CN112836279B - 一种防沙工程最优宽度的估算方法 - Google Patents

一种防沙工程最优宽度的估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防沙工程最优宽度的估算方法，包括：建立防沙工程的防护指数SM、SC与防护效果等级的对应关系；确定所要开展的防沙工程所需防护效果等级；根据所建立的防护指数与防护效果等级的对应关系确定该工程防护指数SM、SC的分界阈值；确定所要开展防沙工程当地的沙丘活化指数M、气候侵蚀力指数C、沙源的丰富程度指数I以及工程两侧各自上风向的合成输沙势与两侧合成输沙势之和的比值D；通过公式LM＝M·D·I/SM和LC＝C·D·I/SC估算出所要开展防沙工程的最优宽度L，该最优宽度L为LM和LC的平均值。

Description

一种防沙工程最优宽度的估算方法
技术领域
本发明涉及防沙治沙、水土保持领域，具体地说是一种防沙工程最优宽度的估算方法。
背景技术
中国已有60多年防沙治沙的成功经验，但在北方风沙区有数千公里的铁路、公路设施受到风沙问题，风沙掩埋可能导致线路中断等严重后果，因而需要开展工程防沙工作。防沙工程的宽度是最基本的参数，应确定一个最优的值，实现最佳防沙效果与最小经济投入的平衡。防沙工程宽度的确定应当综合考虑气候、沙源、风力以及工程本身的情况，但迄今没有可广泛使用的方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种防沙工程最优宽度的估算方法，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明的一些实施例提供了一种防沙工程最优宽度的估算方法，包括：
建立防沙工程的防护指数SM和SC与防护效果等级的对应关系；
确定所要开展的防沙工程所需防护效果等级，根据上述对应关系确定该工程防护指数SM和SC的分界阈值；
确定所要开展防沙工程当地的沙丘活化指数M，气候侵蚀力指数C和沙源的丰富程度指数I，其中：
Figure GDA0003990374500000011
C＝U3(PET-P)/PET (2)
I＝e-0.045c (3）
其中U是月平均风速，单位为m/s，P是月均降水，单位为mm，PET是月潜在蒸散发，单位为mm，
Figure GDA0003990374500000013
是当月降水与前月降水的平均值，单位为mm，c是地表粗糙元覆盖度，单位为％；
确定所要开展防沙工程两侧各自上风向的合成输沙势与两侧合成输沙势之和的比值D：
Figure GDA0003990374500000012
其中i为防护目标上风向一侧的风向方位，j为防护目标下风向一侧的风向方位，各方向输沙势DP为：
DP＝V2(V-Vt)t (5)
其中Vt是沙子的起动风速，单位为m/s，V是大于起动风速的观测风速，单位为m/s，t是该观测风速的作用时间，单位为s；
依据下式(6)、(7)，估算出所要开展防沙工程的最优宽度L，单位为m：
LM＝M·D·I/SM (6)
LC＝C·D·I/SC (7)
其中SM、SC为相应防护效果等级分界阈值的上限值，L为LM和LC的平均值。
进一步的，所述防护指数SM和SC与防护效果等级的对应关系包括：
当0＜SM＜0.77，0＜SC＜0.10时，对应于第一级防护效果，
当0.77＜SM＜1.5，0.10＜SC＜0.19时，对应于第二级防护效果，
当1.5＜SM＜2.58，0.19＜SC＜0.33时，对应于第三级防护效果，
当2.58＜SM＜5.31，0.33＜SC＜0.69时，对应于第四级防护效果，
当SM＞5.31，SC＞0.69时，对应于第五级防护效果。
进一步的，所述估算方法包括：根据多地实测资料的计算分析得到上述防护指数与防护效果等级的对应关系。
进一步的，所述防护效果等级是根据多地防护目标的掩埋程度以及防沙工程的损坏程度进行划分。
进一步的，所述第一级防护效果是指防护目标无沙埋，防沙工程形态完整，有植被自然生长形成稳定防护系统；所述第二级防护效果是指防护目标无沙埋，防沙工程形态完整，仅需更新老旧材料；所述第三级防护效果是指防护目标偶尔有沙埋，主要功能不受影响，防沙工程形态基本完整，部分需要人工维护；所述第四级防护效果是指防护目标多处沙埋，需要人工清沙，所述防沙工程形态受损，需要经常维护；所述第五级防护效果是指防护目标多处沙埋，功能受到严重影响，防沙工程形态严重受损，未发挥防沙功能。
进一步的，所述防护目标包括交通线路，建筑设施或自然景观，且不限于此。
进一步的，所述交通线路包括铁路或公路，且不限于此。
进一步的，所述风向方位包括防护目标上风向的至少八个方向和下风向的至少八个方向。
进一步的，所述最优宽度为达到所需防护效果等级的最小宽度。
进一步的，可以取用相应防护效果等级内SM和SC的任意阈值来估算工程宽度，以满足不同经济条件的防沙工程。
较之现有技术，本发明至少具有如下有益效果：
1、通过提供一种防沙工程最优宽度的估算方法，可以在开展防沙工程前为该工程宽度设定一个最优值，避免了因工程宽度设置过小而无法达到预期的防护效果及工程宽度设置过大而带来的经济和人工投入的增加，实现了最佳防沙效果与最小工程投入的平衡。
2、在采用的数据来源覆盖了大范围的气候区域和多种工程类型及风沙危害程度，可反应工程具体情况和沙源情况的情况下，用所述估算方法得到的工程宽度可靠性高，可达到预期的防护效果。
3、提供的所述估算方法还具有简单易用、操作性强等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这个附图获得其他的附图。
图1是本发明一种防沙工程最优宽度的估算方法的流程框图；
图2是本发明一种防沙工程最优宽度的估算方法中所建立的防沙工程的防护指数与防护效果等级的对应关系图。
附图标记说明：s1.步骤一、s2.步骤二、s3.步骤三、s4.步骤四。
具体实施方式
鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和实践，得以提出本发明的技术方案，通过对大范围的气候区域及不同风沙危害程度的多种工程案例的计算分析，得出一种防沙工程最优宽度的估算方法，可以在开展防沙工程前为其设置一个最优的工程宽度，避免因防护效果不佳而导致的防护设施的损坏以及进行二次重建所带来的经济损失与人力资源浪费。
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例以敦煌莫高窟顶的防沙工程为例，由于当地降水稀少，植物防护措施难以自然生长，在此条件下，为保护重要文物不受风沙危害，需要至少达到二级防护效果。
按图1所示的流程框图，本实施例提供的一种防沙工程最优宽度的估算方法：
步骤一(s1)，建立防沙工程的防护指数SM、SC与防护效果等级的对应关系，包括：
当0＜SM＜0.77、0＜SC＜0.10时，对应于第一级防护效果(level 1)，
当0.77＜SM＜1.5、0.10＜SC＜0.19时，对应于第二级防护效果(level 2)，
当1.5＜SM＜2.58、0.19＜SC＜0.33时，对应于第三级防护效果(level3)，
当2.58＜SM＜5.31、0.33＜SC＜0.69时，对应于第四级防护效果(level 4)，
当SM＞5.31、SC＞0.69时，对应于第五级防护效果(相当于无防护效果)。
其中，以上防护指数SM、SC与防护效果等级的对应关系是根据多地实测资料计算分析后获得，具体可以参阅下图2。
图2中包括24个具体的防沙工程案例，前一个或两个字母表示防护设施，其后的数字表示交通线路的里程数(公里)，破折号后面的字母代表方向。
其中，RB：包头至兰州铁路，M：民勤-红沙岗公路，RL：临河-哈密铁路，RT：天鹅湖-策克铁路，S：内蒙古315号公路，D：敦煌党河，RD：敦煌-格尔木铁路，RX：兰新铁路，RH：哈密-罗布泊铁路。
其中，E：East(东)，W：Western(西)，S：South(南)，N：North(北)。
步骤二(s2)，确定该工程所需的防护效果等级为二级，进而根据上述对应关系确定其防护指数阈值SM＝1.5、SC＝0.19。
步骤三(s3)，根据敦煌莫高窟顶的风向，降水等气候条件以及沙源情况确定该防沙工程开展地的沙丘活化指数M＝1765.6、气候侵蚀力指数C＝245.1以及沙源的丰富程度指数I＝0.8。
因该防沙工程建立在莫高窟的西侧，根据观测风力资料计算，确认工程西侧上风向合成输沙势与东、西两个方向合成输沙势之和的比值D＝0.54。
步骤四(s4)，依据公式LM＝M·D·I/SM和LC＝C·D·I/SC计算得出LM＝509、LC＝558。
最终得出此工程最优宽度L＝(LM+LC)/2＝534(m)。
1990年左右建设的此防护体系，宽度为110米，小于L，因此并未能完全防止沙害。2010年开始建设更宽的防护体系，总体防护宽度为585米，大于L，其有效地防止了风沙掩埋危害，目前的莫高窟顶风沙防护体系稳定，洞窟没有严重的风沙问题。
需要说明的是，用本发明的估算方法得到的工程宽度为能达到所需防护等级的最小宽度，实际建设的工程宽度可根据不同情况适当放宽，以达到更好的防护效果。
从以上实施例可以看出，使用本发明所提供的一种防沙工程最优宽度的估算方法，可以相对准确地估算出所建工程的最优宽度。
以上所述，仅为本发明中的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种防沙工程最优宽度的估算方法，其特征在于，所述估算方法包括：
建立防沙工程的防护指数S M 和S C 与防护效果等级的对应关系；
确定所要开展的防沙工程所需防护效果等级，根据上述对应关系确定该工程防护指数S M 、S C 的分界阈值；
确定所要开展防沙工程当地的沙丘活化指数M，气候侵蚀力指数C和沙源的丰富程度指数I，其中：
M= U 3 /(
Figure 95898DEST_PATH_IMAGE001
/PET) (1)
C= U 3 (PET-P)/PET (2)
I=e -0.045c (3)
其中U是月平均风速，单位为m/s，P是月均降水，单位为mm，PET是月潜在蒸散发，单位为mm，
Figure 707008DEST_PATH_IMAGE002
是当月降水与前月降水的平均值，单位为mm，c是地表粗糙元覆盖度，单位为%；
确定所要开展防沙工程两侧各自上风向的合成输沙势与两侧合成输沙势之和的比值D：
Figure 60629DEST_PATH_IMAGE003
(4)
其中i为防护目标上风向一侧的风向方位，j为防护目标下风向一侧的风向方位，各方向输沙势DP为：
DP=V 2(V-V t )t (5)
其中V t 是沙子的起动风速，单位为m/s，V是大于起动风速的观测风速，单位为m/s，t是该观测风速的作用时间，单位为s；
依据下式（6）、（7），估算出所要开展防沙工程的最优宽度L，单位为m：
L M =M·D·I /S M (6)
L C =C·D·I /S C (7)
其中S M 、S C 为相应防护效果等级分界阈值的上限值，L为L M 和L C 的平均值。
2.根据权利要求1所述的估算方法，其特征在于，所述防护指数S M 和S C 与防护效果等级的对应关系包括：
当0<S M <0.77，0< S C <0.10时，对应于第一级防护效果，
当0.77<S M <1.5，0.10< S C <0.19时，对应于第二级防护效果，
当1.5<S M <2.58，0.19< S C <0.33时，对应于第三级防护效果，
当2.58<S M <5.31，0.33< S C <0.69时，对应于第四级防护效果，
当S M >5.31，S C >0.69时，对应于第五级防护效果。
3.根据权利要求1所述的估算方法，其特征在于包括：根据多地实测资料的计算分析得到所述防护指数与防护效果等级的对应关系。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的估算方法，其特征在于，所述防护效果等级是根据多地防护目标的掩埋程度以及防沙工程的损坏程度进行划分。
5.根据权利要求2所述的估算方法，其特征在于：
所述第一级防护效果是指防护目标无沙埋，防沙工程形态完整，有植被自然生长形成稳定防护系统；
所述第二级防护效果是指防护目标无沙埋，防沙工程形态完整，仅需更新老旧材料；
所述第三级防护效果是指防护目标偶尔有沙埋，主要功能不受影响，防沙工程形态基本完整，部分需要人工维护；
所述第四级防护效果是指防护目标多处沙埋，需要人工清沙，所述防沙工程形态受损，需要经常维护；
所述第五级防护效果是指防护目标多处沙埋，功能受到严重影响，防沙工程形态严重受损，未发挥防沙功能。
6.根据权利要求4所述的估算方法，其特征在于：所述防护目标包括交通线路，建筑设施或自然景观。
7.根据权利要求6所述的估算方法，其特征在于：所述交通线路包括铁路或公路。
8.根据权利要求1所述的估算方法，其特征在于：所述风向方位包括防护目标上风向的至少八个方向和下风向的至少八个方向。
9.根据权利要求1所述的估算方法，其特征在于：所述最优宽度为达到所需防护效果等级的最小宽度。
10.根据权利要求1所述的估算方法，其特征在于还包括：取用相应防护效果等级内S M 和S C 的任意阈值来估算工程宽度，以满足不同经济条件的防沙工程。
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