风沙防治的主要措施为生物措施、机械措施和化学措施^［1-2］。在广大的干旱地区，由于水分缺乏，机械措施应用最为普遍。而在机械措施中，格状沙障具有经济实用、操作简单、效果显著等优点，一直被广泛应用于道路、农田、工矿设施等诸多领域的风沙防治中^［3-10］。格状沙障可以增大下垫面的粗糙度、降低底层风速、减弱输沙强度并形成稳定凹曲面^［11-14］，还可改良沙地土壤和调节局地小气候^［15-19］。格状沙障的防风固沙效益受很多因素制约^［20-21］，但对特定材料和区域而言，沙障布设规格（包括沙障间距及高度）直接关系到防护效益和布设成本，因而确定合理的沙障布设规格尤为重要。

由于防沙任务的紧迫和观测资料缺乏，早期的防沙实践中大多依据经验采取1.0 m×1.0 m规格，沙障出露高度一般为15~25 cm^［22-23］。近年来，国内外学者相继利用野外观测和数值模拟等手段对沙障规格的合理设置方法开展了探讨^［24-29］。常兆丰等^［24］通过现场调查，计算得到了黏土沙障和麦草沙障的适宜间距，指出10~20 cm高的沙障能有效防风蚀和限制风沙运动。屈建军等^［25］通过野外观测，提出风蚀深度与格状沙障的边长之间始终保持1∶10~1∶8的稳定比例关系。Qu等^［26］指出1 m×1 m、1.5 m×1.5 m、2 m×2 m草方格具有十分显著的防沙效果，0.5 m×0.5 m的草方格不仅费工费料，而且防风固沙效果欠佳。王振亭等^［27］根据涡流特点，提出涡列模型，并利用流体力学的分析方法，得到了不同草头高度所对应的最大草方格规格。Bo等^［29］则通过计算流体动力学方法，研究了秸秆方格护栏带风速的空间变化以及方格尺寸和特性对风速的影响状况，发现秸秆高度和叶面积密度对风速的空间变化的影响十分显著。上述研究均取得了一定的成果，但由于野外观测的沙障宽高组合类型有限，而数值模拟中边界条件与实际情况存在差异，不同规格沙障对防风效能的影响并未得到完全解决。基于此，本研究通过系统性的风洞试验，测量了4种沙障高度、6种沙障高度与间距比，共24种组合下不同水平位置和高度的风速，分析其流场特征及风速廓线变化情况，揭示不同沙障高度与间距之比对沙障防风效能的影响，以期为今后机械防沙措施的科学配置提供参考。

风洞试验在中国科学院西北生态环境资源研究院敦煌戈壁生态与环境研究站风洞开展。该风洞试验段长12 m，横断面0.63 m×0.63 m，为直流闭口吹气式风洞，风速可以在0~18 m·s^-1调节。选用材料为孔隙度35%的植物纤维网沙障，由于风洞试验段长度限制以及考虑风洞边界层影响，试验设计的沙障模型采用2、4、6、8 cm等4个高度（H）。为了进行系统的对比分析，根据沙障高度（H）与沙障间距（L）之比（即H/L），设计了6种规格的行列式沙障模型，即H/L值分别为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3（表1）。

沿风向共扎设2道沙障，并将其固定于床面（图1）。试验过程中，使洞体内试验床面与风速廓线仪的底部处于同一高度，之后对高度为0.5、0.9、1.5、2.2、4.3、8.3、12.3、16.3、20.2、24.2 cm等位置的风速进行测量。风速测量采用“X”型毕托管，其误差小于0.15%。每次试验将毕托管固定到相应位置，在风速测量时将其与压力传感器连接，并将压力感应信号通过数据采集仪直接储存到计算机上。风速数据由CR1000数据采集仪自动记录，数据采集仪记录间隔为1 s，每次记录时长为40 s，最后对每次记录风速的平均值进行分析。风洞最大可调风速为18 m·s^-1，而在野外环境中，大部分起沙风速低于10 m·s^-1。为了确保试验数据的可比性和分析的一致性，风洞试验的入口风速统一采用10 m·s^-1。

以第一道沙障所在位置为0，该沙障上风向的测点为负值、下风向的测点为正值，水平测点位置用沙障高度H的倍数表示。在每种规格沙障模型的-20H、-10H、-5H、-3H、-2H、-1H、1H、2H、3H、5H、10H等位置以及两道沙障前后均分别布设测点，同时在两道沙障中心位置根据实际距离增设测点（图1），整个试验共开展了24种组合400余次测试。

防风效能是指设置沙障之后对近地表风速削弱的能力，是一种较直观的评价沙障防护效益的指标：

式中：E_h 为高度h处的防风效能，单位为%；Vh0为指示风速在高度h0处的平均风速，单位为m·s^-1；Vh为各个测点在高度h处的平均风速，单位为m·s^-1。

从图2可以看出，4种高度沙障均呈现出较为相似的流场结构，根据气流经过沙障时流场特点，可依次划分为障前减速区、遇阻抬升区、集流加速区和沙障内部涡旋减速区等4部分。在第一道沙障的迎风侧，近地表气流遇沙障阻滞减速，在障前近地表处其能量损失。随着距离沙障越近，气流遇沙障阻挡从而沿沙障向上爬升至障顶汇聚，在上部形成一个明显的加速区域。当沙障高度与间距比大于0.1时，气流被迫抬升0.5H高度，在沙障高度上方0.5H区域内，气流波动剧烈，等值线分布密集。气流越过沙障时加速、分离，一部分气流受到沙障的挤压抬升被引向上方，另一部分气流则通过沙障网孔到网后，导致沙障后的风速迅速降低。

对所有高度沙障而言，在第一道沙障近地表都会产生风速高压区，且H/L越大，风速高压区范围越大，所有沙障高度与间距之比为0.3的沙障都存在明显的风速高压区。H/L为0.1、0.25的沙障背风侧速度相对较小，H/L为0.05、0.3的沙障背风侧速度相对较大。此外，不同规格的沙障中间涡流影响范围也各不相同，并随H/L增大而减小。比如，当H/L为0.3、0.25、0.2时，在沙障后0.5H至第二道沙障前形成减速区；当H/L为0.15时，减速区出现在沙障后1H~6H处；当H/L为0.1时，出现在沙障后1H~8H处；当H/L为0.05时，在沙障后1H~14H处形成较为明显的减速区。

从图3可以看出，几乎所有规格模型，在距离第一道沙障-2H的迎风侧，气流基本不受沙障的影响，风速随高度的变化呈现对数变化形式。当靠近第一道沙障时，受沙障的阻碍作用，风速变化明显，风速廓线开始偏离对数分布，在第一道沙障前以及两道沙障之间，风速廓线就不再遵循对数分布形式。在第一道沙障前，距离地面高度10 cm以下的风速增大，且随着沙障高度的增加风速增长梯度增大，高度4 cm及以上规格的沙障均会出现速度超过初始风速的现象。沙障高度4、6、8 cm时，速度最大值分别为10.51、10.70、11.54 m·s^-1。

从图3还可以发现，在-2H~-0.5H位置廓线开始偏离对数分布，-0.5H至第一道沙障前位置，距离地面10 cm以下的风速受沙障影响，风速显著增大，廓线形态大致变化为“S”形。在一定沙障高度下，随着H/L值的增加，沙障后的风速减弱程度较大，但减弱程度没有呈绝对增加的规律。沙障高度较低时，不同规格沙障主要在沙障中心出现最小平均风速。随着沙障高度的增加，则主要在沙障中心与第二道沙障之间出现最小平均风速。

由于整个试验过程涉及的沙障规格众多，每组试验水平位置测点较多，限于篇幅，本文着重计算了不同规格沙障距地面10 cm内几个关键位置的平均防风效能。

从表2可知，不同规格沙障基本在沙障中心取得防风效能最大值，在测量范围内，对于相同H/L的沙障而言，随着沙障高度的增加，防风效能也呈现一定的增加趋势。相较于其他沙障高度与沙障间距比的沙障配置，H/L为0.05的沙障在沙障中心的平均防风效能为69.60%，而在第二道沙障前的防风效能急剧下降，平均防风效能仅为39.20%，这说明对同一高度沙障来说，沙障间距设置不能过大，否则防风效能会大打折扣。

从图4不难看出，H/L为0.25的沙障整体防风效能最佳，达到63.51%，H/L为0.1的沙障次之，为58.74%，而H/L为0.05的沙障防风效能最差，仅为55.72%。这表明，当沙障间距一定时，其出露高度不能过低或过高，否则不仅难以达到预期效果，而且可能造成浪费，这一结论与Qu等^［26］野外观测结果相吻合。

不同规格的沙障具有相似的流场结构，依据功能可划分为障前减速区、遇阻抬升区、集流加速区和沙障内部涡旋减速区等4部分，在第一排沙障近地表都会产生风速高压区，H/L值越大，风速高压区范围越大，且沙障中间的涡流影响范围随H/L增大而减小。受沙障影响，不同位置风速廓线呈现不同形式。在距离沙障较远的上风向，风速廓线呈现对数变化形式，当靠近沙障时，风速廓线开始偏离对数分布，第一道沙障前，距离地面高度10 cm以下的风速增大，且随着沙障高度的增加风速增加值增大，两道沙障之间的风速廓线呈现不规则变化。防风效能计算结果表明，不同规格沙障基本都在沙障中心取得防风效能最大值，在测量范围内，随着沙障高度的增加，防风效能也呈现一定的增加趋势。H/L为0.25和0.1的沙障防风效能较高，而H/L为0.05的沙障防风效能不理想。

需要指出的是，对既定区域来说，沙障的防风固沙效果受制于材料、沙障规格及下垫面条件等综合因素，由于工作量较大，本次试验未能开展不同下垫面方面的模拟。此外，不同地区的地貌特征、气候环境等因素具有较大差异，故沙障规格的选择没有普遍适用的法则，而是需要依据当地实际情况，并结合具体防沙需求及材料成本等因素综合考虑。