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风沙活动是近地面风场与地表物质相互作用的外在表现,是沙漠科学研究的主要组成部分,为风沙地貌形态的塑造提供了动力条件和物质基础。从世界沙海的分布到单个沙丘的形成及其形态、排列方向、运动特征,甚至小尺度沙纹的产生都与不同尺度的风沙活动有关。风沙活动不仅对地质历史时期地貌形态的演化,而且对人类现代时期风沙灾害的形成产生了巨大而深刻的影响。风沙活动强弱取决于区域风况、地表物质组成和下垫面性质三个方面。所以,对风沙危害进行工程防治,首先要了解区域风沙活动特征,包括沙源分布状况、风况特征及其下垫面的性质。
本文以腾格里沙漠东南缘沙坡头地区作为研究风沙活动特征的平台,根据多年风况资料,对区域风场、输沙势和最大可能输沙量进行了初步研究。另外,由于海岸国防设施风沙防治任务的需要,在学习和总结沙坡头铁路防沙体系经验的基础上,通过风洞模拟实验和野外观测,对各种工程防沙措施的防护功能和防沙新材料的推广应用进行了实验观测和研究,进而应用于东南沿海国防设施风沙危害防治,并对防护体系中工程措施的配置、组成及其防护效益进行了研究。初步得出了以下结论:
(1)受大气环流形势的影响,研究区风况具有明显的方向性和季节性变化,主要有来自沙漠外围的西北风、东北风和东南风。西部边缘以西北风为主,东部还受来自阿拉善高原的北风和东南风的影响。冬季盛行西北风,夏季短时期盛行东北风。
(2)沙坡头多年平均输沙势DP为358.7VU,风能属予中能环境(200—399VU)。多年平均方向变率(RDP/DP)值为0.46,属于中比率。年均合成输沙势RDP为164.42VU,集中分布在130—200VU范围内。年均合成输沙方向RDD为134.19。。
(3)格状沙障固沙效果与其孔隙度有很大的关系,在以前扎设格状沙障时,通常考虑更多的是材料问题,而忽视了孔隙度的重要性。所以,在今后采取固沙措施时,除了材料选择以外,孔隙度也是一个关键的指标。对于阻沙栅栏,流体经过栅栏时,栅栏前面有阻滞、抬升和集流加速区,气流越过栅栏后,有减速下降和稳定恢复区等。随进口风速的增大,栅栏顶部集流加速区的高度呈上升趋势。覆网床面各高度层风速分布同样满足对数规律,其粗糙度主要集中在O.3—2.0mm范围内,摩阻速度u*的变化范围主要集中在30-120cm·s-1之间。
(4)根据海岸风沙活动规律及潮汐作用的特点,借鉴包兰铁路沙坡头段风沙危害防治体系的经验,提出了以阻为主,阻固结合,以工程措施为先导,最终以生物措施替代工程措施为目的的综合防治思路。在潮间带设置防浪拦沙堤,拦截沙源和防止海浪对场地固沙设施的冲击破坏:在流沙带设置蜂巢式固沙网,固定就地和来自海滩的沙源;在流沙带两侧布设阻沙栅栏,阻隔侧向沙源;在设施区辅以化学和覆网措施,固定就地起沙并对过境风沙流加以输导。防治体系建立后,不仅对设施区防沙效益非常显著,而且对土壤改良和天然植被的恢复起到了促进作用。
(5)建立了海岸风沙危害防护体系,不仅为国防设施的安全运营提供保障,产生了较高的军事经济效益,而且在学科上拓宽了风沙防治研究的领域,为海岸风沙危害防治提供了理论依据和技术储备。