CN116104071A - 一种阵列式草甸防风体系、防风蚀分析方法及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种阵列式草甸防风体系，属于土壤改良及生态修复技术领域，阵列式草甸防风体系，包括若干块矩形的草甸，其特征在于，若干块所述的草甸呈田字型阵列排布，田字型阵列的中心设置为防风区，防风区的尺寸与草甸的尺寸相同，相邻的防风区之间仅有一块草甸；防风区的一组对角上均设有砖苗，并且体系内所有防风区中的砖苗均设置在相同方向的对角上；若干块草甸排布的阵列外围设置有一圈辅助作业区。体系可用于大规模土壤改良、植被恢复，可形成生态修复的尺度效应，进而改善局部地区的土壤和气候条件，达到以尽可能少的投资和生态用水量，产生较大的生态经济效益，推动荒漠化防治的技术转型和升级。
Description
技术领域
本发明属于土壤改良及生态修复技术领域，涉及一种土壤改良体系，特别是一种阵列式草甸防风体系、防风蚀分析方法及施工方法。
背景技术
土地荒漠化是当今全球面临的十大环境问题之一，全球每年因土地荒漠化造成的经济损失超过420亿美元。我国是世界上受荒漠化危害最严重的国家之一，全国荒漠化面积占全国土地面积的27.20％(赵媛媛等.荒漠化监测与评价指标研究进展)。甘肃是荒漠化的典型代表，荒漠化面积占全省土地面积的45.15％，黄河上游玛曲沿岸等局部地区沙化土地仍在扩展，严重影响了黄河流域水源涵养地的生态健康。
兰州理工大学“大规模荒漠化土壤改良工法”课题组于2006年引入日本绿化工学会会长山寺喜成教授“形成发达的直根群落”的自然生态环境修复理念，将秸秆、堆肥、粘土拌合压制而成保育砖，它能为植物苗期的生长营造一个较好的环境，引导植物根系的发育和生长，实现水、土、肥、苗耦合的生命体。保育砖育苗不破坏植物根系，实现了真正意义上的带土移栽，且不缓苗或缓苗期很短，栽植成活率高。秸秆纤维为可降解物质，入土腐烂后，砖体将被分解，具有增加土壤有机质、提高土壤肥力的作用，并在作物根际可形成一个环状多孔性蓬松层，能有效改善作物根际的水、气环境，也可吸纳雨水向作物根际集聚，节水、省水，具有提高降雨利用率的效果。
团队前期在黄河流域玛曲段调研发现传统尼龙网、草方格治沙易被掩埋；传统植树，成活率低，管护难度大；基于此团队引入了保育砖苗治沙，虽有一定改进，但生长速度不及风沙掩埋速度并不适合荒漠化的自然特点和气候特征。团队前期调研分析结果表明：沙漠化区域土壤缺少黄土成分，有机质含量极低，旱区土壤初始含水量低，作物难以成活，草甸更适宜于有一定含水量的沙黄土上生长，保育砖由黄土等材料组成，在风等自然力作用下降解过程中，可以为草甸生长提供黄土营养物质，特别适合于黄河上游甘南玛曲段寒区沿黄沙化带的防治。因此，针对甘肃寒旱的气候特点，将二者组合，提出以柔性草甸+砖苗工业化、机械化、标准化铺装及移栽的治沙思路。本发明提出的一种阵列式草甸防风体系及其防风蚀分析方法助力推动荒漠化防治的技术转型和升级。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种阵列式草甸防风体系，该发明要解决的技术问题是：如何实现改善土壤和气候条件。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种阵列式草甸防风体系，包括若干块矩形的草甸，其特征在于，若干块所述的草甸呈田字型阵列排布，田字型阵列的中心设置为防风区，防风区的尺寸与草甸的尺寸相同，相邻的防风区之间仅有一块草甸；
防风区的一组对角上均设有砖苗，并且体系内所有防风区中的砖苗均设置在相同方向的对角上；
若干块草甸排布的阵列外围设置有一圈辅助作业区。
进一步的：草甸为正方形，边长尺寸为1m2，体系的尺寸为10m*10m；草甸的孔隙为0.4-0.7。
进一步的：砖苗栽种于种植孔穴内，沿种植孔穴内臂铺装一层保育砖。
进一步的：砖苗栽种于种植孔穴内，沿种植孔穴内臂铺装一层保育砖，种植孔穴的直径为10-15cm、孔深为10-15cm，保育砖铺设的尺寸外径为10-15cm，内径为4-6cm，高为10-12cm。
一种阵列式草甸防风体系的防风蚀分析方法，本方法基于CFD数值模拟技术进行防风蚀效果分析，
首先，选取模拟风速和草高，将草甸(1)简化为多孔介质，获取其孔隙率；使风向垂直于防风体系；
湍流模型采用RNGk-ε模型，得到k方程和ε方程：
其中，μeff＝μ+μt，
Cμ＝0.0845；αk＝αε＝1.39；
用CFD数值模拟防风体系的平均风速与无草甸阵列时相同区域的初始平均速度之比计算防风效能，计算公式如下：
Ehz＝(Vcz-Vhz)/Vcz×100％ (3)
式中：Ehz表示草甸防风体系Z高度处的防风效能；Vcz表示无草甸防风体系时Z高度处的平均风速；Vhz表示草甸防风体系Z高度处的平均风速；
其次，对阵列式草甸防风体系进行地表粗糙度、地表临界摩擦速度、临界起沙风速计算：
地表粗糙度计算公式如下：
式中，Z0为地表粗糙度；A＝v2/v1，v1为Z1高度处的风速，v2为Z2高度处的风速；
地表临界摩擦速度计算公式如下：
式中，AN，ε为经验常数，分别取0.0123，0.0003kg/s2；σ为沙粒密度(2650kg/m3)；ρ为空气密度(1.23kg/m3)；g为重力加速度，近似取9.81m/s2；d为沙粒的粒径取485.7(μm)；
H(ω)表征土壤水分对风蚀起沙的影响，具体表达式子为：
R(λ)是指草甸覆盖度对风蚀起沙的阻碍作用，其表达式如下：
式中，m经验值取0.16；σ经验值取1.45；β取经验值202；λ决定于植被覆盖分数(f)，由以下公式确定
临界起沙风速计算公式如下：
Ut＝5.75U*tlg(Z/K) (9)
式中Ut为沙粒启动速度(m/s)；U*t为临界摩擦速度(m/s)；Z为计算高度(m)；K为粗糙度。
进一步的：CFD数值模拟防风体系的计算区域的来流风入口距模拟防风体系总长度的3倍以上，在高度上大于防风体系高度的5倍以上。
进一步的：RNGk-ε模型是通过CAD建模，导入ANSYS18.0-ICEM中划分网格，在ANSYS18.0-Fluent中进行求解，求解完成导入CFD-POST中进行后处理。
一种阵列式草甸防风体系的施工方法，包括以下施工步骤：
S1、施工前准备：培育草垫和砖苗，根据生态修复需要确定修复区域，确定施工范围、施工布局；防风体系垂直该地区的年间主风向布置；
S2、地表清理及简单修整处理：清理施工范围地表垃圾杂物，对施工范围进行修整处理，修正后的表土块应小于2cm,设置排水坡度；
S3、种植孔穴、草甸铺装定位：根据结构尺寸对种植孔穴位置和间距放样定位，根据结构放样草甸阵列铺装位置，标记放样结果，放样定位偏差不得超过5％；
S4、钻种植孔穴：根据种植孔穴尺寸选择钻杆按照放样位置进行钻孔；
S5、砖苗移栽：将保育砖苗移栽到种植孔穴并完成浇水，栽植的树苗、林缘线、林冠线平顺、自然、一致；
S6、草甸铺装：将培育好的草甸铺装到放样位置，草甸留缝隙间均匀平整，草甸与土壤密接。
S7、表面清理：清理防风体系施工作业产生的垃圾。
与现有技术相比，本阵列式草甸防风体系具有以下优点：
本防风体系实现工程机械标准化施工，用于大规模土壤改良、植被恢复，可形成生态修复的尺度效应，进而改善局部地区的土壤和气候条件，达到以尽可能少的投资和生态用水量，产生较大的生态经济效益，推动荒漠化防治的技术转型和升级。
附图说明
图1是本发明中砖苗的45度栽种结构示意图；
图2是本发明中砖苗的135度栽种结构示意图；
图3是本发明的速度云图。
图中，1-草甸，2-砖苗，3-防风区，4-辅助作业区。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1-图3所示，本实施例提供一种阵列式草甸防风体系，包括若干块矩形的草甸1，草甸1的尺寸可以为1*1m的方形，便于运输及快速铺装，草甸1的孔隙率控制于0.4-0.7之间防风体系防风效果俱佳，若干块草甸1呈田字型阵列排布，田字型阵列的中心不放置草甸1，将其视为防风区3，防风区3的长度和宽度与草甸1的尺寸相同，按照1*1m的草甸1计算，防风区3的尺寸也为1*1m，相邻的防风区3之间仅间隔一个草甸1。
在每个防风区3的一组对角上均设有砖苗2，其与风向的夹角可以为45度，也可以是135度，并且体系内所有防风区3中的砖苗2均设置在相同方向的对角上，所有防风区3内的砖苗2的连线与风向的夹角相同。砖苗2栽种于种植孔穴内，种植孔穴的直径为10-15cm、孔深为10-15cm，种植孔穴内壁铺设保育砖，保育砖铺设成的筒状结构的外径为10-15cm，内径为4-6cm，高为10-12cm，种植孔穴纵向横向间距均为2m。
草甸1铺设成一个完整的体系时，形成(9*9)81m2的有效防风蚀区，在该区域的外侧设置一圈辅助作业区4，方便施工辅助及管护作业。
基于CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟技术进行了防风蚀效果分析。选取模拟风速为13m/s，将草甸简化为多孔介质，草高30cm进行数值模拟分析。通过选取一种模拟工况草甸孔隙率为0.4及相关参数，另一种模拟工况草甸孔隙率为0.7及相关参数。通过多种阵列对比分析防风蚀效果，选择最佳的田阵列方案。选取草甸田字型阵列模拟其周围的绕流三维流场，着重分析其风环境状况与无草甸阵列影响下的风环境状况做比较。防风体系尺寸为：l×b×h＝10m×10m×0.3m。多年主风向垂直于防风体系正面，计算域选取：计算区域的来流风入口距模拟防风体系总长度的3倍以上，在高度上大于防风体系高度的5倍以上，原则是使得该区域内防风体系对扰流产生的影响在边界上完全消除，并最后保证流入流出的控制体实现质量守恒。在计算中，湍流模型采用RNG k-ε模型，压力-速度耦合方程的解法采用SIMPLEC算法。RNG k-ε模型中，通过在大尺度运动项和修正后的粘度项中体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动系统地从控制方程中出去。得到k方程和ε方程：
其中，μeff＝μ+μt，
Cμ＝0.0845；αk＝αε＝1.39；
通过CAD建模，导入商业版ANSYS18.0-ICEM中划分网格，在商业版ANSYS18.0-Fluent中进行求解，求解完成导入CFD-POST中进行后处理。
在运用CFD软件进行数值模拟时，必须给定一个足够的计算域，并设置合理的边界条件，以此来代替完全开口的的流场。
(1)固体避面边界条件：在模型表面和计算域边界的底面采用固体避面边界，顶部和侧面采用无滑移且绝热的对称固体边界。
(2)出口边界条件：由于出口的速度和压力在解决流动问题之前是未知的，因此出口设置为质量出口边界(outflow)，此边界条件能够保证流体流动是完全发展的，出口方向上的所有流动变量的扩算量为零。
(3)进口边界条件：本次模拟在计算域的入口采用速度入(velocity inlet)，速度入口采用平均速度入口，入口平均风速为13m/s。
从图3中可以看出，由于草甸的遮挡，来流在遇到草甸时在防风体系的两侧发生了分离，产生较高的风速。来流风遇到草甸时，受阻而壅塞，形成向上下左右各个方向的偏转气流，在防风体系迎风面附近形成半球形气流滞区。在防风体系背风面形成减速区域。在防风体系内形成防风蚀区。
防风效能计算：防风效能是体现草甸消减风速的重要指标，通过风速消减的程度来衡量，用CFD数值模拟防风体系的平均风速与无草甸阵列时相同区域的初始平均速度之比表示，计算公式如下：
Ehz＝(Vcz-Vhz)/Vcz×100％ (3)
式中：Ehz表示草甸阵列区Z高度处的防风效能；Vcz表示无草甸阵列时相同区域Z高度处的平均风速；Vhz表示草甸阵列区Z高度处的平均风速。
草甸孔隙率为0.4时，草甸田字型阵列最小风速为0.37m/s，最大风速为5.69m/s，单元平均风速为0.45，防风效能为96.59％。草甸孔隙率为0.7时，通过数值模拟研究在防风体系内风速特性和防风性能接近，主要区别在于防风体系背风面后的风速特性和防风效能。因此草甸孔隙率控制在0.4-0.7之间为宜。
对田字型阵列进行地表粗糙度、临界摩擦速度、临界起沙风速计算分析。因地表草甸本生几何形状的影响，风速廓线上风速为零的位置并不在地表(高度为零处)，而在离地表一定高度处，这一高度则被定义为地表粗糙度，也称为空气动力学粗糙度。当风流经草甸表面时，草甸表面粗糙程度的不同对风的影响程度也不同，地表粗糙度可以作为防沙治沙效益的一个重要指标，研究地表粗糙度可以分析出不同下垫面对风沙风速的影响规律。粗糙度计算公式如下
式中，Z0为地表粗糙度；A＝v2/v1，v1为Z1高度处的风速，v2为Z2高度处的风速。根据数值模拟，草甸田字型阵列防风体系内0.3m高处平均风速为0.45m/s,1m高处平均风速为14.86m/s。选取0.3m、1m高度处风速，根据粗糙度公式计算出防风体系上空粗糙度为28.91cm。贺晶等在基于临界起沙风速的草地防风固沙功能研究中计算裸沙地粗糙度为0.08cm，裸沙地临界风速为0.28m/s。从结果可以看出草甸上空处的地表粗糙度较大，一定程度上可以保护地表，减小风蚀的强度。
临界摩擦速度是摩擦速度能否引起地表风蚀起沙的临界值，表征的是地表对风蚀起沙的阻碍能力。地表临界摩擦速度(U*t)的计算公式：
式中，AN，ε为经验常数，分别取0.0123，0.0003kg/s2；σ为沙粒密度(2650kg/m3)；ρ为空气密度(1.23kg/m3)；g为重力加速度，近似取9.81m/s2；d为沙粒的粒径取485.7(μm)。
H(ω)表征土壤水分对风蚀起沙的影响，具体表达式子为：
R(λ)是指草甸覆盖度对风蚀起沙的阻碍作用，其表达式如下：
式中，m经验值取0.16；σ经验值取1.45；β取经验值202；λ决定于植被覆盖分数(f)，由以下公式确定
计算得出田字型阵列防风体系上空临界摩擦速度(U*t)为1.06m/s大于裸沙地临界风速0.28m/s说明草甸的铺设可以起到阻碍风蚀的作用。
沙粒启动临界风速的大小于沙粒粒径、沙层湿度、制备条件以及启动方式等因素有着密切的关系。根据Bagnold在流体启动条件下根据作用在沙粒上的拖拽力和重力的平衡提出的均匀沙粒开始发生移动的流体临界启动速度公式：
Ut＝5.75U*tlg(Z/K) (9)
式中Ut为沙粒启动速度(m/s)；U*t为临界摩擦速度(m/s)；Z为计算高度(m)；K为粗糙度。
根据公式(8)计算得出裸沙地0.3m高度的临界起沙风速Ut为4.99m/s，田字型阵列防风体系内0.3m高度最大风速为5.69m/s，无草甸区域平均风速为2.93m/s为各阵列方案中最小且小于裸沙地0.3m高度的临界起沙风速4.14m/s，有利于苗木种植和成活。综上所述，草甸田字型阵列在内部具有防风区，能够有效防止风蚀，与满铺相比草甸用量减少了21％，降低了生态修复成本。
该防风体系的施工方法为：
S1、施工前准备；对施工现场进行全面考察，选择修复区域优势草种和树种进行工业化培育，根据施工需要将培育好的草甸和砖苗运送至施工区域。根据地形和生态效益需要确定施工区域，根据风速条件确定施工布局，防风体系垂直该地区的年间主风向布置。根据气象部门资料，选择合适的气温、雨水、湿度等有利的季节进行施工，预测安排好最佳进度计划。组织优秀的施工队伍进驻工地，做好铺装移栽技术的交底工作，确保施工质量和施工进度。准备足够的运输车、绿化设备、及必要的测量设备，并保持良好的技术状态。
S2、地表清理及简单修整处理；清理施工范围地表垃圾杂物，对施工范围进行简单修整处理，表土块应小于2cm,排水坡度恰当,整平地表无积水，无大块石砾、杂草根、茎等杂物。
S3、种植孔穴、草甸铺装定位；孔穴中心为放样点，孔穴中心为中心线，孔穴位于田字型防风区45度对角线端部，孔穴纵向横向间距均为2m。草甸尺寸为(1*1)1m2的方形，草甸1铺装位置如图1所示，根据上述结构尺寸放样，并标记孔穴位置和草甸1铺装位置。草甸1外圈留有宽度50cm的“回”字型辅助作业区4。具体结构尺寸如图1所示，放样偏差不得超过5％。
S4、钻种植孔穴；选择成孔直径为12cm的钻杆，控制钻孔深度为13cm。按照S3标记的孔穴位置进行钻孔，孔穴位置和大小要准确，符合砖苗移栽要求。
S5、砖苗移栽；使用工程机械将工业化培育好的保育砖苗2移栽到种植孔穴并完成浇水，栽植的树、苗,林缘线、林冠线平顺、自然、一致。
S6、草甸铺装；使用工程机械将工业化培育好的草甸1铺装到S3放样位置，草甸1留缝隙间均匀平整，整齐划一，草甸与土壤密接，草甸平整。
S7、表面清理；清理生态修复区域施工作业产生的垃圾。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种阵列式草甸防风体系，包括若干块矩形的草甸(1)，其特征在于，若干块所述的草甸(1)呈田字型阵列排布，田字型阵列的中心设置为防风区(3)，防风区(3)的尺寸与草甸(1)的尺寸相同，相邻的防风区(3)之间仅有一块草甸(1)；
防风区(3)的一组对角上均设有砖苗(2)，并且体系内所有防风区(3)中的砖苗(2)均设置在相同方向的对角上；
若干块草甸(1)排布的阵列外围设置有一圈辅助作业区(4)。
2.根据权利要求1所述的一种阵列式草甸防风体系，其特征在于，所述草甸(1)为正方形，边长尺寸为1m2，体系的尺寸为10m*10m；草甸(1)的孔隙为0.4-0.7。
3.根据权利要求1或2所述的一种阵列式草甸防风体系，其特征在于，砖苗(2)栽种于种植孔穴内，沿种植孔穴内臂铺装一层保育砖。
4.根据权利要求3所述的一种阵列式草甸防风体系，其特征在于，所述种植孔穴的直径为10-15cm、孔深为10-15cm，保育砖铺设的尺寸外径为10-15cm，内径为4-6cm，高为10-12cm。
5.一种基于权利要求1或2所述的阵列式草甸防风体系的防风蚀分析方法，其特征在于，本方法基于CFD数值模拟技术进行防风蚀效果分析，
首先，选取模拟风速和草高，将草甸(1)简化为多孔介质，获取其孔隙率；使风向垂直于防风体系；
湍流模型采用RNGk-ε模型，得到k方程和ε方程：
其中，μeff＝μ+μt，
Cμ＝0.0845；αk＝αε＝1.39；
C1ε＝1.42；C2ε＝1.68；
η0＝4.377；β＝0.012；
用CFD数值模拟防风体系的平均风速与无草甸阵列时相同区域的初始平均速度之比计算防风效能，计算公式如下：
Ehz＝(Vcz-Vhz)/Vcz×100％ (3)
式中：Ehz表示草甸防风体系Z高度处的防风效能；Vcz表示无草甸防风体系时Z高度处的平均风速；Vhz表示草甸防风体系Z高度处的平均风速；
其次，对阵列式草甸防风体系进行地表粗糙度、地表临界摩擦速度、临界起沙风速计算：
地表粗糙度计算公式如下：
式中，Z0为地表粗糙度；A＝v2/v1，v1为Z1高度处的风速，v2为Z2高度处的风速；
地表临界摩擦速度计算公式如下：
式中，AN，ε为经验常数，分别取0.0123，0.0003kg/s2；σ为沙粒密度(2650kg/m3)；ρ为空气密度(1.23kg/m3)；g为重力加速度，近似取9.81m/s2；d为沙粒的粒径取485.7(μm)；
H(ω)表征土壤水分对风蚀起沙的影响，具体表达式子为：
R(λ)是指草甸覆盖度对风蚀起沙的阻碍作用，其表达式如下：
式中，m经验值取0.16；σ经验值取1.45；β取经验值202；λ决定于植被覆盖分数(f)，由以下公式确定：
临界起沙风速计算公式如下：
Ut＝5.75U*tlg(Z/K) (9)
式中Ut为沙粒启动速度(m/s)；U*t为临界摩擦速度(m/s)；Z为计算高度(m)；K为粗糙度。
6.根据权利要求5所述的一种阵列式草甸防风体系的防风蚀分析方法，其特征在于，CFD数值模拟防风体系的计算区域的来流风入口距模拟防风体系总长度的3倍以上，在高度上大于防风体系高度的5倍以上。
7.根据权利要求5所述的一种阵列式草甸防风体系的防风蚀分析方法，其特征在于，RNGk-ε模型是通过CAD建模，导入ANSYS18.0-ICEM中划分网格，在ANSYS18.0-Fluent中进行求解，求解完成导入CFD-POST中进行后处理。
8.一种阵列式草甸防风体系的施工方法，其特征在于，包括以下施工步骤：
S1、施工前准备：培育草垫和砖苗，根据生态修复需要确定修复区域，确定施工范围、施工布局；防风体系垂直该地区的年间主风向布置；
S2、地表清理及简单修整处理：清理施工范围地表垃圾杂物，对施工范围进行修整处理，修正后的表土块应小于2cm,设置排水坡度；
S3、种植孔穴、草甸铺装定位：根据结构尺寸对种植孔穴位置和间距放样定位，根据结构放样草甸阵列铺装位置，标记放样结果，放样定位偏差不得超过5％；
S4、钻种植孔穴：根据种植孔穴尺寸选择钻杆按照放样位置进行钻孔；
S5、砖苗移栽：将保育砖苗移栽到种植孔穴并完成浇水，栽植的树苗、林缘线、林冠线平顺、自然、一致；
S6、草甸铺装：将培育好的草甸铺装到放样位置，草甸留缝隙间均匀平整，草甸与土壤密接。
S7、表面清理：清理防风体系施工作业产生的垃圾。
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