庫布齊沙漠新材料沙障的風速廓線特征

郭彩贇, 韓致文, 鐘 帥, 李愛敏,4

(1.中國科學院 西北生態環境資源研究院, 甘肅 蘭州730000; 2.中國科學院 沙漠與沙漠化重點實驗室,甘肅 蘭州730000; 3.中國科學院大學, 北京100049; 4.菏澤學院 城市建設學院, 山東 菏澤274015)

庫布齊沙漠新材料沙障的風速廓線特征

郭彩贇1,2,3, 韓致文1,2, 鐘 帥1,2,3, 李愛敏1,2,3,4

(1.中國科學院 西北生態環境資源研究院, 甘肅 蘭州730000; 2.中國科學院 沙漠與沙漠化重點實驗室,甘肅 蘭州730000; 3.中國科學院大學, 北京100049; 4.菏澤學院 城市建設學院, 山東 菏澤274015)

[目的] 在庫布齊沙漠杭錦旗獨貴塔拉工業區測試HDPE網和植物纖維網新材料沙障防沙技術，為工程沙障對比優選提供理論支持。[方法] 采用Met One 014 A/024 A型8通道風速風向儀(CR200 X數采儀)，觀測沙障內20，80，150和200 cm這4個高度的1 min平均風速，對比分析不同材料、規格、高度的方格沙障及前沿高立式阻沙柵欄影響下的風速廓線特征。[結果] (1) 幾種不同規格和高度的HDPE網和植物纖維網方格沙障及前沿高立式阻沙柵欄，都能顯著降低近地表風速，具有良好的防風固沙效應。(2) 方格沙障中心風速垂直變化幅度和變化規律，僅與沙障平面規格和外露高度密切相關，與試驗材料基本無關；相同平面規格的方格沙障，外露高度越大，降風效果越顯著；相同外露高度的方格沙障，小規格沙障的降風效果較為顯著。(3) 沙障防風固沙效益對比，需要充分考慮地貌部位、坡向、坡度、地表狀況等的影響，對比觀測未實施防沙措施的裸沙區對應地貌部位的輸沙強度、風沙流場等因素，以便準確獲取工程沙障效益參數。[結論] 庫布齊沙漠采用的新材料工程沙障措施具有顯著的降風效應，在庫布齊沙區的生態治理領域具有良好的推廣前景。

庫布齊沙漠; 防沙試驗; 新材料沙障; 風速廓線

風速廓線即風速隨高度的分布曲線。自Bagnold[1]首次提出風速廓線術語以來，一直是風沙物理學研究的重要內容之一。拜格諾風速廓線遵循對數分布規律，在半對數紙上為通過點(ut，zt)的直線：

(1)

式中：k——卡曼常數(0.4);Ut——床面沖擊啟動風速(m/s)；y——空氣動力學粗糙度;V*′——摩阻風速(m/s)。

(2)

劉賢萬[4]、王洪濤等[5]通過試驗證明，凈風和挾沙風在同樣軸線風速條件下的剪切風速迥異，凈風中的剪切風速只反映了地表粗糙度阻力，而挾沙風中的剪切風速包括地表阻力和躍移層阻力。在中性大氣層結條件下，凈風條件下邊界層中的風速符合公式[6]：

(3)

式中：Uz——高度z處風速(m/s)；u*——摩阻風速(m/s)；k——常數；z——高度(cm)；z0——空氣動力學粗糙度。而風沙流環境下揚沙邊界層的內邊界層風速廓線在半對數紙上向上凸，外邊界層風速廓線接近于普朗特對數形式。

影響風速廓線分布形式的有地形坡度[7-8]、植被蓋度[9-10]、沙丘表面砂粒粒徑[11-12]和沙障孔隙度[13-14]等多種因素。目前關于風速廓線研究方法多為修正不同于普朗特—拜格諾風速廓線的風沙流廓線系數，分段擬合風沙流風速廓線，使用其他函數擬合風沙流風速廓線和數值模擬等。

本文針對庫布齊沙漠自然環境特征及沙漠化防治技術需求，在杭錦旗獨貴塔拉工業區試驗了HDPE網和植物纖維網新材料沙障防沙技術，觀測了沙障中心20，80，150和200 cm等4個高度的1 min平均風速，對比分析了不同材料、規格、高度的方格沙障及前沿高立式阻沙沙障影響下的風速廓線特征，以期為工程沙障對比優選提供理論支持。

1 研究區概況與試驗方法

1.1 研究區概況

試驗區位于鄂爾多斯高原北緣，地理坐標108°53′43″E，40°26′25″N，廣泛分布流動沙丘。該區屬于典型溫帶大陸性干旱氣候，具有夏秋溫暖少雨，冬季風大干燥的氣候特點，年均降水量約186 mm，年均蒸發量2 278.7～3 274.4 mm，年均氣溫6.3 ℃，年均風速3.2 m/s，最大瞬時風速30 m/s，風向多為南、東南風。

1.2 材料選取

綜合考慮庫布齊沙漠的自然環境和防沙材料的運輸成本，試驗工程選取高密度聚乙烯網與植物纖維網2種強度高、無污染的透風式防沙新材料。

高密度聚乙烯，英文名為high density polyethylene，簡稱HDPE。該材料是一種結晶度為80%～90%，支鏈化程度很小，符合《RoHS指令》要求的熱塑性樹脂材料，最大密度0.940～0.965 g/cm3，具有較強的化學穩定性和良好的透風率[15-16]，抗風化能力強，絕緣性能好，分子量等級較高，抗環境應力開裂性較強，使用壽命長達十年之久，且綠色環保，能回收重復利用，多用于薄膜、吹塑、防沙工程等[17]。為適應沙漠高低溫環境，延長沙障抗老化時間，本試驗使用的HDPE材料中添加了HALS-3受阻胺光穩定劑、抗氧化劑和紫外線吸收劑，極大提升了材料抗老化能力。HDPE紗網孔隙度60%左右，顏色墨綠，以緯編方式制作而成。

植物纖維材料是一種來源于農作物秸稈的快速再生植物，其主要成分為纖維素、木質素和半纖維素，少量成分為脂肪族化合物、含氮化合物、果膠及無機物?？估匣芰^強，能降解，抗風蝕，紗網采用平紋交織工藝機織方式生產，紗網孔隙度60%左右，是環境友好型新型防風固沙材料。

1.3 試驗設計

為對比不同材料和規格試驗沙障的風速廓線形式，本試驗在庫布齊沙漠杭錦旗獨貴塔拉鎮工業區選取高大流動沙丘區作為試驗地，布置了新材料沙障固沙試驗區，面積約16 000 m2。試驗設計了1.0 m×1.0 m(h=20 cm)，1.5 m×1.5 m(h=20 cm)，3.0 m×3.0 m(h=50 cm)，5.0 m×5.0 m(h=100 cm)等規格的HDPE網和植物纖維網方格沙障以及HDPE網前沿高立式阻沙沙障(h=100 cm)。外露高度20 cm的1.0 m×1.0 m和1.5 m×1.5 m試驗沙障采用高度為40 cm的抗老化塑料立柱固定，立柱抗彎強度12.5 N/mm2，使用壽命10 a左右；外露高度50 cm的3.0 m×3.0 m和5.0 m×5.0 m方格沙障，固定立柱采用長度100～180 cm的木樁制作，立柱釘入沙面下約20～70 cm，將紗網纏繞固定于立柱。不同規格的方格沙障布設完成后，在試驗區前沿三面構建200 cm高、總長約740 m的HDPE網高立式阻沙柵欄，構成方格沙障與高立式阻沙措施鑲嵌組合的綜合防沙體系。沙障規格與技術參數見表1。

表1 試驗材料與沙障規格

1.4 風速觀測

采用多套Met One 014 A/024 A型多通道風速風向儀(CR200 X數采儀)，同步安置在試驗區地形與地貌部位相近的不同材料規格方格沙障中心、前沿阻沙沙障內外及試驗區外沙丘相應部位，對不同材料與規格方格沙障中心4個高度(20,80,150,200 cm)1 min平均風速開展同步觀測，獲取相同風沙流場環境下，不同材料、不同規格方格沙障中心、高立式阻沙柵欄內外以及無防護措施沙丘相應部位的風速同步實測資料。不同情形的觀測時間60～102 min，獲取風速樣本數61～102組。風速數據運用Microsoft Office Excel 2007整理，利用Origin 9.0和SPSS進行數據分析處理并作圖，對比分析相同風沙流場環境下，不同材料規格、不同類型沙障及流動沙丘區相應部位的風速廓線形式與水平流場變化。

2 結果與分析

風速廓線分布形式反映了垂直方向上風速的變化趨勢，指示近地表氣流的基本活動規律。一般原始風沙流風速隨著高度的增加，廓線形式遵循冪指數或者對數分布規律[18-19]。防沙工程的主要原理就是改變沙面近地表特性、降低過境風速，從而達到防風固沙的目的[20]。在流沙表面布設沙障能有效降低風速，風沙流經過工程沙障時遇阻消耗大量動能，攔截沙粒的同時降低來流風的攜沙能力，并影響風速廓線形式。

2.1 不同材料與規格沙障的風速廓線表達

2.1.1 不同措施風速廓線綜合對比 試驗區風速廓線分布反映了不同材料、不同規格試驗沙障中心和前沿高立式阻沙柵欄內外垂直風速變化規律，由試驗區不同情形下的風速廓線圖(圖1)可見，前沿高立式阻沙柵欄、不同規格HDPE網和植物纖維網方格沙障，都有顯著降風效應。其中5.0×5.0 m(h=100 cm)HDPE網和植物纖維網方格沙障、1.0×1.0 m(h=20 cm)半隱蔽沙蒿方格沙障和前沿高立式阻沙柵欄內，風速垂直梯度變化較小，平均風速也相對較低，說明這4種沙障的綜合防風固沙效益相對顯著。

圖1 試驗區不同措施下的風速廓線形式

2.1.2 HDPE 網前沿高立式阻沙沙障內外風速對比 前沿高立式阻沙柵欄能有效防止風沙侵入，提高工程措施防風固沙效益。圖2為風速觀測結果。

圖2 前沿阻沙柵欄內(下風向)外(上風向)2 m處風速對比

由圖2可知，試驗工程區HDPE材料的前沿高立式阻沙柵欄(h=200 cm)內(下風向)、外(上風向)200 cm處風速廓線形式變化迥異：柵欄外(上風向)風速廓線呈對數函數形式分布，符合原始動床面風沙流風速廓線分布規律，而在柵欄內(下風向)，因受到高立式前沿高立式阻沙柵欄阻攔干擾，風速廓線呈指數函數形式分布，與柵欄外風速廓線分布趨勢相反。阻沙柵欄下風向近地表風速及其垂直變化幅度都較柵欄上風向相應高度處小，200 cm高度附近風速值恢復，基本接近柵欄上風向來流風速，反映了高立式阻沙柵欄對自身高度以下區域風速的降低作用較顯著，對風速垂直梯度變化規律的影響較大，具有沙障風沙物理學性能的典型性。

2.1.3 相同規格不同材料方格沙障中心風速對比 圖3為相同規格不同材料方格沙障中心風速的對比結果，由圖3可見，1.0 m×1.0 m(h=20 cm)HDPE網與植物纖維網方格沙障的防風效益差別甚微，3.0 m×3.0 m(h=50 cm)HDPE網與植物纖維網方格沙障的降風效果差別不大。

這說明在試驗條件下，方格沙障中心部位的風速垂直變化幅度與分布規律，僅與試驗沙障的平面規格和高度密切相關，而與沙障材料(HDPE網，植物纖維網)基本無關。

圖3 相同規格和高度，不同材料方格沙障中心風速對比

另外，紗網材料孔隙度決定了砂礫物質的穿透能力，是決定防沙效益的重要因素之一。不同孔隙度防沙網對流場的紊動特性影響不同，近地面風速廓線形式有差異，減弱風沙流的影響力度也不盡相同。凌裕泉等[21]通過野外觀測發現30%～40%孔隙度的柵欄固沙效應最顯著。還有學者[22-23]通過風洞模擬試驗確定了尼龍網在40%孔隙度時防沙效益最顯著。本次試驗中使用的HDPE網與植物纖維網孔隙度皆在60%左右。圖3中所示相同規格、高度，不同材料紗網的風速廓線形式差異不大，部分原因是本試驗中兩種材料孔隙度較為接近，還不足以分析出孔隙度對風速廓線的影響力度。

2.1.4 相同材料不同規格與高度方格沙障中心風速對比 沙障平面規格與高度直接決定了沙障防風固沙的影響范圍和高度。由3.0 m×3.0 m(h=50 cm)HDPE網方格沙障與5.0 m×5.0 m(h=100 cm)HDPE網方格沙障內風速對比(圖4)表明，5.0 m×5.0 m(h=100 cm)方格沙障中心垂直風速的降風效應比3.0 m×3.0 m(h=50 cm)方格沙障中心顯著。其中：100 cm高度HDPE網方格沙障在外露高度(h)以下的風速被明顯削減，100 cm以上風速隨高度快速增大。說明相同材料的試驗沙障外露高度(h)越大，降風效果越顯著。方格沙障在外露高度(h)以下風速被明顯削弱，垂直高度上風速梯度變小，且越接近地面風速削減作用越顯著，而外露高度(h)以上風速會因沙障上沿的抬升作用而快速增大。

2.1.5 地形地貌對試驗沙障中心風速分布的影響 上述皆為相同地形與地貌部位條件下的風速特征對比分析。地形與地貌部位對風速廓線和試驗沙障的防風固沙效果有著不可避免的顯著影響[7-8]。試驗區北緣沙面覆蓋有大約20 cm高的沙蒿植被，且地貌不同于1.0 m×1.0 m (h=20 cm)HDPE網新材料方格沙障區。為分析地形地貌對試驗沙障中心風速分布的影響，同步采集了試驗區邊緣沙蒿草方格沙障中心與1.0 m×1.0 m(h=20 cm)HDPE方格沙障中心的風速數據。

圖4 相同材料不同規格與高度HDPE方格沙障中心風速對比

由1.0×1.0 m(h=20 cm)HDPE網方格沙障與1.0 m×1.0 m(h=20 cm)半隱蔽沙蒿方格沙障中心風速及垂直分布對比(圖5)可以看出，1.0 m×1.0 m(h=20 cm)半隱蔽沙蒿方格沙障因草頭阻攔并增強了下墊面對風沙流的擾動，改變了過境風沙流場結構，使得半隱蔽沙蒿草方格內風沙流流場發生明顯改變，不再服從普通冪指數或對數函數關系，而呈線性形式分布；1.0 m×1.0 m(h=20 cm)HDPE網方格沙障中心風速呈對數函數形式分布。半隱蔽沙蒿方格沙障位于試驗區前緣位置，受到多風向影響，在飽和風沙流作用下邊緣形成積沙，并逐漸掩埋沙蒿草方格沙障，填平凹曲面[20]，使沙蒿方格沙障防護效應減弱或喪失。而得益于前緣沙蒿方格沙障的防護作用，相鄰的1.0 m×1.0 m(h=20 cm)HDPE網方格沙障中心風沙流挾沙量大幅減小，風速降低。

圖5 地形地貌對試驗沙障中心風速分布的影響

2.2風速廓線函數形式

貼地層風速廓線一般有冪指數函數和對數函數幾種常見形式[10]。觀測數據分析結果顯示，試驗區不同規格沙障內風速廓線函數多遵循此規律(表2)。

表2 試驗區不同部位風速廓線函數擬合情況

3 結 論

(1) 高度(h)分別為20,50,100和200 cm的1.0 m×1.0 m，1.5 m×1.5 m，3.0 m×3.0 m，5.0 m×5.0 m 規格的HDPE網和植物纖維網新材料方格沙障及前沿高立式阻沙柵欄，有效降低近地層風速，減弱輸沙強度，改變風速廓線分布，具有顯著的降風固沙效應。

(2) 高度200 cm的HDPE網前沿阻沙柵欄內2.0 m處(下風向，V=2.942e0.003 h)與柵欄外2.0 m處(上風向，V=3.322+0.59 lnh)風速及其廓線形式差異較大，反映了前沿高立式阻沙柵欄降風作用的顯著性和對風速垂直分布的明顯改變，具有沙障風沙物理學性能的典型性。

(3) 試驗沙障高度不同，20，80，150，200 cm這4個觀測高度的1 min平均風速變化幅度有較大差異。試驗方格沙障中心風速垂直變化幅度及變化規律，僅與沙障平面規格和高度密切相關，而與試驗材料(HDPE網，植物纖維網)基本無關。相同平面規格的方格沙障，外露高度(h)越大，降風效果越顯著；相同外露高度(h)的方格沙障，小規格沙障的降風效果較顯著。沙障外露高度(h)以下的風速被明顯削弱，且越接近地面風速削減作用越顯著，外露高度(h)以上因沙障抬升作用引起風速迅速增大。

(4) 試驗選用的沙障材料HDPE網和植物纖維網孔隙度較為接近，野外試驗條件下不足以對比沙障的孔隙度對風速廓線的影響，故未考慮沙障孔隙度對風速廓線形式的影響。對比評價沙障的防風固沙效益，還應充分考慮地形與地貌部位、坡向、坡度、地表狀況(物質組成、植被覆蓋及粗糙度等因素)的作用，對比觀測無防沙措施的流沙區對應地貌部位的輸沙強度、風沙流場及地面粗糙度等因素，以便準確獲取沙障的效益參數。

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WindProfileCharacteristicsofNewMaterialsSand-BarriersinHobqDesert

GUO Caiyun1,2,3, HAN Zhiwen1,2, ZHONG Shuai1,2,3, LI Aimin1,2,3,4

(1.NorthwestInstituteofEco-environmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000,China; 2.KeyLaboratoryofDesertandDesertification,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 4.CollegeofUrbanConstruction,HezeUniversity,Heze,Shandong274015,China)

[Objective] The experiments about the new materials of HDPE net and plant fiber net were conducted in Hangjin Banner, Duguitala industrial zone of Hobq Desert, in order to provide theoretical support for the sand-barrier optimization. [Methods] The Met One 014 A/024 A 8 channel anemometers (acquisition instrument CR200 X) were used to observe the 1 min-averaged wind speed at the heights of 20 cm, 80 cm, 150 cm and 200 cm, and the wind profiles under the effects of sand-barriers with different materials, specifications, heights of the checkboard barriers and the highly-set vertical sand barriers were comprised and analyzed. [Results] (1) The high parallel sand-barriers, HDPE and plant fiber net sand-barriers with different specifications all could significantly reduce the surface velocity, they also had good sand-fixing benefit. (2) The vertical wind variation range and regularity measured in the center of the checkboard barriers were found strongly related to the sand-barrier plane specification and the exposing height, no relation was found with the materials. Under the same test specification condition, the higher the exposed height was, the much the velocity was reduced. At the checkboards with the same exposure height, the reducing effect of velocity with small size sand-barrier was more obvious. (3) The determination of the sand-fixing effect of sand-barriers with different specifications should take a full consideration of the influences of the topography position, slope direction, slope gradient and surface conditions. Besides that, it also needs to observe the sediment transport intensity, sand-flow field and other factors of the bare land topography that is not within the measurement zone. All these are essential to obtain the effectiveness of the engineering barrier accurately. [Conclusion] The sand barrier of the new material used in the Hobq desert had excellent effects of reducing velocity, and it has great application prospect in the ecological field.

Hobqdesert;desertpreventiveexperiment;newmaterialsandbarriers;windprofiles

A

1000-288X(2017)05-0260-06

S157.1, X171

文獻參數： 郭彩贇, 韓致文, 鐘帥, 等.庫布齊沙漠新材料沙障的風速廓線特征[J].水土保持通報，2017,37(5)：260-265.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.044； Guo Caiyun, Han Zhiwen, Zhong Shuai, et al. Wind profile characteristics of new materials sand-barriers in Hobq desert[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：260-265.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.044

2017-01-21

2017-03-16

國家科技支撐計劃項目“庫布齊沙漠生態綜合治理產業發展技術與示范”(2015BAC06B01-01); 國家自然科學基金項目“基于床面侵蝕堆積觀測的新月形沙丘向沙丘鏈演變研究”(41371025)

郭彩贇(1990—),女(藏族),甘肅省肅南縣人,碩士研究生,研究方向為風沙災害防治。E-mail:guocaiyun@lzb.ac.cn。

韓致文(1963—),男(漢族),甘肅省會寧縣人,博士生導師,研究員,主要從事風沙地貌與防沙工程研究。E-mail:hzwen@lzb.ac.cn。