基于实测数据的沙柳沙障防风效益分析

基于实测数据的沙柳沙障防风效益分析

1半隐蔽式沙柳沙障的防风阻沙效益研究过去，机械沙障防砂的专家已经取得了大量工作，积累了丰富的经验，取得了一些重要的成果，并在砂路的施工和维护中得到了广泛应用。然而，国内外对半隐藏式沙障防沙护坡效应的研究较少。一些国内专家和科学家进行了大量研究，但大多数是在其工作的过程中完成的。因此,本文试图通过野外实地调查和观测,对半隐蔽式沙柳沙障的防风阻沙效益进行系统研究,为探索和优化沙漠地区公路工程防护体系建设模式提供依据。2研究场所和方法2.17k983334.研究地点选定在内蒙古鄂尔多斯市库布齐沙漠穿沙公路K88-89(N40°28′51.3″,E108°39′45.7″)、K92-93(N40°30′22.8″,E108°40′51.7″)等地段。该地段以当地产的沙柳为材料,已在公路两侧建成沙柳沙障的防沙体系,其中,半隐蔽式沙柳沙障体系内外风速变化的定位观测在穿沙公路K88-89完成,防风阻沙效益的观测在穿沙公路K92-93和神东矿区巴图塔沙柳基地完成。2.2输沙量的检测风速测定使用中国科学院兰州寒区旱区环境与工程研究所研制的10～12通道遥测风速自动采集仪,观测高度分别为2m和0.3m,3s取一组数据,观测时间为1h,所测风速为瞬时风速,在测定风速的同时用内蒙古农业大学沙漠治理研究所自制的积沙仪测定输沙量。输沙量观测的时间视风速大小、输沙强度而定,一般3～10min。带回室内用1/1000的天平称重,计算输沙率。根据2m和0.3m高度处风速的实测资料,利用统计的方法舍去离散较大的数据后,按照下面公式计算地面粗糙度z0和摩阻速度u*。logz0=logz2−u2u1logz11−u2u1‚u∗=Au2lnz0z0logz0=logz2-u2u1logz11-u2u1‚u*=Au2lnz0z0式中:z1,z2——观测高度值(m);u1,u2——高度z1,z2处的风速(m/s);z0——地面粗糙度(cm);u*——摩阻速度(cm/s);A——常数,一般气流为定常流时取0.4。3结果与分析3.1流场速度图分析观测点设置在穿沙公路K87(N40°8′51.3″,E108°39′45.7″)处,观测点1为裸露流沙(旷野风速),观测点2,3则设在2m×2m半隐蔽式沙柳沙障体系内,测点1,2相距为5.2m,测点2,3相距4.8m,观测点4,5在1m×1m的平铺式沙柳沙障间,其间距为7.6m,体系内沙障保存良好,高度约为0.5m,疏透度约为50%。布置测点时由沙障体系中心向两侧展开。为了避免野外风的阵发性对实验的影响,对100次实测瞬时风速进行筛选,对同一高度同一时段的风速进行平均,每一组又筛选出5次观测值,得到5组测量结果,由于当旷野风速小于起沙风速时不能对风沙活动产生直接影响,故分析时选择旷野风速大于起沙风速的6.3m/s和9.9m/s,然后用Sufer(8.0)软件做出不同风速的流场速度图,如图1(a,b)、图2(a,b)所示。经过研究和分析,半隐蔽式沙柳沙障和平铺式沙柳沙障复合的防沙体系,能使贴地表(0.2m)的风速减弱到沙粒起动风速以下,保护表面沙粒不起动。半隐蔽式、平铺式复合的沙柳沙障流场形式复杂多变,当气流经过半隐蔽式沙障体系的上方时,在接近沙障的低空区域,湍流、乱流等形式得到更为充分的发展,尤其是沙障内部的流场特征,至今仍未有一个统一的认识。但就风沙流的性质而言,95%以上的沙物质集中在0.3m以下的高度进行搬运,这一贴地性质使半隐蔽式沙障在风沙工程中得到了广泛的应用。研究流场特征,有助于对半隐蔽式沙障内外的风沙流性质有进一步的认识,使其得到合理的设置,发挥更大的防沙效益。从流场速度图分析看,当旷野风速为6.3m/s时,半隐蔽式、平铺式沙柳沙障体系内0.3m高度范围内在-4L,0L和8.2L处各形成一个低速区,在障内2m高度范围内从-6～-2L,0～2L,8～10L处上空则形成一个较大范围的加速区,相对应地障内2～7L风速变化却相对平稳;从障内7～16L,接近地表风速衰减很快,在8.2L处风速降低达最小值,而2m高度的风速则受沙障体系的影响不明显,风速的波动仍然很大。当旷野风速为9.9m/s时,流场速度图的总体趋势和6.6m/s的趋势线大致一样,但风速在防沙体系0.3m高度范围内减弱的更明显。根据实地调查和分析,在半隐蔽式沙柳沙障防沙体系内,主要在沙障体系前沿产生一堆积区,这是由于在-4L和0L处上方(1m以上)气流形成一个加速区,挟沙动能增大,风沙流继续前进,而底部气流(0.3m以下)变化比较平缓,一直深入到沙障的内部积沙较为均匀,这与中科院寒旱所王训明在风洞内研究半隐蔽式沙障效益的结果基本相似。3.2沙障体系内风速的变化通过对100次实测瞬时风速进行筛选后,为了更直观地表示风速梯度的变化,采用风速比(V2m/V0.3m)表示,然后计算出不同规格沙障的粗糙度(z0)及其相应的摩阻速度(u*),如表1所示。经过分析和研究,不同观测点2m高度风速变化明显,由于复式半隐蔽、平铺式沙柳沙障体系内外风速变化复杂多样,从旷野-10L到2m×2m半隐蔽式沙障间(-8～4L),再到1m×1m的平铺式沙柳沙障间(4～16L),其总体趋势是2m高风速不断减小,但是降幅不大,从3次统计数据来看,平均只降低了2.67%,有的甚至增大,这说明沙障体系内对在较高层的气流(1.5m以上)影响较小或形成涡流高速区,后者可能是由于风的阵发性和偶然性造成的;而在沙障体系内0.3m高度的风速从旷野-10L到2m×2m半隐蔽式沙障体系内(-8～4L)呈现出随着向防沙体系中心靠近,风速近似于匀速减小,平均降幅可达30%左右,在平铺式沙柳防沙体系内(4～16L),0.3m高度内的风速降低更加明显,比旷野点(-10L)分别降低了53.01%和66.2%。据分析,半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防沙体系能使体系前沿(-8～-4L)大约为沙障的8H范围内,近地表0.3m高度内风速降低到起沙风速以下,随着向防沙体系中心靠近(-4～16L),半隐蔽式、平铺式沙柳防沙体系基本能控制0.3m高度内近地表风沙流,达到风过而沙不起,如表1所示。3.3沙柳沙障粗糙度回归分析通过对100次实测瞬时风速中选出旷野风速为4.3m/s,7.9m/s,9.6m/s和≥10m/s时,进行数据筛选(风速随高度增加而增大),对同一高度同一时段的风速进行平均,得到5组测量结果,每一组又筛选出6次观测值,然后分别计算出不同规格沙柳沙障的粗糙度,对其进行回归分析。结果表明:不同规格的沙柳沙障下垫面对风沙流结构和风速廓线的影响不一样,当旷野风速小于起沙风速(4.3m/s)时,不同规格的沙柳沙障与粗糙度的变化呈非线性正相关,其趋势线方程为多项式函数,对其可信度进行显著性检验,R2=0.8586,趋势线方程拟合效果较好;当旷野风速大于起沙风速(7.9m/s,9.6m/s,≥10m/s)时,其趋势线方程为指数函数,并经过显著性检验,其相关系数分别为0.7158,0.8251和0.8369。回归趋势线如图3所示。3.4障内输沙率分布在流动沙丘设置半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防沙体系,既可增加地面粗糙度,阻止风沙流风蚀公路边坡,又可降低地面风速,从而达到防风阻沙的目的。因此,不同的防风固沙措施,首先表现在对近地面层风速的减弱及输沙量的减少。观测方法同前,结果如表2所示。从表2可知,从沙障内部的风沙流结构看,0～10cm高度障内输沙量Q远远小于流沙输沙量Q,结合试验区实地观察,沙障内部积沙较流沙区远为均匀,障内仅局部有堆积现象,这反映了沙障内的输沙规律。将沙障内的输沙率与流沙区的输沙率相比较,沙障前缘平均减少的输沙率为流沙区的73.33%,障内0L处平均减少的输沙率为81.43%,8.2L处出现输沙率减少极值为98.2%,说明从流沙区→沙障边缘→沙障内输沙率急速降低,沙物质大多在沙障的边缘堆积,出现沙障从边缘向内部逐渐被沙埋的过程。这一结论与实地考察非常融合,也与中国科学院寒旱所王训明在风洞内研究的半隐蔽式防沙体系内风沙流结构特征、积沙过程极为相似。据分析,随着风速比(V2m/V0.3m)的变化,障内输沙量比流沙上输沙量减少68.7%～98.2%不等,半隐蔽式、平铺式沙柳沙障复式防沙体系除改变风沙流作用外,还大大提高了地面粗糙度。由于沙颗粒与沙柳体系内沙柳发生碰撞,输沙率随防沙体系远近的分布不再简单地遵循对数关系或指数关系,其极值出现的距离随风速的增加而波动,由于沙柳沙障构成的下垫面复杂多变,其对风沙流结构与风沙活动层风速廓线的影响很难确定。4沙障体系内外风速比、地形比、粗糙度变化特征(1)半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防沙体系能使体系前沿(-8～-4L)大约8H范围内近地表0.3m高度内风速降低到起沙风速以下,随着向防沙体系中心靠近(-4～16L),半隐蔽式、平铺式沙柳防沙体系基本能控制0.2m高度内近地表风沙流,达到风过而沙不起。(2)半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防沙体系内外,风速比(V2m/V0.3m)的变化随着向沙障体系的逐渐靠近呈非线性增长,其总体趋势线为多项式函数;粗糙度(z0)的变化则随着风速比(V2m/V0.3m)的不断增大表现比较凌乱,有的呈现出线性增长,有的则以指数函数增大。(3)半隐蔽式、平铺式沙柳沙障防沙体系内外不同规格沙柳沙障的下垫面,对风沙流结构和风速廓线的影