荒漠化是全球亟待解决的重大环境问题。据统计，中国荒漠化土地和沙化土地面积分别为261.16万 km²和172.12万 km²，占国土总面积的27.02%和17.93%^［1-3］。使用沙障能够在一定程度上减小局部地表风沙流的强度，从而能有效地控制地表风沙和防治沙漠化^［4-8］。尼龙网具有抗老化、抗风沙、工业化生产以及施工便利等优点，在一些风沙灾害比较严重领域，例如工矿、交通、国防等方面，使用尼龙网作为沙障材料能够快速见效^［9-10］。草方格在防风固沙、截留降水、减少水分蒸发以及为沙土提供营养等方面发挥着不可替代的作用^［11］。深入研究荒漠地区双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障的防风效应，很有意义。

针对防风沙流问题，通常采用野外观测、风洞模拟等多种方法，对尼龙阻沙网和草方格的结构进行深入研究^{［10，12-18］}。尼龙网高度、结构、间距、孔隙度等结构因子均对其防风能力具有不同程度的影响。已有研究表明，尼龙网防风栅栏具备疏透和通风两种形式，结构均匀型尼龙网防风栅栏最佳的孔隙度为40%~45%^［9-10］；尼龙网防风栅栏呈结构不均时防风效果不同，Huang等^［19］认为当尼龙网上部孔隙度为0，下部孔隙度为30%时，防护效果最佳。沙障高度与防护距离存在一定联系，王训明等^［20-21］在对塔里木沙漠公路防沙系统效益的分析中发现，在平坦的沙地上，铺设高度为1.1 m的立式尼龙网沙障可以实现约10 m防护范围。尼龙网行数的增加对风速阻碍和降低表现出明显的累加复合变化作用，合理的沙障间距不但有利于防止风蚀沙埋，而且有利于扩大防护范围^［22］。草方格沙障是有效的治沙工程措施，相关研究定量观测草方格内部的流场变化，探讨其防风固沙机制，并取得了较为一致的结论。草方格内存在一系列非均匀分布的涡流，这些涡流会将沙粒携带至草带附近并堆积，促进凹曲面形成^［23-24］。草方格沙障的直接作用是增大地表空气动力学粗糙度，从而显著降低贴地层风速，使之低于起沙风速，维持方格内沙面稳定^［25］。

可见，前人对尼龙网与草方格风沙流场的研究卓有成效。然而，目前研究主要在单一尼龙阻沙网和草方格上，对于尼龙阻沙网-草方格联合沙障的研究还较少。本文通过风洞模拟实验研究不同孔隙度与不同风速条件下双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障防风效能、有效防护范围、风速加速率和风速廓线的变化规律。以期揭示双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障的防风效应，能为沙害防治工程的优化设计、线路工程沙害防治体系以及实际应用提供可靠的基础数据支撑，因此具有重要的理论和工程实践意义。

本研究在甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地开展。风洞为直流下吹式，能够连续调节风速，范围4~35 m·s^-1。结构设计符合低速风洞的要求，可产生稳定流动的气流场，测量精度为±3%~±0.5%。实验段长度为16 m，截面为1.2 m×1.2 m。为了加速风洞内边界层的发育，实验段前端铺设了粗糙元。粗糙元由长10 cm、宽3 cm、高7 cm的海绵块按12 cm的间距规则铺设而成，铺设长度为2.4 m。在实验初始阶段，通过对粗糙元铺设方式的调整，成功实现了对风洞实验段测量区域风场的合理调节，使得该区段内实验涉及0~60 cm高度内的风场结构满足自然条件下的稳定对数廓线风场。在风速测量方面，采用皮托管、微压传感器以及风洞系统配套软件进行测量。

风洞实验的可靠性，必须满足几何相似、运动相似和动力相似。为使研究结果更符合实际工程，本文以S254（尉犁县至且末县）沙漠公路为实例工程背景（图1）。根据野外调查，公路沿线尼龙网高立式阻沙栅栏外露高度为1.0~1.5 m；草方格1 m×1 m，外露20 cm。而草方格与尼龙网、尼龙网间距离因沙丘位置不同、沿线地区不同而有所差别。几何相似是指模型和实物保持固定的比例关系，本研究中不同配置模型都采用1∶10的比例；即用双排尼龙阻沙网模型高度为H（1H=10 cm）的尼龙阻沙网模型模拟1.0 m高的野外尼龙阻沙网工程；草方格由长10 cm、宽10 cm、高2~3 cm麦草制成，并固定在泡沫板上，模型长宽均为1 m。袁鑫鑫等^［26］以40%孔隙度双排尼龙阻沙网、研究距离对防风效应影响时发现当两网间距离为障高5倍时防风效应最优，并且5倍障高下12 m·s^-1的风速有效防护距离为15倍障高。故本实验取两尼龙阻沙网和草方格之间间隔比为5H∶15H。

通过野外气象资料分析，沙漠腹地全年起沙风以中等强度最多，大于10 m·s^-1的大风偶尔可见，最大瞬时风速为14 m·s^-1。当地起沙风速为5 m·s^-1，所以实验前先对风洞进行调试，经过试吹发现，当风速为6 m·s^-1时，沙粒才会蠕移。为了更好地模拟在起沙风速与中高风速下沙障的防风作用，本次实验将通过6、10、14 m·s^-1等3个不同梯度来流指示风速进行实验。在运动相似性方面，主要考虑流态相似性，要求考虑雷诺数Re的大小；3种实验风速下该风洞的雷诺数约为3.79×10⁵~6.25×10⁵，大于临界雷诺数值（3×10⁵~1×10⁷），故本实验具备湍流特征，因此可以满足流态相似性的要求。

本实验不涉及自由表面流动，因此无需考虑弗劳德数；该风洞中没有温度层控制装置，仅模拟中性层条件，可以满足动力相似的要求。

将在指示风速净风环境下（风速为6、10 、14 m·s^-1）测量不同孔隙度（孔隙度为40%、45%、55%）不同位置的风速。实验场景如图2所示。

尼龙阻沙网1置于0点位置，尼龙阻沙网2位于尼龙阻沙网1背风侧5H处，草方格模型起点位于尼龙阻沙网1背风侧20H，终点位于尼龙阻沙网1背风侧30H；尼龙阻沙网1迎风侧测点位置标记为负值，背风侧测点位置标记为正值。气流速度场测点分布如图3所示，每个测点位置风速采集梯度由低到高分别为1、3、5、8、13、20、30、40、60 cm。

在风速为6、10 m·s^-1和14 m·s^-1净风环境下，分别计算各测点在每个观测高度的风速加速率a_imn。该参数的计算公式如下：

式中：i表示风洞实验指示风速（m·s^-1）；m表示布设测点水平相对位置；n表示皮托管各测点高度（cm）；v_imn 表示在指示风速为i的净风环境下坐标为（m，n）点的平均风速（m·s^-1）；v_in 表示在无沙障环境下，各高度n在3种指示风速i下的平均风速（m·s^-1）。

风速加速率是用于衡量气流增强或减弱程度的常见参数，可以有效地显示沙障对气流的影响情况。当a_imn >1.0时，表示沙障对气流具有增强作用；当a_imn <1.0时，表示该沙障对气流具有减弱作用；当a_imn =1.0时，表示风速稳定沙障对气流没有影响^［27］。

防风效能主要用于评价沙障对风速削减程度，体现防风结构的保护能力^［28］。

式中：E_imn 表示指示风速i下位于水平距离m和高度n的防风效能，其数值越大表示防风效应越好；而v_in 和v_imn 的含义与风速加速率公式中相同。

实际应用中，气流带动沙粒90%发生在距地面30 cm以下高度范围内^［29］。因此本文选取5 cm高度（按照1∶10比例即风洞实验50 cm高度）处风速对比防风效能，足以确保超过90%的沙物质运移在此高度之下。防风效能的计算中，有效防护距离指的是气流穿过沙障后恢复到同一高度处时，无沙障内风速的50%所在位置与沙障的距离^［30］。

由图4可以看出，相同10 m·s^-1风速，40%、45%、55%孔隙度的双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障会对风速加速率极值位置以及同一位置风速加速率值产生影响。尼龙阻沙网1前0H~1H高度内，40%孔隙度尼龙阻沙网对气流有良好的削弱作用，并形成风速加速率在0.8以下的面积；相反，45%和55%孔隙度下尼龙阻沙网1前则出现了风速加速率>1.0的加速区，并且加速区范围随孔隙度增加而变大。这表明尼龙阻沙网1前孔隙度越大对气流削弱作用越小。尼龙阻沙网1与尼龙阻沙网2间40%孔隙度时会形成风速加速率值为0.4的闭合等值线，说明两尼龙阻沙网间会形成风速漩涡而使风速显著降低；而孔隙度分别为45%和55%时，两尼龙阻沙网间没有闭合曲线，但是风速加速率等值线最小值分别是0.6和0.8；表明两尼龙阻沙网间气流减弱程度和孔隙度成反比。随距离增大，在孔隙度为40%的尼龙阻沙网2后出现了最小值为0.3的风速加速率等值线闭合处（水平6H，高1H）；而在45%和55%孔隙度下，水平6H、高1H处的风速加速率等值闭合线分别为0.5和0.7；这说明在尼龙阻沙网2后对气流的衰减规律与尼龙阻沙网1后一致，都与孔隙度成反比。尼龙阻沙网2和草方格间及草方格后，孔隙度40%时风速加速率低于0.3的值在水平范围9~34H处；而孔隙度分别为45%与55%时，该现象的范围同为22.5~34H。这表明孔隙度为40%时，尼龙阻沙网2后风速下降幅度大于45%及55%孔隙度。

风速为6、10、14 m·s^-1情况下风速加速率随风速变化的特征存在差异（图5）。孔隙度为40%的双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障在尼龙阻沙网1后方0~1H，由于尼龙阻沙网1、网2阻挡会形成回旋漩涡区域，6、10 m·s^-1风速下漩涡区内的风速加速率小于1，表明该回旋区域内风速受到减弱；然而，在14 m·s^-1风速下该区域的风速加速率却大于1.1，说明该漩涡区内风速有所加强；因此，可以推断随着风速的变大，两尼龙阻沙网之间对气流的阻碍会逐渐变弱，甚至可能出现一定范围的加速区域。在尼龙阻沙网2的后方也出现了风速加速率闭合曲线，6 m·s^-1风速下风速加速率闭合曲线的值为0.2，而在10 m·s^-1和14 m·s^-1风速下会同时出现0.3和0.4的风速加速率闭合曲线，但两者的闭合区域大小存在差异，10 m·s^-1闭合区域的面积大于14 m·s^-1闭合区域的面积。这表明在尼龙阻沙网2后方对气流的减弱效应与两尼龙阻沙网之间对气流的阻碍效果随着风速的变化而一致，即随着风速变大，衰弱效应增强。风速加速率在整个沙障防护区域内也呈现出差异，如在6、10、14 m·s^-1风速下，风速加速率等值线0.3减速区的水平覆盖范围分别为4~35H、9~34H、11~34H；随着风速的增大，减速区的长度逐渐缩小。

根据图6所示，在10 m·s^-1风速下比较5 cm高度处防风效能，发现不同孔隙度的双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障具有良好的防风效能。无论是从尼龙阻沙网1开始，还是尼龙阻沙网之间，以及尼龙阻沙网2后与草方格之间及草方格后，不同孔隙度联合沙障的防风效能变化趋势基本相同。具体而言，对于40%、45%、55%孔隙度的双排尼龙阻沙网，由于其阻挡作用，沙障内部的防风效能在-5~12.5H范围内随距离的变大而逐渐增强，其中12.5H处出现极大值点。而在远离双排尼龙阻沙网沙障12.5~19H处，防风效能随距离的变大而降低。此外，由于草方格的阻挡作用，在比较草方格前后19H与31H处防风效能时，发现不同孔隙度下31H处的防风效能整体上高于19H处，在31H之后防风效能随距离的变大而降低。根据图7所示，在10 m·s^-1风速下不同孔隙度的双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障的平均防风效能存在差别；其中40%、45%、55%孔隙度下联合沙障在整个测量范围内的平均防风效能分别为49.0%、42.0%、32.9%；平均防风效能与孔隙度之间呈负相关关系。

根据有效防护距离的定义，按照50%防风效能进行分析。如图7所示，将双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障的有效防护距离分为草方格前方和草方格后方。在草方格前方40%孔隙度的防风效能整体上高于50%；45%孔隙度的有效防护距离为17.5H；55%孔隙度的防风效能小于50%。在草方格后方3种孔隙度的有效防护距离相差不大，但40%孔隙度的有效防护距离最大，其次是45%，最后是55%。综上分析，当风速恒定时，随着尼龙阻沙网孔隙度的降低，联合沙障的有效防护距离会增加，40%孔隙度的双排尼龙阻沙网-草方格组合沙障具有最长的有效防护距离。

根据图8所示，通过比较40%孔隙度测量范围内5 cm高度处防风效能，发现双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障在6、10、14 m·s^-1风速下的防风效能随着距离的变化趋势基本相似。在-5~5.5H，防风效能整体上随着距离的增加而增大；但在14 m·s^-1风速时，在尼龙阻沙网1后方出现了防风效能负值点，这与之前发现回旋涡流风速加速率大于1.1时的现象一致。不同风速下气流经过尼龙阻沙网2后在5.5~6H内防风效能和距离之间出现了负相关现象，即随着距离增大防风效能会逐渐变小。在尼龙阻沙网2后与草方格前6~19H，防风效能在不同风速下都呈现出随距离变大而先增大后减小的趋势，并且在12.5H处都出现了极大值。草方格及其后方19~45H，防风效能整体变化趋势与不同孔隙度下防风效能变化趋势趋于一致，即先增大后减小。根据图7所示，在测量范围内40%孔隙度的双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障在6、10、14 m·s^-1风速下的防风效能平均值分别为55.1%、49.0%、45.1%；由此可知，来流风速越小，联合沙障的平均防风效能越大。

如图8所示，在上述3组实验风速下，按照有效防护距离对照的50%防护效能标准进行计算，40%孔隙度的双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障后的有效防护距离为6 m·s^-1>9 m·s^-1>14 m·s^-1风速。根据以上分析，风速的增加会对双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障的有效防护距离产生影响，有效防护距离随着风速增大而变短。

为遵循单因素变化原则，选取10 m·s^-1风速，通过风洞实验获得双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障在不同水平位置处的风速廓线数据，具体信息见图9。整体上看，双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障在不同位置的风速廓线均符合空气动力学中的指数分布规律，但在尼龙阻沙网1与尼龙阻沙网2后则出现风速廓线紊乱现象。图9A显示，在尼龙阻沙网1迎风侧-2H的位置，均呈现出符合空气动力学中空洞状态下的风速廓线分布规律；在30 cm高度范围内，使用双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障风速普遍低于空洞风速，这表明来流在尼龙阻沙网1前速度减弱；在同一高度下40%孔隙度的尼龙阻沙网风速小于45%孔隙度，而后者的风速又小于55%孔隙度。图9B显示，在尼龙阻沙网2后水平6H的位置高13 cm内，不同孔隙度下风速廓线均出现了紊乱现象；并且在3种孔隙度下风速低于空洞的高度随孔隙度的变大而减小，这表明双排尼龙阻沙网对气流产生了明显的减速效应。在草方格的影响下进行联合防风效应研究，如图9C与如图9D所示，在草方格前19H与草方格后31H的位置，40%孔隙度的尼龙阻沙网下低于空洞风速高度分别为35 cm和36 cm，45%孔隙度下分别为25.5 cm和32 cm，55%孔隙度下分别为24 cm和27.5 cm；3种不同孔隙度下，草方格前低于空洞风速的高度都明显低于草方格后的高度；这说明草方格的作用增加了高度上的防护效应。在对比-2H、6H、19H、32H等4个位置的结果时，发现在低于空洞风速的高度之内，不同高度的风速整体上呈现40%<45%<55%<空洞的趋势；这表明联合沙障的防风效应随孔隙度增大而逐渐降低，与平均效能研究得出的结论相符。

风沙现象基本原理是由于风力的作用，不同大小颗粒的沙尘会聚集并进行运动。防风效应是用来衡量沙障在背风侧削弱近地表风速能力的强弱程度，防风效应越高沙障对来流风的削弱效果就越强^［31］。可以通过分析各种复合沙障的防风指标来直观评估它们的整体防风效应。在研究联合沙障防风效应时，风速加速率、防风效能、有效防护距离和有效防护高度是主要评估指标。

风速加速率等值线显示，同等风速下当尼龙阻沙网的孔隙度分别为40%、45%、55%时，尼龙阻沙网1前方、尼龙阻沙网1和2之间、尼龙阻沙网2后方以及草方格区域的气流阻塞效应随孔隙度增大整体呈下降趋势。10 m·s^-1风速下40%孔隙度联合沙障在整个测量范围内平均防风效能为45%、55%孔隙度的1.16倍与1.49倍，平均防风效能与孔隙度之间呈负相关；有效防护距离显示，草方格前方40%孔隙度的防风效能整体高于50%，45%孔隙度的有效防护距离为17.5H，55%孔隙度的防风效能小于50%；在草方格后方3种孔隙度的有效防护距离相差不大，但40%孔隙度的有效防护距离最大，其次是45%，最小是55%。综上，随着尼龙阻沙网孔隙度的降低，平均防风效能会增大，有效防护距离会增加。风速廓线分析显示，风速为10 m·s^-1时草方格后31H处低于空洞风速的高度在孔隙度为40%时为尼龙阻沙网2后6H处的1.5倍，孔隙度为45%和55%时分别为1.68倍和1.57倍；这表明双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障的防护效应具有叠加作用。通过上述可知孔隙度越大联合沙障的防风效应越差；此现象的原因在于，尼龙阻沙网孔隙度越小，迎风面积越大，从而增强了阻力，导致碰撞消耗的风能较大；孙涛等^［32］在用疏透度为控制因子进行风洞实验来研究仿真固沙灌木的防风效应时也证实了这种差异，枝条密度越大（孔隙度越低）的仿真固沙灌木防风效应越明显。

据袁鑫鑫等^［26］研究，针对不同间距的双排尼龙阻沙网，测量范围内风速对风场产生的影响规律为：风速变大，加速区范围增大，减速区范围缩小，风影区的缩小现象也更为明显。唐玉龙等^［27］在风洞模拟实验中研究不同结构单排林带的防风效应，也得出了类似的规律；在林带高度相同的情况下，随着进流风速的增加，防风性能和有效防护范围都呈下降趋势。该规律同样适用于本文研究的联合沙障防风效应。研究结果显示，风速加速率、防风效能和有效防护距离受到了风速影响；在孔隙度同为40%时，0.3的风速加速率等值线水平距离长度6 m·s^-1风速下分别为10 m·s^-1与14 m·s^-1的1.24倍和1.35倍；40%、45%、55%孔隙度下联合沙障在6、10、14 m·s^-1风速的平均防风效能与有效防护距离随着风速的增加都逐渐减小。产生这种现象的原因是因为随着风速的增大，气流的动能将增加，导致气流在通过相同孔隙度单位面积的尼龙阻沙网的流量会变大。

在相同孔隙度下，当风速为6、10 、14 m·s^-1时，使用双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障的风速加速率值在同一位置均随着风速的增加而减小；平均防风效能和有效防护距离也会随着风速的增加而降低和缩短。

实验结果表明，40%孔隙度的双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障的风速加速率值小于45%和55%孔隙度，但平均防风效能则大于45%孔隙度和55%孔隙度，用风速廓线分析防护高度结果也表明了40%孔隙度具有更好的防风效应。

使用双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障，草方格后的风速加速率极小值要小于尼龙阻沙网2后，而防护高度则相对较高，由此说明双排尼龙阻沙网-草方格联合沙障防风效应存在叠加。