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硬质地HDPE沙障防风效益的风洞试验

张帅 丁国栋 高广磊 孙桂丽 赵媛媛 于明含 丛智杰 包岩峰

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硬质地HDPE沙障防风效益的风洞试验

    作者简介: 张帅,博士生。主要研究方向:荒漠化防治研究。Email:xxwoshizsxx@163.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院.
    通讯作者: 丁国栋,教授,博士生导师。主要研究方向:荒漠化防治。Email:dch1999@263.net  地址:同上. 

Wind tunnel test on windproof benefit of horniness HDPE sand barrier

  • 摘要: 目的 研究硬质地HDPE网沙障防风效能。方法 按照1:10的比例制作不同高度(1、2和3 cm)、不同边长(10、15和20 cm)、不同孔隙度(0.5和0.6)的硬质地HDPE网沙障模型,通过布设测点模拟出不同配置模式下沙障网格纵截面流场图及风速稳定后沙障网格内水平流场图,并运用地统计学的方法进行空间自相关分析。结果 空间自相关分析中18种不同配置模式的沙障有16种符合高斯模型,2种符合球状模型,且所有模型R2均高于0.97,空间相关度小于25%,变程大于测点间距,表明不同沙障网格都具有强烈的空间自相关性,且测点间距合理。气流在通过沙障时可顺畅的从沙障孔隙中穿过,不会造成气流的抬升加速作用,因此障后近地表及沙障上方的风速均低于相同高度处的对照风速。硬质地HDPE沙障防风效能在本研究设置的变量梯度范围内与高度呈正相关关系,与边长和孔隙度呈负相关关系,高度和孔隙度对防风效能的影响较大。结论 硬质地HDPE材料性质稳定,不会产生塑性变形,抗老化能力强,且防风效果较好,应用前景较好。
  • 图 1  不同类型高密度聚乙烯(HDPE)塑料网

    Figure 1.  Different types of high-density polyethylenehdpe (HDPE) plastic net

    图 2  边长为10 cm的沙障中线纵截面流场图

    Figure 2.  Flow field diagram of the middle line longitudinal section with a side length of 10 cm

    图 3  边长为15 cm的沙障中线纵截面流场图

    Figure 3.  Flow field diagram of the middle line longitudinal section with a side length of 15 cm

    图 4  边长为20 cm的沙障中线纵截面流场图

    Figure 4.  Flow field diagram of the middle line longitudinal section with a side length of 20 cm

    图 5  不同边长沙障风速流场图

    Figure 5.  Wind flow field diagram of sand barrier with different side lengths

    图 6  不同沙障风速频数累积曲线

    Figure 6.  Frequency accumulation curves of wind speed for different sand barriers

    表 1  不同布设模式沙障空间自相关分析

    Table 1.  Spatial autocorrelation analysis of sand barrier in different layout modes

    孔隙度
    Porosity
    边长
    Side length/cm
    高度
    Height/cm
    模型
    Model
    块金值
    Nugget (C0)
    基台值
    Sill (C + C0)
    SCD/%变程
    Range (A)
    R2RSS
    0.5101高斯 Gaussian0.000 010.015 80.0614.90.9980.38 × 10− 7
    2高斯 Gaussian0.002 400.069 53.4527.20.9922.07 × 10− 7
    3高斯 Gaussian0.000 010.028 70.0317.00.9861.96 × 10− 7
    151球状 Spheroidal0.000 010.027 30.0413.50.9792.63 × 10− 7
    2高斯 Gaussian0.000 450.054 80.8216.90.9823.65 × 10− 7
    3高斯 Gaussian0.000 160.031 40.5120.20.9910.30 × 10− 7
    201高斯 Gaussian0.000 020.024 70.0821.50.9722.83 × 10− 7
    2高斯 Gaussian0.000 270.016 51.6415.60.9893.15 × 10− 7
    3高斯 Gaussian0.000 130.035 20.3719.20.9682.37 × 10− 7
    0.6101高斯 Gaussian0.000 190.026 40.7217.80.9841.47 × 10− 7
    2高斯 Gaussian0.000 320.017 91.7920.10.9782.35 × 10− 7
    3高斯 Gaussian0.000 180.032 50.5516.70.9820.26 × 10− 7
    151高斯 Gaussian0.000 240.031 80.7518.30.9931.78 × 10− 7
    2球状 Spheroidal0.000 530.026 52.0017.70.9853.24 × 10− 7
    3高斯 Gaussian0.000 370.014 72.5218.20.9751.64 × 10− 7
    201高斯 Gaussian0.000 420.013 23.1819.30.9820.67 × 10− 7
    2高斯 Gaussian0.000 210.035 70.5915.70.9942.12 × 10− 7
    3高斯 Gaussian0.000 010.015 30.0716.30.9742.45 × 10− 7
    注:SCD. 空间相关度。Note: SCD, spatial correlation degree.
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    表 2  不同沙障防风效能

    Table 2.  Windbreak efficiency of different sand barriers

    孔隙度
    Porosity
    边长
    Side length/cm
    高度
    Height/cm
    防风效能
    Windbreak efficiency
    0.51010.46
    20.62
    30.64
    1510.58
    20.61
    30.60
    2010.50
    20.57
    30.61
    0.61010.43
    20.45
    30.49
    1510.44
    20.44
    30.48
    2010.46
    20.46
    30.50
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  • [1] 王文彪, 党晓宏, 张吉树, 等. 库布齐沙漠北缘不同作物秸秆平铺式沙障的防风效能[J]. 中国沙漠, 2013, 33(1):65−71. doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2013.00009Wang W B, Dang X H, Zhang J S, et al. The wind-breaking efficiency of low vertical sand barriers with different materials in northern edge of the Hobq Desert[J]. Journal of Desert Research, 2013, 33(1): 65−71. doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2013.00009
    [2] 康向光, 李生宇, 马学喜, 等. 两条尼龙阻沙网不同组合间距的积沙量对比分析[J]. 干旱区研究, 2015, 32(2):347−353.Kang X G, Li S Y, Ma X X, et al. Sand masses blocked by double nylon mesh sand barriers with different intervals[J]. Arid Zone Research, 2015, 32(2): 347−353.
    [3] 王安宁, 蔺鑫, 穆枫, 等. 冀北木兰围场沙荒坡地不同坡位黄柳沙障内枯落物的持水性能[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(1):98−107.Wang A N, Lin X, Mu F, et al. Water holding capacity of litter at different slope positions of sand slope in Salix gordejevii sand barrier of Mulan Paddock of northern Hebei Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(1): 98−107.
    [4] 刘虎俊, 王继和, 李毅, 等. 塑料网方格沙障对新月形沙丘迎风坡的风沙流影响[J]. 水土保持学报, 2011, 25(5):26−29.Liu H J, Wang J H, Li Y, et al. Effects of plastic checkerboard sand-barrier on wind-sand flux of leeward of crescentic dune[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(5): 26−29.
    [5] 薛智德, 刘世海, 许兆义, 等. 青藏铁路措那湖沿岸防风固沙工程效益[J]. 北京林业大学学报, 2010, 32(6):61−65.Xue Z D, Liu S H, Xu Z Y, et al. Efficiency of wind erosion control measures along Cuona Labe on Qinghai-Tibet Railway, western China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2010, 32(6): 61−65.
    [6] 贾丽娜, 丁国栋, 吴斌, 等. 几种不同材料类型带状沙障防风阻沙效益对比研究[J]. 水土保持学报, 2010, 24(1):41−44.Jia L N, Ding G D, Wu B, et al. Effect of different material types of sand barrier on wind prevention and sand resistance[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(1): 41−44.
    [7] 马瑞, 刘虎俊, 马彦军, 等. 沙源供给条件对机械沙障固沙作用的影响[J]. 水土保持学报, 2013, 27(5):105−108. doi: 10.3969/j.issn.1009-2242.2013.05.021Ma R, Liu H J, Ma Y J, et al. Influences of sand fountain on sand-fixation of mechanical sand barriers[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(5): 105−108. doi: 10.3969/j.issn.1009-2242.2013.05.021
    [8] Yan C G, Wan Q, Xu Y, et al. Experimental study of barrier effect on moisture movement and mechanical behaviors of loess soil[J]. Engineering Geology, 2018, 240(5): 1−9.
    [9] 庞营军, 屈建军, 谢胜波, 等. 高立式格状沙障防风效益[J]. 水土保持通报, 2014, 34(5):11−14.Pang Y J, Qu J J, Xie S B, et al. Windproof efficiency of upright checkerboard sand-barriers[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2014, 34(5): 11−14.
    [10] 丁泊元, 丁国栋, 李炯书, 等. 沙袋沙障对沙地公路路域生态系统的影响[J]. 四川农业大学学报, 2013, 31(2):145−150. doi: 10.3969/j.issn.1000-2650.2013.02.007Ding B Y, Ding G D, Li J S, et al. Effect of sandbag barrier on the ecosystem in highway in sandyland[J]. Journal of Sichuan Agricultural University, 2013, 31(2): 145−150. doi: 10.3969/j.issn.1000-2650.2013.02.007
    [11] 屈建军, 井哲帆, 张克存, 等. HDPE蜂巢式固沙障研制与防沙效应实验研究[J]. 中国沙漠, 2008, 28(4):599−604.Qu J J, Jing Z F, Zhang K C, et al. Experimental study on sand-binding effect of HDPE comb-liked sand barriers[J]. Journal of Desert Research, 2008, 28(4): 599−604.
    [12] 董智, 李红丽, 汪季, 等. 土工格栅沙障防风积沙效应风洞模拟实验[J]. 中国水土保持科学, 2007, 5(1):35−39. doi: 10.3969/j.issn.1672-3007.2007.01.007Dong Z, Li H L, Wang J, et al. Wind tunnel test on effect of controlling wind and deposited sand of geogrid sand-barrier[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 5(1): 35−39. doi: 10.3969/j.issn.1672-3007.2007.01.007
    [13] 孙涛, 刘虎俊, 朱国庆, 等. 3种机械沙障防风固沙功能的时效性[J]. 水土保持学报, 2012, 26(4):12−16.Sun T, Liu H J, Zhu G Q, et al. Timeliness of reducing wind and stabilizing sand functions of three mechanical sand barriers in arid region[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(4): 12−16.
    [14] 蒙仲举, 任晓萌, 高永. 半隐蔽式沙柳沙障的防风阻沙效益[J]. 水土保持通报, 2014, 34(3):178−180.Meng Z J, Ren X M, Gao Y. Effect of semi-buried Salix psammophila checkerboard on wind-preventing and sand-resisting[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2014, 34(3): 178−180.
    [15] 王丽英, 李红丽, 董智, 等. 沙柳沙障对沙丘沙粒度组成与特征的影响[J]. 中国水土保持科学, 2013, 11(4):53−59. doi: 10.3969/j.issn.1672-3007.2013.04.009Wang L Y, Li H L, Dong Z, et al. Effects of Salix psammophila checkerboard sand barrier on dune sand grain size composition and characteristics[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2013, 11(4): 53−59. doi: 10.3969/j.issn.1672-3007.2013.04.009
    [16] 孙浩, 刘晋浩, 黄青青, 等. 多边形草沙障防风效果研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(10):90−94.Sun H, Liu J H, Huang Q Q, et al. Research on the windproof efficiency of polygonal straw sand barrier[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(10): 90−94.
    [17] 张登山, 吴汪洋, 田丽慧, 等. 青海湖沙地麦草方格沙障的蚀积效应与规格选取[J]. 地理科学, 2014, 34(5):627−634.Zhang D S, Wu W Y, Tian L H, et al. Effects of erosion and deposition and dimensions selection of straw-checkerboard barriers in the desert of Qinghai Lake[J]. Scientia Geographica Sinica, 2014, 34(5): 627−634.
    [18] 党晓宏, 高永, 虞毅, 等. 新型生物可降解PLA沙障与传统草方格沙障防风效益[J]. 北京林业大学学报, 2015, 37(3):118−125.Dang X H, Gao Y, Yu Y, et al. Windproof efficiency with new biodegradable PLA sand barrier and traditional straw sand barrier[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2015, 37(3): 118−125.
    [19] 丁延龙, 高永, 汪季, 等. 生物基可降解聚乳酸(PLA)沙障对沙丘表层沉积物粒度特征的影响[J]. 中国沙漠, 2018, 38(2):262−269. doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2016.00156Ding Y L, Gao Y, Wang J, et al. Effects of biodegradable poly lactic acid sand barriers on surface sediment grain-size characteristics at sand dunes[J]. Journal of Desert Research, 2018, 38(2): 262−269. doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2016.00156
    [20] 黎小娟, 李宁, 周智彬, 等. 尼龙网方格沙障的风沙流颗粒分布特征[J]. 水土保持学报, 2016, 30(5):128−134.Li X J, Li N, Zhou Z B, et al. Characteristic of sand flux structure and sand particle size distribution based on nylon net checkerboard barrier[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(5): 128−134.
    [21] 黎小娟, 周智彬, 李宁, 等. 尼龙网方格沙障风沙流携沙粒度的空间分异特征[J]. 中国沙漠, 2018, 38(1):76−84. doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2016.00110Li X J, Zhou Z B, Li N, et al. Spatial distribution of grain size in aeolian flow in nylon net checkerboard barrier[J]. Journal of Desert Research, 2018, 38(1): 76−84. doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2016.00110
    [22] 屈建军, 喻文波, 秦晓波. HDPE功能性固沙障防风效应试验[J]. 中国沙漠, 2014, 34(5):1185−1193.Qu J J, Yu W B, Qin X B. Wind-protecting efficiency of HDPE functional sand-fixing barriers[J]. Journal of Desert Research, 2014, 34(5): 1185−1193.
    [23] 吴正. 风沙地貌与治沙工程学[M]. 北京: 科学出版社, 2003.Wu Z. Sand geomorphology and sand control engineering[M]. Beijing: Science Press, 2003.
    [24] 刘贤万. 实验风沙物理与风沙工程学[M]. 北京: 科学出版社, 1995.Liu X W. Experimental sand physics and sand engineering[M]. Beijing: Science Press, 1995.
    [25] 韩致文, 郭彩贇, 钟帅, 等. 库布齐沙漠HDPE网和植物纤维网沙障防沙试验效应[J]. 中国沙漠, 2018, 38(4):1−9.Han Z W, Guo C Y, Zhong S, et al. The sand-prevention effects of HDPE net and plant fiber net sand barriers in the Hobq Desert[J]. Journal of Desert Research, 2018, 38(4): 1−9.
    [26] 王睿, 周立华, 陈勇, 等. 库布齐沙漠机械防沙措施的防护效益[J]. 干旱区研究, 2017, 34(2):330−336.Wang R, Zhou L H, Chen Y, et al. Wind-blown sand control effect of sand barriers used in the Hobq Desert[J]. Arid Zone Research, 2017, 34(2): 330−336.
  • [1] 程希平水崎大二郎王四海吴利华马月伟巩合德 . 基于空间自相关构建树木生长模型. 北京林业大学学报, 2012, 9(5): 113-119.
    [2] 常新华赵秀海曾凡勇张春雨 . 长白山针阔混交林主要树种空间分布及其环境解释. 北京林业大学学报, 2009, 6(1): 7-12.
    [3] 娄明华张会儒雷相东卢军 . 天然云冷杉针阔混交林单木胸径树高空间自回归模型研究. 北京林业大学学报, 2016, 13(8): 1-9. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150491
    [4] 党晓宏高永虞毅李谦王珊吴昊王红霞赵鹏宇 . 新型生物可降解PLA沙障与传统草方格沙障防风效益. 北京林业大学学报, 2015, 12(3): 118-125. doi: 10.13332/j.1000-1522.20140245
    [5] 孙浩刘晋浩黄青青赵可 . 多边形草沙障防风效果研究. 北京林业大学学报, 2017, 39(10): 90-94. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170173
    [6] 卜崇峰赵廷宁程万里李艳华旷远文李贤军明军宋瑞清王鸿斌吴娟罗辑杨丽韫王发国张志刘海军毕华兴徐秋芳张占宽王安志陈永亮郝朝运陈天全程根伟刘国彬刘一星曹子龙刘建梅谭秀英张启翔张真叶华谷郭卫东温达志冀瑞卿习宝田姜培坤张璧光马忠明骆有庆朱金兆马洁李文华程放裴铁沈泉周国逸郑翠玲孔祥波敏朗刘鹏李笑吟邢福武李伟朱清科康向阳兰彦平温俊宝李文军陈玉福孙保平张志明刘世忠张宇清则元京金昌杰沈佐锐李延军马其侠何祖慰丁国栋张德强冯继华金幼菊陈红锋姚爱静陶万强曹刚魏铁 . 平行高立式沙障对严重沙化草地植被及土壤种子库的影响. 北京林业大学学报, 2005, 2(2): 34-37.
    [7] 常玉余新晓陈丽华樊登星梁洪儒孙佳美 . 模拟降雨条件下林下枯落物层减流减沙效应. 北京林业大学学报, 2014, 11(3): 69-74. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.03.010
    [8] 邢韶华周繇金莹杉赵铁珍梁善庆李昌晓王戈林娅刘杏娥张运春崔丽娟李云开林勇明张玉兰张颖王超吴淑芳周海宾孙阁王春梅闫德千张秀新李春义陈圆张仁军谭健晖王蕾任云卯尹增芳温亚利黄华国吴普特杨远芬徐秋芳余养伦王莲英王以红马钦彦张明于俊林洪滔江泽慧张桥英马履一刘青林周荣伍杨培岭钟章成刘艳红罗建举高岚樊汝汶张曼胤江泽慧刘国经赵勃翟明普张志强张本刚刘俊昌张晓丽杨海军周国模田英杰柯水发何春光冯浩邵彬王玉涛汪晓峰崔国发于文吉安玉涛王小青罗鹏陈学政周国逸殷际松王希群费本华吴承祯赵景刚徐克学刘爱青马润国蔡玲李敏费本华邬奇峰魏晓华高贤明何松云骆有庆任树梅徐昕王九中康峰峰温亚利洪伟林斌田平吴家森赵焕勋朱高浦赵弟行胡喜生任海青吴宁安树杰郑万建宋萍卢俊峰李永祥范海兰 . 标准坡面人工草地减流减沙效应及其坡面流水力学机理研究. 北京林业大学学报, 2007, 4(3): 99-104.
    [9] 焦雯珺郎璞玫武林吴家兵周睿宋先亮孙志蓉张志山高克昌李俊张春晓邵杰索安宁马玲周艳萍于文吉郑景明于海霞金则新张建军陆平雷妮娅李黎吕文华许景伟奚如春刘足根于志明朱教君戴伟郑红娟盖颖朱清科赵秀海余养伦陈勇赵广杰关德新陈少良李传荣习宝田毕华兴Kwei-NamLaw韦方强张小由葛剑平李钧敏赵文喆马履一蔡锡安纳磊翟明普饶兴权王文全张春雨李俊清李笑吟樊敏ClaudeDaneault崔鹏曾小平张弥于波王天明谭会娟赵平张宇清袁小兰李增鸿朱艳燕江泽慧夏良放杨永福马履一方家强贾桂霞王瑞刚刘丽娟殷宁邓宗付李庆卫唐晓军陈雪梅袁飞郭孟霞张欣荣何明珠李丽萍吴秀芹王贺新王卫东贺润平韩士杰熊颖毛志宏吴记贵王旭琴刘鑫蒋湘宁江杰王月海王娜郑敬刚于贵瑞孔俊杰林靓靓李新荣王瑞辉聂立水王贵霞葛剑平孙晓敏郭超颖董治良 . 降水空间特征与泥石流沟分布的关系. 北京林业大学学报, 2007, 4(1): 85-89.
    [10] 倪树斌马超杨海龙张熠昕 . 北京山区崩塌、滑坡、泥石流灾害空间分布及其敏感性分析. 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 81-91. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170328
    [11] 王安宁蔺鑫穆枫李玉灵李晓红 . 冀北木兰围场沙荒坡地不同坡位黄柳沙障内枯落物的持水性能. 北京林业大学学报, 2018, 40(1): 98-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170233
    [12] 周宇韩望赵丽青安珍 . 生物质聚氨酯硬质泡沫材料的发泡工艺及结构表征. 北京林业大学学报, 2016, 13(10): 123-129. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160068
    [13] 彭冠云江泽慧刘杏娥任海青余雁 . 木质地板结构与密度分布特征的CT技术检测. 北京林业大学学报, 2010, 7(6): 109-113.
    [14] 王艳萍刘美芹师静刘胜利陈玉珍卢存福 . 沙冬青热胁迫相关蛋白基因AmHsa32超表达提高大肠杆菌的抗热性. 北京林业大学学报, 2012, 9(5): 37-43.
    [15] 褚双磊俞国胜秦瑞鸿 . 轴流式灭火风机气动设计和有效风速理论分析. 北京林业大学学报, 2010, 7(3): 180-185.
    [16] 孙艳玲张青赵东 . 木材裂纹尖端应力、应变场的数值分析. 北京林业大学学报, 2010, 7(1): 103-107.
    [17] 任文涵张丹王戈李文燕程海涛 . 竹质纤维-HDPE 复合材料的力学和热性能研究. 北京林业大学学报, 2014, 11(4): 133-140. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.04.001
    [18] 方露常亮郭文静任一萍王正 . HDPE 胶合板与脲醛树脂胶合板的性能对比. 北京林业大学学报, 2014, 11(2): 125-128.
    [19] 庄建琦崔鹏葛永刚洪勇 , . 降雨特征与泥石流总量的关系分析. 北京林业大学学报, 2009, 6(4): 77-83.
    [20] 李春平苏繁星谢静王美关文彬 . 基于地统计学方法的农田防护林网环境场特征分析. 北京林业大学学报, 2010, 7(1): 13-23.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-09-15
  • 录用日期:  2018-11-18
  • 网络出版日期:  2020-03-13
  • 刊出日期:  2020-03-01

硬质地HDPE沙障防风效益的风洞试验

    通讯作者: 丁国栋, dch1999@263.net
    作者简介: 张帅,博士生。主要研究方向:荒漠化防治研究。Email:xxwoshizsxx@163.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院
  • 1. 北京林业大学水土保持学院,水土保持国家林业和草原局重点实验室,北京 100083
  • 2. 宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站,宁夏 盐池 751500
  • 3. 新疆农业大学林学与园艺学院,新疆 乌鲁木齐 830052
  • 4. 中国林业科学研究院荒漠化研究所,北京 100091

摘要: 目的研究硬质地HDPE网沙障防风效能。方法按照1:10的比例制作不同高度(1、2和3 cm)、不同边长(10、15和20 cm)、不同孔隙度(0.5和0.6)的硬质地HDPE网沙障模型,通过布设测点模拟出不同配置模式下沙障网格纵截面流场图及风速稳定后沙障网格内水平流场图,并运用地统计学的方法进行空间自相关分析。结果空间自相关分析中18种不同配置模式的沙障有16种符合高斯模型,2种符合球状模型,且所有模型R2均高于0.97,空间相关度小于25%,变程大于测点间距,表明不同沙障网格都具有强烈的空间自相关性,且测点间距合理。气流在通过沙障时可顺畅的从沙障孔隙中穿过,不会造成气流的抬升加速作用,因此障后近地表及沙障上方的风速均低于相同高度处的对照风速。硬质地HDPE沙障防风效能在本研究设置的变量梯度范围内与高度呈正相关关系,与边长和孔隙度呈负相关关系,高度和孔隙度对防风效能的影响较大。结论硬质地HDPE材料性质稳定,不会产生塑性变形,抗老化能力强,且防风效果较好,应用前景较好。

English Abstract

  • 荒漠化是制约我国干旱区发展的自然灾害之一[1],目前风沙危害防治措施分为机械、化学、生物3类,其中机械措施具有低成本、见效快、不需水源等优点,在我国广大沙区已被广泛应用[2-3]。尤其是一些重大工程,机械措施成为一种十分必要的防风固沙措施[4-5]。机械措施通过各种工程设施的建设,对风沙起到固、阻、输、导的作用,达到防止风沙危害的目的[6-8]。沙障作为常见的机械措施,有增大地表粗糙度,减弱地表风速,改变沙粒搬运形式和降低搬运能力等作用[9-10]。目前,国内沙障多采用芦苇、麦草等易老化材料,由于机械化收割导致麦草长度过短以及不同行业需求的增长,传统材料来源已十分困难[11]

    现有研究针对不同的材料进行了研究,如土工格[12]、粘土[13]、沙柳[14-15]、麦草[16-17]和聚乳酸(PLA)[18-19]等。塑料网沙障因为成本低、轻便、可工业化生产等优点得到了广泛的应用[20-21],其中高密度聚乙烯(HDPE)材料(图1)因具有较强的耐受性和稳定性以及可回收利用的环保特性引起越来越多的重视[22]。高密度聚乙烯(HDPE)材料根据加工方式不同会产出多种成品,过去的研究中所采用的塑料网多选用质地较软的材料,如遮阳网等,受力时容易产生拉伸,影响使用寿命。本研究针对受力时不会产生形变的硬质地高密度聚乙烯(HDPE)材料进行风洞试验研究,分析其防风效能。

    图  1  不同类型高密度聚乙烯(HDPE)塑料网

    Figure 1.  Different types of high-density polyethylenehdpe (HDPE) plastic net

    • 本研究试验在北京林业大学西山校属鹫峰实验林场风沙物理实验室完成,室内直流式风洞全长24 m,试验段长12 m,横截面积为0.6 m × 0.6 m,实用风速为3 ~ 42 m/s,有效试验横截面风速脉动小于1.5%。风速的测量使用KIMO VT200热线风速仪,并借助于三维移测系统,测点移动精度为1 mm。

      在利用风洞进行模拟试验时,为保证试验结果的可靠性,需满足一定的相似条件,主要包括几何相似、运动相似和动力相似[23]。几何相似是指模型和实物保持固定的比例,本研究不同配置模式的模型均采用1:10的比例,满足几何相似要求;运动相似是指风速廓线的相似;动力相似是指模型与实物在对应点的受力场成几何相似[24]。本研究中风洞试验系统可以满足运动相似和动力相似的自模拟要求。

    • 根据常见硬质地高密度聚乙烯(HDPE)材料成品,我们设置孔隙度变量为0.5和0.6,布设不同配置模式的沙障,规格分别为1 m × 1 m、1.5 m × 1.5 m和2 m × 2 m,沙障高度分别为10、20和30 cm。按照1:10的比例制作模型,1 m × 1 m规格沙障模型制作5行10列,1.5 m × 1.5 m和2 m × 2 m规格沙障模型制作3行7列,分别测量不同模式沙障网格内气流稳定后风速,模拟风速流场,计算防风效能。并利用地统计学方法统计风速频数,分析空间相关性,确保模拟试验的可靠性。

      沿风向在沙障模型居中一列的中线设置纵截面风速流场测点,初始测点位置为沙障前30 cm,测点最低高度为1 cm,最高高度为10 cm,相邻测点间距离1 cm。测量至风速达到稳定状态后,在下一个网格中布设水平风速流场测点,测点高度为一倍障高,测点距离网格边缘为1 cm,测点间隔为1 cm。

    • 运用地统计学对不同布设模式沙障的风速频数进行空间相关性分析如表1所示,我们可以看到,18种配置模式中有16种符合高斯模型,有2种符合球状模型,且所有模型R2均高于0.97,表明模型有较高的拟合性。空间相关度(SCD)是指可度量空间自相关的变异所占的比例,由块金值(C0)与基台值(C + C0)的比值所得,一般认为空间相关度小于25%时,系统具有强烈的空间相关性,比值在25% ~ 75%之间时,系统具有中等的空间相关性,比值超过75%时,系统空间相关性较弱。变程(A)又被称为自相关距离,是指空间具有相关性的最大距离。从表1我们可以看到,所有配置模式的空间相关度(SCD)均远小于25%,且测点间隔小于变程,这表明本研究中测点间距合理,模拟结果较为准确。

      表 1  不同布设模式沙障空间自相关分析

      Table 1.  Spatial autocorrelation analysis of sand barrier in different layout modes

      孔隙度
      Porosity
      边长
      Side length/cm
      高度
      Height/cm
      模型
      Model
      块金值
      Nugget (C0)
      基台值
      Sill (C + C0)
      SCD/%变程
      Range (A)
      R2RSS
      0.5101高斯 Gaussian0.000 010.015 80.0614.90.9980.38 × 10− 7
      2高斯 Gaussian0.002 400.069 53.4527.20.9922.07 × 10− 7
      3高斯 Gaussian0.000 010.028 70.0317.00.9861.96 × 10− 7
      151球状 Spheroidal0.000 010.027 30.0413.50.9792.63 × 10− 7
      2高斯 Gaussian0.000 450.054 80.8216.90.9823.65 × 10− 7
      3高斯 Gaussian0.000 160.031 40.5120.20.9910.30 × 10− 7
      201高斯 Gaussian0.000 020.024 70.0821.50.9722.83 × 10− 7
      2高斯 Gaussian0.000 270.016 51.6415.60.9893.15 × 10− 7
      3高斯 Gaussian0.000 130.035 20.3719.20.9682.37 × 10− 7
      0.6101高斯 Gaussian0.000 190.026 40.7217.80.9841.47 × 10− 7
      2高斯 Gaussian0.000 320.017 91.7920.10.9782.35 × 10− 7
      3高斯 Gaussian0.000 180.032 50.5516.70.9820.26 × 10− 7
      151高斯 Gaussian0.000 240.031 80.7518.30.9931.78 × 10− 7
      2球状 Spheroidal0.000 530.026 52.0017.70.9853.24 × 10− 7
      3高斯 Gaussian0.000 370.014 72.5218.20.9751.64 × 10− 7
      201高斯 Gaussian0.000 420.013 23.1819.30.9820.67 × 10− 7
      2高斯 Gaussian0.000 210.035 70.5915.70.9942.12 × 10− 7
      3高斯 Gaussian0.000 010.015 30.0716.30.9742.45 × 10− 7
      注:SCD. 空间相关度。Note: SCD, spatial correlation degree.
    • 不同配置模式的沙障纵截面风速流场如图234所示,横轴正坐标为沙障布设区域,负坐标为障前区域。我们可以看到气流在通过不同配置模式的沙障后近地表风速明显下降,表明不同规格的沙障均具有较好的防风效能。且沙障对风速的影响范围相对一致,仅限于近地表,高度为5 cm时风速即恢复至原风速水平。沙障上方的风速要低于原风速,说明沙障孔隙度大于0.5时气流可以顺畅通过空隙,不会因受到沙障阻挡而产生抬升加速的现象。气流在经过沙障第一个网格后波动较强烈,随后变为平稳,在第4个网格后基本达到稳定状态,此时测定防风效能可较为准确的反应出沙障的实际防护效果。

      图  2  边长为10 cm的沙障中线纵截面流场图

      Figure 2.  Flow field diagram of the middle line longitudinal section with a side length of 10 cm

      图  3  边长为15 cm的沙障中线纵截面流场图

      Figure 3.  Flow field diagram of the middle line longitudinal section with a side length of 15 cm

      图  4  边长为20 cm的沙障中线纵截面流场图

      Figure 4.  Flow field diagram of the middle line longitudinal section with a side length of 20 cm

      从孔隙度来看,沙障边长为10 cm、高度为1 cm时,孔隙度为0.6的沙障配置模式障后风速低于孔隙度为0.5的沙障,但同时我们可以看到,前者障前风速要明显低于后者,这可能是由系统误差导致,在下面的分析中我们将略过前者;其他配置模式中,沙障孔隙度为0.5时障后风速均低于孔隙度为0.6时,这表明孔隙度为0.5时沙障具有较好的防护效果。从沙障高度来看,沙障高度从1 cm增加到3 cm时,障后近地表风速由绿色逐渐降为蓝色,表明沙障高度与防风效能之间呈正相关关系,沙障越高,防护效果越好。从沙障边长来看,不同边长的沙障障后风速色域较为接近,并不能直观看出,需要进行水平流场的分析。

    • 从2.2中可以得到,孔隙度为0.5、高度为3 cm的沙障防风能力最强,针对这一配置模式下不同边长沙障的风速流场图如图5所示。边长为10 cm时,气流通过沙障后会形成减速风影区,随后在网格中部由于涡流形成风速加速的区域,最后在靠近下风向边缘时受到阻挡风速再次降低,此时网格内风速色谱以蓝色和绿色为主;边长为15 cm时,网格内风影区面积减小,在网格中形成较大范围的风速加速区,此时风速色谱以绿色、黄色和橙色为主;边长为20 cm时,网格内气流运动较为紊乱,在不同位置形成了多个涡流加速区,此时风速色谱以绿色和黄色为主。通过风速色谱我们可以看到,边长为10 cm时沙障的防风效果最好,边长为20 cm时次之,边长为15 cm时最差。

      图  5  不同边长沙障风速流场图

      Figure 5.  Wind flow field diagram of sand barrier with different side lengths

      统计不同配置模式沙障的风速频数如图6所示,可以看到不同风速频数累积曲线呈现出相似的结构,极值所占比例较小,频数分布相对集中,线体近似于斜率较大的线性函数。沙障高度对风速的影响较明显,除孔隙度为0.5边长为15 cm的配置模式外,其他高度为1 cm的沙障风速频数大多超过4 m/s,不同孔隙度风速最低的沙障网格高度均为3 cm。孔隙度为0.5时,防风效能较好的沙障网格风速频数大部分分布在2.75 ~ 3.5 m/s,孔隙度为0.6时风速频数主要分布在4 ~ 4.75 m/s。

      图  6  不同沙障风速频数累积曲线

      Figure 6.  Frequency accumulation curves of wind speed for different sand barriers

      统计不同沙障防风效能如表2所示,孔隙度为0.5时,除边长为10 cm高度为1 cm的沙障网格外,其他配置模式的沙障防风效能均超过0.5,平均防风效能为0.58;当孔隙度为0.6时,所有配置模式的沙障防风效能均不超过0.50,平均防风效能为0.46。边长对防风效能的影响较小,由10 cm增大到20 cm时平均防风效能分别为0.515、0.525和0.52。高度对防风效能影响较大,由1 cm增加到3 cm时平均防风效能分别为0.48、0.53和0.55。从防风效能来看,孔隙度为0.5高度为2、3 cm的沙障效果较好,平均防风效能分别为0.60和0.62,其中高度为3 cm边长为10 cm的配置模式效果最佳。

      表 2  不同沙障防风效能

      Table 2.  Windbreak efficiency of different sand barriers

      孔隙度
      Porosity
      边长
      Side length/cm
      高度
      Height/cm
      防风效能
      Windbreak efficiency
      0.51010.46
      20.62
      30.64
      1510.58
      20.61
      30.60
      2010.50
      20.57
      30.61
      0.61010.43
      20.45
      30.49
      1510.44
      20.44
      30.48
      2010.46
      20.46
      30.50
    • 沙障高度越高,防风效果越好,沙障边长越大,防风效能越差,这一结论与韩致文等[25]对软质地HDPE网的研究较为一致。王睿等[26]在其研究中得出1 m × 1 m规格软质地HDPE网沙障防风效能为0.56,本研究中相应规格的沙障防风效能为0.62,效果优于前者,且前者材料的孔隙度为0.35,本研究中材料孔隙度为0.5,更节省材料。另外笔者在实践中发现,其他配置模式的HDPE材料沙障网格,硬质地材料防风效果均要优于软质地材料,且在实际应用中,软质地材料在受力时发生弹性形变,更容易产生塑性变形,导致材料老化,防护能力下降,缩短其使用年限。与传统常见沙障相比,HDPE塑料网沙障有布设成本低、便于施工和无污染的特点[11],此外还具有防护年限长、不易老化的优势,因此适合在风沙地区进行推广。

      空间相关性分析表明不同配置模式的沙障风速均有拟合度较高的模型相匹配,且具有较强的空间自相关性。硬质地HDPE网沙障可以有效降低近地表风速,减轻风蚀,其防风效果与高度呈正相关关系,与边长和孔隙度呈负相关关系,高度和孔隙度对沙障防风效能的影响较大。在本研究选用的材料中,边长1 m、高度30 cm、孔隙度0.5的沙障配置模式沙障防护效果最好。此外,硬质地HDPE材料性质稳定,防护效果较好,有较大的应用价值和推广前景。

参考文献 (26)

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