乌兰布和沙漠公路“麦草沙障-梭梭”的防护效益

崔 健, 高君亮,3,4, 乔靖然, 于 猛, 许亚欣

(1.中国林业科学研究院沙漠林业实验中心, 内蒙古 磴口 015200;2.国家林业草原防沙治沙工程技术研究中心, 内蒙古 磴口 015200; 3.乌兰布和沙漠综合治理国家长期科研基地,内蒙古 磴口 015200; 4.内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站, 内蒙古 磴口 015200)

由于干旱、半干旱区局部地区生态环境脆弱,加之区域内风大沙多、春冬季风沙活动频繁[1]。在风力的作用下,沙物质被吹蚀、搬运和沉积,剧烈的风沙活动会对耕地、建筑和交通运输线路等公共设施造成毁坏和破坏[2]。随着我国西北大开发和“一带一路”倡议的陆续实施,越来越多的沙区公路投入运营,沿线风沙危害,部分线路的行车安全已受到影响。风沙灾害对沙区公路主要形成路基风蚀和沙埋形式的沙害[3-6],其中,沙埋是路基沙害的主要表现形式[7]。沙埋不但会造成路面磨蚀,增大养护成本,而且会产生扬沙引发交通事故,甚至会造成道路交通中断,大大增加建设成本[8]。因此,随着交通建设逐步拓展,道路防沙治沙工作将面临更加复杂的环境和挑战。

自20世纪50年代包兰铁路成为我国首个流动沙漠区道路风沙防治成功案例起,便为我国沙区道路修筑与防护积累了宝贵经验[9-10]。随着时代进步,交通线路防沙治沙经验与技术水平得到不断提高。众多学者通过风洞试验[11-12]、野外观测[13]和采用固、阻、输、导、挡风输沙型等多种道路防沙体系结构模式[14-16]对道路沙害防治技术已作出详细研究;借助野外定位监测、三维激光扫描以及无人机航测技术,评价交通公路沿线风沙防护体系的防护效益,并利用计算机技术基于孔隙度、高度、防护间距等工程参数,选择适当的防沙措施并进行优化组合[17-18];同时为解决公路风沙防护体系以单一的机械防护为主的问题,沙区抗逆植物种筛选培育、节水技术以及微生物材料在风沙防治中日益成熟,形成了生物、机械和化学相结合的综合防护模式[19-20]。麦草沙障和梭梭作为最常见的机械沙障和防沙治沙先锋树种,在乌兰布和沙漠防沙治沙方面发挥重要作用,而沙漠东北部一直以来是沙化土地治理与开发的主要区域,从目前来看,在开发过程中需要修建公路,而为了避免公路沙害问题,当地就穿沙公路两侧构建的“麦草沙障—梭梭林”防风固沙体系取得显著成效,但对于此防风固沙体系所产生的防护效益还并未作出明确研究,因此,我们目前开展的研究主要是对当前以产生防护作用的防护体系进行科学研究。

基于此,本研究以磴—额线磴口县工业园区穿沙公路两侧设置的“麦草沙障—梭梭林”防护体系为研究对象,运用野外观测和室内分析相结合的方法,分析风速、输沙量及土壤粒度变化情况,从而探究该防护体系的防风固沙效益,以期为该区域内其他公路风沙灾害防治提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于乌兰布和沙漠东北部,行政区划隶属内蒙古自治区磴口县。该区域属温带大陆性干旱季风气候[20],年均气温为7.6℃,年平均降雨量为144.5 mm,年平蒸发量2 397.6 mm。年均风速为3.7 m/s,瞬时风速可高达24 m/s,3—5月易出现扬沙天气,平均年扬沙日数77 d;土壤类型包括风沙土、棕钙土、灰漠土等,其中,风沙土面积最大。植被多以旱生及超旱生灌木和草本为主,天然灌木类植物有白刺(Nitrariatangutorum)、油蒿(Artemisiaordosica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)等;草本植物有沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、猪毛菜(Kalicollinum)、雾冰藜(Gruboniadasyphylla)、沙鞭(Psammochloayillosa)等;人工灌木类植物主要有梭梭(Haloxylonammodendron)、沙拐枣(Calligonummongolicum)、花棒(Cotethrodendronscoparium)等。

2 研究方法

2.1 样地选择与样点布设

选择磴—额线磴口县工业园区穿沙公路为研究对象,该公路于2018年建成通车后,为了防止公路两侧流沙上路产生沙害,当地有关部门在公路两侧的流动沙丘上铺设了草方格沙障(规格约为1 m×1 m),并在障格内栽植了梭梭(行距约为2 m×2 m),目前,整体防护效益比较显著。

于2022年4月20日大风天气下,对公路防风固沙体系的防护效益进行监测。

如图1所示在公路两侧布设了3个监测点,分别为公路上风向流动沙丘(A点),公路上风向距离公路近20 m的防护体系内(B点),公路下风向距公路近20 m的防护体系内(C点);分别在A,B,C点布设风速仪和集沙仪,风速仪测量高度分别为20,100,200 cm,集沙仪高度为50 cm高,共25层,每层积沙口规格为2 cm×2 cm,本研究中只收集到0～30 cm高度范围内沙物质。根据刘芳等[21]的研究表明,该区域流动沙丘风速达到5.1 m/s时集沙仪可收集到风蚀物,而本试验进行风沙观测时风向为270°～290°,与当地主害风向垂直,输沙势与前人研究相一致,风速达到起沙风速,因此对此区域选择2个具有典型代表性的时间段进行风沙活动同步监测,每次监测时间20 min,风速采样间隔2 s。每次记录观测起止时间,观测结束后,将集沙仪各层沙样取出并倒入塑封袋中,袋上标记样品采集时间、位置以及高度信息,同时计算输沙量及输沙率。并将各测点位置处集的沙仪内沙物质带回实验室使用激光粒度仪测量垂直方向的沙粒含量分布,并分别采集A,B,C点处表层土壤装入塑封袋,并使用激光粒度仪测量表层土壤颗粒粒度情况。

图1 样点布设图

2.2 样品处理

(1) 土壤粒度特征。用激光粒度仪(型号:EYE-TECH,产地:荷兰,量程:0.1～3 400 μm)测量土壤粒径体积分数,本试验土壤粒径分级标准采用美国制分级标准[22]。将土壤样品按粒径划分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、极细砂(0.05～0.10 mm)、细砂(0.10～0.25 mm)、中砂(0.25～0.50 mm)、粗砂(0.50～1.00 mm)、极粗砂(1.00～2.00 mm)和砂石(>2.00 mm)。

采用伍登—温德华粒级标准,根据克鲁宾对数转化法,分别将先前输出的各土壤颗粒累积体积分数对应的颗粒直径进行转换,有利于计算Φ值[23],见公式(1)

φ=-log2D

(1)

式中:D代表颗粒直径(mm)。

通过克伦拜因和福克计算累计频率曲线图上累计百分含量5%,10%,16%,25%,50%,75%,84%,95%所对应粒度对数值φ5,φ10,φ16,φ25,φ50,φ75,φ84,φ95,据此计算粒度特征参数平均粒径(d0)、标准偏差(σ0)、偏度(S0)、峰态值(K0)[23]。

(2) 粗糙度的计算。粗糙度是衡量下垫性质的重要指标,即地面风速为零的高度,用下式计算[24]:

(2)

式中:Z1,Z2表示地面任意两个高程(cm);u1,u2表示Z1,Z2两个高程上的风速(m/s);Z0表示该地表的粗糙度(cm);A=u2/u1;Z1=200 cm,Z2=20 cm。

(3) 风沙流特征值。根据风沙流结构函数,计算0～10 cm各高度的风沙流输沙量,根据吴正提出的判断地表蚀积状况的风沙流特征值的计算公式(3)[25],计算得到各测点的风沙流特征值(λ),公式如下:

(3)

式中:Q0～2为0～2 cm高度内风沙流的输沙率〔g(/cm·min)〕;Q2～10为2～10 cm各高度风沙流输沙率的总和〔g(/cm·min)〕。当λ>1时,表明下层沙量处于不饱和状态,气流尚有较大搬运能力,有利于吹蚀;当λ<1时,表明搬运沙物质多贴近地面,在地表易形成堆积;当λ=1时为蚀积平衡状态。

(4) 风沙流结构。半固定沙地的输沙率一般随高度呈指数函数或者幂函数关系变化(式4),但也随着区域、下垫面条件及天气状况而变化,而固定沙地一般服从多项式关系(式5),但拟合程度不高,没有明显规律[26]。对各测点集沙仪10个高度的水平输沙通量进行拟合,公式如下:

q(x)=a(x)b

(4)

q(x)=ax2+bx+c

(5)

式中:q(x)表示某一高度范围的输沙量(g/cm2);x表示沙物质所在集沙仪采集层的高度(cm);a,b,c为拟合系数。

2.3 数据处理与分析

数据统计处理主要使用Origin 2019b和Excel 2010软件完成。

3 结果与分析

3.1 风速变化情况

观测点不同高度处平均风速变化图(图2)可知,各观测点风速和变化情况均表现出随着高度的增加风速逐渐增大的趋势;且在不同测点位置处平均风速大小出现明显变化,均表现为A点(流动沙丘)>B点(梭梭林上风向)>C点(梭梭林下风向),在15∶55—16∶15时间段A点位置平均风速依次为8.61 m/s,9.91 m/s和10.08 m/s;B点位置平均风速依次为5.54 m/s,5.80 m/s和7.80 m/s;C点位置平均风速依次为2.93 m/s,5.16 m/s和7.47 m/s;在16∶45—17∶05时间段内A点位置平均风速依次为8.33 m/s,9.13 m/s和9.81 m/s;B点位置平均风速依次为5.63 m/s,5.69 m/s和7.99 m/s;C点位置平均风速依次为2.81 m/s,4.68 m/s和7.74 m/s。因此综合分析可以得出,风沙流由B点经过C点,风速迅速降低,在3种高度下(20 cm,100 cm和200 cm)风速分别降低了48.7%,14.4%和3.9%,由此可以看出近地表风速降低明显,但随着高度的增加对于风速的削弱作用逐渐减小,风速降低程度减少;但通过对比A点和B点、C点发现,B点风速较A点在3种高度下(20 cm,100 cm和200 cm)风速分别降低34.0%,39.6%和22.4%;C点风速较A点在3种高度下(20 cm,100 cm和200 cm)风速分别降低66.1%,52.5%和23.5%,在B点、C点两点位置处风速较A点风速均有不同程度的降低,但降低程度略有不同,表现出C点风速降低程度高于B点风速降低程度,说明该防护体系可以有效降低过境风沙流,从而达到保护公路免受沙埋。

图2 观测点不同高度风速变化

由各观测点地表粗糙度(cm)可知(表1),A点地表粗糙度平均值约为0 cm,B点地表粗糙度平均值为0.078 5 cm,C点地表粗糙度平均值为4.92 cm;由此表明B,C两点地表粗糙度均显著大于A点,即在此防护体系下能有效降低近地表风速并且增大地表粗糙度。因此可以看出防护体系防风效益显著。

表1 不同观测点地表粗糙度Table 1 Surface roughness at different observation points

由同一高度不同观测点位置风速变化图(图3)可知,在20 cm高度处不同测点位置处的风速变化呈现出明显的分层现象,风速变化大小表现出A点>B点>C点,且由A点平均风速为8.5 m/s到B点平均风速为5.6 m/s,风速有减小的趋势,但变化不大,由此说明再由A点到B点的过程中由于距离较远受到其他沙丘的影响,风速有所降低;但在经过阻挡后降低至C点平均风速为2.9 m/s,风速迅速降低,降低至A点风速的2倍,由此可见能有效降低地表风速,对近地表风速有较强的削弱作用;在100 cm高度处,仍然表现出A点>B点>C点,但B点和C点两点风速变化较为接近,无明显变化。

图3 相同高度不同观测点风速变化

3.2 地表蚀积变化

由各观测点风沙流特征值(λ)可知(图4),A点λ平均值为1.62,表明该位置风力强劲,流动沙丘地表沙源供给相对不足,地表呈现风蚀状态;B点λ平均值为1.05,表明该位置位于梭梭林上风向,由于受到梭梭林对风沙流的拦截,导致风沙流处于不饱和的状态,地表同时出现风蚀的状态;C点λ平均值为0.94,表明该位置在梭梭林的固定作用下沙物质迅速沉降,达到堆积状态;并且C点λ值小于B点,说明梭梭林下风向沙源供给比梭梭林上风向更加丰富。

图4 不同观测点的风沙流特征值

3.3 输沙率变化

图5为不同观测点输沙率变化图。由图可知,不同观测点输沙率均有所不同且均呈现出随着高度的增加输沙量逐渐减少,输沙量整体上表现出A点>B点>C点,不同观测点总输沙率依次为10.5 g/cm/min,1.43 g/cm/min,0.18 g/cm/min,B点、C点总输沙率依次较A点总输沙率降低86.4%和98.3%,由此可以看出,在梭梭林的拦截和固定下,地表沙源供给不充分,风沙流可搬运沙物质量大幅降低,从而表现为输沙量减小,并在一定程度上减小风沙对公路的侵害。由图可以看出,输沙量最大值均在0～2 cm范围内,而且输沙量主要集中在0～10 cm高度内,A点在0～10 cm高度范围内输沙量为9.7 g/cm/min,约占总输沙量的90%,B点在0～10 cm高度范围内输沙量为1.37 g/cm/min,占总输沙量的95%,C点在0～10 cm高度范围内输沙量为0.14 g/cm/min,占总输沙量的78%。

图5 不同观测点输沙率变化

3.4 风沙流结构

图6为各观测点不同高度水平输沙通量拟合曲线,在防风固沙体系公路上风向流动沙丘(A点),公路上风向距离公路近10 m的防护体系内(B点)水平输沙通量随着高度的增加而下降,水平输沙通量与高度符合幂函数关系,决定系数R2分别为0.89,0.95;公路下风向距公路近20 m的防护体系内(C点),水平输沙通量虽然也随着高度的增加而减小,但不符合幂函数关系,决定系数R2为0.81。在相同高度下,C点水平输沙通量均远小于A点和B点,但随着高度的增加,差异逐渐减小,在10～20 cm高度范围内非常接近。

图6 各观测点水平输沙通量的垂直分布

对各观测点风沙流结构(图7)分析可知,A点和B点在8 cm以下的水平输沙总量分别占总输沙量的89.18%和94.54%,而C点占比仅为75.27%;三者在10 cm高度处的输沙比例非常接近分别是A点为3.25%、B点为1.29%和C点为4.86%。然而在12～20 cm高度范围内,C点占总输沙量19.87%的比例均高于A点和B点,占比分别为9.62%和4.18%。由此分析可以得出,在流动沙丘A点和防护体系上风向B点沙源供给相对丰富,风沙搬运量随着距离地表越近而逐渐增加,但同时搬运量却随着高度的增加而逐渐减少;而在防护体系下风向的C点,由于防护体系内的梭梭林和草方格沙障具有很好的固沙作用,输沙量大幅降低,因此呈现出与固定沙地相似的风沙流结构特征,由此证明,在本研究内此防护体系具有很好的防风固沙作用。

图7 各观测点风沙流结构

3.5 不同观测点表层土壤沉积物粒度特征

图8为不同观测点表层土壤沉积物颗粒分布图。由图可以看出,3个测点位置表层土壤颗粒分布存在明显差异。A点位置土壤粒级最大值为654 μm,而B点和C点位置土壤粒级最大值仅为409 μm,由此说明土壤颗粒粒级变小,土壤颗粒向着细粒化方向发展。具体来看,A点和B点呈现单峰式分布,其波峰分别出现在255 μm和227 μm附近;C点呈现双峰式分布,其波峰分别在202 μm和255 μm出现;进一步分析可以看出在202 μm～255 μm范围内土壤颗粒含量出现明显差异,同时在227 μm处出现明显的分界点,A点表现出随着土壤粒级增大土壤颗粒含量呈现逐渐增大的趋势并在255 μm处达到最大值12.71%;B点表现出随着土壤粒级增大土壤颗粒含量呈现先增大后减小的趋势,在227 μm处达到最大值13.45%;C点表现出随着土壤粒级增大土壤颗粒含量呈现出先减少后增加的趋势,在227 μm处达到最小值为11.33%,在255 μm处达到最大值为12.34%。

图8 不同观测点表层土壤沉积物颗粒频率分布

土壤颗粒累积频率分布曲线能反映土壤颗粒的分布情况,通常表现为曲线越陡,土壤颗粒分布越均匀。分析各测点位置表层土壤的分布均匀程度发现,在100～400 μm范围内斜率最大,说明各位置表层土壤颗粒粒径大部分集中在100～400 μm,且斜率大小依次为C点>B点>A点,由此说明C点位置土壤颗粒分布最均匀,B点次之,A点土壤颗粒分布均匀程度最差。

不同测点土壤粒度累积频率百分量反映出颗粒差异变化情况,即定性描述颗粒在一定范围内受到风蚀的影响。由图8可知,各测点位置土壤粒度累积频率间平均距离粒径最大值出现在180～200 μm区间内,说明各测点位置整体颗粒粒径在180～200 μm区域间较大,因此可认为研究区易风蚀颗粒范围在180～200 μm。

由表2可知,3个观测位置表层土壤粒度参数平均粒径由大到小依次为B点>A点>C点;标准偏差由大到小依次为A点>C点>B点;偏度等级依次为负偏、近于对称和近于对称;3各观测点峰态均属于中等。即B点土壤分选性相比于其他位置较差,B点土壤颗粒分布最均匀,同时B点平均粒径最大,其细粒物质含量最多,这与图8中B点土壤颗粒百分含量分布情况相符。

表2 不同观测点表层土壤沉积物粒度参数特征

4 讨 论

风沙灾害防治工程在实际应用中很少使用单一措施进行防护,多依据生物措施与工程措施相结合的方式,而工程措施作为生物措施的基础,它的配置同样讲究“固、阻、输(导)”的相互搭配[27]。控制沙源是防治沙害的治本措施,机械防沙措施见效快、效果好,而且造价低[28]。防沙体系中机械沙障的应用迅速提高了研究区对风沙流的拦截能力,防沙植物的种植则可以弥补破损机械的功能损失,还可以对风沙流进行再次拦截;植被种植和灌溉可以提高土壤的有机质含量和含水率,表层土壤盐分含量增加,提高了地表起沙风速,可降低土壤风蚀[29-30]。而通过实践证明,流动沙丘上设置机械沙障后,风沙活动强度下降,影响植物生长的风蚀沙埋作用减轻,为沙生先锋植物的定居创造了良好条件。因此,设立道路工程防沙体系要尽量促进植被的恢复,在适宜植物生长的地方,应选择一些耐旱、耐盐、耐风蚀沙埋的植物进行飞播或者人工种植;以补充机械沙障防护效益方面的不足或缺陷,同时延长机械沙障的使用年限,并逐步形成以生物措施为主的防沙体系,从根本上解决沙害问题[31]。在本研究中,在机械措施和生物措施相结合的工程防护体系下,风速变化情况由初始的8.47 m/s,9.52 m/s和9.94 m/s减小到2.87 m/s,4.92 m/s和7.60 m/s,风速降低程度最大约能达到初始的2倍,最小的为初始的30%,这与李生宇等[15]在研究新疆S214省道防沙体系中得到的部分结论相似。粗糙度是描述下垫面对气流的阻碍作用,防护体系的构建使得近地表粗糙度增大,对过境气流起到削弱作用,本研究显示流动沙地粗糙度约为0 cm,该结果与吴晓旭[32]观测结果相似,防护体系上风向和下风向粗糙度为流动沙地的数倍以上,可知在防护体系的干扰下地表粗糙度增大,地表风蚀潜力降低。

风沙流活动集中在地表一定高度内,由于防护体系的建设使得下垫面和风速发生改变,导致沙物质输移出现差异。本研究中各个测点位置集中在0～10 cm高度范围内输沙量分别占各位置总输沙量的92.7%,94.4%和79.5%,这与张华等[33]指出科尔沁沙地80%以上的输沙量集中在0～10 cm高度层内相一致。输沙量的变化情况在很大程度上能够很好地反映防护体系的固沙效益,通过观察不同测点位置的输沙量情况,过境携沙气流由流动沙地经过防护体系后输沙量降低,且随着深入防护体系内部,输沙量呈现降低的趋势,本研究显示上风向输沙量为流动沙地输沙量的13.7%,下风向输沙量为流动沙地输沙量的1.7%,而且处于防护体系下风向的输沙量显著低于在流动沙丘处的输沙量,这与李生宇等[15]对于新疆S214省道防沙体系的风沙观测结果相似。由此可见,该区域的防护体系可以较好地控制地表流沙输移,使风沙流结构在2～6 cm高度范围内发生显著变化。风沙流中沙物质粒径的垂直分布与风沙流搬运量和沙粒运动方式关系密切,随着下垫面微地形发生变化,地表气流状况发生改变,而沙粒分布情况随之改变。如表3所示本研究中只收集到0～30 cm高度范围内的风沙流,结果显示风沙流优势粒级为细砂,流动沙地(A点)0～20 cm高度细砂占47.16%～70.48%,防护体系上风向(B点)0～20 cm高度细砂占50.27%～74.24%;防护体系下风向(C点)0～20 cm高度细砂占62.29%～73.19%,B点和C点中砂含量较A点明显降低,细砂含量明显升高。由此看出,在防护体系作用下,可有效降低风速,削弱风沙流携沙能力,这与包岩峰等[34]研究结果相似。

表3 不同观测点垂向沙物质粒度特征Table 3 Plasmid density characteristics of vertical sand at different observation points

地表沉积物粒度特征是研究沙漠风沙和沉积环境极其重要的指标之一,与局部分风力条件、沉积环境、地形和植被等因素关系密切[35]。本区域研究结果显示,防护体系表层土壤沉积物颗粒中细砂含量最多,为54.74%～61.42%,粉砂含量最少,为0.1%～0.23%,这与罗凤敏等[36]研究得到的变化趋势相似,但具体数值有所区别。吴正[37]发现粒径70～500 μm的砂粒是跃移运动的主体,20～70 μm的砂砾可做短期悬浮。本研究中得到各测点位置表层土壤粒度累积频率平均距离最大值出现在180～200 μm处,指明土壤颗粒主要以跃移方式运动,从沉积物频率分布曲线和粒度参数来看,证明土壤粒径有减小趋势,土壤颗粒变细,粒径较大的颗粒以跃移的方式被吹蚀。同时由此可表明,在此区域范围内,运用机械措施和生物措施相结合方式构建的公路防沙体系,能有效降低风速,减少输沙量,能有效避免扬沙上路,交通线路免受沙埋沙害。

5 结 论

(1) 有效降低地表风速和输沙量,增大地表粗糙度,风沙流经过防护措施后,防护体系上风向(B点)和下风向(C点)风速由高到低较A点分别降低48.7%,14.4%和3.9%;总输沙量分别较A点降低86.3%和98.3%,地表粗糙度由约为0 cm增大到4.92 cm。

(2) 沙物质粒径的垂直分布表现出中砂含量显著降低,细砂含量显著增加,风沙流携沙能力明显削弱。

(3) 表层土壤沉积物颗粒粒级变小,沉积物颗粒频率分布曲线部分波段变窄,分选性变差,颗粒分布均匀且颗粒向着细粒化方向发展,易风蚀颗粒范围在180～200 μm。

综上所述,在本研究区域内,应当以机械措施与生物措施相结合的方式,逐步构建“以阻为主,阻固结合”的公路防沙体系建设思想。