（水土保持与荒漠化防治专业论文）浑善达克沙地公路沙害综合防治机理与效益研究.pdf

摘要 本文以省际通道浑善达克沙地段为试验区，以当地生长丰富的黄柳( s a l i x g o r d e j e v i i ) 和小红柳( s a l i xm i c r o s t a c h y a ) 为材料设置的高立式柳条沙障阻沙带和半 隐蔽式方格沙障固沙带组合形成的沙障带、沙障带内建植的人工固沙植物群落以 及封育带共同构成公路沙害综合防治体系为研究对象，以公路两侧风沙运动的物 理学过程和综合防治效益为研究目的，通过野外风速测试和输沙测定、沙障带内 固沙植物发芽和生长情况、封育措施对路域植被恢复效益等的调查和对比分析， 人工固沙植物群落枯立大风时期风沙运动的测试分析，经3 年多的连续观测试验， 得到如下研究结果： 1 通过对每延米15 根、18 根、2 1 根、2 4 根、2 7 根和15 根、2 5 根、3 5 根、 4 5 根两组不同密度高立式柳条沙障分别于裸沙地和半固定沙地的风速测试，比较 防风效益和地表粗糙度，结合防沙工程实践，每延米2 4 - - 一2 5 根红柳或小黄柳枝条 为当地高立式柳条沙障阻沙带设置的适宜密度：通过对多道高立式柳条沙障风速 测试及分析，上述密度高立式柳条沙障设置间距应以4 m 为宜，个别特殊沙害地段 可调整为2 m ，如风口处、风蚀坑、流动沙丘、沙坡顶部等。 2 规格为1 2 m 1 2 m 半隐蔽式方格沙障固沙带单独风速试验结果显示：地 表粗糙度平均达到1 0 8 9 0 2 c m ，防风效能平均为4 3 2 9 ，固沙带近地表层只有轻微 的风沙运动，沙障内有小量沙粒沉积。 3 沙障带在公路两侧平缓流沙地、大型路堑内侧沙质陡边坡( 阳坡) 、风口 处和风蚀坑等沙害频发地段的防风效能分别达到5 4 4 、7 6 5 、6 4 、6 2 3 ；地 表粗糙度分别达到7 5 6 c m 、1 2 1 c m 、1 2 5 c m 、5 9 4 c m ；风口处输沙测试结果表明组 合沙障带内5 0 m 宽的阻沙带前锋至中心处，2 0 - - 2 6 m 宽范围内输沙量逐渐降低至 裸沙地的o 1 ，说明阻沙带最大积沙宽度为2 6 m ，平均为2 3 m ，阻沙带阻沙效益 显著，其余2 4 - 3 0 m 宽的阻沙带和3 0 m 宽的固沙带内地表由不稳定动床转变为基 本稳定的静态床面，为固沙植物发芽生长和群落形成创造了有利条件。 4 黄柳、小叶锦鸡儿( c a r a g a n am i c r o p h y l l a ) 、羊柴( h e d y s a l u ml a e v e ) 、沙生 冰草( a g r o p y r o nd e s e r t o r u m ) 、草木樨( m e l i l o t u s ) 、沙蒿( a r t e m i s i a ) 、沙打旺 ( a s t r a g a l u s 口凼“掣淞) 在沙障带内平均成活率和保存率分别达到9 0 4 和 9 3 9 ，比对照分别提高了4 8 1 和6 7 5 ；种植第三年黄柳、羊柴高度达1 4 7 c m 和1 8 2 c m ，构成群落的最高层：沙蒿、沙打旺、小叶锦鸡儿高度在4 3 - - - 5 8c m ，构 成群落的中层植物；沙生冰草等高度为3 2 锄构成群落的草本地被层，群落的垂直 结构初步显现。 5 通过封育保护措施，封育带内新增植物种1 0 种以上，密度平均增加到2 6 株m 2 。封育当年优势植物总盖度比对照增加了1 2 3 。沙地机械组成和营养成分发 生了明显的变化。 6 冬春季节群落桔立大风时期，群落内6 0 c m 、2 0 c m 高度j x l 速降低在路堤迎风侧 平缓流沙地内呈明显的指数函数关系( r 2 乏0 9 1 ) ，路堑内侧沙质缓边坡( 阴坡、 阳坡) 群落内，表现为乘幂函数关系 r 2 乏( 0 9 7 o 7 0 ) 】，共同特点是气流进入群 落后风速迅速降低至起沙风速以下，之后降低幅度变缓。 大型路堑内侧沙质陡边坡( 阳坡，2 3 。) ，测风时的迎风坡，群落内2 0 c m 高处 的风速变化呈一元二次多项式函数关系( r 2 = o 9 8 ) 随坡面升高而降低，坡顶风速 略显回升：6 0 c m 、1 0 0 c t n 、1 5 0 c m 高处的风速表现为随坡面升高，而风速增大； 观测高度愈高，风速增加幅度愈大。 大型路堑内侧沙质陡边坡( 阴坡，2 6 。) ，测风时的背风坡，。2 0 c m 、6 0 c m 、1 0 0 e m 、 1 5 0 c m 高度的风速降低呈明显的乘幂函数关系，风速迅速降低至起沙风速以下，之 后降幅减小，坡底略回升。 枯立群落防风效能随坡度增加而降低，地表粗糙度随坡度的增加而明显降低， 表现出枯立群落在不同沙害发生地段防风固沙效果的差异。 关键词：浑善达克沙地：公路沙害：综合防治；高立式柳条沙障；半隐蔽式方格 沙障；固沙植物群落；群落结构；防风效益 s t u d yo ne f f e c t sa n dm e c h a n i s mo nt h ei n t e g r a t e dc o n t r o l l i n g s a n dh a z a r dt oh i g h w a yi no t i n d a gs a n d yl a n d b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t a lp l o t sw a so nt h et w os i d e so fp r o v i n c i a lh i g h w a yt h r o wo t i n d a g s a n d yl a n di ni n n e rm o n g o l i a m a i n l y t h ep r i m a r ys a n d b a r r i e rm a t e r i a l sa r es a l i x g o r d e j e v i ie l c h a n ge ls i n ：a n ds a l i xm i c r o s t a c h y at u r c z i tw a ss t u d i e dt h a tt h es t a b i l i t y a n dr e s i s t i n gw i n de f f e c to ft h ep r e s e r v a t i o ns y s t e mc o m p o s e do fs a n d f i x a t i o nb e l tw i t h s e m i b u r i e dc h e c k b o a r ds a n db a r r i e ra n ds h i f t i n g - s a n d - s t o pb e l tw i t hh i g h b a n d e dw i c k e r s a n db a r r i e r a n dt h ed i f f e r e n c e so fp l a n t sg o w t hi ne n c l o s e db e l ta l o n gt h et w os i d e so ft h e r o a db yw i n do b s e r v a t i o na n di n v e s t i g a t i o ni nt h ef i e l d t h em o v e m e n to fw i n da n ds a n di n t h ep l a n tc o m m u n i t i e si nt h ee a r l i e rs p r i n gw a st e s t e d ，t h eo b j e t i v ew a st of o r ma ne a r l i e r s t a g ep r o t e c t i n g b e l tf o rt h ep l a n t s e m e r g e n c ea n dg r o w t ha n dt o t e s t a b l i s ht h e s a n d r e s i s t a n ts t a b l ep l a n tc o m m u n i t i e s i tw a st h ev i t a lf u c t i o n a lb e l tw h i c ha c c o m p l i s h p e r m a n e n te c o l o g i c a lp r o t e c t i o ni nt h ep r e s e r v a t i o ns y s t e m 1 a f t e rd e t e r m i n et h ew i n ds p e a do ft w og r o u po fh i g h - b a n d e dw i c k e rs a n db a r r i e r 、i t hd i f f e r e n td e n s i t y ，1 5 ，1 8 ，2 1 ，2 4a n d2 7 s t i c k sp e rm e t e ra n d1 5 ，2 5 ，3 5a n d4 5 s t i c k s p e rm e t e ri nd r i f t i n gs a n d yl a n da n ds e m i f i x e ds a n d yl a n d ，a n ds t u d y i n gt h ew i n ds p e a d v a r i e t y ， r e s i s t i n gw i n de f f e c t sa n dr o u g h n e s sd e g r e eo ft h eh i g h b a n d e dw i c k e rs a n d b a r r i e ， c o m i n gt oac o n c l u s i o nt h a tt h ed e n s i t yo f2 4 - - 2 5s t i c k s m e t e ra n d4m e t e r s b e t w e e nt w os a n db a r r i e r sa l ea p p r o p r i a t e df o r h i g h - b a n d e dw i c k e rs a n db a r r i e r 。 2 s a n d f i x a t i o nb e l t 、撕n l1 2 mx1 2 ms e m i b u r i e dc h e c k b o a r ds a n db a r r i e r ，g r o u n d r o u g h n e s sd e g r e er e a c h e dt o10 8 9 0 2 e m ，a n dr e s i s t i n gw i n de f f e c tr e a c h e d t o4 3 2 9 ，i t h a v ec h a n g e dt h es t r u c t u r eo f s a n df l o w s ，l o w e r e dt h es a n d - t r a n s p o r t a t i o nr a t e 3 s a n db a r r i e r sc o m p o s e do fs a n d f i x a t i o nb e l ta n ds h i f t i n g s n d s t o pb e l t ， i t s r e s i s t i n gw i n de f f e c tr e a c h e dt o5 4 4 、7 6 5 、6 4 、6 2 3 ，a n dg r o u n dr o u g h n e s sd e g r e e r e a c h e dt 0 7 5 6 c m ，1 2 1c m ，1 2 5 c m ，5 9 4 c mi ng e n t l e - s a n dl a n d ， e x c a v a t i o ns e c t i o n ， p o w e r f u lb l o w i n gt e r r i t o r y ，w i n de r o s i o np i ta tt h et w os i d e so fh i g h w a yr e s p e c t i v e l y t h e s h i f t i n g s n d s t o pb e l ts t o pt h es a n dw i t h i n2 3m e t r e sw i d t hi nt h ef r o n to f5 0m e t r e sw i d e s h i f t i n g - s n d - s t o pb e l t 4 s a l i xg o r d e j e v i i ， c a r a g a n am i c r o p h y l l a ，h e d y s a l u mi a e v e a g r o p y r o n d e s e r t o r u m ， m e l i l o t u s a r t e m i s i a a s t r a g a l u sa d s u r g e n s ，t h e i rs u r v i v a lr a t ea n d p r e s e r v i n gr a t ea r e9 0 4 a n d9 3 9 r e s p e c t i v e l y 。t h et h i r dy e a ra f t e rp l a n t e d ，s a l x g o r d e j e v i i ，h e d y s a l u ml a e v eg r o w t hh 邑i g h ta r e14 7 c ma n d18 2 c m ，t h e ya r eh i g h e s tt l a y e r i nt h ec o m m u n i t y a r t e m i s i a ，a s t r a g a l u sa d s u r g e n s ，c a r a g a n am i c r o p h y l l ag r o w t h h e i g h ta r e4 3 - 5 8 c m ，t h e ya r et h em i d d l el a y l e ri nt h ec o m m u n i t y a g r o p y r o n d e s e r t o r u mg r o w i n g3 2 c mh e i g h t ，i ti st h el o w e s tl a y e ri nt h ec o m m u n i t y 5 i nt h ee n c l o s i n gb e l t ，t h en e wp l a n t sr e a c ht oa b o v e10s p i e c e s ，p l a n t sd e n s i t y r e a c ht o2 6i n d i v i d u lp l a n t s m 2 ，t h ec o v e r a g ei n c r e a s e d12 3 6 w i n d s p e a dv a r i e t i e si nt h ef i x i n g - s a n dp l a n tc o m m u n i t i e sa r en o n l i n e a re n t i r e l y ， e s p e c i a l ya t 6 0 c ma n d2 0 c mh e i g h ti nt h ec o m m u n i t i e s ：w i n d v e l o c i t yd e c r e a s e e x p o n e n t i a l l y ( r 2 主0 9 1 ) o rd e c r e a s s ea c c o r d i n gt op o w e rf u n c t i o n r 2 至( 0 7 0 ，0 9 7 ) 】 o rp o l y n o m i a l l y ( r 2 = o 9 8 ) i nt h eb i g e s tw i n ds e a s o na tw i n t e ra n ds p r i n g r e s i s t i n g w i n de f f e c to ft h ec o m m u n i t i e sd e c r e a s ef r o m6 0 t o2 5 w i t ht h e g r a d i e n ti n c r e a s i n g f r o m12 。t o2 6 。，r o u g h n e s sd e g r e ed e c r e a s ef r o m14 4 c mt o1 4 c mc o r r e s p o n d i n g l y k e y w o r d s ：o t i n d a gs a n d yl a n d ；b l o w ns a n dd i s a s t e rt oh i g h w a y ；h i g h b a n d e dw i c k e rs a n d b a r r i e r ；s e m i - b u r i e dc h e c k b o a r ds a n d b a r r i e r ；s a n d - f i x i n gc o m m u n i t y ； s t r u n c t u r eo f c o m m u n i t y ；r e s i s t i n gw i n d e f f e c t s d ir e c t e db y ：p r o f g a oy o n g a p pi ic a n tf o rd o c t o rd e g r e e ：w ud u n yin g ( s o i la n dw a t e rc 彻s c r v a t i 鲫dd | 蹴l t i f i c 鲥 c o n t r 0 1 ) ( c o l l e g eo f e c o l o g ya n de n v i r o n m e n t a ls c i e n c e i n n e rm o n g o l i a a 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 t0 1 0 0 1 8 c h i n a ) 插图和附表清单 1 图1公路高人沙丘挖方段流动性人型路堑内侧沙质陡边坡照片_ 1 2 幽2试验研究线路。l7 3 幽3公路防护带的结构2 l 4 图4 流动沙地单道高立式柳条沙障风速测定方位图2 3 5 图5半捌定沙地单道高立式柳条沙障风速测定方位图2 4 6 图6多道高立式柳条沙障不同高度风速变化。3 0 7 图7多道高立式柳条沙障地表祖糙度3 l 8 图8多道高立式柳条沙障不同观测点防风效能的变化3 l 9 图9 半隐蔽式方格沙障固沙带内不同观测点不同高度风速变化曲线：3 4 1 0 图l o 半隐蔽式方格沙障地表租糙度柱状图3 4 1 1 图l l半隐蔽式方格沙障不同观测点不同高度风速变化3 5 1 2 图1 2 半隐蔽式方格沙障不同观测点防风效能3 6 1 3 图1 3平缓流沙地沙障带不同高度不同观i 9 1 0 点风速变化3 9 1 4 图1 4 平缓流沙地沙障带不同高度不同观测点风速变化3 9 1 5 图1 5 平缓流沙地沙障带不同观测点地表粗糙度变化4 0 1 6 图1 6平缓流沙地沙障带不同高度不同观测点防风效能变化4 l 1 7 图1 7旷野风速为1 1 4 m s 时的平缓沙地沙障带风速流场图4 l 1 8 图1 8 挖方段大型路堑内侧沙质陡边坡固沙带4 2 1 9 图1 9 挖方段沙质陡边坡沙障带不同高度不同观测点风速变化4 3 2 0 图2 0 沙障带在挖方段沙质陡边坡地表粗糙度的变化4 3 2 1 图2 l风口地段沙障带内2 0 0 c m 和2 5 c m 高处风速变化4 6 2 2 图2 2 风口地段沙障带内不同观测点地表粗糙度变化4 7 2 3 图2 3旷野风速为8 9m s 时沙障带风口地段风速流场图4 8 2 4 图2 4 沙障带内风蚀坑不同高度不同观测点风速变化5 2 2 5 图2 5 ，沙障带在风蚀坑的地表租糙度。5 2 2 6 图2 6 固沙网近景照片7 3 2 7 图2 7 固沙网远景照片7 3 2 8 图2 8 大型路堑内侧沙质陡边坡( 阴坡) 植物群落种群重要值8 8 2 9 图2 9 大型路堑内侧沙质陡边坡( 阳坡) 植物群落种群重要值8 9 3 0 图3 0 路堑内侧沙质缓边坡( 阳坡) 植物群落种群重要值9 0 3 1 图3 l 路堑内侧沙质缓边坡( 阴坡) 植物群落种群重要值9 0 3 2 图3 2 路堤背风侧平缓流沙地植物群落种群重要值9 i 3 3 图3 3路堤迎风侧平缓流沙地植物群落种群重要值9 l 幽3 4公路南侧取十地段植物群落种群重要值9 2 幽3 5 不同地段类型群落中植物生活型结构9 6 图3 6 路堤迎风侧平缓流沙地枯立群落不同观测点风速曲线1 0 3 图3 7 路堑内侧沙质缓边坡( 冈i 坡) 枯立群落不同观测点风速曲线1 0 6 图3 8 路堑内侧沙质缓边坡( 阴坡) 枯立群落不同观测点风速曲线1 0 7 图3 9 路堑内侧沙质陡边坡( 阴坡) 枯立群落2 0 e r a 和6 0 c m 高处风速曲线1 1 2 图4 0 路堑内侧沙质陡边坡( 阴坡) 桔立群落1 0 0 e m 和1 5 0 e r a 高处风速曲线1 1 3 图4 1路堑内侧沙质陡边坡( 刚坡) 枯立群落2 0 c m 和6 0 c m 高处风速曲线1 1 4 图4 2 路堑内侧沙质陡边坡( 阳坡) 枯立群落l o o e m 和1 5 0 c m 高处风速曲线1 1 4 4 3 表1 4 4 表2 4 5 表3 4 6 表4 4 7 表5 4 8 表6 4 9 表7 5 0 表8 5 1 表9 5 2 表1 0 5 3 表l l 5 4 表1 2 5 5 表1 3 5 6 表1 4 5 7 表1 5 5 8 表1 6 5 9 表1 7 6 0 表1 8 6 1 表1 9 6 2 表2 0 6 3 表2 i 6 4 表2 2 6 5 表2 3 6 6 表2 4 2 0 0 4 年1 一1 2 月气候情况1 8 2 0 0 5 年1 6 月气候情况1 8 流沙地不同密度单道高立柳条沙障2 5 c m 较2 0 0 c m 风速降低百分比2 6 流沙地不同密度单道高立式柳条沙障地表粗糙度比较2 6 流沙地不同密度单道高立式柳条沙障防风效能比较。2 7 半| 司定沙地不同密度单道高立式柳条沙障2 5 c m 较2 0 0 c m 高处风速降低百分比 2 ； 半固定沙地不同密度单道高立式柳条沙障地表租糙度2 9 半固定沙地不同密度单道高立式柳条沙障防风效能比较2 9 半隐蔽式方格沙障输沙量测定表3 7 挖方段沙质陡边坡( 背风坡) 沙障带内输沙量测定表( g c m 2 m in ) 4 4 风口l 号样地输沙率( g e r a 2 r a i n ) 4 8 风口2 号样地输沙量( g c m 2 min ) 4 9 障内与障外当年植物成活率、昱年保存率对照表6 l 固沙植物高生长调查表6 3 生长第三年地径灌幅调查表6 3 围栏内沙障带植物种类及生长势6 5 围栏内封育带内植物种类及生长势6 6 围栏外植物种类及生长势6 7 封育区内外群落植物种的组成差异6 8 封育区内外植物生长高度的差异6 8 封育区内外主要植物种群株丛地径差异6 9 封育区内外主要植物种盏度的差异6 9 防护带内外沙地机械组成统计表7 0 防护带内外沙地养分分析7 l 弘 骑 弘 勰 势 钮 乾 6 7 表2 5 6 8 表2 6 6 9 表2 7 7 0 表2 8 7 1 表2 9 7 2 表3 0 7 3 表3 l 7 4 表3 2 7 5 表3 3 7 6 表3 4 7 7 表3 5 7 8 ：表3 6 7 9 表3 7 8 0 表3 8 8 1 表3 9 8 2 表4 0 8 3 表4 l 8 4 表4 2 8 5 表4 3 8 6 表4 4 8 7 表4 5 8 8 表4 6 8 9 表4 7 9 0 表4 8 9 1 表4 9 9 2 表5 0 9 3 表5 l 9 4 表5 2 9 5 表5 3 9 6 表5 4 9 7 表5 5 9 8 表5 6 9 9 表5 7 l 表5 8 1 0 1 表5 9 不同防护措施十壤水分含量对照表7 2 州沙网、半隐敞式方格沙障及对照裸沙地风蚀量和积沙量表7 4 出苗情况观测结果：。7 5 第二年植物保苗、生长情况调查7 5 人型路堑内侧沙质陡边坡( 研i 坡) 群落数量特征统计表7 9 大型路堑内侧沙质陡边坡( 阳坡) 群落植物种群重要值7 9 路堑内侧沙质缓边坡( 阳坡) 群落数量特征统计表- 8 0 路堑内侧沙质缓边坡( 阳坡) 群落植物种群重要值8 l 路堤迎风侧平缓流沙地群落数量特征统计表8 l 路堤迎风侧平缓流沙地群落植物种群重要值8 2 大型路堑内侧沙质陡边坡( 阴坡) 群落数量特征8 3 大型路堑内侧沙质陡边坡( 阴坡) 群落植物种群重要值8 4 公路南侧取土地段群落数量特征统计表8 5 公路南侧取土地段群落植物种群重要值8 5 路堑内侧沙质缓边坡( 阴坡) 群落数量特征统计表8 6 路堑内侧沙质缓边坡( 阴坡) 群落植物种群重要值8 6 路堤背风侧平缓流沙地群落数量特征统计表8 7 路堤背风侧平缓流沙地植物群落种群重要值8 7 一年生植物在不同植物群落中的重要值9 3 植物种在不同地段类型群落中生活型结构分析9 6 路堤迎风侧平缓流沙地枯立群落风速观测换算值表。1 0 3 路堤迎风侧平缓流沙地枯立群落各观测点地表粗糙度。1 0 4 路堤迎风侧平缓流沙地群落不同高度防风效能1 0 4 路堑内侧沙质缓边坡( 阳坡) 枯立群落风速观测换算值表。1 0 5 路堑内侧沙质缓边坡( 阴坡) 枯立群落风速观测换算值表。1 0 6 路堑内侧沙质缓边坡( 阳坡) 枯立群落风速观测值表。1 0 8 路堑内侧沙质缓边坡( 阳坡) 枯立群落各观测点地表租糙度1 0 8 路堑内侧沙质缓边坡( 阴坡) 枯立群落风速观测值表。1 0 9 路堑内侧沙质缓边坡( 阴坡) 枯立群落各观测点地表粗糙度。1 0 9 路堑内侧沙质缓边坡( 阳坡) 群落不同高度不同观测点防风效能。1 1 0 路堑内侧沙质缓边坡( 阴坡) 群落不同高度不同观测点防风效能1 1 0 路堑内侧沙质陡边坡( 阴坡) 枯立群落2 0 c m 和6 0 c m 高处风速观测值表i i i 路堑沙质陡边坡( 阴坡) 枯立群落l o o c m 和1 5 0 c m 高处风速观测值表1 1 1 路堑沙质陡边坡( 阳坡) 枯立群落2 0 c m 和6 0 c m 高处风速观测值表1 1 1 路堑沙质陡边坡( 阳坡) 枯立群落l o o c m 和1 5 0 c m 高处风速观测值表1 1 2 1 0 2 表6 0 1 0 3 表6 l 1 0 4 表6 2 1 0 5 表6 3 1 0 6 表6 4 l 眠表6 5 大型路堑内侧沙质陡边坡( 阴坡) 枯立群落地表粗糙度1 1 5 大型路堑内侧沙质陡边坡( r l 坡) 枯立群落地表粗糙度。1 1 6 公路南挖方段沙质陡边坡背风侧群落不同高度不同观测点防风效能1 1 7 公路北挖方段沙质陡边坡迎风侧群落不同高度不同观测点防风效能1 1 7 公路南侧挖方段沙质陡边坡背风侧群落输沙量( g ) 1 1 8 不同地段枯立群落基本特征与基本防护作用对比表1 1 9 内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 盈；! 堑2 墓 日 期： 童翌2 ：! 兰 导师指导研究生学位论文的承诺 i 本人承诺：我的研究生蓥! 筮塑 所呈交的学位论文是在 我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果。如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处 罚处理并承担相应导师连带责任。 指导教师签名：盘蛭 日 期： 巡：三 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期闻论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文 论文作者签名：刍氢型筻丛指导教师签名：盅建刍 日 期：二竺皿生 内蒙古农业大学博士学位论文 1 s i 言 11 研究背景、目的和意义 浑善达克沙地，是内蒙古自治区血大沙地之一，位于内蒙古自治区锡林郭勒盟 中部并延伸至赤峰市东部，地处京津地区的西北音l ；，是自治区草原畜牧业的重要基 地。由于人口不断增加，气候干旱载畜过重，草场过牧，使天然捎被遭到破坏， 草原生态系统失去平衡造成大面积沙地活化，形成流沙和沙尘。 省际通道的全线按平原微丘区一级公路标准设计修建，计算行车速度1 0 0 k m h ： 路基宽2 jj m ，行车遒宽2 ( 2 37 ；) m ，面层采用沥青砼高级路面。 沙地公路是我国干旱半干旱地区畜牧业生产和经济活动的运输通道，同时也是 煤矿天然气，石油等矿业、能源开发生产主要交通运输线路，是我国经济发展动 脉的重要组成部分，也是我国公路网络化建设规划的重点。 在浑善达克沙地建路选线无法完全避让沙丘而使线路基本平直t 因此沿线频 繁穿越大小沙丘，挖方削坡过程形成大量活化流动沙坡，改动原有地貌t 完全破坏 植被，产生新的沙源；于丘问( 塔拉) 草地段线路南侧( 下风侧) 取土填方填筑 路基，破坏原生植被，形成带状取土风蚀洼地，造成对下风侧居民、农田、草场的 严重沙害。 晃j 絮黧竺导糕黧嚣：黼! 徽黧搿。， 公路建设过程中的弃土堆放、施工机具的碾压形成便道、沙石钢筋储存场、桥 2浑善达克沙地公路沙害综合防治机理与效益研究 涵浇铸混凝土拌合场、仓库工棚等施工用地，破坏地表植被，使地表裸露或固定沙 丘活化，使原本脆弱的沙地生态系统遭到破坏，引发公路沙害和公路沿线环境问题。 加之沙地地表基质疏松，生态系统单一，地形起伏，干旱多风，长期以来人类不合 理土地使用和生产活动以及对荒漠化治理投入的不足，造成严重土地退化、沙化， 沙丘前移埋压农田和草场等，植被一旦破坏后，自然恢复过程极其缓慢，人工恢复 难度较大，但在人为干预下，合理应用防风固沙技术措施和植被恢复技术，能够有 效控制公路沙害，促进植被恢复。 沙地公路建设和正常运营面临的主要沙害是流沙埋压公路，时常阻断交通，磨 蚀路面，增加机械磨损。在风大起沙天气，能见度降低，引发行车事故，增加养 路工作的难度及养护成本。沙丘不断前移侵占公路迫使公路改线，降低行车速度， 加大了行车里程的运输成本。严重的风蚀还会造成路基掏蚀，路肩、路面塌陷，使 得路基结构失稳。路堑边坡出现土体剥落、坍塌、淤积边沟，影响排水，影响行车 安全，严重影响公路正常运营。 由于风沙地区的气候、土壤、水分、地质条件、植被状况各异，农牧业生产方 式不同，风沙对公路的危害程度和方式不尽相同，浑善达克沙地公路沙害防治机 理及效益和防治技术体系的研究，为该地区及类似地区公路建设沙害防治提供科学 依据和可靠实用技术体系，这对于确保该地区公路畅通、生态环境治理和建设、地 区经济发展，产业结构调整，资源开发，实现科学发展的目标具有重要意义。 浑善达克沙地为中温带半干旱大陆性气候。沙地地下水位较高，植物种类丰富， 公路沙害防治的目标和方向，是合理布局沙障带，促进植物的定居和生长，保护沙 地公路两侧建植持续稳定的固沙植被，依靠植被覆盖地表和不同群落植物层片的生 态功能，阻挡气流，消弱风能，降低风速，固定流沙，阻止沙丘前移，达到公路沙 害有效治理持久防护、保证公路持续畅通。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 风沙物理学研究 风沙物理学是工程固沙的理论基础，在风沙流研究方面，对风沙流结构和强度 的研究和沙粒平均轨迹、单颗沙粒跃移轨迹的几何参数以及受力过程等微观研究学 者们作了大量工作。2 0 世纪3 0 年代，拜格诺应用现代流体力学理论，通过风洞实 验和野外验证，于1 9 4 1 年出版了风沙和荒漠沙丘物理学，从而奠定了现代风沙 物理过程研究的基础，标志着风沙物理学的正式诞生。 拜格诺将最终沉降速度小于风力作用所产生的垂直向上速度的颗粒定义为尘， 把风沙运动划分为蠕移、跃移和悬移，拜格诺认为跃移的沙粒占整个风沙流的7 5 8 0 。 3 0 年代到4 0 年代，美国和原苏联爆发的“黑风暴”，推动了对土壤风蚀的进 内蒙古农业大学博士学位论文 3 一步研究，继拜格诺后，美国的c h e p i l 研究了风蚀的物理机制，发现“在特定的雷 诺数范围内升力与水平拖拽力成正比，地表粗糙度越大、升力越大，颗粒的滚动也 会产生次生升力”n 1 。前苏联的兹纳门斯基和雅库波夫在中亚的广大地区建立了尘 暴观测网进行土壤风蚀研究，主要研究“各种粗糙表面的风沙流蚀积规律”乜1 。刘 贤万在j ) ( 1 洞中对沙粒运动中的各种力进行了精确的计算，认为“在沙粒发生跃移之 前存在振动、滚动和滑移等形式，沙粒运动划分为振动、滚动、滑移、跃移和悬移 五种形式”瑚。朱朝云等提出“空气流中的土壤颗粒有3 种运动形式蠕动、跃 移和悬浮，蠕动高度通常在近地表3 m m ，跃移高度因风力和地表状况而异，但9 0 以上在近地表2 0 3 0 c m 高度范围，悬浮高度集中在5 0 c m 高度以上，土壤颗粒的直 径大小与运动形式之间的对应关系为：直径l 0 5 m m 颗粒的运动形式为蠕动，直 径0 5 o 1 m m 颗粒的运动形式为跃移，直径0 1 m m 颗粒的运动形式为悬浮”h 1 。 几十年来有关沙粒的起动机理，中外科学家提出了多种学说，有冲击起动说、 风压起动说、振动说，没有形成统一的意见，但都进行了大量的实验研究，从而进 一步丰富了风沙物学的内容。 沙粒的起动除了受粒径影响外，还与下垫面性质、含水量、盐分、床面坡度和 植被盖度有关。 刘贤万和吴正通过风洞实验发现“起动风速随着沙子的湿度的增加同步增加” 俘1 。植被在沙丘上的生长增加了地表粗糙度，有关研究观测到在沙丘上种草后，地 表粗糙度增大了2 5 倍，摩擦阻力增大，提高了临界起动风速。 哈斯在河北丰宁观测发现“在o - - 2 0 c m 高度内以指数规律递减，在2 0 - 1 0 0 c m 内则以幂指数规律递减”脚。 虽然多数学者对风沙流沿高度分布的实验结果有所不同，差别主要在近床面偏 离指数分布，上部符合指数分布。 农田土壤的风蚀量与风速之间呈指数函数的变化规律，沙地的风蚀量与风速之 间呈幂函数的变化规律。风蚀导致土壤中的细颗粒成分大量损失，这是土壤颗粒粗 化的原因所在。农田土壤的风蚀量与表土层( 3 c m ) 的含水量呈显著的负相关关系： 气流中的沙粒随高度的分布称为风沙流的结构，是气体搬运沙粒的气固两相 流，其结构决定了流沙的输移强度，了解风沙流的结构对于防沙工程的设计具有重 要的意义。有关资料显示9 0 的沙子在0 1 0 c m 输移，在o 1 0 c m 的气流层中， 风沙流的分布有如下重要的特点：第一层的沙量随着分风速的增加而减少，不管风 速如何变化，第二层中的沙量保持不变，占o 1 0 c m 的气流层中总沙量的2 0 ： 平均沙量( 1 0 ) 在3 , - 4 c m 中搬运，不随风速的变化而变化；从第三层起，随着 速度的增加，搬运的沙量也随之增加，他把0 1 e m 层中的沙量和各层的平均沙量 的比值作为风沙流的结构数，用来衡量地表的蚀积状况。 吴正和凌裕泉在研究风沙流的结构时引入了特征值作为判断地表蚀积状况的 4 浑善达克沙地公路沙害综合防治机理与效益研究 数量指标值。中外学者几十年来对风沙运动的研究，在1 9 8 5 年以前主要研究工作 集中于单个沙粒的运动方面，属于风沙运动研究领域的微观方面，把单个沙粒的运 动和风沙流的运动结合起来研究则很少。 风沙流中沙量沿高度的分稚称为风沙流的结构，风沙结构的研究进一步揭示了 地表风蚀、风积的内在动因。风沙流结构的变化受许多因素的影响，地表的粗糙程 度、风速、沙量、沙粒径等。 中外研究成果表明：随着j x l 速的增加，近床面沙层中搬运量占总沙量的比例逐 渐减少，同时增加了上层气流中的沙量。风速不同。总的输沙量也不同：风速增加、 总的输沙量随之增加，下层输沙量减少、上层输沙量增加，风沙流结构的特征值也 增加了，其结果就是风沙流处于不饱和状态，地表的风蚀加强。风沙流中总沙量的 多少也会影响风沙流的结构，总沙量增加，各层的沙量也随着增加，若下层增加， 上层相对减少，风沙流结构的特征值变小，表明风沙流的结构不利于风蚀而造成堆 积。 地表的物质组成、坚实程度、起伏状况及植被盖度都会对风沙流的结构产尘影 响，戈壁姒沙流的总体高度大于流沙地表，和流沙地表不同的是：戈壁地表8 0 沙 量分布在地表2 0 0 c m 的气流层内，而流沙地表8 0 的沙量分布在o 1o c m 的气流 层内。 凌裕泉认为“输沙量是一个重要的物理量和极其有用的工程参数。它是一个复 合向量，具有明显的空间分布的非均一性和随时间变化的非定常性”p ，提出了最 大可能输沙量的工程计算。 几十年来中外学者对其进行了大量的研究，提出了许多输沙量计算的理论和经 验公式，但基本上是在动床的条件下进行的。拜格诺通过风洞实验建立了在风动力 限制条件下的输沙量与风速及沙粒粒径的关系，输沙量与风速的三次方成正比，在 特定风速下输沙量随沙粒粒径的增大而增大，和沙粒粒径的平方根成正比。扎基罗 夫依