中国关于的沙障研究主要聚焦于在沙漠治理^[1]、植物固沙^[2]、风洞^[3]和数值模拟^[4]、沙障自动铺设机^[5]等方面。而水土保持^[6]、风速流场^[7]、输沙量^[8]、防沙治沙措施^[9]、防沙新材料、新技术等则为近年来的研究热点^[10]。麦草沙障作为推广范围最大，最典型的机械固沙措施，防沙效果显著，愈来愈被沙区群众接受，并取得了巨大防沙效益。但由于近年来麦草材料价格升高，而需求量却逐年增大，导致防沙材料供应量出现较大缺口。一些代替麦草的材料如玉米、葵花(Helianthus annuus)、芦苇(Phragmites australis)、沙柳等枝条和石块等制成的沙障相继出现，其防风固沙效益也得到了广泛报道^[11]。但是，这些材料因受来源、环境、材料价格、运输成本、施工便利性等影响，其防护效果不一，且存在诸多不利因素。例如，黏土沙障成本较低但是防风固沙效果较差。麦草沙障虽在布设初期防风固沙效果好，却又有作用年限短成本较高的缺点。因此，传统的机械固沙材料需要拓展，人工仿生材料应运而生。如塑料固沙网、尼龙固沙障、羽翼袋沙障、HDPE功能性固沙网等。为了满足环境保护与生物可降解的需求，先后设计生产了聚乳酸(PLA)固沙袋和PLA固沙网格沙障^[12-14]。值得注意的是，以草方格为首的沙障代表的是辅助的、过渡的机械固沙措施，而植物固沙才是主要的、长远的、有生命的沙障。然而，恶劣的自然环境，尤其是剧烈的风沙活动，导致直接栽种固沙植物不易成活。故而，模仿固沙灌木构型、质地，利用植物材料实现防风固沙，将具有很好的科学和实践价值。怎样模仿天然固沙植物的防风固沙过程，将植物的空间结构形态与机械固沙特性相结合，量化仿生新材料、新技术的防沙效益，最终确定最优结构选型，对未来的防风固沙实践工作，将具有重要借鉴意义。

孙涛等^[15]发明了仿真固沙灌木。该发明是从园林绿化中获得灵感，结合多种植物构件优势组合而成的立体化化学固沙材料。它是以高分子聚合材料，添加抗老化剂加工而成。刘虎俊等^[16]对仿真固沙灌木的应用进行了试验研究，证实其结合多种植物构件优势组合而成，是化学固沙的立体化，也是植物固沙的工程优化。但是，该沙障在环保降解方面仍有不足，且其构件、枝系结构和形状与天然灌木比较还有待优化。

因此，可机械化编制和智能化施工的新型生态环保型的低成本固沙障是目前治沙工作中的一个重研究方向。仿生猫头刺灌丛的盾状沙障是我们项目组最新发明的一种可移动、可组合和可机械化编制的新型沙障。本文拟通过风洞试验，定量研究仿生猫头刺灌丛的盾状沙障的防护效益，旨在构建一种有望替代传统固沙措施的新型固沙技术设施，并为后续的防沙固沙工程实践提供理论指导。

1 试验材料

中国对猫头刺的分布、种群特征及其防风固沙作用等开展了丰富的研究^[17-22]。猫头刺(Oxytropis aciphylla)属豆科棘豆属，为强旱生垫状矮小半灌木，高8~20 cm。根粗壮，根系发达。茎多分枝，开展，全体呈球状植丛。叶轴宿存，木质化，长2~6 cm，下部粗壮，先端尖锐，呈硬刺状，老时淡黄色或黄褐色，嫩时灰绿色，密被贴伏绢状柔毛(图 1)。猫头刺主要分布于半荒漠地带的固定、半固定沙丘及沙地上。猫头刺广泛分布于中国内蒙古、陕西、甘肃、宁夏、青海和新疆等地，俄罗斯西西伯利亚和蒙古南部也有分布^[19-22]。研究结果表明^[20]，猫头刺在防风固沙中发挥着重要作用，是重要的固沙植物。

本文利用猫头刺茎叶和盾状钢丝网筛作为试验材料，编制成猫头刺盾状移动式固沙障。猫头刺盾状移动式固沙障模型如图 2所示。本研究所用猫头刺材料于2022年7月16日采自宁夏回族自治区中卫市沙坡头区样地内。研究区有较多猫头刺分布。该沙障可以广泛生产，成本低，取材简易，可移动并且任意组合，在防治荒漠化、防风固沙领域具有广泛的应用前景。作为环境友好型产品，未来可以采用机械化编制并大规模生产，是一种可替代传统草方格的新型固沙障。本文对该固沙障进行风洞模拟试验，分析不同风速条件下沙障前后的流场分布和输沙量特征，确定最佳选型，以使之适用于在沙坡头等沙区的应用与推广。

2 研究方法 2.1 风洞参数

本研究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试验室进行。该风洞气流为直流闭口吹气式，可调风速为1~40 m/s，试验段横截面为1.2 m×1.2 m，长度21 m，配有野外土壤风蚀风洞操作控制系统、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。

2.2 模型设计

本试验一共测量了4类7种固沙障模型的风速流场：①未胶粘猫头刺茎叶的空白大、小模型；②仅在顶部胶粘猫头刺茎叶的不完整大、小模型；③顶部以及四周均胶粘猫头刺茎叶的完整大、小模型；④野外采集的大小相近的原生猫头刺植物模型。大型模型的直径为45 cm，小型模型的直径为40 cm，高11 cm。该沙障由直径52.5 cm(小型的为42 cm)，高11 cm的盾状钢丝网筛倒扣于地表，在其网格上插入固沙灌木猫头刺茎叶构成(图 3)，茎叶出漏于网筛之上的高度约10 cm，钢丝网筛的丝径1 mm，孔径5~20 mm，可插入不同粗细的茎叶。野外施工时，按品字形或模拟自然的随机布设方式，布设难度低，施工方便。下方铁质盾状结构用于固定构架和集聚流沙，上方盾状结构模拟野外猫头刺的天然灌丛形状，运用仿生学原理，起到防风固沙作用。该沙障的成本主要包括，盾状钢网筛的材料和加工费，茎叶采集、插设、野外布设的人工费用和运费三部分组成。钢网筛根据大小不同，其单价约为11~13元，单个沙障的人工费约为2~3元，加运费后单个固沙障的总成本约为14~17元。沙障按品字形或模拟自然的随机布设方式，以平均间距100 cm，每1 km²布设240 000个来计算，成本约为264~384万元/ km²。为减少材料获取难度及成本，实际施工中，可现场采集周边乡土植物的茎叶来代替猫头刺。例如，旱区常见的梭梭、白刺、柽柳、杨树等，且茎叶长度可长可短，具体参数可依据实际取材而定。

2.3 试验方法

为了量化和界定新型固沙障的流场特征及固沙效应，我们分别开展了净风和携沙试验。试验所用沙床用沙取自宁夏沙坡头腾格里沙漠。野生植物模型采集自沙坡头野生猫头刺灌丛，形状近圆形，直径约40 cm。

2.3.1 净风试验

试验针对7种固沙障模型，分别选取4组风速(6，10，14，18 m/s)，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(图 4)，垂直方向设定2，4，8，16，32，64，128，200，350，500 mm共10个测点。试验过程中皮托管固定，通过移动固沙障来改变水平方向流场测点。测点分别为固沙障前缘在皮托管上风向-0.5 H，-1 H，-2 H，-3 H，-4 H，-5 H，-6 H，-8 H，-10 H; 固沙障后缘在皮托管下风向0 H，0.5 H，1 H，2 H，3 H，4 H，5 H，6 H，8 H，10 H，15 H，20 H(H表示固沙障高度，H=11 cm)^[23]。

2.3.2 携沙试验

将沙障平铺于10 cm厚的积沙表面，每组试验前，均补充沙样，并用钢尺刮平，以保证沙床的厚度、长度、表面形态一致。利用直立式积沙仪收集0—60 cm高度的输沙量。在预试验中确定了起沙风速为6 m/s，故设置10，14，18 m/s三组试验风速。分别收集了0—60 cm的总输沙量，与各1 cm高度处的输沙量。对每个模型，在10，14，18 m/s的风速下分别吹蚀4，2，1 min，并在障后10 H处摆放直立式积沙仪。该积沙仪进沙口规格为0.5 cm×1 cm，高度梯度为1 cm，共60个进沙口，可以收集0—60 cm高度内的输沙。吹蚀完成后，用天平称取每个高度层收集的沙重。计算总输沙量的减少率利用如下方程计算：

$R_s=\left(1-q_{t g} / q_{t f}\right) \times 100 \% $

(1)

式中：q_tg为布设沙障模型后总输沙量〔g/(cm²·min)〕；q_tf为对照无沙障模型时的总输沙量〔g/(cm²·min)〕。

3 结果与分析 3.1 不同沙障模型的流场特征

在净风条件(试验风速为6, 10, 14, 18 m/s)下，进行各固沙障模型的流场测定试验。图 5为不同类型沙障模型的流场结构特征图。由图 5可知，在各沙障模型后，风速都显著减小，在背风侧出现了明显的弱风速区。气流在通过沙障后产生了遇阻抬升区、集流加速区、减速沉降区和消散恢复区。首先，可以从流场图上看到，沙障迎风侧密集分布有平行于沙障表面的风速等值线，说明气流在沙障前遇到阻碍，并沿迎风侧向上爬升；随后气流爬升至沙障顶部汇聚形成强大加速区，即集流加速区；当气流通过固沙障时发生了减速、分离。根据伯努利定律，气流的迅速分离会在沙障底部附近形成一个低压区，导致其背风侧反向涡形成。这解释了为何在各沙障模型背风侧的减速沉降区都出现了负风压，并导致风向发生了偏转。最后，气流流经背风侧，经过不同长度的减速沉降区风速明显降低，并逐渐恢复到迎风侧的风速，产生消散恢复区^[24-25]。

在风速6 m/s时，风速梯度较小。集流加速区的高度均达到了0.15 m。减速沉降区均达到了20 H。空白模型与不完整模型在该风速条件下的负风速区拉大，在2—15 H处都存在明显较大的负风压。且在高度上分为了0—0.02 m与0.02—0.1 m两个独立的负风速区间。与之相对的，完整模型与植物模型仅在障后0—2 H后有明显的负风速区，在10 H后风速就回归正值。

在风速10 m/s时，空白模型在0—8 H，高0.05 m处有负风速区。而不完整模型由于仅在顶部有猫头刺茎叶附着，在0.1 m附近高度处受到了较大的影响，扰流现象非常严重。在流场图上表现为除与空白模型相同的负风速区外，还在同等距离、高度0.05—0.15 m的区域也产生了负风压。风速迅速降低，且梯度变化剧烈，在10 H处重新开始减速沉降。而完整模型与植物模型减速沉降区均为15 H左右，呈较为平滑的曲线，仅与空白模型相同，在0—8 H，高度0—0.02 m处有一段较低的负风速。

在风速14 m/s时，情况与10 m/s时基本一致，唯一区别是植物模型和完整模型的优势得以体现。空白对照模型和不完整模型的减速沉积区变小至10 H与12 H，证明其防沙效益开始降低。而完整模型与植物模型减速沉降区均保持在15 H处。

在风速18 m/s时，风速梯度较前3组风速更大，等值线更为密集，功能分区也更明显。除了完整模型与植物模型之外的其他模型，减速沉积区均缩至5 H左右，没有超过10 H的模型。而植物模型与完整模型的减速沉降区仍能维持在15 H较好的区间内。

3.2 不同风速下各模型流场总体特征

综合对比图 5来看，空白、不完整、完整、植物模型的流场结构特征有相似之处。从纵向来看，风速自地表沿垂直方向随高度的增大而增大。从横向观察，气流在通过各沙障模型时风速都有不同程度的降低。不同之处是减速沉降区的宽度与负风速区的分布范围。在风速不超过10 m/s时，各模型的减速沉降区都能维持在20 H这一区间。随着风速的加大，空白模型的减速沉降区显著缩小，这是因为其没有猫头刺茎叶的扰动，倒扣于地表的盆形钢丝网筛。在高风速下对风动能的削弱作用有限。各沙障模型在各风速下均在障后0—5 H，高度0—0.1 m处产生了负气压。仅在顶部有猫头刺茎叶的不完整模型，则在风速 < 14 m/s时在高度0.1—0.2 cm处有第二个显著的负压区。这是因为其结构不完全，在模型顶部有明显的紊流现象。虽然不完整模型仅就削弱风速方面与完整模型差距不大，但因为其结构的不完整性，导致负压区扩大，沙障所受风压不稳定，在障后0—8 H区间有明显的负风速；而完整模型的风速流场曲线更平滑，与植物模型一样都具有较为稳定的风速削减效应。

3.3 不同沙障模型的阻沙效果

不同风速下不同固沙障在0—60 cm的总输沙量对比如表 1所示。

(1) 风速10 m/s时，输沙量主要集中在0—5 cm。无沙障对照为5.23 g/(cm²·min)，而小、大完整模型的输沙量为0.49，0.95 g/(cm²·min)，是对照的9%与18%。在较低风速下，各模型间差异不大，其中小完整模型的输沙量最小。输沙量表现为：小完整模型＜大空白模型＜大完整模型＜植物模型＜小空白模型＜小不完整模型＜大不完整模型＜无沙障对照，且输沙量差值很小。

(2) 风速14 m/s时，除无沙障对照外，各沙障模型的输沙量在5—15 cm高度的范围内稳定增加，主要集中于0—10 cm这一区间，空白对照为31.43 g/(cm²·min)。而小、大完整模型的输沙量为7.73，5.53 g/(cm²·min)，是对照的24.5%与17.6%。风速提升后，明显表现为大、小完整模型输沙量曲线与植物模型高度重合，且为输沙量最少的三组。值得注意的是，不完整模型由于扰流导致输沙量较空白模型反而更大。输沙量表现为：大完整模型＜大空白模型＜大完整模型＜小完整模型＜小空白模型＜大不完整模型＜小不完整模型＜无沙障对照，且不完整模型与其他模型的差值大幅拉大。

(3) 风速18 m/s时，输沙量在各高度均有采集，部分模型在10—15 cm区间的输沙量有明显升高，输沙量主要集中于0—15 cm这一区间，无沙障对照为108.9 g/(cm²·min)。而小、大完整模型的输沙量为28，23 g/(cm²·min)，是对照的25.7%与21.1%。输沙量表现为：大完整模型＜植物模型＜小完整模型＜大空白模型＜小空白模型＜大不完整模型＜小不完整模型＜无沙障对照。随着风速的进一步升高，仅有两个完整模型与植物模型的输沙量差值很小。另一个特点是每一组对照的大模型输沙量均低于相同处理的小模型。

布设沙障模型后输沙量在沙障的阻隔高度下均有显著的下降(图 6)，表明沙障模型能有效地抑制风沙流对沙床的侵蚀。在10, 14, 18 m/s的风速下，各沙障模型的总输沙量减少率R_s分别为：小空白模型78.8%, 70.4%, 54.2%；大空白模型90.1%, 80.0%, 70.9%；小不完整模型63.7%, 33.7%, 16.2%；大不完整模型61.4%, 61.3%, 41.4%；小完整模型90.6%, 75.4%, 74.3%；大完整模型81.8%, 82.4%, 78.9%；植物模型80.1%, 81.6%, 78.3%。

可以发现，猫头刺盾状移动式固沙障能显著地减少输沙量，直径较大的模型输沙量整体比小模型输沙量略小。且随着风速增大，完整的猫头刺盾状移动式固沙障模型的固沙效果保持较好，并与野生猫头刺植物模型的输沙量基本一致。因为完整的沙障模型与植物模型，具有完整的猫头刺灌丛构造及茎叶结构，在风力吹蚀过程中，有效削弱了风沙流强度，增强了固沙障的阻沙效果。

4 结论

本研究通过模拟野外固沙植被猫头刺的形态特征，运用仿生学原理，发明了一种可机械化编制猫头刺盾状移动式固沙障，并进行了风洞模拟试验，确定了最佳选型，可为流动沙丘治理提供理论支撑。它揭示了盾状沙障防风固沙机理，可为野外工程防沙措施的选择和制定提供借鉴。

(1) 流场特征表明，完整的仿猫头刺固沙障模型的减速沉降区更广，且直径略大的大模型防风效果要比小模型略好，与猫头刺植物模型相似度高。这说明猫头刺盾状移动式固沙障满足了仿生学的要求，能有效降低风速，具有良好的防风效益。而空白模型与不完整模型，前者阻风能力弱，后者由于空间分布不均导致扰流频繁且强度较高，其效果均不如完整的猫头刺盾状移动式固沙障。直径略大的大模型防风效果要优于小模型。这说明猫头刺盾状移动式固沙障的结构完整性对于其防风效益的保持具有重要意义。

(2) 各模型在3组风速下的吹蚀试验表明，猫头刺盾状移动式固沙障能显著地减少输沙量。猫头刺盾状移动式固沙障的平均输沙量是无沙障对照的13.8%(10 m/s风速)，21.1%(14 m/s风速)和23.4% (18 m/s风速)。直径40 cm的完整猫头刺盾状移动式固沙障的输沙量在10 m/s风速时最低，且各模型间差值较小。而直径45 cm的完整猫头刺盾状移动式固沙障的输沙量在14 m/s与18 m/s的风速时最低，直径40 cm的完整模型与植物模型次之，且均相比其他模型在输沙量上有较大差值。尤其是直径45 cm的猫头刺盾状移动式固沙障，不仅流场图与植物模型相似，在输沙量方面，尤其是在高风速下，与野生的猫头刺灌木一样优秀，是一种符合风沙治理要求的新型固沙障。与流场图相照应，在高风速下(＞14 m/s)，无猫头刺茎叶结构的空白模型，输沙量相比完整的仿猫头刺固沙障显著增大，而顶部具有猫头刺茎叶结构的不完整的模型，由于扰流频繁，固沙效益在各模型中最低。这说明猫头刺盾状移动式固沙障，其四周猫头刺茎叶结构的完整性，能有效提升该固沙障的固沙效益。

(3) 受风洞条件限制，本研究仅开展了单体猫头刺盾状移动式固沙障的风洞模拟试验，下一步计划利用沙坡头野外站，在野外开展新型固沙障在不同组合状态下的防风固沙效应试验。另外，进一步在沙柳、藤条、竹条等天然植物材料方面进行系统试验，在成本、取材、加工、生产等环节还需要更多的探索和改进。