踪监测，在下一步的研究中将开展长期、非生长季期间的观测，通过被观测植被的修复速度来确定挡风墙设置的合理时间周期；2)应增加试验中测量风速的梯度、挡风墙架设排数等，以便更精确地筛选出针对特定区域的挡风墙高度、孔隙类型及布设方式；3)挡风墙设计的目的是在风沙治理过程中在最大限度防止风蚀的同时，尽量减小土壤水分过度消耗，目前研究试验点仅针对局部小范围沙化草地，未针对不同类型区域同步设计挡风墙类型进行比较分析，以及开展挡风墙措施下物种生长情况观测分析等。因此，下一步将继续加强挡风墙设计观测研究，为该地区退化草地恢复提供理论依据和实践参考。