库布齐沙漠新材料工程沙障防风固沙效应研究

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库布齐沙漠位于内蒙古自治区鄂尔多斯高原脊线北部,西起伊克昭盟杭锦旗巴拉贡,经达拉特旗,东至准格尔旗。西、北、东三面以黄河为界,是中国第七大沙漠,地处干旱半干旱地带,沙漠化问题较为突出,大多防风固沙工程模式都有不同程度的实践和应用。研究不同材料工程沙障防沙技术及其效应,不仅对库布齐沙漠治理有重要理论意义,也能为其他地区的沙漠化防治和生态恢复提供技术支持,具有重要的现实意义。  本项研究针对库布齐沙漠自然环境特征及沙漠化防治技术需求,在杭锦旗独贵塔拉流动沙丘区建立试验区,对半隐蔽式沙蒿草方格、HDPE网和植物纤维网新材料沙障防沙技术开展了试验。使用MetOne014A/024A型8通道风速风向仪(CR200X数采仪)、8方位集沙仪、长度200cm的风蚀插钎等观测设备,采集了风速、近地表风沙流积沙量、侵蚀堆积和植被状况等数据,对比分析了不同规格和高度的HDPE网方格沙障、植物纤维网方格沙障及前沿高立式阻沙沙障的防风固沙效益。  试验研究结果表明:  (1)工程防沙试验区不同规格的HDPE网和植物纤维网新材料方格沙障及HDPE网高立式前沿阻沙沙障,都能有效降低近地表风速,减弱输沙强度,改变风速廓线分布,具有显著降风固沙效应,且能够适应库布齐沙漠及周边地区沙漠化防治需求。  (2)一定孔隙度(60%)的试验方格沙障中心风速垂直变化幅度与变化规律,仅与沙障平面规格和外露(h)高度密切相关,而与试验材料(HDPE网,植物纤维网)基本无关。相同平面规格的方格沙障,外露高度(h)越大,降风效果越显著;相同外露高度(h)的方格沙障,小规格沙障的降风效果较显著。沙障高度(h)以下近地表风速被明显减弱,且越接近地面风速削减作用越显著。  (3)试验沙障及其防沙体系对风沙流积沙量产生明显影响。同步观测结果表明,5.0m×5.0m(h=100cm)大规格植物纤维网方格沙障中心积沙量远小于1.0m×1.0m(h=20cm)HDPE网新材料小规格沙障,而工程沙障试验区的风沙流积沙量远远小于流动沙丘相应地貌部位。  (4)试验沙障对沙面侵蚀堆积状态及强度产生一定影响。相同材料不同规格沙障地面的侵蚀堆积量状态与强度差别不大且趋于稳定。对比来看,1.5m×1.5m(h=20cm)方格沙障中心地表蚀积量较小,防蚀积效应最好。试验沙障的蚀积防护效应仅与沙障规格有关,沙障材料的影响不明显。地形起伏变化增加了沙障布设难度,同时改变了风沙流的运动条件,影响试验沙障的蚀积状态与强度。  (5)工程沙障及防护体系对天然植被的恢复具有非常显著的促进作用。试验沙障铺设后的阻挡作用对天然植物种的入侵、定居、成活和生长发育起到了积极作用。方格沙障降低了近地表风速,减小了表层沙土水分蒸发,为植物生长发育创造了有力的生态条件。而环境条件改善后逐年入侵和定居的植物种也丰富了土壤种子库。另外,沙障高度直接影响植被状况,高沙障不利于植物种子的迁移和定居。  (6)试验沙障的材料成本,HDPE固沙网(h=20cm)<植物纤维网(h=20cm)<HDPE固沙网(h=50cm)<植物纤维网(h=50cm)<HDPE固沙网(h=100cm)<植物纤维网(h=100cm)<沙蒿草方格<HDPE阻沙网(h=200cm)。试验沙障的施工成本,HDPE固沙网<植物纤维固沙网<沙蒿草方格。  (7)根据地理环境、防护目标和防护项目选取适宜的防沙材料和规格,需要进一步试验探索工程沙障不同形式的适应性和效应,以及沙障成本、运输条件、后续环境影响和使用寿命等因素,遵循成本最小化与效应最大化原则。在库布齐沙漠生态治理中,若考虑环境条件及成本因素,可优选草方格沙障作为防风固沙工程的主体材料;若考虑稳定性因素,可优选HDPE材料作为防沙材料;若考虑更加环保的治沙模式,应该优选50cm高度以下的环境友好型植物纤维材料。
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