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多边形草沙障防风效果研究

孙浩 刘晋浩 黄青青 赵可

孙浩, 刘晋浩, 黄青青, 赵可. 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. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170173
引用本文: 孙浩, 刘晋浩, 黄青青, 赵可. 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. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170173
SUN Hao, LIU Jin-hao, HUANG Qing-qing, ZHAO Ke. Research on the windproof efficiency of polygonal straw sand barrier[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(10): 90-94. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170173
Citation: SUN Hao, LIU Jin-hao, HUANG Qing-qing, ZHAO Ke. Research on the windproof efficiency of polygonal straw sand barrier[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(10): 90-94. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170173

多边形草沙障防风效果研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170173
基金项目: 

林业公益性行业科研专项 201504508

“十二五”国家科技支撑计划项目 2015BAD07B00

详细信息
    作者简介:

    孙浩,博士生。主要研究方向:环境流体力学、风沙物理。Email:251045257@qq.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学工学院

    通讯作者:

    刘晋浩,教授,博士生导师。主要研究方向:林业装备自动化及智能化。Email:liujinhao@vip.163.com  地址:同上

  • 中图分类号: S775

Research on the windproof efficiency of polygonal straw sand barrier

图(4) / 表 (1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-05-16
  • 修回日期:  2017-06-19
  • 刊出日期:  2017-10-01

多边形草沙障防风效果研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170173
    基金项目:

    林业公益性行业科研专项 201504508

    “十二五”国家科技支撑计划项目 2015BAD07B00

    作者简介:

    孙浩,博士生。主要研究方向:环境流体力学、风沙物理。Email:251045257@qq.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学工学院

    通讯作者: 刘晋浩,教授,博士生导师。主要研究方向:林业装备自动化及智能化。Email:liujinhao@vip.163.com  地址:同上
  • 中图分类号: S775

摘要: 为了解正三角形、正方形和正六边形格状草沙障的防风固沙能力,通过测定沙障样地内不同高度风速,针对单个网格面积为1 m2的3种沙障,对沙障的防风效能、风速廓线特征和地表粗糙度进行研究。结果表明,正三角形和正六边形沙障的防风效能显著大于正方形沙障。高度为0.2 m时,正方形沙障的防风效能比三角形和六边形沙障分别低12%和8%,高度为0.3 m时,分别低11%和10%。0.2~0.3 m高度范围内,三角形沙障和六边形沙障的防风效能差异不显著。风速小于6 m/s时,地表粗糙度随风速变化接近线性变化规律。裸露地表 1 m高处,风速为4 m/s时,裸露地表粗糙度为0.166 cm,三角形沙障、正方形沙障和六边形沙障的地表粗糙度分别为11.5、9.3和10.4 cm,分别为裸露地表粗糙度的69.3、56和62.7倍。三角形沙障的地表粗糙度比正方形沙障和六边形沙障的地表粗糙度分别高23.7%和10.5%。铺设三角形沙障的地表粗糙度最大。

English Abstract

孙浩, 刘晋浩, 黄青青, 赵可. 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. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170173
引用本文: 孙浩, 刘晋浩, 黄青青, 赵可. 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. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170173
SUN Hao, LIU Jin-hao, HUANG Qing-qing, ZHAO Ke. Research on the windproof efficiency of polygonal straw sand barrier[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(10): 90-94. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170173
Citation: SUN Hao, LIU Jin-hao, HUANG Qing-qing, ZHAO Ke. Research on the windproof efficiency of polygonal straw sand barrier[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(10): 90-94. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170173
  • 铺设沙障是目前最有效的固沙方法之一,可以大幅度降低地表风速,减缓沙漠流动,在保护沙漠工程、遏制沙漠侵蚀方面起着重要作用,其中草沙障在国内应用最为广泛。草沙障材料一般为稻草和麦草,芦苇杆也有少量应用,平面形状为正方形网格,边长主要在1~2 m之间,也被称为半隐蔽式沙障。沙障的防风效益很早就引起科研人员的关注,是评价沙障固沙能力的重要指标。沙障方格尺寸是影响沙障防风效能的重要参数,许多研究工作都集中于沙障尺寸方面的对比性研究,通过改变沙障网格的边长高度参数,实验各种尺寸沙障的防风效能[1-4]。沙障的材料也是影响沙障防风固沙能力的重要影响因素,目前已有大量的新材料被引入沙障工程中[5-8],并得到相应的防风效益研究,如尼龙网沙障[9-10]、PLA沙障、砾石[11]等。沙障的防风固沙原理与沙障周围的流场结构也是沙障的一个重要的研究方向[12-15]。目前,格状沙障铺设的网格形状都采用正方形,对于沙障的研究也都是基于正方形网格。从平面几何学角度来看,能够铺满地面的正多边形还包括三角形和六边形两种,非正多边形还包括密铺五边形,但对于这种多边形网格形状的沙障目前还鲜有人研究。有鉴于此,本文针对网格面积相同的三角形、四边形和六边形草沙障的防风效益进行观测和分析,为草沙障的工程施工优化设计提供理论支撑。

    • 该试验区处于38°08′15″ E、102°49′57″ N,位于腾格里沙漠南缘,行政区划隶属于武威市。该地区属于典型的温带大陆性干旱气候,年平均风速3~4 m/s,年平均气温7.8 ℃,年平均降水量102.9 mm,年均蒸发量2 258.8 mm,日照时数3 181 h,终年盛行西南风,主要害风为西北风。主要植被为沙米(Agriophyllum squarrosum)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、沙蒿(Artemisia desertorum)等。

    • 2016年11月,在研究区选择经过平整后的沙地,植被覆盖率接近0,进行草沙障铺设,如图 1所示。为方便施工,沙障材料使用稻草编织的草帘。设计的沙障网格为正三角形、正方形和正六边形,其边长分别为1.52、1和0.62 m,网格尺寸面积为1 m2。选择质量较好孔隙度为10%以下的草帘作为沙障材料。为保证方格尺寸精确,制作正三角形和正六边形模具,用铁锹按模具位置在沙地表面开沟槽,将草帘立于沟槽中,两边埋沙,为保证沙障稳定,沙障埋入10 cm,草头高度为20 cm。

      图  1  多边形沙障铺设效果

      Figure 1.  Laying effects of polygon straw sand barrier

    • 应用风杯式风速仪进行风速风向测量。风速观测高度为20、30、50和100 cm 4个高度。由于沙障高度为20 cm,沙障内部流场相对复杂,因此没有选择10 cm测量高度,观测点设置在每个方格的形心位置,沿西南方向排布。风速仪每两秒自动记录风速1次,选择风向为西南风向并且风速稳定的一段数据作为最终的分析数据。每种沙障的数据为200组,时间为6 min 40 s。草沙障监测点布置如图 2所示。

      图  2  草沙障监测点布置

      Figure 2.  Arrangement plan of monitoring site for straw sand barrier

    • 防风效能定义为降低的风速比率,按下式计算:

      $$ {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {E_h} = \left( {{V_h} - {U_h}} \right)/{V_h} \times 100\% {\kern 1pt} $$ (1)

      式中:Eh为地表高度为h处的风速降低比率,%;Vh为无沙障地表高度为h处的平均风速,m/s;Uh为沙障内部高度为h处的平均风速,m/s。

    • 下垫面高低不平的起伏使得近地表的流场结构变化很大,主要用地表粗糙度这一指标来衡量地表的起伏程度[16]。地表粗糙度定义为下垫面平均风速为0时的高度[17]。0风速一般出现在平均表面粗糙因素以上的某个高度,本实验选择在风速较为稳定的条件下测量地表粗糙度,粗糙度按下式进行计算:

      $$ \lg {Z_0} = \left( {\lg {Z_2} - A\lg {Z_1}} \right)/\left( {1 - A} \right) $$ (2)

      式中:Z0为地表粗糙度,cm;A=u2/u1u1u2分别为高度为Z1Z2处的风速,m/s;Z1=100 cm,Z2=20 cm。

    • 沙障可以有效的减弱地表风速,对地表风沙流有很强的削弱作用,当来流风沙进入沙障时,由于风速的下降及沙障地表产生的涡流结构,使沙粒可以很快的沉降下来;另一方面,沙障的存在可以有效减弱沙障内部地表风速,抑制沙障内部风沙流的形成,因此,沙障对来流风速的减弱作用是评判沙障固沙效果的重要指标。通过对沙障地表和裸露沙地风速间的比较,来评判沙障的防风效能的高低。

      表 1为3种沙障的防风效益,由表 1可以看出,不同的沙障形态对地表风速的减弱程度各不相同,沙障的防风效能随测量高度的增加而减小。对于网格形状不同,单个网格面积为1 m2的沙障,三角形沙障和六边形沙障的防风效能都显著高于正方形沙障。高度为0.2 m时,正方形沙障的防风效能比三角形和六边形沙障分别低12%和8%,高度为0.3 m时,分别低11%和10%,高度为0.5 m时,分别低9%和4%。高度为1 m时,正方形沙障防风效能与三角形沙障相同,但显著好于六边形沙障。可以看出,四边形方格沙障的防风效能最差。网格面积相同的沙障,防风效能差异显著,这是因为网格形状不同的沙障周围流场结构也各不相同。目前对于地表粗糙元周围流场结构的研究都基于风洞环境和PIV系统,且地表障碍都采用小尺寸的缩尺度模型,高度10 cm以下的居多[18-19]。对于足尺寸沙障模型还无法精确的测出流场速度分布图,由于三维模型周围流场的复杂性,无法精确测量,目前没有人对大几何尺寸的三维模型周围流场结构进行实验研究。对于二维缩尺度沙障的周围流场结构,国内外学者基于风洞实验有较为深入的认识。研究表明,地表障碍对流场的影响越大,障后湍流强度越高,障碍对气流能量的削弱作用越大[20]。对于三角形网格沙障,相邻直立的壁面的间距沿着顺风向不断的变化,导致网格内部产生多个气流的加速区与减速区,流场结构相对于正方形网格沙障更为复杂,地形的复杂程度相对于正方形更高,因而可以比正方形网格沙障对来流风沙造成更大的扰动。对于六边形沙障,网格的交错排布也同样表现出了壁面间距不断收窄变宽的效应,加强了对风沙流的扰动。而对于正方形网格,壁面间距沿顺风向等距排布,地表地形的复杂程度相对简单,每个网格内部更容易形成相似的流场结构,虽然方便施工,但也减弱了对来流风的扰动程度。

      表 1  多边形沙障防风效益对比

      Table 1.  Comparison in windproof efficiency among polygon sand barrier types

      %
      测量高度
      Measuring height/m
      沙障类型Sand barrier type
      三角形
      Triangular
      正方形
      Square
      六边形
      Hexagonal
      0.2 67±16a 55±15b 63±13c
      0.3 46±13a 35±16b 45±12a
      0.5 25±9a 16±11b 30±8c
      1 7±5a 7±3a 3±4b
      注:不同字母表示不同类型沙障防风效能差异显著(P < 0.05)。Note: different letters mean significant difference in windproof efficiency among three types of sand barrier at P<0.05 level.
    • 风速廓线是指风速随高度变化。研究表明,平坦地面的风速廓线服从对数函数分布。当地面存在植被、沙障等障碍时,由于地面气流结构发生改变,风速廓线将受到地表湍流结构影响而发生变化。对距离沙障边界约10 m处的风速廓线进行监测,取裸露地表 1 m高度处4.5~5.5 m/s间的风速进行分析。图 3为3种沙障的风速廓线对比图。

      图  3  多边形沙障风速廓线对比

      Figure 3.  Comparison in wind speed profile among polygonal sand barrier types

      图 3所示,沙障的存在改变了地表风速廓线,有效的削弱了地表风速。无沙障存在时,地表风速随高度变化服从对数分布。当地表铺设沙障时,风速沿高度分布更接近指数函数分布。在0.2~0.5 m高度范围内,三角形沙障和六边形沙障表现出相近的变化特征,且各高度风速显著小于正方形沙障风速。高度为0.2~0.3 m时,3种沙障的风速增长较为迅速,增长速度大致相同。高度为0.5~1 m时,由于地表形态结构不同,风速增长速度具有显著的差异。风速增长速度为正方形网格沙障 < 三角形网格沙障 < 六边形网格沙障,但都大于无沙障时的风速增长速度。这是因为近地面受沙障影响较大,风速大幅度降低,随着高度的增加,气流被抬升而速度增加,导致垂直方向速度梯度大于无沙障情况。较快的风速增长梯度表明,地表沙障形成的流场结构具有更大的气流抬升效应,对上层流场影响相对较强,沙障对地表风沙流的能量消耗作用相对也更强。从图 3也可以看出,四边形的规则图形,形成的附面层气动结构对风速减弱作用小于三角形和六边形沙障,高度在1 m时,风速增长缓慢,接近裸露地表风速沿高度的增长速度。研究表明,裸露沙地的输沙行为主要集中于10 cm高度以下,风沙流进入高度为0.2 m高的沙障范围后,风沙流受到沙障的抬升作用而改变,输沙20~30 cm高度间的输沙率迅速增加[21],因此,距离地表 30 cm范围内的防风效能对降沙固沙有重要的意义,传统的正方形沙障降沙能力小于三角形和六边形沙障。

    • 地表粗糙度是衡量沙障防风固沙能力的一个重要指标,研究表明裸露表的粗糙度随着风速的增加而增加,当风速大于9 m/s时,可以增长到10-2 m数量级,因此风速对粗糙度有较大影响[21]。本文选择裸露地表 1 m高度处,风速范围为1~6 m/s之间的数据进行分析,计算此风速范围内的地表粗糙度。3种沙障的地表粗糙度如图 4所示。

      图  4  多边形沙障地表粗糙度对比

      Figure 4.  Comparison in roughness among polygonal sand barrier types

      同一地形特征下粗糙度随风速的变化规律很早就引起研究人员的关注,粗糙度虽然用来表征地表的粗糙程度,理论上为一个表征特定地形的常量值,但野外观测表明,地表粗糙度随风速的增加而增加,原因为随着地表风速的提高,地表输沙量增加,导致地表粗糙度也相应提高。而铺设沙障的地表,输沙效应对粗糙度的影响相对较弱,对地表粗糙度的影响因素转变为草头在风力作用下的弯曲扰动和沙障孔隙在风力作用下的涡流结构变化。研究表明[21],铺设沙障后,低风速条件下,地表粗糙度随风速增长快速增加,当风速大于7 m/s时,地表粗糙度的增长速度大幅度减小。由于本文分析风速小于6 m/s,可以用线性模型进行回归分析。如图 4所示,对于同一类型沙障,地表粗糙度随风速的增大而增大。对3种沙障的地表粗糙度随风速变化进行线性拟合。结果表明,三角形沙障的地表粗糙度最大,六边形沙障地表粗糙度次之,正方形沙障地表粗糙度最小。3种沙障的地表粗糙度随风速变化的速度也不相同,三角形沙障的地表粗糙度随风速增长速度最快,六边形沙障次之,正方形沙障的粗糙度随风算变化最慢。裸露地表 1 m高处风速为4 m/s时,裸露地表粗糙度为0.166 cm,三角形沙障、正方形沙障和六边形沙障的地表粗糙度分别为11.5、9.3和10.4 cm,分别为裸露地表粗糙度的69.3、56和62.7倍。三角形沙障的地表粗糙度比正方形和六边形沙障的地表粗糙度分别高23.7%和10.5%。由于近地表湍流强度较高,0.2 m高度的风速变化很大,导致每组由1和0.2 m计算出的地表粗糙度有较大的离散程度。

    • 传统的格状沙障平面图形都为正方形,原因是易于施工,铺设效率相对较高。而从几何角度上看,能够铺满平面的形状还有正六边形,正三角形,此外还有各种尺寸的密铺五边形。以往的研究表明,沙障的材料、网格尺寸及其形态对沙障的防风效能有显著影响,但都未涉及网格形状对沙障防风效能影响的研究。本文对相同材料及相同网格面积但网格形状不同的沙障进行野外试验,结果表明,沙障铺设平面几何形状对沙障的防风降沙能力有很大影响。

      1) 对于单个网格面积都为1 m2的三角形,正方形和六边形草沙障,高度为0.2 m时,正方形沙障的防风效能比三角形和六边形沙障分别低12%和8%,高度为0.3 m时,分别低11%和10%,高度为0.5 m时,分别低9%和4%。高度为1 m时,正方形沙障防风效能与三角形沙障相同,显著高于六边形沙障。高度小于0.3 m时,三角形沙障和六边形沙障防风效能相近,差异不显著。近地表的防风效能,正方形沙障最差,三角形与六边形沙障防风效果相近,均好于四边形沙障。

      2) 当地表铺设沙障后,沙障内部风速沿高度变化更接近指数函数函数。在0.2~0.5 m高度范围内,三角形沙障和六边形沙障表现出相近的变化特征,且各高度风速分布显著小于正方形沙障风速。高度为0.2~0.3 m时,三种沙障的风速增长较为迅速,增长速度大致相同。高度为0.5~1 m时,风速增长速度具有显著的差异。风速增长速度为正方形网格沙障 < 三角形网格沙障 < 六边形网格沙障,但都大于无沙障时的风速增长速度。

      3) 风速小于6 m/s时,地表粗糙度随风速变化接近线性变化规律。裸露地表 1 m高处风速为4 m/s时,裸露地表粗糙度为0.166 cm三角形沙障、正方形沙障和六边形沙障的地表粗糙度分别为11.5、9.3和10.4 cm,分别为裸露地表粗糙度的69.3、56和62.7倍。三角形沙障的地表粗糙度比正方形沙障和六边形沙障的地表粗糙度分别高23.7%和10.5%。

参考文献 (21)

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