基于實測數(shù)據(jù)的沙柳沙障防風效益分析

基于實測數(shù)據(jù)的沙柳沙障防風效益分析

1半隱蔽式沙柳沙障的防風阻沙效益研究過去，機械沙障防砂的專家已經(jīng)取得了大量工作，積累了豐富的經(jīng)驗，取得了一些重要的成果，并在砂路的施工和維護中得到了廣泛應用。然而，國內(nèi)外對半隱藏式沙障防沙護坡效應的研究較少。一些國內(nèi)專家和科學家進行了大量研究，但大多數(shù)是在其工作的過程中完成的。因此,本文試圖通過野外實地調(diào)查和觀測,對半隱蔽式沙柳沙障的防風阻沙效益進行系統(tǒng)研究,為探索和優(yōu)化沙漠地區(qū)公路工程防護體系建設模式提供依據(jù)。2研究場所和方法2.17k983334.研究地點選定在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市庫布齊沙漠穿沙公路K88-89(N40°28′51.3″,E108°39′45.7″)、K92-93(N40°30′22.8″,E108°40′51.7″)等地段。該地段以當?shù)禺a(chǎn)的沙柳為材料,已在公路兩側建成沙柳沙障的防沙體系,其中,半隱蔽式沙柳沙障體系內(nèi)外風速變化的定位觀測在穿沙公路K88-89完成,防風阻沙效益的觀測在穿沙公路K92-93和神東礦區(qū)巴圖塔沙柳基地完成。2.2輸沙量的檢測風速測定使用中國科學院蘭州寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所研制的10～12通道遙測風速自動采集儀,觀測高度分別為2m和0.3m,3s取一組數(shù)據(jù),觀測時間為1h,所測風速為瞬時風速,在測定風速的同時用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理研究所自制的積沙儀測定輸沙量。輸沙量觀測的時間視風速大小、輸沙強度而定,一般3～10min。帶回室內(nèi)用1/1000的天平稱重,計算輸沙率。根據(jù)2m和0.3m高度處風速的實測資料,利用統(tǒng)計的方法舍去離散較大的數(shù)據(jù)后,按照下面公式計算地面粗糙度z0和摩阻速度u*。logz0=logz2?u2u1logz11?u2u1?u?=Au2lnz0z0logz0=logz2-u2u1logz11-u2u1?u*=Au2lnz0z0式中:z1,z2——觀測高度值(m);u1,u2——高度z1,z2處的風速(m/s);z0——地面粗糙度(cm);u*——摩阻速度(cm/s);A——常數(shù),一般氣流為定常流時取0.4。3結果與分析3.1流場速度圖分析觀測點設置在穿沙公路K87(N40°8′51.3″,E108°39′45.7″)處,觀測點1為裸露流沙(曠野風速),觀測點2,3則設在2m×2m半隱蔽式沙柳沙障體系內(nèi),測點1,2相距為5.2m,測點2,3相距4.8m,觀測點4,5在1m×1m的平鋪式沙柳沙障間,其間距為7.6m,體系內(nèi)沙障保存良好,高度約為0.5m,疏透度約為50%。布置測點時由沙障體系中心向兩側展開。為了避免野外風的陣發(fā)性對實驗的影響,對100次實測瞬時風速進行篩選,對同一高度同一時段的風速進行平均,每一組又篩選出5次觀測值,得到5組測量結果,由于當曠野風速小于起沙風速時不能對風沙活動產(chǎn)生直接影響,故分析時選擇曠野風速大于起沙風速的6.3m/s和9.9m/s,然后用Sufer(8.0)軟件做出不同風速的流場速度圖,如圖1(a,b)、圖2(a,b)所示。經(jīng)過研究和分析,半隱蔽式沙柳沙障和平鋪式沙柳沙障復合的防沙體系,能使貼地表(0.2m)的風速減弱到沙粒起動風速以下,保護表面沙粒不起動。半隱蔽式、平鋪式復合的沙柳沙障流場形式復雜多變,當氣流經(jīng)過半隱蔽式沙障體系的上方時,在接近沙障的低空區(qū)域,湍流、亂流等形式得到更為充分的發(fā)展,尤其是沙障內(nèi)部的流場特征,至今仍未有一個統(tǒng)一的認識。但就風沙流的性質(zhì)而言,95%以上的沙物質(zhì)集中在0.3m以下的高度進行搬運,這一貼地性質(zhì)使半隱蔽式沙障在風沙工程中得到了廣泛的應用。研究流場特征,有助于對半隱蔽式沙障內(nèi)外的風沙流性質(zhì)有進一步的認識,使其得到合理的設置,發(fā)揮更大的防沙效益。從流場速度圖分析看,當曠野風速為6.3m/s時,半隱蔽式、平鋪式沙柳沙障體系內(nèi)0.3m高度范圍內(nèi)在-4L,0L和8.2L處各形成一個低速區(qū),在障內(nèi)2m高度范圍內(nèi)從-6～-2L,0～2L,8～10L處上空則形成一個較大范圍的加速區(qū),相對應地障內(nèi)2～7L風速變化卻相對平穩(wěn);從障內(nèi)7～16L,接近地表風速衰減很快,在8.2L處風速降低達最小值,而2m高度的風速則受沙障體系的影響不明顯,風速的波動仍然很大。當曠野風速為9.9m/s時,流場速度圖的總體趨勢和6.6m/s的趨勢線大致一樣,但風速在防沙體系0.3m高度范圍內(nèi)減弱的更明顯。根據(jù)實地調(diào)查和分析,在半隱蔽式沙柳沙障防沙體系內(nèi),主要在沙障體系前沿產(chǎn)生一堆積區(qū),這是由于在-4L和0L處上方(1m以上)氣流形成一個加速區(qū),挾沙動能增大,風沙流繼續(xù)前進,而底部氣流(0.3m以下)變化比較平緩,一直深入到沙障的內(nèi)部積沙較為均勻,這與中科院寒旱所王訓明在風洞內(nèi)研究半隱蔽式沙障效益的結果基本相似。3.2沙障體系內(nèi)風速的變化通過對100次實測瞬時風速進行篩選后,為了更直觀地表示風速梯度的變化,采用風速比(V2m/V0.3m)表示,然后計算出不同規(guī)格沙障的粗糙度(z0)及其相應的摩阻速度(u*),如表1所示。經(jīng)過分析和研究,不同觀測點2m高度風速變化明顯,由于復式半隱蔽、平鋪式沙柳沙障體系內(nèi)外風速變化復雜多樣,從曠野-10L到2m×2m半隱蔽式沙障間(-8～4L),再到1m×1m的平鋪式沙柳沙障間(4～16L),其總體趨勢是2m高風速不斷減小,但是降幅不大,從3次統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看,平均只降低了2.67%,有的甚至增大,這說明沙障體系內(nèi)對在較高層的氣流(1.5m以上)影響較小或形成渦流高速區(qū),后者可能是由于風的陣發(fā)性和偶然性造成的;而在沙障體系內(nèi)0.3m高度的風速從曠野-10L到2m×2m半隱蔽式沙障體系內(nèi)(-8～4L)呈現(xiàn)出隨著向防沙體系中心靠近,風速近似于勻速減小,平均降幅可達30%左右,在平鋪式沙柳防沙體系內(nèi)(4～16L),0.3m高度內(nèi)的風速降低更加明顯,比曠野點(-10L)分別降低了53.01%和66.2%。據(jù)分析,半隱蔽式、平鋪式沙柳沙障防沙體系能使體系前沿(-8～-4L)大約為沙障的8H范圍內(nèi),近地表0.3m高度內(nèi)風速降低到起沙風速以下,隨著向防沙體系中心靠近(-4～16L),半隱蔽式、平鋪式沙柳防沙體系基本能控制0.3m高度內(nèi)近地表風沙流,達到風過而沙不起,如表1所示。3.3沙柳沙障粗糙度回歸分析通過對100次實測瞬時風速中選出曠野風速為4.3m/s,7.9m/s,9.6m/s和≥10m/s時,進行數(shù)據(jù)篩選(風速隨高度增加而增大),對同一高度同一時段的風速進行平均,得到5組測量結果,每一組又篩選出6次觀測值,然后分別計算出不同規(guī)格沙柳沙障的粗糙度,對其進行回歸分析。結果表明:不同規(guī)格的沙柳沙障下墊面對風沙流結構和風速廓線的影響不一樣,當曠野風速小于起沙風速(4.3m/s)時,不同規(guī)格的沙柳沙障與粗糙度的變化呈非線性正相關,其趨勢線方程為多項式函數(shù),對其可信度進行顯著性檢驗,R2=0.8586,趨勢線方程擬合效果較好;當曠野風速大于起沙風速(7.9m/s,9.6m/s,≥10m/s)時,其趨勢線方程為指數(shù)函數(shù),并經(jīng)過顯著性檢驗,其相關系數(shù)分別為0.7158,0.8251和0.8369。回歸趨勢線如圖3所示。3.4障內(nèi)輸沙率分布在流動沙丘設置半隱蔽式、平鋪式沙柳沙障防沙體系,既可增加地面粗糙度,阻止風沙流風蝕公路邊坡,又可降低地面風速,從而達到防風阻沙的目的。因此,不同的防風固沙措施,首先表現(xiàn)在對近地面層風速的減弱及輸沙量的減少。觀測方法同前,結果如表2所示。從表2可知,從沙障內(nèi)部的風沙流結構看,0～10cm高度障內(nèi)輸沙量Q遠遠小于流沙輸沙量Q,結合試驗區(qū)實地觀察,沙障內(nèi)部積沙較流沙區(qū)遠為均勻,障內(nèi)僅局部有堆積現(xiàn)象,這反映了沙障內(nèi)的輸沙規(guī)律。將沙障內(nèi)的輸沙率與流沙區(qū)的輸沙率相比較,沙障前緣平均減少的輸沙率為流沙區(qū)的73.33%,障內(nèi)0L處平均減少的輸沙率為81.43%,8.2L處出現(xiàn)輸沙率減少極值為98.2%,說明從流沙區(qū)→沙障邊緣→沙障內(nèi)輸沙率急速降低,沙物質(zhì)大多在沙障的邊緣堆積,出現(xiàn)沙障從邊緣向內(nèi)部逐漸被沙埋的過程。這一結論與實地考察非常融合,也與中國科學院寒旱所王訓明在風洞內(nèi)研究的半隱蔽式防沙體系內(nèi)風沙流結構特征、積沙過程極為相似。據(jù)分析,隨著風速比(V2m/V0.3m)的變化,障內(nèi)輸沙量比流沙上輸沙量減少68.7%～98.2%不等,半隱蔽式、平鋪式沙柳沙障復式防沙體系除改變風沙流作用外,還大大提高了地面粗糙度。由于沙顆粒與沙柳體系內(nèi)沙柳發(fā)生碰撞,輸沙率隨防沙體系遠近的分布不再簡單地遵循對數(shù)關系或指數(shù)關系,其極值出現(xiàn)的距離隨風速的增加而波動,由于沙柳沙障構成的下墊面復雜多變,其對風沙流結構與風沙活動層風速廓線的影響很難確定。4沙障體系內(nèi)外風速比、地形比、粗糙度變化特征(1)半隱蔽式、平鋪式沙柳沙障防沙體系能使體系前沿(-8～-4L)大約8H范圍內(nèi)近地表0.3m高度內(nèi)風速降低到起沙風速以下,隨著向防沙體系中心靠近(-4～16L),半隱蔽式、平鋪式沙柳防沙體系基本能控制0.2m高度內(nèi)近地表風沙流,達到風過而沙不起。(2)半隱蔽式、平鋪式沙柳沙障防沙體系內(nèi)外,風速比(V2m/V0.3m)的變化隨著向沙障體系的逐漸靠近呈非線性增長,其總體趨勢線為多項式函數(shù);粗糙度(z0)的變化則隨著風速比(V2m/V0.3m)的不斷增大表現(xiàn)比較凌亂,有的呈現(xiàn)出線性增長,有的則以指數(shù)函數(shù)增大。(3)半隱蔽式、平鋪式沙柳沙障防沙體系內(nèi)外不同規(guī)格沙柳沙障的下墊面,對風沙流結構和風速廓線的影