第３５卷第３期 ２０１０年９月 甘肃林业科技 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＧａｎｓｕ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１－３５ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１０ 文章编号：１００６—０９６０（２０１０）０３．００３５．０４ 民勤流沙治理中机械沙障的防风固沙效益分析 高承兵ｌ， ，李永兵 ，聂雪花。 （１．甘肃农业大学林学院，甘肃兰州７３００７０；２．甘肃民勤连古城国家级自然保护区管理局，甘肃民勤７３３３００； ３．民勤县林业局，甘肃民勤７３３３００） 摘要：通过分析研究民勤流沙治理中机械沙障的防风固沙效益，对设置的６种不同类型沙障进行测定和 分析，得出如下结论：机械沙障设置后，可以提高流沙下垫面的粗糙度，降低近地表风速，固定流沙，减少风速。 ６种机械措施相比，塑料网格沙障价值系数最高，依次为：粘土方格沙障、麦草方格沙障、土工编织袋沙障、砾 石方格沙障、棉花秆方格沙障。 关键词：民勤沙区；机械沙障；防风固沙效益 中图分类号：Ｘ １７ １ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６．０９６０．２０１０．０３．００８ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓａｎｄ Ｂａｒｒｉｅｒ ｏｎ Ｒｅｄｕｃｉｎｇ Ｗｉｎｄ ａｎｄ Ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ Ｓａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｄｕｎｅｓ ｏｆ Ｍｉｎｑｉｎ Ｃｏｕｎｔｙ ＧＡＯ Ｃｈｅｎｇ—ｂｉｎ 一，ＬＩ Ｙｏｎｇ－ｂｉｎｇｚ，ＮＩＥ Ｘｕｅ・ｈｕａ （１．Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｇａｎｓｕ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｇａｎｓｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ；２．Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｍｉｎｑｉｎ Ｌｉａｕｇｕｃｈｅｎｇ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒｅ Ｒｅｓｅｒｖｅ ｏｆ Ｃａｎｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｍｉｎｑｉｎ Ｇａｎｓｕ ７３３３００，Ｃｈｉｎａ；３．Ｍｉｎｑｉｎ Ｃｏｕｎｔｙ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｇａｎｓｕ ｒＯＶｉＰ￣ｅ，Ｍｉｎｑｉｎ Ｇａｎｓｕ ７３３３００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｉｖｉｎｇ ｓｉｘ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓａｎｄ・－ｂａｒｒｉｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｗｉｎｄ－－ｂｒｅａｋｉｎｇ ａｎｄ ｓａｎｄ・・ｉｆｘ￣ｉｏｎ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｓａｎｄ ｏｆ Ｍｉｎｑｉｎ ｓａｎｄ ｌａｎｄ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗｅｄ：Ｔｈｅ ｓａｎｄ ｌａｎｄ ｗａｓ ｔｅｎｄｉｎｇ ｔｏ ｂｅ ｆｉｘｅｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｓａｎｄ— ｂａｒｒｉｅｒ ｓｅｔ．Ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｗｉｎｄ—ｓｐｅｅｄ ｓｌｏｗｅｄ ｄｏｗｎ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｗｉｔｈ ｓａｎｄ—ｂａｒｒｉｅｒ． Ｔｈｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｎｄ—ｂａｒｒｉｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ ｗａｓ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：ｓａｎｄ—ｂａｒｒｉｅｒ Ｖ＞ｓａｎｄ．ｂａｒｒｉｅｒ ＩＩ＞ｓａｎｄ．ｂａｒ－ ｉｔｅｒ Ｉ＞ｓａｎｄ．ｂａｒｒｉｅｒ ＶＩ＞ｓａｎｄ—ｂａ耐ｅｒ １Ｖ＞ｓａｎｄ．ｂａｒｒｉｅｒⅢ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｉｎｑｉｎ ｓａｎｄ ｌｎｄ；ｍｅｃｈａｎｉａｃａｌ ｓａｎｄ ｂａｒｒｉｅｒ；ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｗｉｎｄ－ｂｒｅａｋｉｎｇ ａｎｄ ｓａｎｄ ｆｉｘａｔｉｏｎ 民勤县位于我国典型荒漠地带的河西走廊东端 石羊河下游地区，夹于腾格里沙漠和巴丹吉林两大 沙漠之间，是甘肃乃至全国沙漠危害最严重的地区 之一。由于该县人口的持续增长和长期不合理的土 地开垦、大量开采地下水，加之石羊河上游来水量逐 试结果显示，民勤荒漠和荒漠化土地已达１５０．２７万 ｈｍ２，占民勤国土面积的９４．５％，民勤的荒漠化已相 当严重。 在民勤荒漠化的治理过程中，工程防沙是一种 十分必要和不可取代的防沙措施，工程防沙是固沙 措施的主体，其中半隐蔽格状沙障及低立式沙障是 渐减少等诸多因素引起的以沙化和盐渍化为特征的 荒漠化土地急剧扩展。据全国最近一期沙化普查测 近地面风沙流边界层防止风沙危害的经济实用、功 收稿日期：２０１０．Ｏ６－ｏ７ 作者简介：高承兵（１９７２－－）。男，甘肃民勤人。在读农业推广硕士，林业工程师，主要从事森林生态及自然保护等方面的研究和实践工作。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｑｌｇｃ３５３６６＠ｓｏｈｕ．ＣＯｒｎ ３６ 甘肃林业科技 第３５卷 能独特、效果显著而应用最为广泛的防风固沙措施。 对其防护原理、规格与防护效益，众多研究者都进行 过探讨，并取得较为令人满意的结果 。不过在防沙 实践中，人们推广和应用这些经验时，却又片面地强 化和近地表风沙流活动情况，并在沙障里呈十字交 叉设置１３个风蚀标杆。使用ＤＥＹ一１多点遥测防沙 风速仪测定风速变化情况，风杯设在距地表２００ ｃｍ、 １００ ｃｍ、５０ ｃｍ、１０ ｃｍ高度，同时自动纪录不同高度 调了其生态效益，对其材料来源、成本及劳务费考虑 得很少。因此本研究的主要目的就是从不同材料和 不同类型的机械沙障中筛选出生态效益显著且又经 济实用的机械沙障，使这些沙障在民勤荒漠化治理 中能够得到广泛推广。 １研究区概况 民勤县位于石羊河流域下游，地理坐标１０３。０２ ～１０４。０２ Ｅ、３８。０５ ～３９。０６ Ｎ。属典型的大陆性极干旱 荒漠气候，年均气温７．８ ｏＣ，年均降水量１１０ ｍｍ，年 平均蒸发量２ ６４４ ｍｍ。土壤类型以风沙土、灰棕漠 土、草甸土、草甸沼泽土为主，耕作土壤是灰棕漠土、 草甸土等土类经过长期灌溉淋溶、耕作施肥等人为 作用下形成的特殊土类——绿洲灌漠土嘲。本研究地 点设在民勤风沙危害较为严重的老虎口地段，老虎 口地处民勤县大滩乡西沙窝一线，全长２４ｋｍ，流沙 面积达Ｏ．８３万ｈｍ ，是民勤绿洲西线最大的风沙口 之一。 ２ 试验设计与研究方法 ２．１ 试验地选择与设计 试验地选在老虎口治沙综合示范区，沙障设置 在一块坡度大约为１５。，连片平缓、面积较大的新月 型沙丘链上。在设置沙障前测定了该沙丘不同部位 的风速分布和风沙运动情况。共设置６种不同类型 沙障（表１），每一种规格的沙障从沙丘的基部一直设 置到沙丘的顶部，沙障走向与主风方向ｆＮＮＷ）垂直。 每种沙障类型各选择５处，测定每个沙障的风速变 表１试验区沙障情况 的风速。每一测点作３次重复。 ２．２研究方法 ２．２．１ 粗糙度 粗糙度不仅是衡量地表性质的指标，更是衡量 治沙防护效益的最重要指标之一 埘。在老虎口沙区 核心示范区，试验示范的多种类型的机械沙障，就是 通过改变地表性质、增加下垫面粗糙度的途径，有效 地控制风沙流，变害为利，达到防风治沙的目的。 下垫面的差异使粗糙度不同，从而对气流的阻 力也不同。根据２．０ １ＴＩ和０．５ ＩＴＩ高度风速的实测数 据，计算地面粗糙度Ｚｏｔ“】。 Ｚ。＝Ｐ（ Ｚ１一Ｈ ２） （ 一 式中：Ｚｌ，Ｚ２为观测高度（ｃｍ）；Ｖ 、Ｖ：为ｚ１、 高度 处的风速（ｍ／ｓ）。ｇｏ的大小表明了该地区风沙流紊流 的运动情况，ｚｎ越大，表明地面对风速的阻力越大， 相对应削弱风速的能力就越大 。 ２．２．２ 价值分析方法 机械沙障的主要作用是固定流沙。因此，我们运 用价值分析的方法，将其固阻流沙的作用定义为最 主要功能，用１—１／ｈ表示，粗糙度、平均降低风速为 主要功能，给最主要功能Ｏ．４的权重，每个主要功能 以０‘３的权重。再分别用（１）、（２）、（３）式计算其功能 系数、成本系数和价值系数： ： ∑ （１） Ｃ／，＝士 ∑ｃ． （２） Ｖ／ ： ∑Ｃ／． （３） 式中 为第 措施第 指标的功能值； 为其 功能系数合计值，ｉ＝１，２，３，ｊ＝ｌ，２；ｃ 为第ｉ措施的年成 本；Ｃ１，为其成本系数；Ｖｉｉ为价值系数。 ３ 结果与分析 风蚀与风积的不平衡造成流沙整体前移和沙丘 相对高度增加或降低。沙障设置后能使地表粗糙度 增加１５～２４倍Ｉｌｊ，直接影响近地表气流和风沙流运动 状态，阻滞了流沙移动的速度。因此增大地表粗糙度 第３期 高承兵等：民勤流沙治理中机械沙障的防风固沙效益分析 ３７ 是机械沙障固定流沙的主要依据。沙障能使障内风 速降低，风蚀和堆积只发生在障内局部地方，且逐渐 平衡，在沙障内形成较为稳定的光滑凹曲面，这些凹 曲面组成有规则的波纹状下垫面，起着一种小型浅 槽的作用『１１。 这种有规则排列的凹曲面，对不饱和的风沙流具有一 种升力效应，形成沙物质的非堆积搬运条件。根据屈 建军㈣的研究可知，在沙障的固沙过程中，当外来沙 源逐渐被露出沙面障体阻截形成沙埂的同时，沙障的 中心部分开始风蚀，作用也是促进沙埂的形成，当风 向较为单一时往往形成不对称的凹曲面。在此过程 中，沙障内的气流小尺度的涡旋起到了决定性的作 用，充分的蚀积作用使凹曲面达到平衡稳定状态。下 ３－１稳定凹曲面的形成 格状沙障防沙作用的关键是稳定凹曲面的形成。 暑 ０ 总 １６ —０ 一距离／ＣＦｆｌ 一。 一距离／ｅｍ 一。 一距离／ｃｍ ａ．麦草方格沙障 ０ ｂ．粘土方格沙障 ｃ．棉花杆沙障 窨 督 —１２ ０ 一 ～距离／ｃｍ 一 ０ 距离／ｃｍ 距离／ｃｍ ｄ．砾石方格沙障 ｅ．塑料方格沙障 图１ 几种机械沙障凹曲面的形成 ￡土工编制袋沙障 面就是几种不同材料格状沙障凹曲面（图１）。 ３．２ 几种不同沙障对不同高度风速的影响 对６种不同类型沙障２．０ ｍ和０．５ ｍ高度风速 进行实地测定，对实测风速进行随机抽样分析。、 同测点Ｏ．５ ｍ高度风速相对于２．０ ｍ高度风速的降 低幅度不同，沙障Ｉ平均降低３Ｏ．０３％，而沙障Ⅱ平 均降低２４．７０％，沙障Ⅲ平均降低２９．２６％，沙障Ⅳ平 均降低２４．０３％，沙障Ｖ平均降低２９．９６％，沙障Ⅵ平 均降低２９．５５％。以上数据比较分析中得知，在流沙 上设置沙障可以明显降低风速，减弱风的作用力，不 从表２中可以看出，２．０ ｍ高度风速一定时，不 表２不同类型沙障的瞬时风速及粗糙度 同沙障减低风速的强度也不同。 ３．３粗糙度对风速的影响作用 由表２中随机抽样值计算可得，沙障Ⅳ的地表粗 糙度为０．４６８ ｃｍ，沙障Ｉ的地表粗糙度为１．５１７ ｃｍ， 是沙障Ⅳ的３．２４倍；沙障Ⅱ为Ｏ．５６１ ｃｍ，是沙障Ⅳ的 １．１２倍；沙障Ⅲ为１．３６４ ｃｍ，是沙障Ⅳ的２．９１倍；沙 障Ｖ为１．５０２ ｃｍ，是沙障Ⅳ的３．２１倍，沙障Ⅵ为 １．４２１ ｃｍ，是沙障Ⅳ的３．０４倍。可见麦草方格沙障增 大下垫面粗糙度的作用最大（图２），而且对风的削弱 ３８ 甘肃林业科技 第３５卷 能力也最强（图３）。结果表明，设置沙障后明显改善 了地表状况，增大了下垫面粗糙度，有效削弱了风 力，而且不同类型沙障改变地表性质的作用不同，其 中麦草沙障（沙障Ｉ）的作用最为明显。 １．６００ １．４ｏ０ １．２ｏ０ 竖 遨 、 专１．０００ ．Ｎ ０８００ ０．６００ ０．４ｏｏ Ｏ．２００ Ｏ．Ｏ０ｏ Ｉ ＩＩ Ⅲ Ⅳ Ｖ Ⅵ 沙障类型 图３ 不同沙障平均风速减低百分比 Ｉ ＩＩ ⅡＩ Ⅳ Ｖ Ⅵ ３．４ 几种沙障的价值分析 沙障类型 图２ 不同沙障粗糙度的比较 加 ｍ ５ Ｏ 由表３可以看出，在这６种不同类型机械沙障 Ⅲ中，沙障Ｖ的价值系数最高，再次是沙障Ⅱ、沙障Ｉ、 表３不同机械沙障的价值分析 沙障Ⅵ、沙障Ⅳ，沙障Ⅲ因为功能系数低，成本较高， 价值系数最小。 的推广价值。 参考文献： ４ 结论 塑料方格沙障是一种透风型沙障，价值系数最 大，由于其一次性投入大，在施工中技术操作要求 高，而且容易产生掏蚀，因此在民勤沙区治理中未得 到大面积推广。粘土方格沙障由于其功能系数较大、 成本较低，价值系数处于麦草方格沙障和塑料方格 凌裕泉．草方格沙障的防护效益［Ｍ】，，流沙治理研究．银 川：宁夏人民出版社，１９８０． 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