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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2019, 34(3): 225-231 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.03.0225

我国风沙防治工程研究现状及发展趋势

屈建军,1, 凌裕泉1, 刘宝军2, 陈广庭1, 王涛1, 董治宝1

1. 中国科学院西北生态环境资源研究院 中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室/敦煌戈壁荒漠研究站,甘肃 兰州 730000

2. 国家林业局西北林业调查规划设计院, 陕西 西安 710048

The Research Status and Development Trends of Wind-Sand Engineering in China

Qu Jianjun,1, Ling Yuquan1, Liu Baojun2, Chen Guangting1, Wang Tao1, Dong Zhibao1

1. Key Laboratory of Desert and Desertification /Dunhuang Gobi and Desert Ecology and Environment Research Station, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

2. Northwest Forestry Investigation and Planning Institute of State Forestry Administration, Xi an 710048, China

收稿日期: 2019-01-24   修回日期: 2019-03-21   网络出版日期: 2019-04-25

基金资助: 国家自然科学基金重点项目“戈壁特大风区风沙危害的动力学机制及防治研究——以兰新高铁为例”.  编号:41730644
中国科学院A类战略性先导科技专项“美丽中国生态文明建设科技工程”.  编号:XDA23060201

Received: 2019-01-24   Revised: 2019-03-21   Online: 2019-04-25

作者简介 About authors

QuJianjun(1959-),male,GaolingCounty,ShaanxiProvince,Professor.Researchareasincludeaeolianphysicsandaeolianengineering.E-mail:qujianj@lzb.ac.cn , E-mail:qujianj@lzb.ac.cn

摘要

对风沙工程学概念和范畴进行了讨论,初步回顾了我国风沙工程学的发展过程。根据区域环境特征将我国风沙工程研究分为基于沙漠环境的重大工程风沙危害防治研究和其他特征环境区重大工程风沙危害防治研究2个部分。其中,基于沙漠环境的重大工程风沙危害防治研究又可划分为4个阶段,其他特征环境重大工程的风沙危害防治研究主要集中在热带海岸、青藏高原及干旱区戈壁等区域。研究认为,我国重大风沙防治工程的发展趋势可概括为:风沙工程防治体系原理的揭示;重大风沙工程环境效应评价;防沙工程从单纯防沙功能向经济生态型防护体系转变;防沙材料装配式和施工工艺装备化的高效率、高质量快速治理技术。

关键词: 风沙灾害 ; 防沙工程 ; 生物固沙 ; 防沙新材料

Abstract

The concept and category of wind-sand engineering were discussed in this paper. The development processes of wind-sand engineering in China were reviewed preliminarily. Based on different regional environments, wind-sand engineering research in our country can be divided into two parts: aeolian research of major engineering in desert areas, and aeolian research of major engineering in other areas with special environment. Further than that, aeolian research of major engineering in desert areas can be divided into 4 stages, and aeolian research of major engineering in other areas with special environment mainly focuses on tropical coastal areas, Tibet Plateau and gobi in arid areas. Our research suggests that the development trends of major wind-sand engineering can be summarized as the following aspects. Revealing principles of the wind-sand engineering shelter systems; Evaluating environmental effects of the major wind-sand engineering; Functions of the wind-sand engineering transforming from simple sand prevention to eco-economic types shelter systems; A kind of treatment technology with fabricated materials and equipped construction processes needs to be studied urgently, which can make sand prevention with rapid pace, high efficiency and high quality.

Keywords: Wind-sand disaster ; Sand prevention engineering ; Biological sand-fixation ; New material for sand prevention

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本文引用格式

屈建军, 凌裕泉, 刘宝军, 陈广庭, 王涛, 董治宝. 我国风沙防治工程研究现状及发展趋势. 地球科学进展[J], 2019, 34(3): 225-231 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.03.0225

Qu Jianjun. The Research Status and Development Trends of Wind-Sand Engineering in China. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(3): 225-231 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.03.0225

1 风沙工程学概念及范畴

风沙工程学(Sand-laden wind engineering)是以沙漠及沙质荒漠化(沙漠化)土地为对象,研究风力对地表的侵蚀、堆积过程及其对农牧、交通、居民点危害机理及防治技术和措施的科学。风沙工程学基本含义就在于应用风沙物理学的原理、方法和技术,来解释各种风沙现象和解决各种风沙工程技术问题,这些技术问题主要包括静态沙工程和动态风工程以及风和沙的组合体即风沙工程,其中也包括各种风沙危害防治的理论研究和实践。这是一门涉及地理学、边界层气象学、流体力学和环境工程学等诸学科的新兴边缘学科。

由风和沙物质这一对矛盾的对立面和统一体构成的风沙运动过程,是一个复杂的物理过程和系统工程。这一过程是由沙粒运动的微观过程和风沙地貌宏观现象与过程所组成。对于风沙流场性质的研究和实践是风沙工程学的核心和关键。除了风沙流场性质之外,其中沙丘沙的物理力学特征又是一个不可忽视的重要因素,它与沙漠地区各种工程设施诸如铁路和公路的路基建设与防护,石油开发中的井台建设与维护以及井区工作环境等关系十分密切。

在风沙运动过程中,输沙量是一个重要的物理量和极为有用的工程参数。但是对一个地区长时间的输沙总量进行连续测定几乎是不可能的,研究一种行之有效简捷且方便的计算输沙总量的方法和技术,例如设计专用的最大可能输沙量工程计算的计算机程序,不但具有重要的理论意义,也是防沙治沙实践中亟待解决的难题之一。然而,输沙率的直接测定具有其独特作用,在很多方面并不能完全利用理论计算值来替代实测值。例如,在对不同床面风沙流结构和不同防沙措施防护效益的研究过程中,就必须对不同环境条件甚至是同一地段不同地貌部位的输沙量进行实地测定。尽管受集沙仪集沙效率及输沙量水平分布的非均一性影响,导致观测结果具有相对性,但实测输沙量的实用价值却非常高。根据输沙量实测值与当地风沙流场之间的关系,建立的物理和数学模型,可以帮助我们正确认识不同沙丘形态的形成发育过程、移动强度,对可能造成的风沙危害进行理论分析,从而进行相应的防沙工程设计。在此基础上,根据各种防治措施的防护效益与各种防护措施的合理配置和防沙的具体要求,提供具有综合防护效益防沙方案,并对风沙活动强度的发展趋势进行预测。

防沙新材料开发和新技术新工艺的应用是应用风沙工程学的重要研究课题之一。近年来,作为固沙材料主要来源之一——麦草,由于机械化收割,影响了其长度,另外,麦草也是造纸工业不可取代的原材料。因此防沙新材料的开发不仅可以解决材料紧缺的困难,同时还可以提高防沙功能,改善生态环境,促进应用风沙工程学的发展。例如,在敦煌莫高窟采用尼龙网作为阻沙栅栏的材料已使用了30年之久,性能仍然完好。虽然一次性投资较高,但使用年限长,减少了频繁施工和维修费用,其经济效益和社会效益都十分明显。

2 风沙工程学的发展过程

任何一门自然科学的发生发展都与人类的经济活动相关联的。风沙工程学的形成和发展过程更是如此,其中与沙漠地区铁路和公路的修筑关系最为密切。19世纪末,沙皇俄国在修建里海东岸铁路过程中遇到了严重的风沙灾害问题,为了防止路基遭受风蚀并避免被流沙掩埋,人们在路基两侧布设了芦苇和旧枕木来阻挡流沙,并通过在沙面覆盖碎石、黏土或喷洒原油和盐水来固定流沙,同时种植了各种植物进行沙漠固定,从而揭开了现代风沙工程研究的序幕。20世纪30年代,西亚和北非沙漠地区发现了蕴藏量可观的石油天然气。在石油开发中,阿尔及利亚、沙特阿拉伯、阿曼、阿联酋、伊朗等国家分别在撒哈拉沙漠、内夫德沙漠、卢布尔哈利沙漠、胡泽斯坦阿瓦士沙漠等地修建了多条公路,这些公路大部分穿越了戈壁或固定半固定沙丘地区,但也有小部分穿越了流动沙丘区,当时的防沙措施主要是喷洒原油和使用其他化学固沙剂。20世纪60年代,前苏联加快开发卡拉库姆荒漠地区,修筑了长约200 km的查尔朱—马雷公路,铺设了布哈拉—乌拉尔天然气输送管线,为了防止管线遭受沙害,苏联人建立了多种防沙措施,为固定流沙,还专门成立了涅罗森化学固沙剂研究中心。

美国农业部门一直很重视风蚀问题的研究, 20世纪20~30年代,美国西部和加拿大南部大平原的开发达到高潮,强烈的土壤使“黑风暴”席卷北美大陆,拜格诺(Bagnold R A)对土壤风蚀过程进行了深入的研究,1941年出版了《风沙与荒漠沙丘物理学》[1]。之后,美国学者对沙粒起动过程、起动模式及风沙流结构开展了深入研究,推动了风沙物理学的快速发展,切培尔通过对土壤性质与风蚀关系的研究,明确了土壤风蚀因子的概念[2]

总之,以前苏联为代表的治沙工程研究重视防固沙的实践,轻视物理机制的探索;相反,美国重视风沙物理的研究,很少涉及固沙方法的解决。

我国风沙工程的研究也是从治沙实践开始的,包兰铁路是我国首条穿越沙漠地区的铁路,为保证列车运行安全,在腾格里沙漠东南缘沙坡头段建立了“以固为主,固阻结合”的综合防沙体系,防护体系兼具了植物固沙和工程防沙措施。之后兰新、兰青、乌吉、沙通、集通、包神等铁路也都经过了流沙或戈壁地区,我国在铁路防沙方面取得了举世瞩目的成绩,也有一些经验教训。塔里木沙漠公路修筑在世界上流动性最强的沙漠中,是穿越流沙里程最长的等级公路,为我们积累了在极端干旱的流动沙漠中以工程固沙方法为主防治沙害的经验。在沙区工矿建设中,运用铁路、农田防沙的经验治理沙害也取得了不小的成绩,如20世纪70~80年代对毛乌素沙地埋藏优质煤矿的露天开采中,不但防治沙害成功,而且在复垦矿坑占地方面也取得了成功经验;之后又在塔克拉玛干腹地油田的建设中,利用沙漠地下咸水灌溉建设人工绿地防沙绿化方面取得成功。

1965年中国科学院兰州沙漠研究所建成了我国首个风沙环境风洞,为开展诸如沙粒运动、地表及障碍物周围流场等风沙物理和风沙工程学理论研究提供了有利条件。近年来,随着研究手段的不断深入,研究范围已经拓展到道路、农田、国防设施、珍贵文化遗产、城镇及工矿设施等诸多领域的沙害防治问题,利用风洞实验、野外观测、数值计算等方法,对草方格、阻沙栅栏、防护林带等防沙措施的空气动力学原理进行了研究。根据研究的区域环境特征可将我国风沙工程研究分为基于沙漠环境的重大工程风沙危害防治研究和其他特征环境区重大工程风沙危害防治研究2个部分。自20世纪60年代至21世纪初期,我国风沙工程研究主要围绕沙漠和沙地环境的重大工程展开,其发展可归纳为4个阶段:

第一阶段:当初只是为了铁路工程施工的急需,在路基施工中,借助防雪的经验,在线路两侧设置了一些高立式栅栏,防止风沙流的侵袭,保证了施工的顺利进行。可是铁路建成后对原有防护措施或设施未能做到应有的或妥善的处理。致使原防护措施失去了作用,有的还造成新的沙害。这就是防雪经验的局限性所致。因为,积雪具有物质相间变化,冬季积雪为固相物质,夏季变相融化为液态的水,渗入土壤增大土壤水分含量,有利于植物生长,其作用是显著的。而沙却无物质相间变化,所以积沙越来越严重。当初这些工作主要是由修筑铁路工作人员完成的。他们对自然环境不够了解,对于风沙活动规律的认识欠缺。同时,在铁路设计时,未考虑到防沙方案。前苏联沙漠铁路建设初期的情况就是如此。往往一条线路要修若干次,无防护措施,路基几乎全部被吹走,有时几公里长的路基上钢轨全部被风蚀而悬空,致使铁路不能正常运营。在此阶段,人们对于风沙现象处于无知的状态,对于沙害防治往往采取试探性的实践,具有相当程度的盲目性,并因此造成巨大的经济损失,其教训是极为深刻的。

第二阶段:在这阶段中,沙漠铁路建设广泛地听取了地理学家的意见和建议,开始对风沙运动规律及沙害的形成和防治进行野外考察和定位试验研究。在铁路选线和路基断面设计和线路施工中,开始考虑沙害特点;并注意采取相应的防护措施。我国包兰铁路和甘武铁路的建设就经历了这样的过程。不过施工仍然采用前苏联的经验,特别是在包兰铁路沙坡头路段建设中,在铁路两侧设置砾石平台,外缘采用高立式栅栏阻沙。其结果同样造成新的积沙危害。尽管如此,在保证铁路正常运营方面仍然起到了积极作用。在防护宽度上又是机械地搬用前苏联的经验。铁路修建初期,国内外专家一致认为该段铁路两侧防护带的设计总宽应为 5 500 m,北侧占5 000 m,南侧占500 m。要在9 km的线路两侧设置如此宽的防护带,其工程面积达 50 km2,这并不简单,需要巨大的人力和物力投入与较长的施工周期。当然,初期并没有任何人对此防沙设计提出疑议。但是随着防沙施工的实践与研究工作的深入以及防沙工程的防护效益的初步显示,人们逐步发现实地防沙并不需要如此大的宽度。因此,在1964年的修改方案中,改为北侧500 m,南侧200 m。从迎水桥至孟家湾15 km线路的现有防护体系实际调查资料表明,在路北主风向一侧,防护带总宽度变化于235~583 m,其中草方格沙障或无灌溉条件下的植物固沙带宽度只有150~480 m,一般为150~200 m。在中国科学院沙坡头沙漠试验研究站试验区,由于进行前沿阻沙试验,已增至 700 m左右。处于下风向的南侧总宽度只有28~300 m。究其原因在于铁路建设初期,人们对于该地区的自然条件,特别是对于风况与风沙活动规律了解不够、认识不足,生搬硬套了外国经验。比如,前苏联阿什哈巴特地区,多年平风速为6.6 m/s,最大风速为40 m/s,其铁路防护宽度为3 000~5 000 m。而沙坡头地区多年平均风速为2.9 m/s,最大风速为 19 m/s。前者是后者的2倍多,然而却要求在铁路防护宽度上,后者大于前者。这是有悖于风沙运动基本规律的。实际上,从风沙活动规律来看,即使在阿什哈巴特的条件下,防护带宽度也不需要 3 000~5 000 m。实际上包兰铁路的风沙危害强度远小于前苏联。在沙害防治方面完全可节省大量人力和物力。在这个阶段中,人们对风沙运动过程有了初步了解和认识,对于防沙措施的成功经验和失败的教训有了直观的感受。为了驾驭自然规律就应该深入了解和研究风沙运动规律及其沙害防治措施和技术。可以说生产建设的急需是应用风沙工程学产生和发展的基础和动力。

第三阶段:成立专门的研究机构,如中国科学院兰州沙漠研究所和新疆生物土壤沙漠研究所,购置了先进的大型研究设备——风洞实验室等。风沙运动是一种近地大气层的表面运动现象和物理过程,它能够在风洞实验条件下重演。这就为风沙问题的研究提供了一种无比优越的实验设备,使风沙运动研究进入一个崭新的历史时期。在风洞中模拟各种风沙现象及其运动规律的研究是从沙粒在气流中的运动形式开始的。并利用风洞模拟实验,对不同类型风沙工程,如阻沙栅栏、林带及林网工程,黏土方格和草方格沙障工程,羽毛排和下导风工程,输沙断面和输沙桥工程等开展了深入研究,对各类防沙工程的作用原理有了较深刻认识,使其在沙害防治实践中得到更好的运用[3,4,5]。在风沙工程实验中,采用量纲分析法,建立了纯气流、风沙流对风沙工程绕流运动的风洞实验相似准则,应用摄影技术研究风沙流的运动性质,揭示沙粒在气流作用下运动的微观物理过程。风沙物理学是风沙工程学的理论基础,而风沙物理学研究是将风洞引入风沙科学实验的开始。

第四阶段:风沙工程学的精细化研究。利用风洞实验、野外观测、数值计算等方法,对草方格、阻沙栅栏、防护林带等防沙措施的空气动力学原理进行了研究,并对工程防沙体系的防护效果进行了评价[6,7]。兰州大学郑晓静研究团队从沙粒运动的空气动力学原理出发,利用数值计算方法得出了麦草方格沙障麦草出露高度与方格边长间最佳关联解析公式,计算结果与野外实践经验很好吻合[8]。例如:野外实际经验发现当芦苇方格沙障草头出露高度介于18~20 cm时,草方格边长设置为100 cm固沙效果最好,而经理论公式计算的草方格边长最大值介于97~108 cm。对防沙工程中广泛使用的栅栏阻沙工程进行了理论分析,通过风荷载及栅栏立柱的受力分析,得出了横格型栅栏立柱最小埋深量与栅栏高度、孔隙度、立柱间距及沙粒粒径之间的解析关系式。同时,通过数值模拟计算,得出了阻沙栅栏孔隙度和开孔数对栅栏前后流场影响的一般规律[9,10]。屈建军等[11,12]对尼龙网防沙效果进行了风洞模拟实验,发现尼龙网阻沙栅栏比木质阻沙栅栏阻沙效率更高,是一种优质的防沙新材料。尼龙网阻沙栅栏的最佳孔隙度介于40%~45%,防护距离高达30 H(H表示栅栏高度)以上,在中等风速时阻沙效率大于70%,特大风时阻沙率也大于50%。另外,尼龙网阻沙栅栏还兼具导沙功能,主风向与栅栏间的临界角为45°,当主风向与栅栏夹角大于45°时,导沙作用减弱。敦煌莫高窟顶的风沙灾害问题长久以来受到了学术界的极大关注,但在其防治原则上学者们却迟迟不能达成共识。屈建军等[13]认为,窟顶戈壁砾石作为天然粗糙元能够防止地表风蚀,沙害防治的重点应是阻止来自鸣沙山的流沙,在窟顶戈壁不宜布设任何阻沙和固沙措施,而是创造有利于戈壁风沙流顺利通过的条件。

包兰铁路和塔克拉玛干沙漠石油公路综合防沙体系,是我国沙漠地区重大工程风沙灾害防治最具代表性的案例,为其他地区重大工程风沙灾害防治提供了成功经验,但这些经验在全面推广之前,还需对其防护效果开展全面研究,并作出科学评价。胡孟春等[14]对包兰铁路沙坡头综合防沙体系中不同防沙措施的阻沙和固沙效率开展了模拟实验研究,提出了防沙体系设置宽度的计算公式,并根据野外实测资料计算了不同风速下的防护带宽度。该研究成果对我国沙漠地区铁路风沙灾害防治的工程设计提供了有益指导。邱国玉等[15]通过数值模拟并结合野外实地观测发现,草方格沙障草头出露高度设置为10~20 cm,规格设置为1 m×1 m最为合理,不仅可以获得良好的固沙效果,同时用料成本较低且易于施工。沙坡头铁路防沙体系内的草方格沙障极大的增加了流沙表面空气动力学粗糙度,固沙效率高达99%以上。王训明等[16,17]对塔克拉玛干沙漠石油公路防沙体系内的高立式阻沙沙障和半隐蔽式固沙沙障防护效果进行了风洞模拟实验和野外现场观测,发现高立式阻沙栅栏的防护距离最大为18H;地貌部位、设置路段及风沙活动强度的不同,导致高立式阻沙沙障的使用寿命差异明显。在所实验的3种高立式阻沙栅栏中,芦苇阻沙栅栏的防护效果最好,抗紫外线尼龙网阻沙栅栏次之,白尼龙网阻沙栅栏防护效果最差。在塔克拉玛干沙漠腹地,半隐蔽式芦苇方格沙障被流沙掩埋的速度为2.0~14.4 m/a,并随着时间的推移逐渐加速。董治宝等[18]研究认为,塔克拉玛干沙漠石油公路防沙体系之所以能够取得巨大成果,是基于对包括高立式芦苇把阻沙栅栏、尼龙网阻沙栅栏、半隐蔽式芦苇方格沙障、植被及化学固沙剂等各种防沙措施的综合应用。芦苇作为当地最易获取的材料,是塔里木沙漠石油公路防沙工程中最应优先考虑使用的;尼龙网沙障的使用主要是为了加快施工进度;化学固沙剂成本高昂,不宜进行大面积使用;在塔克拉玛干沙漠这种极端干旱环境条件下,生物固沙措施的实施,必须建立在地下水利用问题得到解决的基础之上。总结成败经验与教训,通过实验分析我国几十年来已采取的各种防沙措施的作用,探讨适合于不同环境条件的最佳防沙措施与体系。

21世纪初期至今,随着我国经济的快速发展,沙漠之外的其他特殊环境地区重大工程风沙危害问题逐渐受到学者们的关注,如热带海岸、青藏高原和干旱区戈壁等区域。

我国东南沿海重要的国防设施,事关国家海防安全,受海浪、潮流、强风等自然因素的复合影响,风沙活动强烈,致使设施被沙掩埋,影响设备使用寿命。韩庆杰等[19,20]和屈建军等[21]通过实地观测、风洞模拟和水工实验,获得了热带海滩湿沙起动的摩阻速度、水平和垂直速度、磨蚀廓线、风沙流结构模型,发现风沙起动与风沙通量和地表含水量的阈值。并依据热带沙质海滩风沙活动存在供沙、输沙和积沙的空间结构,相应地在供沙带采取防浪、拦沙和保湿技术措施,在输沙带采用固阻技术措施、恢复植被,在积沙带采用疏导技术措施。首次建立了由防浪拦沙带、缓冲保湿带、阻固沙带和输沙带组成的海岸风沙危害综合防护体系,确保了国防重要设施的安全与功能的可持续。

青藏铁路是世界上海拔最高的高原铁路,其全线贯通是世界铁路史上的伟大壮举,青藏铁路除穿越了多年冻土区之外,还穿越了湖滨、季节性干河谷、退化草地等风沙活动强烈地段,沙害路段长270余公里,风沙灾害对线路基础和铁路安全运营造成严重威胁。铁路设计之初,有关部门就已借鉴低海拔地区防沙经验布设了阻沙和固沙措施,但大部分遭积沙损害和掩埋[22]。通过对不同海拔地区风沙运动开展野外风洞实验,发现高海拔地区由于空气密度低,沙粒的起动风速高于低海拔地区为6.2 m/s(低海拔地区为4.5 m/s左右);风沙一旦起动,跃移比重和跳跃高度加大(超过了铁路修筑时布设的防沙治沙设施高度),导致跃移风沙堆积致灾的机率增大,成灾速度加快[23,24]。依据高海拔风沙运动的这一特点结合各路段风沙场的空间结构特征,采用高密度聚乙烯网(High-Density Polyethylene,HDPE)高立式栅栏、大网格高立式固沙障、植物纤维网固沙障、功能性固沙障、恢复植被(植物引种、植生管)、砾石压沙等系列技术,分别构建了湖滨沙源区、季节性干旱河谷沙源区、草原退化沙源区等适宜青藏铁路的风沙综合防治体系[25,26]

世界文化遗产敦煌莫高窟长期以来受到风沙灾害威胁,20世纪50~60年代采取的防沙墙和防沙沟等措施未能有效防止风沙活动,反而在窟顶崖面附近造成新的沙源,多年来只能采用消极的人工清沙方法。屈建军等[13,27]通过现场观测和风洞试验,发现砾质戈壁不同于沙漠地表,风沙流呈现独特的“象鼻子”结构效应,其风沙流垂直高度上的输沙率最大值出现在地表以上2~4 cm处,随风速增加而升高,风沙流始终处于非饱和搬运状态。根据窟顶风沙流场特性和风沙运动规律,在沙源区实施了直立式、羽毛排阻沙障、麦草方格固沙障和人工植被固沙带,在输沙区构建人工砾石非堆积搬运床面和“A”字型尼龙网导沙栅栏,在崖面风蚀区采用化学固结技术防治风蚀[28,29]。从沙山至崖面依次布设阻沙带、固沙带、人工植被带、砾石压沙带、空白带和化学固沙带,形成了机械、生物和化学等措施综合集成的“六带一体”沙害防护体系,达到多风向作用下风沙输送的动态平衡,使莫高窟窟前积沙量减少90%以上,有效控制了莫高窟的风沙危害[30]

3 风沙工程学发展趋势

(1)风沙工程防治体系原理:首先,通过对各种阻沙和固沙措施前后流场特征、蚀积变化及风沙流结构等的研究,揭示单一措施的阻沙和固沙原理。其次,对不同措施防沙原理进行综合分析,并结合对整个防护体系的模拟、观测及数值计算研究,揭示出整个防护体系的防治原理,从而对防护体系进行结构优化设计。最后,提出防沙工程体系中各措施的集成原理与方案。

(2)重大工程中的风沙环境评价:为保证区域的可持续发展,必须对沙漠及戈壁等干旱地区的环境容量进行研究,预测重大工程建设可能引发的环境问题,对沙区(包括沙漠与沙漠化土地)开发利用和工程建设中的风沙环境问题作出科学评价,建议合理的防治对策。

(3)防沙新材料的开发与研制:针对目前固沙沙障多采用芦苇、麦草等材料,存在使用年限短、运输成本高、施工难度大等缺点,研发新的固沙材料来替代传统措施,已经成为防沙治沙中急待解决的重要问题。其次,传统的固沙材料无法根据积沙状况进行移动和重置,如麦草方格、砾石方格、黏土沙障等,这些固沙措施的最大缺点是设置以后只能被动地发挥固沙作用,在遭受流沙掩埋之后无法根据实际现状进行提起或重新设置。因此,研发新型可移动的固沙材料势在必行。

(4)防沙技术从机械、化学的单一方式,转为以生物为主的多方式综合防治模式:防治沙漠化是干旱区生态建设的一项重要任务,随着“新丝绸之路经济带”的建设,我国在沙漠和戈壁地区开展了铁路、公路、风电场、光伏电站等重大工程建设,为保障这些工程的正常施工和安全运营,防沙治沙成为一项重要措施。早期固沙主要以草方格和沙障等机械方法,发展到使用尼龙网和复合化学材料等,目前,随着抗逆植物和生物结皮培育技术的研究和发展,我国防沙工程已逐渐转向以植物主体,生物、机械和化学相结合的综合治沙模式。

(5)防沙材料的装配式和施工工艺的装备化研发:现有防沙技术和施工工艺成本高、效率低,导致防沙治沙投入大,治理速度远远落后于当前沙漠化防治的建设需求,沙化土地综合治理中存在环境友好型固沙材料不足、施工难度大、效率低,尤其缺乏固沙材料的装配化和装备的智能化技术。因此,亟待研发可装配化防沙材料和智能化的防沙治沙施工工艺和新装备,实现防沙治沙工程提质增效的目标,这也是我国风沙防治工程的发展趋势。

参考文献

Dong Zhibao .

Research achievements in aeolian physics in China for the last five decades (Ⅰ)

[J]. Journal of Desert Research, 2005, 25(3): 293-305.

[本文引用: 1]

董治宝 .

中国风沙物理研究五十年(Ⅰ)

[J]. 中国沙漠, 2005, 25(3): 293-305.

[本文引用: 1]

Dong Zhibao , Zheng Xiaojing .

Research achievements in aeolian Physics in China for last five decades (Ⅱ)

[J]. Journal of Desert Research, 2005, 25(6): 795-815.

[本文引用: 1]

董治宝, 郑晓静 .

中国风沙物理研究 50 a(Ⅱ)

[J]. 中国沙漠, 2005, 25(6): 795-815.

[本文引用: 1]

Dong Zhibao , Fryrear D W , Gao Shangyu .

Modeling the roughness properties of artificial soil clods

[J]. Soil Science, 1999, 164: 930-935.

[本文引用: 1]

Dong Zhibao , Fryrear D W , Gao Shangyu .

Modeling the roughnes effect of blown-sand-controlling standing vegetation in wind tunnel

[J]. Journal of Desert Research, 2000, 20(3): 260-263.

[本文引用: 1]

董治宝, Donald W F , 高尚玉 .

直立植物防沙措施粗糙特征的模拟实验

[J]. 中国沙漠, 2000, 20(3): 260-263.

[本文引用: 1]

Dong Zhibao , Gao Shangyu , Fryrear D W .

Drag measurement of standing vegetation-clod cover surface

[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2000, 14(1): 7-11.

[本文引用: 1]

董治宝, 高尚玉, Fryrear D W .

直立植物—砾石覆盖组合措施的防风蚀作用

[J]. 水土保持学报, 2000, 14(1): 7-11.

[本文引用: 1]

He Hongming , Zhou Jie .

Mechanism of shelter forest preventing drifting sand—Based on dynamic differential equation model

[J]. Journal of Desert Research, 2002, 22(2): 197-200.

[本文引用: 1]

何洪鸣, 周杰 .

防护林对沙尘阻滞作用的机理分析:建立微分方程的动态模型

[J].中国沙漠, 2002, 22(2): 197-200.

[本文引用: 1]

Zhou Junli , Wang Yuan , Xu Zhong .

Numerical simulation of the effect of different windbreak

[J]. Journal of Desert Research, 2002, 22(2): 201-204.

[本文引用: 1]

周军莉, 王元, 徐忠 .

不同类型林带防护效益的数值模拟

[J]. 中国沙漠, 2002, 22(2): 201-204.

[本文引用: 1]

Wang Zhenting , Zheng Xiaojing .

A simple model for calculating measurements of straw checkerboard barriers

[J]. Journal of Desert Research, 2002, 22(3): 229-232.

[本文引用: 1]

王振亭, 郑晓静 .

草方格沙障尺寸分析的简单模型

[J]. 中国沙漠, 2002, 22(3): 229-232.

[本文引用: 1]

Wang Zhenting , Zheng Xiaojing .

A numerical simulation of fluid flowing through a windbreak

[J]. Key Engineering Materials, 2003, (243/244): 607-612.

[本文引用: 1]

Bo Tianli , Zheng Xiaojing .

Numerical simulation on sand fence in wind tunnel experiment

[J]. Journal of Lanzhou University (Natural Sciences), 2005,41(5): 97-101.

[本文引用: 1]

薄天利, 郑晓静 .

防沙栅栏风洞实验的数值模拟

[J]. 兰州大学学报:自然科学版, 2005, 41(5): 97-101.

[本文引用: 1]

Qu Jianjun , Liu Xianwan , Lei Jiaqiang , et al .

Simulation experiment on sand-arresting effect of nylon net fence in wind tunnel

[J]. Journal of Desert Research, 2001, 21(3): 276-280.

[本文引用: 1]

屈建军, 刘贤万, 雷加强, .

尼龙网栅栏防沙效应的风洞模拟实验

[J]. 中国沙漠, 2001, 21(3): 276-280.

[本文引用: 1]

Qu Jianjun , Ling Yuquan , Liu Xianwan , et al .

The effects of an A-typed nylon fence on Aeolian sand prevention

[J]. Journal of Lanzhou University (Natural Sciences), 2002, 38(2): 171-176.

[本文引用: 1]

屈建军, 凌裕泉, 刘贤万, .

尼龙网栅栏防沙效应研究

[J]. 兰州大学学报:自然科学版, 2002, 38(2): 171-176.

[本文引用: 1]

Qu Jianjun , Huang Ning , Dong Guangrong , et al .

The role and significance of the gobi desert pavement in controlling sand movement on the cliff top near the Dunhuang Mogao Grottoes

[J]. Journalof Arid Environments, 2001, 483): 357-371.

[本文引用: 2]

Hu Mengchun , Zhao Aiguo , Li Nong .

Sand-trapping efficiency of railway protective system in shapotou tested by wind tunnel

[J]. Journal of Desert Research, 2002, 22(6): 598-601.

[本文引用: 1]

胡孟春, 赵爱国, 李农 .

沙坡头地区铁路防护体系阻沙效益风洞实验研究

[J]. 中国沙漠, 2002, 22(6): 598-601.

[本文引用: 1]

Qiu Guoyu , Lee In Bok, Hi Shimizu , et al .

Principles of sand dune fixation with straw checkerboard technology and its effects on the environment

[J]. Journal of Arid Environments, 2004, 563): 449-464.

[本文引用: 1]

Wang Xunming , Chen Guangting , Han Zhiwen , et al .

The benefit of the prevention system along the desert highway in Tarim Basin

[J]. Journal of Desert Research, 1999, 19(2): 120-127.

[本文引用: 1]

王训明, 陈广庭, 韩致文, .

塔里木沙漠公路机械防沙体系效益分析

[J]. 中国沙漠, 1999, 19(2): 120-127.

[本文引用: 1]

Wang Xunming , Dong Zhibao , Chen Guangting .

On efficiency of sand-controlling system along the Tarim Desert High-way in Taklamakan Desert

[J]. Journal of Chinese Geography, 2000, 10(2): 141-150.

[本文引用: 1]

Dong Zhibao , Chen Guangting , He Xingdong , et al .

Controlling the blown sand along the highway crossing the Taklimakan Desert

[J]. Journal of Arid Environments, 2004, 57: 329-344.

[本文引用: 1]

Han Qingjie , Qu Jianjun , Zhang Kecun , et al .

Wind tunnel investigation of the influence of surface moisture content on the entrainment and erosion of beach sand by wind using sands from tropical humid coastal southern China

[J]. Geomorphology, 2009, 104(3/4): 230-237.

[本文引用: 1]

Han Qingjie , Ni Chengjun , Qu Jianjun , et al .

The effect of the different sand control engineering measures on vegetation restoration in coastal of sandy area and soil nutrient

[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2009, 23(2): 155-163.

[本文引用: 1]

韩庆杰, 倪成君, 屈建军, .

不同防沙工程措施对海岸带沙地植被恢复和土壤养分的影响

[J]. 干旱区资源与环境, 2009, 23(2): 155-163.

[本文引用: 1]

Qu Jianjun , Han Qingjie , Dong Guangrong , et al .

A study of the characteristics of aeolian sand activity and the effects of a comprehensive protective system in a coastal dune area in southern China

[J]. Coastal Engineering, 2013, 77: 28-39.

[本文引用: 1]

Zhang Kecun , Qu Jianjun , Liao Kongtai , et al .

Damage by wind-blown sand and its control along Qinghai-Tibet Railway in China

[J]. Aeolian Research, 2010, 1(3): 143-146.

[本文引用: 1]

Han Qingjie , Qu Jianjun , Dong Zhibao , et al .

The effect of air density on sand transport structures and the adobe abrasion profile: A Field wind-tunnel experiment over a wide range of altitude

[J]. Boundary-Layer Meteorology, 2014, 150(2): 299-317.

[本文引用: 1]

Han Qingjie , Qu Jianjun , Dong Zhibao , et al .

Air density effects on aeolian sand movement: Implications for sediment transport and sand control in regions with extreme altitudes or temperatures

[J]. Sedimentology, 2015, 62(4): 15.

[本文引用: 1]

Pang Yingjun , Qu Jianjun , Xie Shengbo , et al .

Windproof Efficiency of Upright Checkerboard Sand-barriers

[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation2014, 34(5): 11-14.

[本文引用: 1]

庞营军, 屈建军, 谢胜波, .

高立式格状沙障防风效益

[J]. 水土保持通报, 2014, 34(5): 11-14.

[本文引用: 1]

Zhang Kecun , Qu Jianjun , Yao Zhengyi , et al .

Sand damage and its control along the Golha Section of the Qinghai-Tibet Railway

[J]. Arid Land Geograhy, 2014, 37(1): 74-80.

[本文引用: 1]

张克存, 屈建军, 姚正毅, .

青藏铁路格拉段风沙危害及其防治

[J]. 干旱区地理, 2014, 37(1): 74-80.

[本文引用: 1]

Qu Jianjun , Huang Ning , Wanquan Ta , et al .

Structural characteristics of gobi sand-drift and its significance

[J]. Advances in Earth Science, 2005, 20(1): 19-23.

[本文引用: 1]

屈建军, 黄宁, 拓万全, .

戈壁风沙流结构特性及其意义

[J]. 地球科学进展, 2005, 20(1): 19-23.

[本文引用: 1]

Zhang Weimin , Wang Tao , Wang Wanfu , et al .

The gobi sand stream and its control over the top surface of the Mogao Grottoes, China

[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2004, 63(3): 261-269.

[本文引用: 1]

Zhang Weimin , Tan Lihai , Zhang Guangbin , et al .

Aeolian processes over gravel beds: Field wind tunnel simulation and its application atop the Mogao Grottoes, China

[J]. Aeolian Research, 2014, 15: 335-344.

[本文引用: 1]

Liu Benli , Zhang Weimin , Qu Jianjun , et al .

Controlling windblown sand problems by an artificial gravel surface: A case study over the gobi surface of the Mogao Grottoes

[J]. Geomorphology, 2011, 134(3): 461-469.

[本文引用: 1]

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