双层网盾状沙障防风固沙效益的风洞试验

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00114

双层网盾状沙障防风固沙效益的风洞试验

屈建军^,¹^,², 朱志昊^,¹^,², 李启航¹, 高永平³, 林婷¹^,⁴

1.南方海洋科学与工程广东省实验室（广州），广东广州 511458

2.西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127

3.中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站，甘肃兰州 730000

4.广州大学地理科学与遥感学院，广东广州 510006

Wind tunnel test on windbreak and sand-fixing effect of double-layer net shield sand barrier

Qu Jianjun^,¹^,², Zhu Zhihao^,¹^,², Li Qihang¹, Gao Yongping³, Lin Ting¹^,⁴

1.Guangdong Provincial Laboratory of Southern Marine Science and Engineering，Guangzhou 511458，China

2.College of Urban and Environmental Sciences，Northwest University，Xi'an 710127，China

3.Shapotou Desert Research and Experiment Station，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

4.School of Geography and Remote Sensing，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China

通讯作者: 朱志昊（E-mail： 1019731487@qq.com）

收稿日期: 2025-02-18 修回日期: 2025-05-09

基金资助:

南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才队伍项目. GML20220014

Received: 2025-02-18 Revised: 2025-05-09

作者简介 About authors

屈建军（1959—），男，陕西西安人，博士，研究员，主要研究方向为风沙防治工程E-mail：qujianj@lzb.ac.cn , E-mail：qujianj@lzb.ac.cn

摘要

双层网盾状沙障具有较高的阻沙和固沙效应。对不同孔径单双层网盾状沙障进行风洞模拟试验，对比其流场特征、风沙流结构和蚀积状态。结果表明：（1）网盾状沙障内部形成明显的减速区（0~44 cm），并在后端产生更强的减速区（44~130 cm）。其中孔径2 mm的双层沙障减速效果最显著，比单层沙障形成更大的减速区域，且在不同风速条件下均表现出良好的适应性。（2）网盾状沙障输沙量分布普遍遵循指数衰减规律，双层沙障比单层阻沙效果更优，2 mm孔径的平均阻沙率最大。（3）网盾状沙障内部积沙高度随距离增加而上升，在后端达到最大值，沙障后方积沙高度逐渐降低直至与沙床相平。2 mm孔径双层沙障积沙更集中，积沙高度和区域也随着风速增加而增大。（4）孔径2 mm双层网盾状沙障兼具气流减速、积沙集中等优势，适应不同风速，防风固沙效果最佳。

关键词： 网盾状沙障 ; 孔径 ; 单双层 ; 防风固沙效益

Abstract

The double-layer net shield sand barrier had high sand-blocking and sand-fixing benefits. Wind tunnel simulation tests were carried out on single-layer and double-layer net shield sand barriers with different apertures to compare their flow field characteristics， wind-sand flow structure and state of erosion and deposition. The results showed that：（1） A significant deceleration zone （0~44 cm） was formed inside the net shield sand barrier， and a stronger deceleration zone （44~130 cm） was generated at the rear end. Among them， the double-layer sand barrier with an aperture of 2 mm had the most significant deceleration effect. Compared with the single-layer sand barrier， it can form a larger deceleration area， and showed good adaptability under different wind velocity conditions. （2） The distribution of sediment discharge in the net shield sand barrier generally followed the exponential decay law. The double-layer sand barrier had more advantages than the single-layer sand barrier in the sand resistance effect， and the average sand resistance rate of the 2 mm aperture was the largest. （3） The height of sediment accumulation inside the net shield sand barrier increased with the increase of distance， and reached the maximum at the back end. The height of sediment accumulation behind the sand barrier gradually decreased until it was equal to the sand bed. The sediment accumulation of 2 mm aperture double-layer sand barrier was more concentrated， and the height and area of sediment accumulation also increased with the increase of wind velocity. （4） The double-layer net shield sand barrier with an aperture of 2 mm had the advantages of both airflow deceleration and sediment accumulation concentration. It adapted to different wind velocities and had the best windbreak and sand-fixing benefit. It provided theoretical basis and technical support for the sand control project of sandy islands and turtle spawning grounds in the South China Sea.

Keywords： net shield sand barrier ; aperture ; single or double layer ; windbreak and sand-fixing benefit

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本文引用格式

屈建军, 朱志昊, 李启航, 高永平, 林婷. 双层网盾状沙障防风固沙效益的风洞试验. 中国沙漠[J], 2025, 45(3): 141-151 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00114

Qu Jianjun, Zhu Zhihao, Li Qihang, Gao Yongping, Lin Ting. Wind tunnel test on windbreak and sand-fixing effect of double-layer net shield sand barrier. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(3): 141-151 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00114

0 引言

中国南海有近50个灰沙岛和裸露的沙洲，其中西沙群岛有31个^［1］，虽然面积小，但都是中国领土的重要组成部分^［2-3］，也是众多珊瑚、海龟、海鸟等海洋生物的栖息繁衍地^［4-5］。珊瑚沙岛面积小、生态系统脆弱、易受强风侵蚀，导致近年来海龟栖息沙质海滩流失非常严重^［6-9］，已威胁到海龟生存。如何能更好地固定潮上带的海龟栖息地沙滩，又不影响海龟产卵，是亟待解决的问题。

内陆沙漠治理普遍采用在流沙上设置阻滞风沙流和固定沙面的障碍物^［10-12］，在中国众多风沙防治中取得了成功。包兰铁路沙坡头地段防沙体系采用“以固为主，固阻结合”的策略，在封沙育草带采用高立式沙障进行阻沙，在前沿阻沙带和草障植物带采用草方格沙障进行固沙^［13-15］。敦煌莫高窟崖顶受到多风向的砂砾质戈壁风沙流危害，“以阻为主，充分利用输和导”的策略被应用于此，尼龙网高立式沙障是主要防治措施^［16-18］。塔里木沙漠石油公路借鉴包兰铁路防沙体系经验，采用芦苇和尼龙网高立式沙障阻沙，芦苇草方格沙障作为固沙之用^［19-21］。但南海沙质海滩海龟产卵场，需要可移动的季节性布设，规避海龟产卵期^［22］，急需研发一种可移动、固沙效率高的沙障。

根据岛礁沙滩风速大、湍流强、沙/砾跃移高的特点，我们基于风洞内多层阻尼网的整流设计原理，筛选和设计了双层网盾状沙障（图1），试图达到沙质岛礁海滩稳定和高效积沙的作用。通过对不同孔径（2、3、4、8 mm）的单层和双层网盾状沙障进行风洞模拟试验，对不同风速条件下的流场特征、风沙流结构和积沙状态进行系统分析，揭示网盾状沙障防风固沙机理。研究结果将为网盾状沙障的设计和应用提供重要的参考依据，并为南海沙质岛礁海龟产卵场风沙防治提供科学依据和技术支撑。

图1

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图1 野外网盾状沙障

Fig.1 Net shield sand barrier in the field

1 材料与方法

1.1　试验设计

风洞模拟试验于2024年7月在中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站野外风洞进行，该风洞气流为直流闭口吹气式，可调风速1~40 m·s^-1，测量精度±0.3~±0.5%。实验段横截面1.2 m×1.2 m，长度21 m，边界层最大厚度为0.5 m，配有风速测量仪风速控制平台、多通道防沙风速风压自动采集系统、数码相机、台式计算机和秒表等设备^［23］。

试验材料分别选用孔径为2、3、4、8 mm的圆形盾状金属网（单层和双层，图2），沙障形状为圆台，上圆直径36 cm，下圆直径44 cm，高10 cm。为了研究网盾状沙障对输沙量影响，选取粒径≤0.2 mm沙子铺设成厚度为0.1 m沙床。

图2

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图2 单层（A）和双层（B）网盾状沙障

Fig.2 Single-layer （A） and double-layer （B） of the net shield sand barrier

1.2　数据收集分析

分别选取4组试验风速（6、10、14、18 m·s^-1），使用皮托管对不同高度和水平位置的流场特征进行测定。皮托管设置在风洞横截面中央，垂直方向设定与风洞底面分别相距0.3、0.6、1.1、1.6、3.1、6.1、12.0、20.0、35.0、50.0 cm共10个测量高度。试验过程中皮托管固定，通过移动沙障来改变水平方向流场测点。网盾状沙障前方测点布设在距沙障前缘0.5H、1H、2H、3H、4H、5H、7H、10H、15H处（9个测点；H为沙障高度，H=10 cm）；沙障前缘与后缘间设置6个沙障内部测点，距沙障前缘为0H、0.5H、1H、2H、3H、4H；沙障后方距离后缘0H、0.5H、1H、2H、3H、4H、5H、7H、10H、15H、20H处布设11个测点，共布设26个风速测点（图3）。对于每个风速测量点，风力数据采集的持续时间为30 s，风速记录频率为1 s，每次记录时间为20 s。

图3

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图3 风速测点（A）、集沙仪（B）和插钎位置（C）

Fig.3 Wind velocity measuring point （A）， sand sampler （B） and insertion position （C）

将沙障平铺于10 cm厚的积沙表面，每组试验前，均补充沙样，并用工具刮平，以保证沙床的厚度、长度、表面形态一致。利用直立式集沙仪收集0~60 cm 高度的输沙量，集沙仪有60个集沙口，长1 cm、宽0.5 cm。在沙障中心后2 m处摆放。设置6、10、14、18 m·s^-1 4组试验风速，分别吹蚀10、4、2、1 min。同时以未设置沙障条件为对照，吹蚀条件与设置沙障时相同。每次吹蚀完成后，用千分位天平称取每个高度层收集的沙重。总输沙量（q_z）为不同高度输沙量之和，总输沙量减少率（R_s）^［23］由如下方程表示：

R_{s} = (1 - q_{t g} / q_{t f}) \times 100 %

（1）

式中：q_tg为布设沙障后总输沙量（g·cm^-2·min^-1）；q_tf为无沙障时总输沙量（g·cm^-2·min^-1）。

运用插钎法对网盾状沙障的蚀积情况进行监测，在沙障前端、后端以及内部设置插钎，沙障外部共35根插钎，内部共13根插钎。设置6、10、14、18 m·s^-1 4组试验风速，分别吹蚀10、4、2、1 min，每次吹蚀结束后，根据插钎刻度线确定沙障外部的风蚀积沙高度，4种风速吹蚀后，根据插钎刻度线确定沙障内部的风蚀积沙高度。

2 结果与分析

2.1　风速流场结构特征

图4显示了不同风速下无沙障时的风速廓线，其遵循对数分布，风速与高度之间的关系可以用如下回归方程表示：

图4

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图4 无沙障时风速廓线

Fig.4 Inflow profile without sand barrier

u_{z} = a + b l n z

（2）

式中：u_z 是高度z cm处的风速（单位为m·s^-1）；z是高度（单位为cm）；a和b是回归系数。拟合优度R²>0.95，所有回归关系均具有统计学意义（P<0.001）。

选用风速为18 m·s^-1下不同类型网盾状沙障流场进行对比（图5）。负风速代表逆风气流的出现。气流经过沙障前端时，受到阻碍开始减速，在沙障内部形成减速区（0~44 cm）。气流经过沙障后端，因受到沙障减速作用，在沙障后形成一个最强减速区域（44~130 cm）。随距沙障后缘距离增加，减速作用减缓，风速又回归正常水平。随着网盾状沙障孔径变小，气流的减速效果变强。双层金属网对气流的减速效果强于单层。经过对比，孔径2 mm双层沙障的减速效果最好。

图5

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图5 吹蚀风速为18 m·s^-1时不同类型网盾状沙障流场分布

Fig.5 Flow field around different types of the net shield sand barrier

由不同风速下孔径2 mm双层网盾状沙障的流场图（图6）可知，随着风速增加，沙障后方气流减速变强，减速区域无明显减少。

图6

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图6 不同风速下孔径2 mm网盾状沙障流场分布

Fig.6 Flow field around the net shield sand barrier under different free-stream wind velocities

2.2　风沙流结构特征

风速6 m·s^-1时，集沙仪未收集到沙粒，输沙量为0 g·cm^-2·min^-1。图7为不同风速下无沙障时沙面上方的输沙量分布情况，输沙量随高度的增加而减小，最大输沙量发生在靠近沙面处。对试验数据进行了非线性回归，发现沙面上方的输沙量遵循如下指数衰减函数：

图7

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图7 不同风速条件下无沙障时输沙量分布

Fig.7 The distribution of sediment discharge without sand barrier

q_{z} = c + d e x p (- z / f)

（3）

式中：q_z 代表高度为z cm处的输沙量（g·cm^-2·min^-1）；z代表高度（cm）；c、d和f代表回归系数。

3种风速下拟合优度R²>0.90，所有回归关系均具有统计学意义(P<0.001，表1)。

表1 3种风速条件下无沙障时输沙量拟合结果

Table 1 Fitting results of sediment discharge without sand barrier

风速/(m·s^-1)	c	d	f	R²	P
10	0.002	2.156	2.512	0.990	<0.001
14	0.064	14.941	2.979	0.992	<0.001
18	-0.089	23.085	6.216	0.903	<0.001

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对于不同类型的网盾状沙障，输沙量分布遵循指数衰减规律（图8），拟合方程与式（3）相同。除孔径为2 mm的双层网盾状沙障在10 m·s^-1下的拟合结果外，其余回归拟合优度R²>0.92，且所有回归关系均具有统计显著性（P<0.001，表2）。

图8

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图8 不同类型网盾状沙障输沙量分布

Fig.8 Distribution of sediment discharge in different types of net shield sand barrier

表2 不同类型网盾状沙障输沙量拟合结果

Table 2 Fitting results of sediment discharge in different types of net shield sand barrier

孔径 /mm	风速 /(m·s^-1)	单层					双层
孔径 /mm	风速 /(m·s^-1)	c	d	f	R²	P	c	d	f	R²	P
2	10	0.001	0.277	2.786	0.989	<0.001	-0.001	0.161	5.157	0.645	<0.001
	14	0.042	2.147	3.476	0.976	<0.001	0.034	2.238	2.964	0.984	<0.001
	18	0.287	13.571	3.338	0.979	<0.001	0.235	9.369	3.332	0.980	<0.001
3	10	0.003	0.442	2.652	0.991	<0.001	0.002	0.275	2.924	0.985	<0.001
	14	0.055	2.356	3.871	0.966	<0.001	0.077	1.548	4.693	0.928	<0.001
	18	0.324	10.958	4.811	0.962	<0.001	0.264	6.180	6.337	0.962	<0.001
4	10	0.003	0.487	2.652	0.989	<0.001	0.002	0.336	2.950	0.987	<0.001
	14	0.034	1.449	5.892	0.967	<0.001	0.062	2.029	3.605	0.966	<0.001
	18	0.238	7.212	4.351	0.960	<0.001	0.297	7.907	4.768	0.973	<0.001
8	10	0.002	0.401	2.440	0.991	<0.001	0.001	0.265	2.899	0.993	<0.001
	14	0.052	2.301	3.541	0.959	<0.001	0.033	1.371	4.429	0.973	<0.001
	18	0.271	8.769	4.426	0.956	<0.001	0.197	6.187	5.375	0.965	<0.001

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表3给出了不同风速下网盾状沙障的阻沙率（R_s）。除孔径为4 mm的网盾状沙障外，其余沙障在不同风速下的R_s值双层均高于单层。在不同孔径的网盾状沙障中，2 mm孔径的平均R_s值最大。孔径为2 mm的双层网盾状沙障的R_s值最大，在风速为10、14 m·s^-1和18 m·s^-1时，在距沙障中心下风向2 m处的R_s值分别为84.8%、81.6%和67.8%。

表3 不同类型网盾状沙障阻沙率（%）

Table 3 Reduction percentage of total sediment discharge in different types of net shield sand barrier （%）

孔径 /mm	层数	风速/(m·s^-1)			平均
孔径 /mm	层数	10	14	18	平均
2	单层	83.8	78.4	55.8	72.7
2	双层	84.8	81.6	67.8	78.1
3	单层	74.7	72.6	47.3	64.9
3	双层	82.3	73.1	59.1	71.5
4	单层	71.8	75.8	66.8	71.5
4	双层	78.2	75.6	59.3	71.0
8	单层	80.0	75.3	60.0	71.8
8	双层	84.0	82.0	66.9	77.7

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2.3　蚀积结构特征

对于网盾状沙障，积沙状态可以分为两部分（图9）。在沙障内部，沙粒堆积高度随着距离的增加而增加，在沙障后缘沙粒堆积高度达到最大；沙障后面，沙粒堆积高度随距离的增加而减小，直至一定距离与沙床相等。在6 m·s^-1风速下，未出现蚀积情况。网盾状沙障前缘处在不同风速下积沙高度在0~0.3 mm。

图9

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图9 障内和障后积沙形状

Fig.9 The status of sediment accumulation inside and behind the net shield sand barrier

对不同类型网盾状沙障，沙障后积沙状态有所不同，沙粒集中于沙障后缘（图10）。不同孔径中2 mm沙障积沙最集中，随着孔径增大，积沙变得分散。双层沙障比单层沙障积沙更集中。

图10

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图10 不同类型网盾状沙障障后蚀积分布

Fig.10 Status of erosion and deposition behind different types of the net shield sand barrier

选用孔径2 mm双层网盾状沙障的蚀积分布图对比不同风速下沙障积沙效果（图11）。在10 m·s^-1风速下，蚀积高度大部分在0~0.3 mm。随着风速增加，积沙高度变大，积沙区域增大。

图11

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图11 不同风速下网盾状沙障障后蚀积分布

Fig.11 Status of erosion and deposition behind the net shield sand barrier under different wind velocities

对不同类型网盾状沙障，沙障内积沙状态有所不同（图12）。孔径2 mm单层、双层沙障和孔径3 mm的单层沙障的积沙更均匀且高度较高，积沙效果更好。

图12

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图12 不同类型网盾状沙障障内蚀积分布

Fig.12 Status of erosion and deposition inside different types of the net shield sand barrier

3 讨论

3.1　不同网盾状沙障作用下风速流场特征

气流在经过网盾状沙障时，首先在沙障前缘受到阻碍而减速，形成明显的减速区（0~44 cm），随后在沙障后缘由于沙障的进一步阻碍作用，形成一个更强减速区域（44~130 cm）。这一现象表明，网盾状沙障的结构设计能够有效地改变气流的运动状态^［24］，降低风速，从而减少风沙对地表的侵蚀作用。

进一步分析发现，随着孔径的减小，气流的减速效果逐渐增强。孔径2 mm的双层沙障表现出最佳的减速效果，这可能与双层结构增加了气流通过时的阻力有关。双层金属网比单层金属网，更有效地将湍流规整成平流^［25］，从而形成更大的减速区域^［26］。这种结构优势使得双层沙障在防风固沙方面具有更高的应用潜力。

此外，对比不同风速下孔径2 mm双层网盾状沙障的流场图，发现随着风速的增加，沙障后方气流的减速效果增强，但减速区域的范围并未明显减少。这表明该类型沙障具有良好的适应性，在较高风速条件下仍能保持稳定的防风效果^［27］。这一特性对于应对不同风速条件下的风沙危害具有重要意义，尤其是在风速变化较大的沙区环境中。

3.2　不同网盾状沙障对输沙量影响

输沙量分布普遍遵循指数衰减规律，这与网盾状沙障对风沙流的阻滞作用密切相关。网盾状沙障能够有效降低风速，增加地表粗糙度，从而使沙粒停留在沙面^［28］。拟合方程的一致性表明，不同类型的网盾状沙障在调控风沙流方面具有相似的作用机制，即通过改变风沙流的结构和动力特性来实现输沙量的减少。

在阻沙效果方面，除孔径为4 mm的网盾状沙障外，其余沙障在不同风速下的阻沙率（R_s）均高于单层沙障。这表明双层结构的网盾状沙障在阻沙方面具有明显的优势。双层结构能够通过整流原理，减少风沙流的动能，从而提高沙障的阻沙率^［29］。

在不同孔径的网盾状沙障中，2 mm孔径的平均R_s值最大，较小的孔径能够更有效地降低风速，减少风沙流的携沙能力，从而提高沙障的阻沙效果^［30］。孔径为2 mm的双层网盾状沙障在风速为10、14 m·s^-1和18 m·s^-1时，在距沙障下风向2 m处的R_s值分别为84.8%、81.6%和67.8%，显示出其在不同风速条件下的优异阻沙性能。

3.3　不同网盾状沙障对蚀积影响

网盾状沙障的积沙状态可以分为两部分：沙障内部和沙障后方。在沙障内部，沙粒堆积高度随着距离的增加而增加，这表明沙障前缘能够有效地削减风沙流的能量，使得沙粒在沙障内部逐渐沉积。在沙障后缘，沙粒堆积高度达到最大，这可能是由于风沙流在沙障内部形成涡流，导致沙粒在此区域集中沉积^［31］。随后，沙粒堆积高度随距离的增加而减小，直至与沙床相平，这说明风沙流逐渐恢复动能，带动沙粒运动，沙障在一定范围内有效地发挥了其防护作用^［32］。

在不同类型的网盾状沙障中，障后积沙状态存在差异。2 mm孔径的沙障积沙最为集中，这可能是因为较小的孔径能够更有效地减弱风沙流的携沙能力。随着孔径的增大，积沙变得分散，这表明孔径的增加会降低沙障的阻沙效率^［30］。此外，双层沙障比单层沙障积沙更集中，这可能是由于双层结构增加了对风沙流的阻力，使得沙粒更容易在沙障附近沉积^［33］。

在不同风速条件下，孔径2 mm双层网盾状沙障的积沙效果尤为显著。在风速10 m·s^-1时，积沙高度略有增加，并未出现风蚀。随着风速的增加，积沙高度变大，积沙区域有所增大，这可能是由于风速的增加使得风沙流的动能增大，沙障的阻沙作用更加明显^［34］。

对于不同类型的网盾状沙障，孔径2 mm的单层和双层沙障以及孔径3 mm的单层沙障的障内积沙更为均匀且高度较高，积沙效果更好^［35］。这可能是因为这些沙障的孔径和结构设计能够更好地适应风沙流的特性，使得沙粒在沙障内部均匀沉积。

综上所述，孔径2 mm双层网盾状沙障不仅具有优越的气流减速效果，能够通过整流效应有效降低风速、减少风沙对地表的侵蚀，还展现出良好的风速适应性，在不同风速条件下均能保持稳定的防风性能。此外，其积沙效果更好，能够集中沙粒堆积，增强阻沙效果。这些特性使得孔径2 mm双层网盾状沙障在南海沙质岛礁和海龟产卵场防风固沙工程中具有巨大的应用潜力，为沙区生态环境保护和土地利用提供了有力保障。

4 结论

网盾状沙障通过其独特的结构设计，在内部形成减速区（0~44 cm），并在沙障后端形成更强减速区（44~130 cm）。孔径2 mm的双层沙障表现出最佳的减速效果，相较于单层沙障，能形成更大的减速区域。此外，该类型沙障在不同风速条件下均表现出良好的阻沙作用。

网盾状沙障的输沙量分布普遍遵循指数衰减规律，有效减少风沙流动能。在阻沙效果方面，双层结构的网盾状沙障相较于单层沙障，能够更有效地阻碍风沙流。不同孔径的网盾状沙障中，2 mm孔径的平均阻沙率最大。

网盾状沙障的积沙状态分为沙障内部和后方两部分：内部沙粒堆积高度随距离增加而上升直至后缘最大值，后方堆积高度逐渐降低直至与沙床相平。2 mm孔径沙障积沙集中，双层结构沙障积沙更集中，风速增加使积沙高度和区域增大。

孔径2 mm双层网盾状沙障在流场特征、阻沙率和蚀积状态方面具有优势，在不同风速下均有较好的防风效能，防风固沙效果最佳。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

赵焕庭，王丽荣，宋朝景.

南海诸岛灰沙岛淡水透镜体研究述评

［J］.海洋通报，2014，33（6）：601-610.