Blowing Sand Problem in the District of the Mokao Grottoes in Dunhuang

敦煌莫高窟是全国重点文物保护单位,并列入世界文化遗产清单。长期以来,这里受风沙侵害,并已危胁到洞窟的安全。过去的半个世纪里,虽然采取了一系列的防护措施,但因防护位置不当,事倍功半。根据风沙运动规律和风沙危害方式,评估了已经建立的防沙工程的效果,强调了防止吹沙和保护莫高窟的“六带一体”防沙体系的必要性和持久性。据此方案,阻沙带应建立在窟顶大沙山前缘作为前壁,窟顶戈壁作为输沙带,窟体作为固沙带     

Blowing Sand Problem in the District of the Mokao Grottoes in Dunhua

敦煌莫高窟是全国重点文物保护单位,并列入世界文化遗产清单。长期以来,这里受风沙侵害,并已危肋到洞窟的安全。过去的半个世纪里,虽然采取了一系列的防护措施,但因防护位置不当,事倍功半,根据风沙运动规律和风沙危害方式,评估了已以建立的防沙工程的效果,强调了防止吹沙和保护莫高窟的“六带一体”防沙体系的必要性和持久性。据此方案,阻沙带应建立在窟顶大沙山前缘作为前壁,窟顶戈壁作为输沙带,窟体作为固沙带。     

复杂风况条件下戈壁输沙量变化规律的研究

 戈壁输沙量与输沙势的定量关系一直是风沙地貌及风沙工程的关键科学问题之一。对莫高窟顶戈壁输沙量的长期监测（2008年5月至2009年4月）结果表明,窟顶戈壁输沙势为129VU,窟顶北侧的总输沙量约905 kg·m-1左右。其中,偏东风输沙量达500 kg·m-1,偏西风输沙量达320 kg·m-1。当风速大于11 m·s-1时,戈壁风沙发生长距离的输送,偏西风可将265 kg·m-1的沙量输送到窟区,偏东风可将410 kg·m-1的沙量吹回到鸣沙山。根据本区偏东风强盛,且偏东风戈壁输沙量大于偏西风输沙量的特点,提出了以固为主,输导结合的莫高窟风沙防治的主导思路。认为在窟顶构建一个既能阻截沙物质,又能对阻截的沙物质进行输导的人工戈壁床面是完全可行的。     

敦煌莫高窟顶几种典型床面蚀积量变化过程的初步观测

通过对莫高窟窟顶自然和人工床面的风蚀、输导及堆积沙量变化的野外监测,初步观测结果表明：在偏西风作用下,自然状况下的戈壁床面阻截了来自鸣沙山40％的沙量,其余60%的沙量进入窟区;而偏东风又可将偏西风、偏南风作用下沉积于窟顶90％的沙量吹回到鸣沙山边缘。床面阻、输性质与沙源供给状况密切相关。沙源丰富时,风沙流以较饱和形式输送,易形成输沙床面性质;沙源匮乏时,风沙流多以不饱和形式输送,形成阻沙-输沙床面性质。砾石直径较大（＞4 cm）的床面主要呈现堆积性质,对偏西的风沙流阻滞功效比较明显,每100 m阻沙率可达45％;偏东风作用下,每100 m阻沙率可达19％; 而砾石直径较小（1 cm）的床面,主要以风沙输沙功能为主,是一个非堆积搬运床面。     

敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系设计研究

风沙危害是敦煌莫高窟保护面临的主要环境问题之一,建立一个完整的防护体系是解决这一问题的有效途径。在对20世纪80年代以来建立的防沙治沙试验工程防护效应分析研究的基础上,对敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系设计进行了讨论。根据因地制宜,因害设防;以固为主,固、阻、输、导相结合;以工程和生物措施为主,兼顾化学固沙;高新技术与常规治理技术相结合;重点治理,分阶段实施与长远目标相结合的设计原则,认为根据不同地貌特征及地表组成物质,依次建立鸣沙山前缘流动沙丘和平坦沙地阻固区、窟顶戈壁防护区、洞体崖面固结区、石窟对面流动沙丘固定区、窟区防护林带建设区及天然植被封育保护区,可使危害莫高窟的风沙灾害得到有效控制,并达到莫高窟作为世界文化遗产和全国重点文物保护单位对环境质量的要求。     

敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系探讨

通过对敦煌莫高窟防沙历史的综合总结和分析,认为莫高窟作为我国乃至世界古代灿烂文化艺术的瑰宝,是甘肃对外交流的主要窗口之一,也是我国重要的旅游地之一。单纯的消极人工清沙已远远不能适应现代社会对生态环境质量的需要和旅游业作为该地区经济发展基本点的要求。那么,创造一个良好的旅游生态环境及文物保护工作环境,不仅有利于整个窟区生态环境的改善,且其示范效应将带动本地区乃至整个河西地区的荒漠化治理。根据风沙环境特征,提出了莫高窟防护体系建立的主导思想是:以防治西北、西南主害风为主,根据鸣沙山、砂(砾)质戈壁、窟顶崖面等不同地带的具体风沙运动规律,采取以固为主,固、阻、输、导相结合的防护原则,以切断或削弱鸣沙山沙源和固定流沙,并消除沙砾质戈壁面的就地起沙为目的,建立一个由工程、生物、化学措施组成的多层次、多功能的综合防护体系,从根本上消除风沙活动对莫高窟的危害。同时对莫高窟综合防护体系建设的总体布局及防护宽度、砾石铺压的基本原理作了一个初步的探讨。     

莫高窟顶戈壁偏东风作用下输沙率变化的观测研究

通过一次沙尘暴天气过程对莫高窟顶不同观测点戈壁风沙流结构和输沙率的时空变化特征进行了系统同步观测。观测表明,偏东风条件下,当风速为10 m·s-1时,水平观测方向上存在一个各点输沙率平衡的阶段,即崖顶戈壁至鸣沙山边缘戈壁各观测点的输沙率相当;当风速大于10 m·s-1时,戈壁地表以风蚀搬运作用为主,出现了戈壁向鸣沙山的长距离风沙搬运;当风速小于10 m·s-1时,戈壁沙物质的长距离搬运作用不明显。不同风况及沙源条件下,风沙流结构和输沙特征会发生显著变化。借鉴Lattau输沙率方程,运用风速和输沙率推算各观测点输沙率的时空变化,计算结果表明,在风速为10 m·s-1左右时,窟顶戈壁带的输送效率约为60%。     

莫高窟窟顶风况及输沙势研究

以1998—2001年莫高窟窟顶自动气象观测站记录的风资料为基础,通过对风况的统计和输沙势的计算,从风沙环境特征阐明了研究区主要受西北、东北和偏南三组风向共同作用。三组风况出现频率明显不同,其输沙势有一定差异。研究区风向变率指数较小,风况复杂,属于中风能环境。通过对风况的分析及输沙势的理论计算,以期对莫高窟的风沙危害防治提供科学理论依据。最后通过对莫高窟2001年输沙势（量）的对比计算,指出了现有输沙势公式存在的局限与不足。     

莫高窟窟顶戈壁防护带阻截和输导功能研究

多风信条件下, 沙砾质戈壁与鸣沙山进行着往复式的能量交换及物质运动。部分沙物质在砾石的保护下, 形成阻沙。部分沙物质在跃移沙粒的激化下形成戈壁风沙流并对洞窟产生危害。戈壁风沙流是造成沙砾质戈壁从稳定向不稳定状态演化的主要动力因素; 而上风向沙源的供给状况又是决定砾石床面阻沙和导沙的主要因素。基于此, 戈壁防护带应首先控制来自鸣沙山的沙源, 采取以阻断或减少外来沙源, 通过固定和覆盖沙砾质戈壁地表以及增加下垫面粗糙度等, 来造成一种既利于沙子堆积的条件, 又能促进形成天然戈壁输沙场, 从而为偏东风反向搬运创造一个适宜场。因此, 如何因势利导, 使窟顶流场与风沙地貌达到一种动力平衡, 是莫高窟综合防护体系成功与否的关键之一。这与以往单风向或双风向条件下所探讨的防护体系效应有着本质的区别。     

敦煌莫高窟窟前林带防护效应的风洞实验

洞窟环境包括窟内的温度、湿度、光照、气流等环境因素的适宜程度,对保护洞窟内的壁画和彩塑是十分重要的。洞窟环境不仅因洞窟所处的位置、大小、型制、有无窟门及窟门形式等而异,而且与窟外整个大环境密切相关。不同风况对洞窟内的气流交换起着重要的作用,也是造成石窟壁画彩塑风沙尘粒沉积、崖面风蚀的主要原因。通过风洞模拟实验,从窟前流场、洞窟环流、崖角形状及其受力等几个方面研究了窟前林带的防护效应和崖角防风蚀机理。结果表明：从控制洞窟水汽因素来讲,窟前以通风结构林带最佳,疏透结构林带次之,紧密结构林带欠佳。控制窟前林带灌溉强度,建立多次、少量的窟前林带灌溉制度,同时,在偏东风条件下尽量减少对窟前林带的灌溉,是控制林带生长和底层洞窟侧渗的重要一环。考虑到促进洞窟自然通风的需求,采用一定疏透度的窟门和采取必要的强迫通风,能够较大改善洞窟的自然通风和环境适宜状况。     

莫高窟崖顶防沙工程的效益分析

４年防沙实践证明：莫高窟崖顶防沙试验的工程设计构思是正确的，设计依据科学可靠，防护效益显著。对保护石窟和壁画已经起到重要的作用．其具体防护作用是：１）直接控制偏西风向洞窟搬运沙量的９５％左右；２）洞前夜间积沙减少了８０％以上；３）外围栅栏对来自主风向的外侧积沙的侧导率平均为３５％；对内侧积沙的侧导率，在偏东风作用下可达５７．５１％，在偏西风作用下平均为１５．８９％．上述防沙作用均具有明显的季节变化。     

Overall efficiency of a V-shaped nylon net fence in preventing sand damage to the Mogao Grottoes

A V-shaped nylon net fence installed in 1990 on top of the Mogao Grottoes is shown to be effectively resisting aeolian sand damage to the grottoes. The structure guides and causes deposition of sand from westerly wind (the primary hard wind), but to some extent hinders the inverse function of easterly wind carrying sand away from the grottoes toward Mount Mingsha. The gobi side by the fence experiences higher wind speed, so that on which are easily formed undercutting pits, and the deposited sands on it generally form double-peak structures due to abundant sand sources. If the earth surface characteristics in gobi areas by both sides of the fence are quite varied, the erosion and deposition features of the accumulating sand section are similar in different seasons; however, if the earth surface characteristics are similar, the features become irregular in different seasons. Sand depositions with long slope feet are formed along the south and north sides of V-shaped nylon net fence. Disrupted by strong westerly wind and northwesterly wind, sand accumulations by north of the fence are in form of single peaks. Although the operation duration of the V-shaped nylon net fence has exceeded its design life (10 years), our observations indicate that it is still effective in reducing wind-driven sand damages to the Mogao Grottoes, so it should not be withdrawn.     

公路防沙设计中夸大沙害严重性原因分析

在多年实践的基础上逐渐认识到,在多种因素影响下,研究人员在进行公路防沙设计时,往往会夸大沙害的严重性。要解决这一问题,首先应认识到,当有风沙吹向公路时,并不一定会有较为严重的沙害;其次,要认识到在沙漠的不同区域,如沙丘分布区与平坦的流沙地等,其风沙运动规律及沙害特征等,会有很大不同;此外,还应注意到防沙工程对外侧来沙的容纳量要比我们以前所认为的要大得多。本文从沙害强度与输沙率之间的关系、阻沙栅栏的导沙与阻沙作用、固沙带中积沙的不均匀性、公路的输沙作用、沙害防治的评价标准等方面入手,对此问题进行较为全面地探讨。     

金字塔沙丘粒度变化及表面过程的初步研究

莫高窟顶金字塔沙丘粒径集中分布在2.44～2.94 Φ,属细砂。标准差介于0.24～0.65之间,偏度在0.03～0.31,属于正偏级。峰度在0.78～1.72,介于宽峰态至尖峰态。沙粒粒径级配是风况、地貌与沙物质相互均衡作用的结果。金字塔沙丘存在着沙臂顶部沙最细或最粗两种粒度模式。金字塔沙丘沙丘主臂(WNW—ESE)属于在双向风环境作用下,类似于横向沙丘粒度变化模式,两坡下部以风蚀为主,丘顶附近以堆积过程为主,导致沙臂两坡粒径与分选性由下而上变细与变好。频率高、风速不大的局地气流,可将大量细沙物质搬运到金字塔沙丘主臂,造成丘底到丘顶的粒度变化不大。副臂(SW)受较强NW风力作用,具有横向及纵向沙丘粒度变化模式,整个坡面处于风蚀状态,沙臂顶部风蚀最为强烈,导致从底部到顶部的粒度逐渐由细变粗。     

栅栏防护体系空气动力学效应研究进展

栅栏防护体系的空气动力学效应研究是揭示其防护机理的重要基础,也是风沙工程学和风沙物理学应用研究的主要组成部分。根据已有的研究成果,全面综述了近半个多世纪以来有关栅栏防护体系空气动力学机制方面的研究进展,对各个时期的主要成果作以介绍,并对几种代表性防护栅栏最佳疏透度的确定方法及范围分别加以对比分析。分析认为,对栅栏空气动力学效应已取得了相对较深的认识,并且积累了大量的研究经验,对于认识栅栏防护机理具有重要的指导和启发作用。但影响栅栏防护效益的因素是复杂的,众多研究都运用了过多的简化与假设,而且研究者们对于栅栏防护效应的理解不同以及所强调的保护侧重点不同导致评判的标准也各不相同,最终得到的最佳疏透度也有所差异,不能直接运用于实践中。鉴于此,在将来的研究中运用现代测量技术获取可靠的数据资料仍然很重要。     

敦煌-格尔木铁路高大沙丘区的风沙环境特征及风沙危害综合防护体系

新建敦煌-格尔木铁路途经库姆塔格沙漠东部的沙山沟,沟内沙源非常丰富,高大沙丘广布,其风沙危害对铁路造成了严重威胁。本研究选择党河上游流动沙丘和黑山嘴流动沙丘两个具有代表性的高大沙丘区域,系统调查与观测了该区域高大沙丘土壤水分、植被、风沙环境和风沙危害,在掌握和分析两试验区环境特征的基础上,在党河上游流动沙丘区建立以工程措施为主的风沙防治试验示范区,在黑山嘴流动沙丘区建立工程与生物相结合的风沙防治试验示范区。研究旨在取得敦煌-格尔木铁路途经高大沙丘区风沙防护的相关工程经验,合理确定风沙防治措施,为铁路通过该区的风沙防护提供了理论依据和实践参考,对保证敦煌-格尔木铁路安全畅通运营具有重要意义。     

内蒙古大塔-何家塔铁路风沙路基综合防护体系

内蒙古大塔-何家塔铁路全线风沙路基长61.5 km,占正线长度的48.7%,风沙危害已严重威胁到线路的正常运营,并制约了区域矿产资源的外运。通过对当地气候条件、植被类型、沙丘分布等因素的调查,确定了植物防护和工程防护相结合的综合治理方案。选用沙柳、柠条、杨柴、胡杨多种植物,采取高立式沙障、HDPE网方格、沙柳活沙障树枝方格、水冲沙柳种植和灌木植物防护带多措施并举,在半固定沙丘和流动沙丘区段,依据风沙路基的不同危害程度,采用不同层次的风沙防护措施,构建了具有严密性、整体性的防沙体系。实践证明,活沙障与植物防护林带等措施形成了完整的绿色防护体系,阻沙、固沙作用显著,大大降低了风沙上道等危害铁路的可能性,保障了铁路的安全运营,为同类地区沙漠铁路的风沙治理工作积累了宝贵经验。