中国西北地区受沙漠化影响严重，防沙治沙工作十分重要^［1］，机械沙障是防沙治沙领域应用最广泛的措施^［2］，其作用是增加地表粗糙度，加大风沙与地表的摩擦，防风固沙的同时蓄水保水^［3］。

机械沙障自20世纪以来不断发展进步^［4］，主要体现在两个方面：（1）沙障材料。早期沙障材料的选取使用更多是遵循就地取材的原则，稻草^［5］、沙柳^［6］、芦苇秸秆、向日葵秸秆、玉米秸秆^［7］等生物材料的使用普遍。随着科学技术的发展，化工材料的使用逐渐增多，塑料网格沙障^［8］、高密度聚乙烯（HDPE）网沙障^［9］开始规模化铺设。随着生态环保的重视，生物可降解聚乳酸纤维（PLA）沙障^［10］逐渐规模使用，这种以玉米、小麦等含淀粉作物为原料发酵加工而成的生态环保材料沙障，防风效能显著大于麦草沙障^［11-12］。（2）沙障铺设技术。早期草方格等材料沙障的铺设基本依靠人工，铺设时间长，成本高，效率低。机器的出现逐渐取代人工，铺设效率大大提高，草方格铺设机器人、大型立体固沙车、小型草方格铺设机等机械装备逐渐在各地区应用^［13］，沙障铺设设备正在朝着智能化、数字化发展。

沙柳（Salix psammophila）是常见灌木或小乔木，主要分布于干旱和半干旱地区^［14-15］。沙柳耐旱性强、耐盐碱、繁殖能力强、生态价值高^［16-17］，作为沙障原材料被广泛运用于中国西部防风固沙中^［18-19］。沙柳沙障是机械沙障的一种，兼顾工程治沙和生物治沙功能^［20］，不仅起到了防沙固沙的作用，同时促进沙地植被群落的恢复和生物多样性的发展^［21］。沙柳沙障作为防沙固沙的一种传统方法，在分布沙柳的沙丘低地，就地取材制作沙障，成本效益最大化^［19］。它具有设置的便利性，在防沙治沙中得到了广泛应用。沙柳沙障大范围的集束平铺，结构合理^［22］，防沙固沙效果良好。

集束平铺式沙柳沙障是把沙柳枝条捆扎成集束，摆放在沙面，形成的一种沙障，广泛应用于库布齐沙漠的防沙治沙工作中。与集束平铺式沙柳沙障类似一种沙障是沙袋沙障，沙袋沙障使用可降解材料制作成长条布袋^［23］，袋内充填沙子，平铺在沙面，以降低近地表风速，抑制风蚀作用和沙粒运移，有效固定流沙并提升地表稳定性^［24］。其施工简便，材料成本低，适应性强，可灵活应对复杂地形和气候条件，且降解后对环境无二次影响。

本文研究了集束平铺式沙柳沙障的防沙固沙性能。对该沙柳沙障进行风洞模拟，绘制该沙柳沙障不同间距在不同风速下的风速流场图，同时运用插签法和集沙仪测定不同间距沙柳沙障下的流沙蚀积状态和风沙流结构。风洞模拟研究表明集束平铺式沙柳沙障具有良好的固沙性能。

风洞试验所用沙柳枝条在宁夏中卫沙坡头国家级自然保护区管理局治沙技术研究中心内采取。沙柳三年生枝条长度2.5~3.7 m，根部直径0.9~2.2 cm，平均1.3 cm，一般在1.3 m处长有分枝，侧枝5~7根，长度在0.5~1.0 m。把20根左右的沙柳枝条捆扎为一束，其中10根枝条正放，10根枝条反向，沙柳旁枝不修剪，用铁丝捆扎，捆扎间距1 m，捆扎后的沙柳枝条集束直径10~15 cm。捆扎力度适中，以束间疏透度最大、枝条不掉落、沙柳束不散架为度。在风洞内布置4~6道沙障，规格分别为1 m×1 m、1 m×1.5 m、1 m×2 m（图1）。

风洞模拟试验在中国科学院西北生态环境与资源研究院沙坡头野外风洞实验室进行，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%。试验段横截面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（图2）。

试验分别选取8、12、16、20 m·s^-1风速对流场变化进行测定。在风洞试验开始前，在风洞空洞情况下进行风速测试（图3），以确保试验数据的准确性。流场结构采用皮托管测定，皮托管设置在风洞横截面中央。试验过程中，通过移动皮托管改变流场测点。测点分别为-10H、-8H、-6H、-4H、-2H、-1H、0H、1H、2H、4H、6H、8H、9H、10H、11H、12H、14H、16H、18H、19H、20H、21H、22H、24H、26H、28H、29H、30H、31H、32H、34H、36H、38H、39、40H（1 m×1 m），-10H、-8H、-6H、-4H、-2H、-1H、0H、1.5H、3H、6H、9H、12H、13.5H、15H、16.5H、18H、21H、24H、27H、28.5H、30H、31.5H、33H、36H、39H、42H、43.5H、45H、46H、47H、49H、51H、53H、55H（1 m×1.5 m），以及-10H、-8H、-6H、-4H、-2H、-1H、0H、2H、4H、8H、12H、16H、18H、20H、22H、24H、28H、32H、36H、38H、40H、42H、44H、48H、52H、56H、58H、60H（1 m×2 m）。Ｈ表示沙障高度，取10 cm。对于每个风速测量点，风力数据采集的持续时间为30s，风速记录频率为1s，每次记录时间为20 s （表1）。

为了验证集束平铺式沙障的固沙性能，在风洞地板铺厚度为10 cm的沙层，试验用沙为腾格里沙漠沙。运用插签法对沙障内流沙表面的蚀积情况进行测量，在4道沙障形成的3个方格里沙面上插入带有刻度的竹签，竹签长60 cm，直径0.15 cm，使铁签的0刻度处与沙面平齐。在8、12、16、20 m·s^-1的风速下分别吹蚀10、10、10、5 min（表1）。吹蚀后观察每个铁签沙面处刻度，获得流沙表面蚀积状态。流沙蚀积测点布置如图4所示。

同时，在最后一道沙障后20H安置风洞专用积沙仪（图4），该积沙仪共有60个进沙口，进沙口规格为1 cm×2 cm，可以收集0~60 cm高度处的输沙量。在8、12、16、20 ms^-1风速下分别吹蚀10、10、10、5 min。每次吹蚀完成后，取出集沙仪，逐个称量每个集沙管内收集的集沙质量。

总输沙量（qt）为不同高度输沙量之和，总输沙量减少率（Rs）^［6］由如下方程表示：

式中：qtg为布设沙障后总输沙量（g）；qtf为无沙障时总输沙量（g）。

在不同风速情况下的1 m×1 m的沙柳沙障，每道沙障后都形成明显的降速区，随风速增大而风减效果降低（图5）。在1 m×1 m的沙柳沙障第一道沙障前的0~50 cm处，风速略有下降，下降幅度在0.5~3 m·s^-1。在沙障所在及沙障后100、200、300 cm处，风速都略有上升，上升幅度在1~3 m·s^-1。

在8 m·s^-1风速下，4道沙柳沙障所形成的4个降速区的降速面积很大，降速效果明显，最大降速幅度达3~4 ms^-1，防沙效果好。在12、16、20 m·s^-1风速下，第一道沙障后形成明显降速区，降速区面积大，沙障越往后所形成的降速区面积越小。因此，1 m×1 m的沙柳沙障在8 m·s^-1试验风速中，4道沙障的风减效果都很好，防沙效果好；在12、16、20 m·s^-1试验风速中，前部沙障的风减效果较好，后部沙障的风减效果较差、防沙功能较弱。

在不同风速情况下的1 m×1.5 m沙柳沙障（图6），第一道沙障前0~40 cm处，风速都略有下降，下降幅度在0.5~3 m·s^-1。在沙障所在及沙障后150、300、450 cm处，风速都略有上升，上升幅度在1~3 m·s^-1，上升速度随沙障位置变远而逐渐变小。

第一、二道沙障后0~100 cm处形成明显降速区，而100~150 cm处的降速效果弱；在第三、四道沙障后0~75 cm处形成明显降速区，而75~150 cm处的降速区面积小、降速效果弱；因此，1 m×1.5 m的沙柳沙障在8、12、16、20 m·s^-1风速中，4道沙障后0~75 cm的降速效果较好，防沙功能较强，超过这段距离，风减效果减弱，防沙功能差。

在不同风速情况下的1 m×2 m沙柳沙障（图7），第一道沙障前0~40cm处，风速都略有下降，下降幅度在0.5~4 m·s^-1。在沙障所在及沙障后200、400 cm处，风速都略有上升，上升幅度在1~4 m·s^-1，上升速度随沙障位置变远而逐渐变小。

在8、12 m·s^-1风速，每道沙障后的0~100 cm都有较为明显的降速区，风减效果较好，而100~200 cm范围内降速效果差，防沙功能弱。在16、20 m·s^-1的试验风速中，每道沙障后的0~50 cm都有较为明显的降速区，风减效果较好，而50~200 cm范围内降速效果差，防沙功能弱。因此，1 m×2 m的沙柳沙障在8、12、16、20 m·s^-1风速中，随沙障距离风减效果逐渐减弱，在每道沙障后一定范围内降速效果较好，防沙效果较强，超过一定距离，风减效果减弱，防沙功能差。

运用传统的插签法对集束平铺式沙柳沙障内不同风速下的不同间距沙障的流沙表面蚀积状态进行测量（图8），可以直观地看出集束平铺式沙柳沙障在不同风速下的防沙效果。由于试验的客观原因，在模拟4个风速吹沙的情况下，8、12、16 m·s^-1风速吹沙持续时间都是10 min，而20 m·s^-1风速吹沙持续时间是5 min。

1 m×1 m沙障在每道沙障前后（0~20 cm）表现出堆积形态，在沙障后50 cm处大致达到蚀积平衡状态，形成”凹”形。1 m×1 m沙障在不同风速下基本都呈现堆积形态，8 m·s^-1风速下第一道沙障前存在轻微堆积（0~1 cm），20 m·s^-1风速下第四道沙障前存在轻微侵蚀（0~0.5 cm）。因此，1 m×1 m沙障具有很好的防沙固沙的效果。

1 m×1.5 m沙柳沙障网格在不同风速下吹蚀形成“凹“形。在8 m·s^-1风速下，1 m×1.5 m沙柳沙障内的流沙表面基本没有变化。在12、16、20 m·s^-1风速下，每道沙障两边堆积，中间侵蚀（0~1 cm），第三道沙障前后边缘部分堆积最为严重（0~2 cm）。

1 m×2 m沙柳沙障在每道沙障两侧边缘存在堆积，而两道沙障中间发生侵蚀，形成“凹”形。在8 m·s^-1风速下，流沙表面以侵蚀为主。在12 m·s^-1风速下，每道沙障前后（0~20 cm）形成堆积，第四道沙障后堆积最严重（1.5 cm）。在16 m·s^-1风速下，每道沙障两侧边缘堆积，而两道沙障中间发生侵蚀，形成“凹”形。20 m·s^-1风速下，第一道沙障前侵蚀严重（0~1.6 cm），每道沙障后堆积严重，其中第一道沙障后堆积最为严重，往后堆积轻微。

不同试验风速下的不同规格沙柳沙障，在每道沙障两侧边缘存在堆积，而两道沙障中间发生侵蚀，沙障网格形成“凹”形。在12、16、20 m·s^-1风速下，基本每道沙障下都出现不同程度的掏蚀现象（图9），当风速持续不断时，沙障下部最终被完全掏蚀，沙障下落，沙障旁的流沙由侵蚀转变为堆积，这进一步表明集束平铺式沙障具有较强的防沙固沙能力。

通常情况下，流沙表面单位面积单位时间内输沙量随高度的变化关系呈现指数关系：

式中：qz为高度z cm处的输沙量；z为进沙口的高度；a、b为系数。

图10A为风洞内无沙障的风沙流结构（y轴为lgx刻度），4个风速下集沙量随高度升高而呈现指数下降，拟合公式分别为：qz=17.146e-0.708z、qz=20.485e-0.431z、qz=102.99e-0.284z、qz=187.22e-0.253z。R²分别为0.9996、0.9951、0.9952、0.9979，所有的回归关系均有统计学意义（P<0.01）。

不同规格沙柳沙障在不同试验风速下的集沙量差异大，集沙量随高度最终趋向0（图10B~D）。在8 m·s^-1风速下，集沙量近似于0。在12 m·s^-1风速下，只在0~5 cm高度下存在少量集沙（0~2 g）。在16 m·s^-1试验风速下，集沙量随高度波动下降，在0~5 cm集沙量最多（0~6 g）。在20 m·s^-1试验风速下，集沙量呈现先上升后下降的趋势，1 m×1 m沙障在10 cm进沙口高度集沙量达到最高（13 g），1 m×1.5 m沙障在15 cm进沙口高度集沙量达到最高（6 g），1 m×2 m沙障在20 cm进沙口高度集沙量达到最高（6 g）。

集沙量随高度出现峰值是风沙运动中的典型特征，主要是因为风沙运动的垂直分布特性。沙障尺寸的增大会显著改变风沙流动的分布，增强风沙流动的湍流强度，对风速的扰动范围越大，风速梯度在垂直方向上的变化更显著，使沙粒跃移高度增加，从而导致集沙量峰值出现的高度升高。1 m×1 m沙障在10 cm进沙口集沙量达到最高，1 m×1.5 m沙障在15 cm进沙口集沙量达到最高，1 m×2 m沙障在20 cm进沙口集沙量达到最高。

1 m×1 m、1 m×1.5 m、1 m×2 m沙障在8、12、16、20 m·s^-1风速下，集沙量分别减少100%、79%、72%、51%，100%、94%、89%、74%，100%、78%、76%、78%。

集束平铺式沙柳沙障通过增加地表粗糙度，降低风速^［25］，在每道沙障后形成效果明显的降速区，第一道沙障上方形成明显的喷流区，1 m×1 m沙障、1 m×1.5 m沙障的防风效果较好。风遇到沙障阻碍被迫抬升，在第一道沙障上方出现明显的喷流现象，说明第一道沙障承受到最大的压力，在野外实际防风固沙中应该特别注重加强第一道沙障。每道沙障后形成降速区，每道沙障后降速有效区范围大约为100 cm，其中1 m×1.5 m沙障在每道沙障后的后段降速效果较差，1 m×2 m沙障在每道沙障后的中后段降速效果差。

风洞无沙障风沙流结构呈现随高度指数下降曲线，这一风沙流结构符合一般认知^［26-28］，而风洞沙障风沙流结构完全不同于无沙障风沙流结构。主要原因是沙粒在风的携带作用下随高度而衰减，由于沙障的阻碍作用，沙粒在与沙障的碰撞后飘散到沙障以上高度，造成沙障风沙流结构的紊乱，集沙效果在沙障以上呈现动态分布。

在8 ms^-1试验风速下，沙障的流沙表面蚀积特征不明显；在12、16、20 m·s^-1风速下，堆积发生在沙障边缘两侧，侵蚀发生在两道沙障之间和整个沙障网格的最前方，沙障网格内部形成“凹”面。主要原因是风遇到沙障后紊流，沙障内气旋造成中心部位不断侵蚀，而两侧在沙障的顶托作用下不断堆积，甚至出现掩盖沙障的现象。

集束平铺式沙柳沙障在高度相同的情况下，沙障面积增大，防风固沙的效益逐渐衰落，这一试验结果与直插式沙柳沙障^［29］大体一致。集束平铺式沙柳沙障在风蚀、沙埋、灼芽、成活方面都优于沙蒿直插立式沙障^［22］。沙戈荒地区防风固沙的成本效益尤为重要，集束平铺式沙障将施工方式由“插”变为“铺”^［6］，投入的时间和人力成本大大降低，成本效益远远大于直插式沙障方格。从用料方面来看，直插式沙柳沙障方格1 m所需约80根沙柳枝条，枝条长度约为60 cm（地表20 cm，地下40 cm），而集束平铺式沙柳沙障1 m所需约20根沙柳枝条，枝条长度约为1 m，相同铺设规格的情况下，集束平铺式沙柳沙障更节约用料。从耐久性来看，直插式沙柳沙障受风沙侵蚀和地下腐蚀，而集束平铺式沙柳沙障主要受风沙侵蚀的影响，集束平铺式沙柳沙障更加耐久。

直插式沙障由于其设计是直接插入地面以下，稳定性高的同时也大大增强了地面的粗糙度，有效地降低了近地表风速，起到了防风固沙的效果。但是当风速超过一定阈值，直插式沙柳沙障结构容易受到破坏^［30］，影响固沙效能，同时，插入地下的沙柳枝条容易腐蚀^［31］，若是活性沙柳树苗，在其生长的前期由于其不稳定性容易被大风刮倒，中后期由于环境干旱缺水也影响生长^［32］，进而影响其固沙效果。直插式的稳定性依赖于沙土的侧向土压力，遭风蚀时，失去沙土的支持力，容易倾斜、倒伏、散落（图11）。集束式整体性好，抗风蚀能力高。

集束平铺式沙障属于低立式沙障，加上其独特的网状平铺式布置方式，具有稳定的结构，能够有效地分散气流，增加地表粗糙度，降低风速。直插式沙障在沙丘移动性强的区域由于其结构的限制，影响了长期的固沙效果，但是集束平铺式沙障由于其灵活的结构，能够适应不同的沙地环境。在中低风沙蚀积情况下，集束平铺式沙障以低成本、高效率、灵活性的优点适合规模铺设，而在强风沙蚀积情况下，直插式沙障具有较好的固沙效果，但在考虑长期稳定的固沙效果的情况下，可以结合集束平铺式沙障使用，以提高固沙的效能和结构的稳定性。

集束平铺式沙柳沙障根据其外露高度（10 cm）属于低立式沙柳沙障，防风固沙形态类似于沙袋沙障，沙袋沙障指的是选取合适材料充填流沙而设置的沙障，但是大规模的大规格的沙袋沙障若一定时间内无植被生长，会导致沙障很快失去防护作用^［33］。集束平铺式沙障采用的是沙柳枝条作为原材料，兼顾工程防沙和生物防沙效能，能够促进防沙区域的生物多样性的发展^［21］。

集束平铺式沙柳沙障所用的沙柳枝条主要是就近取材的天然原材料，主要耗费加工人力成本，而沙袋沙障所使用的外层材料是由农副产品加工而成可降解材料^［23］，需要原料成本和加工人力成本，沙柳沙障成本更低。集束平铺式沙柳沙障由沙柳枝条捆扎平铺形成，而沙袋沙障由加工的外层材料就地填充流沙形成，二者劳动强度大致相当。沙柳沙障的防风固沙效果呈现动态特征：前期依赖枝条物理拦截，后期随沙柳等地表植被成活形成“活体沙障”。而沙袋沙障的固沙效益呈静态特征，其效能随沙袋破损率上升而衰减。

集束平铺式沙柳沙障和沙袋沙障在固沙效益上各有优劣。沙柳沙障生态效益显著，适合长期生态恢复；沙袋沙障固沙效果稳定，适合短期工程防护。在短期工程或极端风沙环境优先选用沙袋沙障，而长期生态修复及低成本治理场景更适合平铺式沙柳沙障。在复杂情况下，可通过前沿沙袋+后方沙柳的复合配置或沙袋沙障与沙柳沙障混用，兼顾防护效率与生态可持续性。

在每道沙障后形成效果明显的降速区，第一道沙障上方形成明显的喷流区，1 m×1 m沙障、1 m×1.5 m沙障的防风效果较好。

沙柳沙障在不同风速下的沙面多呈现出侵蚀状态，风速越大，沙柳沙障下的沙面侵蚀变化越大；在沙柳沙障所构成的网格状中，第一格的侵蚀最为严重，随后侵蚀程度逐渐减弱。

风洞无沙障风沙流结构呈现指数下降曲线；风洞沙障风沙流结构则呈现动态分布，这主要是因为沙障形成阻挡，使得风洞沙障风沙流结构不同于无沙障风沙流结构。

1 m×1 m、1 m×1.5 m、1 m×2 m沙障在8、12、16、20 m·s^-1的试验风速下，集沙量分别减少100%、79%、72%、51%，100%、94%、89%、74%，100%、78%、76%、78%，表明沙柳沙障具有较好的固沙性能，其中1 m×1.5 m沙障的固沙效果最好。

沙柳沙障经风洞试验证明是一种很好的固沙材料，具有较好的固沙性能，1 m×1.5 m沙障的固沙效益相较于1 m×1 m沙障、1 m×2 m沙障更好。