干枯植被覆盖对公路沿线地表风沙流结构的影响.pdf

第4 3卷第4期2 0 2 3年8月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 0-0 6 修回日期:2 0 2 2-1 2-0 5 资助项目:内蒙古自治区自然科学基金项目“半干旱地区草原公路沿线地表土壤风蚀研究”(2 0 2 0 M S 0 3 0 5 0);内蒙古自治区科技重大专项专题项目(2 0 2 0 Z D 0 0 0 9-4);内蒙古自治区科技计划项目(2 0 2 0 G G 0 0 7 8)第一作者:冬梅(1 9 7 9),女(蒙古族),内蒙古自治区通辽市人,硕士,副教授,主要从事农业机械化新技术研究和土壤风蚀测试与控制研究。E m a i l:l i a n g d o n g m e i i m a u.e d u.c n。通讯作者:图雅(1 9 7 8),女(蒙古族),内蒙古自治区通辽市人,副教授,硕士,主要从事农业机械设计及制造和土壤风蚀测试与控制研究。E m a i l:b a o t u y a 1 0 0 4_2 0 0 9s o h u.c o m。干枯植被覆盖对公路沿线地表风沙流结构的影响冬 梅1,图 雅2,李巨河1(1.内蒙古农业大学 能源与交通工程学院,内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 1 8;2.内蒙古农业大学 机电工程学院,内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 1 8)摘 要:目的以内蒙古S 1 0 5草原公路沿线地表为研究对象,探讨挟沙风作用下干枯植被覆盖度对风沙流结构的影响,旨在为防治公路两侧土壤风蚀提供理论参考依据。方法采用风洞模拟试验,在0%,2 0%,4 0%和5 0%覆盖度水平下测定输沙率。结果在挟沙风作用下,输沙率随干枯植被覆盖度的增大而递减,最大输沙率点的高度层不断上升。覆盖度为0%时,输沙率随高度的增加呈指数函数规律降低;覆盖度为2 0%,4 0%和5 0%时,输沙率随高度的增加呈递减递增递减趋于平缓的变化规律;在8 5mm高度以下符合多项式函数关系,8 5mm高度以上符合指数函数关系。随覆盖度的增大总输沙量递减,最大抗风蚀效率达6 5.7 3%。结论干枯植被覆盖显著影响地表风沙流结构,可削弱挟沙风侵蚀力,是抑制公路沿线地表土壤风蚀沙化的有效措施。关键词:公路沿线环境;土壤风蚀;挟沙风;干枯植被覆盖;风沙流结构文献标识码:A 文章编号:1 0 0 0-2 8 8 X(2 0 2 3)0 4-0 0 1 7-0 7 中图分类号:S 1 5 7文献参数:冬梅,图雅,李巨河.干枯植被覆盖对公路沿线地表风沙流结构的影响J.水土保持通报,2 0 2 3,4 3(4):1 7-2 3.D O I:1 0.1 3 9 6 1/j.c n k i.s t b c t b.2 0 2 3 0 5 0 8.0 0 1;D o n g M e i,T u Y a,L iJ u h e.E f f e c to fd r yv e g e t a t i o nc o v e ro ns u r f a c es a n d-c a r r y i n gw i n ds t r u c t u r ea l o n gh i g h w a y sJ.B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,4 3(4):1 7-2 3.E f f e c t o fD r yV e g e t a t i o nC o v e ro nS u r f a c eS a n d-c a r r y i n gW i n dS t r u c t u r eA l o n gH i g h w a y sD o n gM e i1,T uY a2,L i J u h e1(1.C o l l e g eo fE n e r g ya n dT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g,I n n e rM o n g o l i aA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,H o h h o t,I n n e rM o n g o l i a0 1 0 0 1 8,C h i n a;2.C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,I n n e rM o n g o l i aA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,H o h h o t,I n n e rM o n g o l i a0 1 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h e i n f l u e n c eo fd r yv e g e t a t i o nc o v e ro nt h es t r u c t u r eo fw i n d-b l o w ns a n df l o wu n d e rt h ea c t i o no fs a n d-c a r r y i n gw i n do fS 1 0 5i nI n n e r M o n g o l i aA u t o n o m o u sR e g i o nw a ss t u d i e di no r d e rt op r o v i d ea t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r t h ep r e v e n t i o no fs o i lw i n de r o s i o no nb o t hs i d e so fag r a s s l a n dh i g h w a y.M e t h o d sS e d i m e n t t r a n s p o r t r a t e sw e r em e a s u r e da t 0%,2 0%,4 0%,a n d5 0%v e g e t a t i o nc o v e r l e v e l sb yw i n d-t u n n e l s i m u l a t i o nt e s t s.R e s u l t sU n d e r t h ea c t i o no f s a n d-c a r r y i n gw i n d,t h es e d i m e n t t r a n s p o r t r a t ed e c r e a s e da sd r yv e g e t a t i o nc o v e r i n c r e a s e d,a n dt h eh e i g h to f t h em a x i m u ms e d i m e n t t r a n s p o r t r a t er o s ea sc o v e ri n c r e a s e d.Wh e nv e g e t a t i o nc o v e rw a s0%,t h es e d i m e n tt r a n s p o r tr a t ed e c r e a s e de x p o n e n t i a l l ya sh e i g h ti n c r e a s e d.A sv e g e t a t i o nc o v e ri n c r e a s e dt o2 0%,4 0%,a n d5 0%,t h es e d i m e n tt r a n s p o r tr a t ed e c r e a s e d,t h e n i n c r e a s e d,t h e nd e c r e a s e d,a n d t h e n t e n d e d t ob e f l a t a sh e i g h t c o n c u r r e n t l y i n c r e a s e d.T h e s er e s u l t sc a nb ed e s c r i b e db yap o l y n o m i a l f u n c t i o nb e l o w8 5mmh e i g h t a n db ya ne x p o n e n t i a l f u n c t i o na b o v e8 5 mm h e i g h t.T o t a ls e d i m e n td i s c h a r g ed e c r e a s e da sv e g e t a t i o nc o v e r a g ei n c r a s e d,a n dt h e m a x i m u ma n t i-w i n de r o s i o ne f f i c i e n c yw a s 6 5.7 3%.C o n c l u s i o nD r yv e g e t a t i o nc o v e r s i g n i f i c a n t l ya f f e c t e d t h e s t r u c t u r eo fs u r f a c ew i n d-b l o w ns a n df l o w,w h i c hc a nw e a k e nt h ee r o s i o nf o r c eo fs a n d-c a r r y i n gw i n d.D r yv e g e t a t i o nc o v e r i sa ne f f e c t i v em e a n so f i n h i b i t i n gw i n de r o s i o na n dd e s e r t i f i c a t i o no f s u r f a c es o i l a l o n gh i g h w a y s.K e y w o r d s:h i g h w a ye n v i r o n m e n t;s o i lw i n de r o s i o n;s a n d-c a r r y i n gw i n d;d r yv e g e t a t i o nc o v e r;s t r u c t u r eo fw i n d-b l o w ns a n df l o w 干旱半干旱地区地表较脆弱,在风的作用下极易被吹蚀、分离,使土壤风蚀成为该地区主要环境问题之一。由于气候干燥、风力强劲,风沙环境对公路及其沿线地表造成了严重的影响1-3。在公路修建过程中,原始地表遭受破坏,植被覆盖度减少,使土壤裸露加速了风蚀4-7。因此,减少风沙的危害,保护公路,抑制风蚀,势在必行8-1 0。植被覆盖对土壤风蚀具有影响作用已被研究者们公认1 1-1 3。董治宝1 1、黄富祥等1 2通过风洞试验研究了植被覆盖对土壤风蚀的影响。王强强等1 4通过风洞模拟试验,分析比较了,在植被覆盖度均为2 0%的条件下,固沙林降低风速的效果。张奕等1 5通过实地考察与风洞试验结合,研究了生长季灌木单株对周围风速流场、输沙率和地表蚀积特征的影响。徐沛东等1 6对科尔沁区沙丘采用风洞原位测试发现,不同植被盖度下,输沙率与高度之间均服 从指数函数 关系。刘艳萍1 7、邢恩 德等1 8对草原区不同植被盖度下的风沙流结构特征进行了研究。虽然植被覆盖与土壤风蚀关系研究很多,但在公路沿线地表植被覆盖及风沙流分布规律方面,以往的相关报道较少。因此,本研究采用风洞模拟试验,测定输沙率,以期阐明公路沿线植被覆盖度与风沙流结构之间的定量关系,研究结果可为掌握该研究区公路沿线地表风沙运动规律,制定风蚀防治对策,保证公路安全运营提供理论参考依据。1 试验设计、材料与方法1.1 试验区概况研究区为内蒙古S 1 0 5省际大通道锡林郭勒盟境内桑根达来路段。该区域属于温带大陆性气候,其主要气候特点是风大、干旱、寒冷。年平均气温为3.4,年降水量均值为3 7 7.5mm,全年大风季节集中在每年35月,大风日数2 1d,年平均风速为3.2 6m/s。全年主要风向为北风与西北风。土壤类型风沙土、栗钙土为主1 9,部分地区有棕钙土和草甸土等。1.2 试验设计试验于2 0 2 1年春季在内蒙古农业大学风洞实验室内进行。试验风洞由风机段、风机整流段、扩散段、收缩段、试验段组成,全长为1 1.8m,其中试验段长度为7.2m,截面为1.0m1.2m,收缩比1.7,试验段轴向静压梯度0.0 0 5,各截面不同高度上紊流度1%2 0。风机为轴流风机,出风口直径1.4m,所需功率4 0kW,风速02 0m/s连续可调。经中国科学院寒区旱区环境与工程研究所测定,该风洞主要指标符合低速风洞的设计要求。风洞加沙器由Y 9 0S-6型电动机为动力源,通过A R I S P E E D 6 1 6P C 5变频器调节转速实现加沙量定量增减。集沙仪为B L-D J S Q方口多路阶梯式集沙仪。集沙口宽度2 0mm,高度1 0mm,安置在风洞轴线,距风洞出口12 0 0mm处,可同时收集垂直方向3 0个点位的输沙量。试验土样采自内蒙古S 1 0 5省际大通道锡林郭勒盟境内桑根达来路段两侧,是春季地表5c m深度范围内原位风沙土(土体结构已发生破坏),平均含水率2.1%。采样环境温度1 5,大气平均压力8 3 9k P a。研究路段处于典型草原地带的沙地1 9-2 0,经调查公路两侧植被覆盖度2 3%5 5%,平均高度1 0 0mm,荒野旱地常见的植物虎尾草(C h l o r i sv i r g a t a)与狗尾草(S e t a r i av i r i d i s)均有分布2 1。基于此,在本次风洞模拟试验中选择了0%,2 0%,4 0%和5 0%共4个覆盖度水平,植被由狗尾草和虎尾草组成。为方便对照分析,将0%水平确定为无任何覆盖物的裸露地表。布置植物覆盖地表时,首先在风洞试验段内将土样铺成30 0 0mm10 0 0mm1 0mm试验床面,距集沙仪集沙口水平距离2 0 0mm,试验布置如图1所示。然后用热熔胶将干枯虎尾草、狗尾草随机固定在已铺好的试验床面上。植被覆盖度大小由各植物单体在地表的投影面积总和与所铺试验床面总面积之比来确定2 2,模拟地表如图2所示。试验风速为9,1 2和1 5m/s共3个挟沙风速。对模拟地表的吹蚀时间均为1 0m i n,时间一结束便用精度为0.0 0 1的电子天平称量集沙仪收集的风蚀物。2 结果与分析2.1 挟沙风对风沙流结构影响长期以来,研究者们对沙漠戈壁1 2、沙地1 6、草地1 7-1 8、农田地表2 3的风沙流结构进行了深入研究。风沙流结构是气流搬运的沙子在搬运层内随着高度的分布情况2 4,其特征结构受到风力、地表状态等因素的影响,其中风力是主导因素。在本研究中,着重分析挟沙风作用下的公路沿线地表风沙流结构,以探讨干枯植被覆盖度对土壤风蚀的抑制作用。由图3可看出,在覆盖度0%时,输沙率受风速影响较大,随风速增大而增大。输沙率随高度的增加呈骤减递减,至2 4 5mm后变化幅度很小,输沙率最大值在距地表最近位置。在覆盖度2 0%、挟沙风速为9m/s81 水土保持通报 第4 3卷时,输沙率随高度的增加锐减后又递增,至8 5mm时最大,再递减后趋于变化平缓;1 2m/s时,随高度的增加递减,至4 5mm后又递增,8 5mm时达最大值,再递减至2 4 5mm后趋于变化平缓;1 5m/s时,输沙率从2 5mm处递增至6 5mm时达最大值,再递减至2 2 5mm后趋于变化平缓。在干枯植被覆盖度4 0%,挟沙风速为9m/s时,输沙率随高度的增加先递减再递增,至1 2 5mm时达到最大值,再递减后趋于变化平缓;1 2m/s时,随高度的增加锐减至4 5mm处,再增加至8 5mm时达最大值,之后又锐减至2 2 5mm处后趋于变化平缓。风速1 5m/s时,输沙率随高度的增加而骤减,再增加至1 0 5mm时达最大值,再递减至2 0 5 mm后 趋 于 平 缓。在 干 枯 植 被 覆 盖 度5 0%,挟沙风速为9和1 2m/s时,输沙率随高度的增加先递减再递增,至1 0 5mm时达最大值,再递减至2 4 5mm后趋于平缓。1 5m/s时,输沙率随高度的变化趋势与9和1 2m/s时类似,达最大值点8 5mm后又递减至2 4 5mm,再趋于平缓。图1 风洞模拟试验布置图F i g.1 L a y o u td i a g r a mo fw i n dt u n n e l s i m u l a t i o nt e s t图2 不同干枯植被覆盖度模拟地表情况F i g.2 S i m u l a t e ds u r f a c ec o n d i t i o n sw i t hd i f f e r e n td r yv e g e t a t i o nc o v e r a g e 植被覆盖度为0%时(地表无任何覆盖物),输沙率随 高 度 的 增 加 而 递 减,拟 合 为 指 数 函 数 关 系(图4)。覆盖度增加至2 0%,4 0%和5 0%时,输沙率随高度的变化趋势出现变异,即风沙流结构中最大输沙率点并未出现在距地表最近的位置,如图4所示。此时,风沙流结构的分布可通过两个函数分段描述:8 5mm以下,输沙率与高度之间遵循多项式函数关系,8 5mm以上遵循指数函数关系(表1)。表1 不同干枯植被盖度下输沙率与高度的函数关系T a b l e1 F u n c t i o n a l r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e d i m e n t t r a n s p o r t r a t ea n dh e i g h t u n d e rd i f f e r e n td r yv e g e t a t i o nc o v e r a g e覆盖度/%拟合函数1拟合公式 R2p拟合函数2拟合公式R2p0y=5.3 6 07 e-0.0 1 82x0.9 8 740.0 0 1y=5.3 6 07e-0.0 1 82x0.9 8 740.0 0 12 0y=0.0 0 02x2-0.0 1 01x+0.8 1 430.7 9 370.0 0 1y=1.7 7 51e-0.0 0 7x0.9 5 010.0 0 14 0y=0.0 0 01x2-0.0 0 8x+0.4 9 970.8 5 110.0 0 1y=1.4 1 01e-0.0 0 8x0.9 7 550.0 0 15 0y=6 E-0 5x2-0.0 0 27x+0.3 3 390.8 2 090.0 0 1y=3.9 3 13e-0.0 1 6x0.9 7 522 0%4 0%5 0%,即随覆盖度的增加,抗风蚀效率明显提升。所以,在北方半干旱地区的大风时节,干枯植被覆盖能削弱挟沙风的侵蚀力,有效抑制土壤风蚀,保护公路及其沿线地表。12第4期 冬梅等:干枯植被覆盖对公路沿线地表风沙流结构的影响图6 不同风速下的总输沙量变化趋势F i g.6 V a r i a t i o nt r e n do f t o t a l s e d i m e n td i s c h a r g eu n d e rd i f f e r e n tw i n ds p e e d s3 讨论与结论3.1 讨 论风沙流结构是指风沙流中搬运的沙粒在搬运层内随垂直高度分布特征及变化规律2 2,其结构特征受下垫面性质、风速、植被盖度等的强烈影响。植被是介于气流与地表之间对风力侵蚀力造成干扰的粗糙元2 5,不同特征的植被对风蚀的影响差异很大2 2。在本研究中,裸露地表的输沙率随高度的增加而递减,风沙流结构呈现出指数分布规律,该结果与余沛东1 6、邢恩德等1 8的研究结论一致。在2 0%,4 0%,5 0%覆盖度下,54 5mm高度层的平均土样百分含量为2 2.2%,2 0.0%和1 5.3%,随覆盖度的增加而递减,8 51 6 5mm高度层的平均土样百分含量为4 3.2%,4 7.8%和6 3.0%,呈随覆盖度增加而递增趋势。因此,当覆盖度为2 0%,4 0%和5 0%时,风沙流结构出现了变异,输沙率随高度的增加呈现出递减递增递减趋于平缓的态势。以8 5mm高度层为节点,可用分段函数描述,8 5mm以下遵循多项式函数关系,8 5mm以上遵循指数函数关系(表1)。这与邢恩德1 8、刘艳萍等1 7提出的结论有共同点,即输沙率最大点并未出现在距地表最近处,而随着风速与植被盖度的变化而波动。分析存有差异原因:该试验中,供试地表是用原位地表扰动土与天然植物模拟而成,土壤颗粒的起动风速低,极易被搬运。当植被覆盖度为一定时,一部分土壤颗粒在挟沙风的作用下获得起动能量,在一定高度内与覆盖植物茎叶发生撞击后反弹,再被输送。另一部分土壤颗粒在输送过程中被植被拦截;覆盖度越大拦截的颗粒物越多,总输沙量越小(如图6所示)。此外,输沙率的变化集中在距地面2 0 0mm内;首先,此区间是跃移颗粒最为活跃的高度;其次,由于植被对风洞流场产生扰动,在1 0c m高度附近出现气流紊乱,致使土壤颗粒物被输送至更高更远,覆盖度越大影响越大(表2)。因此,在2 0%,4 0%,5 0%覆盖度时,风沙流结构呈递减递增递减趋于平缓的变化态势,并在8 51 2 5mm高度内出现了最大输沙率点。综上所述,干枯植被的覆盖可以削弱风对地表土壤的直接作用力,能拦截部分风沙流颗粒;随植被盖度的增大,最大输沙率点上升,使风沙流结构产生了变化,最终达到了抑制风蚀效果,这与相关研究结论吻合1 1-1 2,1 6-1 7。因有风蚀过程的存在所以有风沙流的出现2 6。目前,干旱半干旱地区公路不同程度遭受着风沙流危害,后续可综合考虑公路边坡条件、植被盖度、空气动力学粗糙度、气候等因素深入研究,这对保障公路安全畅通,改善生态环境有重要意义。3.2 结 论通过风洞模拟试验研究得出,输沙率随风速增大而增大,干枯植被覆盖度为0%时,随高度的增加按指数函数规律递减。覆盖度为2 0%,4 0%,5 0%时,风沙流结构呈递减递增递减趋于平缓的变化趋势,输沙 率 在8 5 mm以 下 按 多 项 式 函 数 规 律 变 化,8 5mm以上按指数函数规律变化。随覆盖度的增大近地表的输沙率递减,而最大输沙率点不断上升,总输沙量减少,且最大抗风蚀效率达6 5.7 3%。因此,干枯植被覆盖度影响公路沿线地表风沙流结构,削弱挟沙风对地表的侵蚀作用力,能有效抑制风蚀沙化现象,保障公路安全运营。参考文献1 李驰,高瑜.沙漠公路风沙土路基风蚀破坏试验研究J.岩土力学,2 0 1 1,3 2(1):3 3-3 8.2 郝贠洪,刘艳晨,郭健,等.风沙环境下混凝土路面受冲蚀形貌、损伤机理及工况预测J.中国公路学报,2 0 1 7,3 0(9):2 7-3 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