草方格沙障高度与间距对防沙固沙效果的影响研究
柳军 肖玉濮 于曙华 周孟坤
摘要：为有效解决沙漠公路风沙防护难题，文章依托新疆乌尉沙漠公路建设项目，采用Fluent有限元软件建立了草方格沙障数值模型，研究不同芦苇高度、不同草方格间距对草方格沙障防沙固沙效果的影响。研究结果表明：风沙跃迁率与芦苇高度成正相关，而与草方格间距成负相关;考虑防沙固沙效果与工程经济效益，推荐了适用于南疆沙漠地区草方格沙障的最优规格：芦苇高度为20 cm，草方格尺寸为1 m×1 m。
关键词：草方格沙障;数值模型;防沙固沙效果;风沙跃迁率;最优规格
0 引言
土地沙漠化是人類面临的一个重大的生态环境问题，我国土地沙漠化发展迅猛，形势异常严峻。新疆乌尉公路项目处于新疆沙漠地区，风沙对公路沿线有很大危害，主要造成沙埋和风蚀等问题。目前对沙漠公路风沙防护的措施有工程防沙[1-2]、化学固沙[3-4]、植物固沙[5]等，其中对植物固沙研究较多。20世纪初期我国就开始进行植被恢复，并研制新植物防护技术。吴启东[6]采用芦苇等材料制作了草方格沙障，在沙区扎成方格状屏障用于防沙固沙，研究证明该技术是一种经济实用、效果显著的技术措施。凌裕泉[7]通过理论模型得出草方格沙障内最大风蚀深度和草方格间距的解析关系式，进而分析了草方格沙障的防护效益。王振亭和郑晓静[8]利用单排理想涡列模型模拟风沙流场，并给出了草方格沙障的建议间距。刘贤万[9]对草方格沙障进行了风洞实验，将实验结果与理论模型进行了对比分析。然而由于草方格沙障内风沙流场的复杂性与不确定性，单从理论解析、试验研究方面难以进行动态准确分析。
因此，本文采用数值模型方法分析了不同芦苇高度、不同草方格间距对草方格沙障风沙跃迁率的影响规律，进而综合考虑防沙固沙效果与工程经济效益，给出了新疆乌尉沙漠公路草方格沙障高度与间距的最佳组合。
1 工程概况与模型建立
1.1 工程概况
新疆乌尉公路包PPP项目YSTJ-02标段起讫里程为K37+000～K127+000，全长90 km。项目位于新疆巴音郭楞蒙古自治州第二师境内，线路位于塔里木盆地东北边缘，塔克拉玛干沙漠东北角。线路展布于孔雀河及塔里木河冲积区，局部穿越风积沙漠区。当地春季多风，夏季炎热，干旱、沙尘等灾害性天气较多，对道路施工与服役质量影响较[=XHB（]草方格沙障高度与间距对防沙固沙效果的影响研究/柳 军，肖玉濮，于曙华，周孟坤[=JP2]大。为此，该项目风沙地区公路边坡拟采用芦苇草方格沙障进行防沙固沙处治。
该研究的沙样采自新疆南疆地区东、西部的5个不同区域，每个沙样取表层0～10 cm的沙物质，且每个采样点重复取样3次，以减小试验误差。将野外采集的沙样在实验室阴干，过筛剔除杂物，然后按照四分法对每个土样进行筛选，最后对每粒级筛余的沙样称重并计算百分含量。筛分结果发现施工路段的沙样中细沙含量最高，均值达89.5%，所以在数值模拟中颗粒相选取细沙，这样更具代表性。沙漠中的沙粒由于长时间相互摩擦，以至于表面相当光滑，可将沙粒简化为球形。
1.2 草方格沙障数值模型
风场相大涡模拟方程根据Shao Y.P和Li A[10]提出的紊流运动控制方程结合Smagorinsky基本亚格子应力封闭模型得到;颗粒相控制方程采用黄宁[11]提出的拖曳力表达式;颗粒击溅函数采用Andersion[12]提出的简单击溅函数;结合南疆地区施工经验与气候特点，采用Fluent有限元软件建立数值模型（如图1所示）。模型中风速采用7 m/s。
在以上模型中分别设置6个观测面，各观测面距风沙流起始位置分别为0 m、1.5 m、3 m、4.5 m、6 m、7.5 m、9 m。为定量分析草方格沙障的防沙固沙效果，定义风沙跃迁率W（%）为风沙流场达到稳定饱和状态下单位时间内通过某一观测面的沙粒数目与运动沙粒总数目的比值。
W=Mi/M0（1）
式中：M0——风沙流场中运动沙粒总数目;
Mi——通过第i观测面的沙粒数目。
2 数值模拟结果与分析
2.1 不同芦苇高度草方格沙障模拟结果与分析
由表1、图2可以发现：3种芦苇高度下草方格沙障风沙跃迁率的变化趋势基本相同，均随着起始距离的增加而逐渐降低;前4个观测面的跃迁率下降较快，在第4个观测面处3种芦苇高度下的跃迁率均<10%，且跃迁率趋于平缓。同一观测面下芦苇越高其跃迁率越小，表明其阻沙效果越好。高20 cm、间距为0.75 m草方格沙障的风沙跃迁率稍大于高25 cm、间距为0.75 m的草方格沙障，即两者防沙效果差别很小。但是芦苇越高势必造成材料的浪费和成本的增加，因此综合考虑防沙效果与经济成本，可以确定芦苇高度为20 cm时的草方格沙障更适于工程应用。
由于有草方格沙障阵列的存在，在风吹动下沙粒起跳跃移或被草方格阻挡，从而使沙粒被固留在草方格内而无法再跃移。同时，铺设的草方格沙障大大增加了沙地表面的粗糙度，使风沙流场的黏性作用明显，且高出地表的草方格在风的吹动下不停摇摆，与风场形成对流，减弱风流场的能量，从而实现了草方格沙障的防沙固沙效果。
2.2 不同间距草方格沙障模拟结果与分析
由表2、图3可知，草方格间距对草方格沙障阻沙能力影响较大，整体来说草方格间距越大，其阻沙能力越弱。间距为0.75 m的草方格沙障的防沙效果优于间距为1 m和1.25 m的草方格沙障。间距为1.25 m的草方格沙障在第四、第五个观测面处的跃迁率仍过高，势必造成风沙对新疆乌尉公路的过早沙埋、风蚀等。而在实际施工应用中，间距为0.75 m草方格沙障的相比于间距为1 m的草方格沙障将会大幅增加材料用量和人力成本，但是其阻沙能力并没有大幅度提升。故相比之下，间距为1 m的草方格沙障的防沙固沙效率更高。
2.3 草方格沙障最优规格分析
前文从单一因素分析可初步确定，芦苇高度为20 cm、草方格间距为1 m是草方格沙障的最优选择，但是草方格沙障的阻沙效率是由芦苇高度和草方格间距两个变量共同控制的。为了验证草方格沙障高度和间距的相互影响，建立3种芦苇高度（15 cm、20 cm、25 cm）、3种间距（0.75 m、1 m、1.25 m）组合下的草方格沙障模型，研究草方格沙障在双重变量情况下的阻沙效果。前面分析发现第六观测面的跃迁率能更直观反映草方格沙障的阻沙效果，9个模型在第六观测面的跃迁率见图4。
图4中的每一个点代表在不同高度和间距双重作用下草方格沙障在第六观测面处的跃迁率。从图4可发现，草方格高度越高，间距越小，其阻沙能力越强。综合来看，高度为20 cm和25 cm、间距为0.75 m和1.00 m的4组草方格沙障的风沙跃迁率均不超过1%。为了节约工程成本和施工时间，同时保证良好的防沙效果，故优选草方格沙障规格为：高度为20 cm，间距为1 m。
3 结语
根据新疆乌尉公路防沙固沙工程，对不同高度和间距的草方格沙障进行数值模拟。通过对模拟结果进行分析，发现草方格沙障具有很好的防沙固沙作用，草方格高度和防沙能力成正相关，草方格间距和防沙能力成负相关;考虑到工程成本、施工时间及防沙效果，确定高度为20 cm、尺寸为1 m×1 m的草方格沙障适用于新疆乌尉沙漠公路的防沙固沙工程。
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