腾格里沙漠南缘不同规格机械化草沙障防风固沙效益研究

李小东

(1.全国荒漠化防治(机械治沙工程)试验示范基地，甘肃 武威 733000；2.甘肃建投新能源科技股份有限公司，甘肃 武威 733000)

而对利用LGSV-200多功能立体固沙车、GSDQ750-132L单项牵引式半隐蔽型草沙障铺设机、QYGSEII牵引式半隐蔽型草沙障固沙机等草沙障铺设设备埋设的机械化沙障防风固沙效益的研究尚少。为此本文探索了不同规格机械化半隐蔽式稻草方格沙障的防风固沙效益，为后续机械化防沙治沙项目的开展和机械化治沙设备的研制试验提供指导作用。

1 试验区概况

本研究区位于甘肃省中部、河西走廊东端起点城市——武威市北部的腾格里沙漠南缘区域，该区域行政区划属武威市凉州区，与民勤县接壤，地理坐标为38°08′13.27″～38°08′23.11″N，102°49′34.30″～102°50′1.33″E，远离海洋，气候干旱，昼夜温差较大，年均气温5～10 ℃，夏季气温平均24.2～36 ℃，降水量80～200 mm，年均蒸发量2 020～3 900 mm，全年日照3 000～4 000 h，≥10 ℃年积温2 500～3 000 ℃，无霜期140～170 d；干旱、沙尘暴、干热风等自然灾害频繁；土壤以风沙土、灰棕漠土、棕漠土等为主，主要风害为西北风，为典型的温带大陆性干旱和半干旱荒漠气候。区域内自然植被稀疏，以沙旱生、超旱生荒漠植物为主，分布有沙米(Agriophyllumsquarrosum)、沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng.Syst.Veg.)、梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.) Bunge)、花棒(HedysarumscopariumFisch.et Mey.)、柠条(CaraganakorshinskiiKom)、柽柳(TamarixchinensisLour.)等植被。

2 材料与方法

2.1 稻草帘编织

为保证草沙障的孔隙度并提高固沙机铺设效率，采用经过草帘编织机编织而成的稻草帘。在编织稻草帘时，选择平均直径为0.5 cm左右的稻草进行沙障编织，草帘编制宽度为60 cm，草帘以链式线迹进行编织且草帘中的编织线以6根为宜。通过控制稻草编织的厚度，分别编织成0.5 cm稻草沙障、1 cm稻草沙障及1.5 cm稻草沙障，在铺设后形成不同孔隙度(透风系数)的草沙障。

2.2 稻草帘铺设

2017年10月25日，武威市祁连山山水林田湖生态保护修复工程凉州区2017年北部防风固沙林建设项目——机械压沙示范区建设在武威市凉州区九墩滩生态建设指挥部全国荒漠化防治(机械治沙工程)试验示范基地开建，项目利用QYGSEII牵引式半隐蔽型草沙障固沙机、GSDQ750-132L单项牵引式半隐蔽型草沙障铺设机完成机械压沙示范区建设200 hm2，施工期限自2017年10月25日至2018年4月30日，管护期限为2018年4月30日至2019年4月30日。同时，为研究植被对草沙障防风固沙效益的影响，根据项目区自然条件和天然植被生长状况，结合造林树种的生物学特性和生长表现，该项目工程中选择耐干旱、耐贫瘠、适应性强的梭梭苗木(平均直径≥0.5 cm、苗高≥30 cm、一年生一级合格苗)在部分草沙障内进行造林。

在项目具体实施的过程中，利用固沙机分别铺设厚度为0.5 cm、1 cm、1.5 cm三种规格的1 m×1 m草方格、2 m×2 m草方格，进行不同规格的草沙障防风固沙效益研究。同时，通过调整固沙机压轮机构的位置和控制液压系统压沙深度，铺设后的合格草沙障可以在沙面以上形成不同的高度，本研究中以形成的高度为20 cm、30 cm以及40 cm的直立式半隐蔽式稻草方格沙障为研究对象。

因固沙机施工过程中超声波测距传感器和牵引控制系统协同作用，控制压草机构进行智能高度调整，设备在工作时，送草机构将编织好的稻草帘输送至地面的同时稻草帘与压轮机构的压草轮接触，液压控制系统调节压轮将稻草帘压入沙面以下一定深度，由于压轮机构对草帘的作用力，实际铺设成型的稻草的实际厚度(d)分别为：d<0.5 cm、0.5≤d<1 cm以及d≥1 cm，铺设成型的草沙障为直立式沙障(如图1)。

关于体育赛事的概念定义，学者黄海燕在其博士学位论文中作了详尽的归纳和论述[3]。具体而言，体育赛事的定义有狭义和广义之分。根据姚颂平、陈锡尧等学者对国际性重大体育赛事的划分[4-5]，本文所涉的国际性重大体育赛事主要包含3大类，分别是大型综合性体育赛事(如奥运会、世界大学生运动会等)、国际单项体育组织主办的高等级的国际性赛事(如世锦赛、F1、网球大师赛等)，以及由跨国公司或知名企业操办的具有重要影响的系列国际性商业赛事。

图1 直立式稻草沙障铺设示意图

2.3 研究方法

2.3.1 孔隙度(透风系数)测定

孔隙度(透风系数)：即在正方形方格内沙障露出的草头高度和宽度所能透过气流的程度。铺设成型的稻草的实际厚度直接反映出草沙障的透风系数。通过利用游标卡尺测定铺设成的稻草帘实际厚度(d)，采用HYCG-09超声波风速风向传感器测定不同厚度草沙障顺风向相邻两稻草帘中部的风速，计算其相应的孔隙度。

2.3.2 稳定凹曲面特性研究

铺设草沙障后的沙地，在风沙的持续作用下，草沙障方格出现内部逐步形成凹坑的演化过程，形成方格内凹坑后，部分草方格沙障及其内部沙坑形态趋于稳定，形成稳定的凹曲面。凹曲面特性研究在武威市祁连山山水林田湖生态保护修复工程凉州区2017年北部防风固沙林建设项目施工完成1年后(2019年4月)进行，基于野外实测的主要手段，利用直木、皮尺、钢尺等工具测定同一稻草方格沙障内相对两边代表性位置处的垂直深度(Z)，不同高度(h)、不同厚度(d)、不同规格(边长L)分别做3次重复(如图2)。通过测量不同规格的机械化稻草方格沙障凹曲面深度，进而整理数据，对比分析不同规格机械化草方格沙障凹面形态和特征，并对不同厚度、不同高度的机械化草方格沙障对凹曲面特性的影响进行分析。

图2 稻草沙障稳定凹曲面深度Z与原始沙面蚀积强度r关系示意图

记录相应数据后，采用Excel和SAS软件进行数据统计分析处理，采用AutoCAD和CAXA软件进行图形绘制与处理。通过研究机械化草沙障的蚀积状况和凹曲面形成状况，分析防风固沙效益。

3 结果与分析

3.1 不同厚度草沙障的孔隙度分析

如表1所示，稻草沙障厚度d=0.5 cm、d=1 cm以及d=1.5 cm时，通过固沙机铺设的草沙障平均实际厚度为4.12 cm、8.75 cm以及141.40 cm，对应测得的孔隙度分别为60%～70%、40%～50%、<10%。

表1 不同厚度草沙障的孔隙度

由表1得出，通过固沙机铺设的草沙障，稻草帘越厚，其对应的孔隙度(透风系数)越小，当稻草帘厚度达到一定厚度后，其孔隙度无限接近于0。

3.2 不同规格草沙障凹曲面特性分析

分别针对不同厚度、不同高度的1 m×1 m、2 m×2 m机械化草沙障，测定其凹面深度，3次重复后，得到不同规格机械化草沙障的平均凹面深度Z(cm)，如表2、3所示。

表2 1年后1 m×1 m不同规格机械化草沙障的平均凹面深度Z

表3 1年后2 m×2 m不同规格机械化草沙障的平均凹面深度Z

不同规格草沙障的凹曲面深度Z差异显著，在铺设的20 cm、30 cm半隐蔽型机械化草沙障露出沙面的高度h越高，凹曲面深度Z越小。

3.2.1 不同高度草沙障的凹曲面特性分析

利用草沙障障内蚀积强度(r)公式：

r=h-Z

判断不同高度草沙障的蚀积状态，r<0时，稻草方格沙障内表现为吹蚀；r>0时，稻草方格沙障内表现为积沙。

从图3中可以看出：固沙机铺设的高度为20 cm稻草沙障，在1年后，草沙障内蚀积强度r显示出不规则变化，铺设的厚度为1.5 cm的1 m×1 m稻草沙障的蚀积强度r达到9.9 cm。且随着铺设规格的变化，1 m×1 m稻草沙障的蚀积强度明显高于2 m×2 m稻草沙障。

图3 不同高度草沙障的蚀积状态示意图

固沙机铺设的高度为30 cm稻草沙障，1年后草沙障内蚀积状况为：沙障内普遍产生积沙。铺设的1 m×1 m稻草沙障的蚀积强度r均高于铺设的2 m×2 m稻草沙障，尤其在厚度为0.5 cm和1 cm稻草帘铺设的草沙障中表现更为突出，即孔隙度在50%以下时，草沙障障间积沙更多。结合孔隙度分析1 m×1 m稻草沙障，蚀积强度大小依次为，1 cm草沙障>0.5 cm草沙障>1.5 cm草沙障；2 m×2 m稻草沙障蚀积强度大小依次为1 cm草沙障>1.5 cm草沙障>0.5 cm草沙障。

固沙机铺设的高度为40 cm稻草沙障，1年后，1 m×1 m及2 m×2 m草沙障内蚀积强度呈现不规则变化，当铺设草沙障厚度为1.5 cm时，草沙障内发生风蚀现象，部分沙障发生障埂破坏，分析原因可能是因为草沙障厚度太厚，孔隙度太小，导致沙障近乎为不透风结构，部分沙粒向沙障根部堆积，部分被风裹挟吹移至沙障的有效防治范围外，对沙障根部发生掏蚀，积沙、沙埋现象严重，有部分草沙障在风沙流的侵蚀下被沙埋，最后沙障失效。而2 m×2 m草沙障的铺设厚度为1 cm时，能产生较好的蚀积强度，也能达到较好的稳定状态。

但是，对于40 cm高度稻草沙障在固沙机铺设施工的过程中，由于固沙机压轮机构往沙地压草的特殊作业方式，导致宽度为60 cm的稻草帘铺设时只能压入沙地10 cm，这种直立式稻草沙障很容易被破坏，实践对此也有了充分证明。故而，在目前研制的固沙设备实际作业中基本不采用这种铺设方式。

这也给我们课题组提供了一个新的研究方向，那就是研制一款可以直接利用液压系统将硬质草帘插入沙地的智能化硬质草沙障固沙装备。这样可以更大程度上避免材料浪费，不仅可以铺设更多规格的草沙障，而且在铺设材料的选材上更具广泛性。我们也正在朝这个方向攻关。

3.2.2 不同厚度草沙障凹曲面特性分析

利用沙障深宽比值(蚀积系数)公式：

K=Z/L

分别计算不同规格草沙障的蚀积系数，结果发现铺设的规格为1 m×1 m、高度为20 cm、厚度为1.5 cm的草沙障蚀积系数达到1/9.90。而铺设的2 m×2 m草沙障，在铺设高度为20 cm、厚度为1.5 cm时的草沙障蚀积系数为1/9.43；在铺设高度为30 cm时，厚度为1 cm的草沙障蚀积系数为1/9.95，厚度为1.5 cm草沙障的蚀积系数为1/9.48。

综合分析，在计划铺设1 m×1m草沙障，设置草沙障铺设高度为20 cm、厚度为1.5 cm时防风固沙效益较好；在计划铺设2 m×2 m草沙障，设置草沙障铺设高度为30 cm、厚度为1 cm或1.5 cm时防风固沙效益较好。

分析原因，当草沙障厚度d<0.5 cm时，机械化草沙障孔隙度(透风系数)较大，气流可以裹挟部分沙粒穿越沙障，这种编织的稻草帘沙障厚度较均匀，无法形成人工铺设草沙障那种“下密上疏”结构，防风固沙效果差；当草沙障厚度d≥1 cm时，机械化草沙障孔隙度(透风系数)较小，大部分气流需绕过沙障形成不稳定气流，绝大多数沙粒被沙障阻挡，而堆积在沙障根部，且有部分沙障在强气流作用下，根部发生掏蚀现象，导致沙障失去防风固沙作用，这一现象在40 cm高的草沙障中比较凸显，机械化草沙障高度h=40 cm时，草沙障透风系数急剧降低，使得大部分气流要绕过沙障形成紊流，稳定凹曲面不易形成，且部分沙障根部会发生掏蚀现象，导致沙障失去防风固沙作用部分沙障在未达到稳定状态即已被破坏。而草沙障厚度0.5≤d<1 cm时，部分气流可以穿过沙障，带走少许沙粒，更多的沙粒被草沙障阻挡在沙障根部，逐渐形成稳定的凹曲面，防风固沙作用显著。

3.3 草沙障内植被对沙障凹曲面的特性影响分析

在稳定的草沙障方格内栽植梭梭等沙生植物，可显著提高植物成活率；而在草沙障退化以致失去防风固沙效应前，成活的沙生植物即可起到防风固沙效果[8]。在实地观测中发现，草方格沙障内栽植梭梭苗木的成活率均高于裸露沙丘，部分草方格沙障内栽植的梭梭苗成活率达到85%，因为草方格沙障稳定了流沙，为梭梭苗木成活创造了良好条件。且在梭梭苗木的影响下，草方格沙障内凹曲面成不规则弧线型，大量沙粒在梭梭苗木根部有堆积，并逐渐形成结皮，达到固沙的目的。

4 讨论与结论

(1)机械化草沙障的不同厚度，直接反映在孔隙度(透风系数)的大小上。表现为：在一定范围内，疏松透过性沙障相比紧密透过性沙障，其对降沙的作用更强，即孔隙度为40%～50%的机械化草沙障的防风固沙效益明显高于疏透度在10%以下的。孔隙度较小的草沙障，由于受到风沙作用的强力作用，在其根部发生掏蚀现象，使得沙障的形态发生恶化，逐渐失去防治作用。

(2)研究发现，采用固沙机铺设高度为30 cm、厚度为1 cm的草沙障时，取得的防风固沙效益最好。其中，铺设1 m×1 m机械沙障的蚀积强度r较2 m×2 m机械沙障的大，沙障深宽比值K较2 m×2 m机械沙障的大。而且1 m×1 m机械沙障的铺设成本明显高昂，综合考虑，建议推广2 m×2 m机械沙障。

(3)本文着重研究了项目实施过程中针对同一立地条件，利用固沙机铺设不同规格稻草方格沙障的防风固沙效益。而对于不同坡度、不同位置、不同年限的机械化草沙障的防风固沙效益，有待进一步研究。

(4)从上述结论可以看出，机械化的草沙障防风固沙效果与草沙障高度、草沙障厚度及孔隙度均有关系，而且在草沙障内栽植梭梭苗木或者天然生长了沙米等植物以后，草沙障的防风固沙效果更好。因而，在今后实施机械化的草沙障铺设时，应尽量避免对原有沙丘上沙生植物的破坏。在考虑铺设机械化沙障进行防风固沙的同时，还需控制沙障铺设成本，从而以最小的经济支出取得较好的生态效益。