塔克拉瑪干沙漠復合型縱向沙壟頂部高立式沙障防沙效應長久性探討

金昌寧

（佛山科學技術學院，廣東 佛山 528000）

0 引言

20 世紀90 年代初起，在塔克拉瑪干沙漠，沙漠公路從無到有［1］，建設里程累計已超1 000 km，同時建成的機械防沙體系也是世界上規模最大的［2］。機械防沙體系雖然規模巨大，可在技術領域進展緩慢［3］。主要原因在于，體系造價低，即使因技術不盡完善導致防護成本上升，卻增幅不大，從工程管理角度來看，完全可以承受［4-10］。但隨著社會經濟發展，世界上的沙漠工程建設越來越多，機械防沙體系的規模亦將越來越大［11-13］。鑒于此，即使相關研究進步微小，也會有較大的經濟效益及明顯的社會與生態效益［14-15］。

在塔克拉瑪干沙漠公路沿線設置的“阻、固、輸”相結合的、完整的機械防沙體系中，最外側的高立式沙障（也稱防沙柵欄等）主要起阻沙作用，以防止外側來沙侵入到內側的固沙帶中［1，3］?；诖?，專業人員強調當沙障被埋至一定程度后應拔起或重設，以恢復其阻沙功能，并常常將風沙上路問題最終歸咎于沙障沒有被及時維護［5、7］。但是，筆者在多年野外觀察的基礎上，認識到在沙丘頂部設置的高立式沙障，即使沙埋后，仍能使沙丘的運移速度低于正常速度，并且沙丘越高大表現得越明顯。為了能查證事實、探究機理、利于應用，特在野外現場進行對比觀測試驗。

1 試驗簡述

（1）試驗地點選定在由石油部門修建的、1996 年9 月竣工的塔中四井—塔中一井沙漠公路K21+200北側150 m 處（E83°47′21.68″，N38°54′26.24″）。該路段的防沙工程自建成后沒有再進行維護，3～4 年后開始有風沙上路，此后越來越嚴重，以致交通部門在2002 年10 月修建了塔—且沙漠公路（塔中一井—且末）后，不得不于2004 年在此路段南側約300 m 處另修平行路與塔中四井（現稱塔中鎮）相接［7］。這樣的試驗地點能夠有效地避免其他人為因素的影響，如測量控制點被破壞、重新設置高立式沙障等。試驗地點位于沙漠公路機械防沙體系的上風側之外（以避免受其影響），地貌為塔克拉瑪干沙漠腹地復合型縱向沙壟的頂部，此處的次一級沙丘高大，效應會更加顯著；次一級沙丘對稱性好，有利于試驗與分析；此外，受復合型縱向沙壟迎風坡或背風坡的地形、風況等因素的影響也較小，定性分析時可忽略。

（2）兩個次一級沙丘的大小相近，上風側的沙丘（圖1 中沙丘Ⅰ）高度（以落沙坡的最大高度為準）、迎風坡長度、落沙坡長度分別為14.39 m、69.61 m、32.35 m，下風側的沙丘（圖1 中沙丘Ⅱ）則為15.49 m、68.14 m、34.31 m。由蘆葦制作的疏透型（孔隙度30%左右）高立式沙障（出露于地表的高度1.2 m）布設在沙丘Ⅱ的頂部（E83°47′21.68″，N38°54′26.24″），在迎風坡與落沙坡的交界處，距離落沙坡的坡頂2.1 m。

（3）觀測內容主要為軸線（沙丘對稱面與地表的交線，與主要起沙風方向平行）處的地表高程變化（圖1）。首次工作內容包括確定軸線、設立控制樁、指示樁、水準點等（①為了防止樁志被沙掩埋或風蝕倒伏后失效，首先增加樁志數量，如設置3 個水準點等；②采用1.5 m 的長樁志，加大埋深；③在樁旁用長達3 m 的細竹竿既深插又外露較多，以能在地形變化后仍能起到示位作用；④將水準點等可靈活選位的樁志設置在風積風蝕都相對較小的地貌部位，利于找尋與使用），以確保每次測量的軸線位置不變（雖然軸線位置不變，但除高立式沙障外，每次在軸線上測量的點位并不一定相同，不需要較多樁志），高程基準不變。測量儀器為經緯儀，測量時除了明顯的變坡點外，測量間距一般控制在5 m 以內，以保證必要的精確性。

（4）考慮到軸線處的地表高程變化只有在相當長的時間累積后才會明顯，再加上經費等客觀因素影響，測量時間間隔先短后長，一般在1 年以上，時間間隔并非完全固定。2001 年4 月17 日進行了初次測量，最后一次測量時間為2017 年7 月28 日，時間跨度16 年多（因進行高立式沙障防沙效應長久性探討，故未對其進行維護，后期其上部逐漸受風蝕損壞，最高達43 cm，約為初設時外露高度的1/3）。測量數據基本能夠滿足定性分析的需要。

2 觀測結果與分析

多年的觀測結果見圖2 及表1?？梢钥闯觯?/p>

表1 兩個沙丘的落沙坡前移速度對比

圖2 軸線處的地表高度變化曲線

（1）作為試驗對比的沙丘Ⅰ，其上沒有設置高立式沙障，保持了天然狀態，最為明顯的特點是在風力作用下整體性前移，具體表現為：①迎風坡的風蝕具有整體性特點，從水平方向看，從迎風坡底部至頂部，同一段時間內的風蝕程度（長度）基本一致，使得不同時期的地表（沙表）輪廓線基本近于平行，形狀也大致保持不變；②背風坡（落沙坡）的風積也具有整體性特點，從水平方向看，從背風坡頂部至底部，同一段時間內的風沙堆積程度（長度）基本一致，使得不同時期的地表（沙表）輪廓線基本近于平行，形狀也大致保持不變；③迎風坡與背風坡的整體前移速度基本同步，在不同的年份有快有慢，但相差不大，平均速度1.1 m/y。這種同步性，導致沙丘Ⅰ的整體形狀多年來基本保持穩定，沒有明顯的變化，也說明該沙丘背風坡處的積沙主要來自該沙丘迎風坡處的風蝕。

（2）高立式沙障的阻沙作用最為明顯，也最為直觀，以至于不少學者認為它主要起阻沙作用，故而要求沙埋后應立即拔起或重設；否則，將失去防沙的效能［12，14］。但圖2 顯示：從阻沙作用來看，高立式沙障被埋時的阻沙量并不大，導致其容易被沙埋沒。設置在沙丘Ⅱ頂部的高立式沙障不到1 年就已經被積沙埋沒。鑒于此，有學者認為高立式沙障不宜設置在容易被沙掩埋的沙丘頂部，而宜設置在不易被沙掩埋的迎風坡底部或下部等（使得從高立式沙障設置到被掩埋的時間間隔會更長，也意味著能夠更為長久地發揮其應當起到的阻沙作用）［13，15］。類似觀點在工程界有認同，也有其合理的一面，但筆者有不同的認識，分析見后文。

（3）從長久性角度看，高立式沙障除了公認的阻沙作用外，還有更為重要的“定沙”作用，原因分析如下：

①高立式沙障所在處的地表變化見圖3（圖2 的局部放大）。未被沙埋之前，在高立式沙障處，堆積于兩側的積沙存在傾向于沙障的小落沙坡，原因在于沙障對風的阻擋引起了氣流回旋；外側的來沙停積在沙障處及其附近，上風側的積沙范圍10 m 左右，下風側的積沙到達落沙坡后，會因重力影響，從落沙坡頂滑落，但在沙障被埋沒之前，滑落的沙量并不大。由此，在高立式沙障剛好被全部掩埋，也就是所謂的積沙達到飽和時，停積在高立式沙障處及其附近的積沙量約為7.5 m3/m，比較小，使得設置在此處的高立式沙障會在不到1 年的時間里就被積沙完全掩埋。雖然很快被沙埋，但在沙埋之后的很多年，高立式沙障所在處及其附近的地表不再有較大變化，如同“固定”了一般，具體表現為：原來的上風側積沙范圍、沙障所在處、下風側積沙范圍的地表變化很小，變化明顯的只是原來的下風側積沙范圍之外的落沙坡仍然在不斷地向前運移。圖3 顯示：在長期受風力吹蝕之后，由蘆葦制作的高立式沙障從頂部開始逐漸毀壞，阻沙作用越來越低，但“定沙”作用卻一直存在。

②迎風坡的地表變化。初期，變化很快的是迎風坡頂部，在高立式沙障的影響范圍內，表現為不斷地積沙。而在高立式沙障被埋后，這一區段的地表形態反而不再有較大變化，變化最大的是迎風坡底部，表現為不斷地風蝕。從底部往上逐漸地過渡到基本上沒有變化，由此導致整個迎風坡在緩慢地變形，一方面變短，從開始的68.14 m，16 年后變短至52.27 m，減幅達23.3%；另一方面變陡，從開始的12.0°左右逐漸地變陡，16 年后變陡至17.4°左右，而不像沙丘Ⅰ那樣在風力的作用下整體性前移。

③落沙坡的地表變化。初期，變化很快的是背風坡頂部，在高立式沙障的影響范圍內，表現為不斷地積沙，但外側來沙到達落沙坡的不多，落沙坡基本上穩定不變或變化不大。而在高立式沙障被埋后，外側來沙的堆積也到達了落沙坡處，在風力及重力的共同影響下，開始從落沙坡的頂部不斷地吹落或滑落，由此導致落沙坡能夠在風力作用下整體前移，并一直保持穩定的落沙坡形態。這點與沙丘Ⅰ相似，但其整體前移的速度卻明顯低于前者，并且表現出越來越慢的趨勢，平均運移速度從開始半年左右約0.99 m/y，到16 年后降至0.49 m/y 左右，而時段運移速度（表1）則從第一次觀測時的0.99 m/y 左右，到最后一次觀測時降至0.27 m/y 左右，降幅更為明顯。

④表征的風沙運動規律的變化。沙丘Ⅰ、沙丘Ⅱ的上述變化清晰表明：在沙丘頂部設置高立式沙障后，沙丘的運動形式從整體前移變成了只有落沙坡前移，也就是高立式沙障除了阻沙作用外，還有更為重要的“定沙”作用。同時也表明，沙丘Ⅱ背風坡處的積沙主要來自該沙丘迎風坡處的風蝕。此外，從落沙坡的前移速度來看，沙丘Ⅰ基本是穩定的；沙丘Ⅱ卻在變化，初期較復雜，后期則有越來越慢的趨勢，多年積累之后，其前移的距離已非常明顯低于沙丘Ⅰ。倒推原因可認為：落沙坡前移速度的減少←從坡頂的來沙量減少←迎風坡上風蝕量的減少←迎風坡面積減少（沙丘Ⅰ的落沙坡向前運移，從底部開始，逐步埋壓沙丘Ⅱ的迎風坡；而沙丘Ⅱ的迎風坡沒有向前運移，導致迎風坡不斷地變短，面積也不斷地減少）、迎風坡變陡（開始時12.0°左右，16 年后變陡至17.4°左右，對風蝕有阻礙作用）、氣流場發生變化（原理尚不清楚，可能為：自然狀態下形成的沙丘迎風坡形態有利于整個坡面的風蝕，形態被改變后將導致整個坡面的風蝕能力降低。風蝕能力的降低意味著貼近地表的風速降低，高于地表的風速增加，使得氣流場結構發生變化）等←高立式沙障的“定沙”作用。

高立式沙障的“定沙”作用初期不明顯，隨著時間的積累越顯突出，具有效應的長久性。對沙漠公路而言，威脅最大的沙害莫過于“沙丘前移，埋壓公路”，尤其是高大沙丘。但是，高立式沙障的“定沙”作用能夠大幅度延緩“沙丘前移，埋壓公路”的時間，并且還是一次設置，長久受益，長時間地讓外側（迎風坡）的來沙呈立體狀（斜立狀）停積在落沙坡處，而不至于迅速蔓延至固沙帶，呈平面狀埋壓固沙方格，在沙害防治方面具有極大的效率。正因為如此，對于塔克拉瑪干沙漠腹地的流動性沙丘分布區，在沙漠公路的沙害防治體系中，無論是機械防沙體系，還是生物防沙體系，高立式沙障都應當是必不可少的，尤其是上風側。

3 結論

（1）塔克拉瑪干沙漠腹地復合型縱向沙壟頂部的次一級沙丘表現出在風力下整體性前移的特點，迎風坡與背風坡（落沙坡）都在整體性前移且又基本上同步，平均速度約1.1 m/y，沙丘整體形狀多年保持穩定，沒有明顯變化。表明該沙丘背風坡處的積沙主要來自該沙丘迎風坡處的風蝕。

（2）高立式沙障的阻沙作用最為明顯、最為直觀，但阻沙量不大，容易被沙埋。實踐中有觀點認為其宜設置在不易沙埋的部位，以能更為長久地發揮其應當起到的阻沙作用。這種觀點有其合理的一面，也存在誤區。

（3）高立式沙障有更為重要的“定沙”作用，即能將原來的沙丘整體性前移轉變成只有落沙坡前移，逐漸變陡、變短的迎風坡基本上被固定，尤其是高立式沙障位置所在的高大沙丘頂部；即使被風沙掩埋，“定沙”作用仍會長期存在，由此導致風沙運動規律逐漸發生變化，使得其落沙坡前移的速度有越來越慢的趨勢，平均運移速度從開始半年左右時的約0.99 m/y，到16 年后降至0.49 m/y 左右，時段運移速度則從第一次觀測時約0.99 m/y，到最后一次觀測時降至0.27 m/y 左右，降幅更為明顯；在多年積累之后，其前移距離已明顯地低于不設高立式沙障的沙丘。

（4）高立式沙障的“定沙”作用能夠大幅度延緩“沙丘前移，埋壓公路”的時間，并且一次設置，長久受益，在沙害防治方面具有極大的效率。故在流動性沙丘分布區的沙漠公路沙害防治體系中，高立式沙障應當是必不可少的，尤其是上風側。