第七屆工程地質大會論文72

1、化學固沙新材料對沙丘內部溫度、 濕度影響的現(xiàn)場試驗研究丁亮諶文武基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2001aa322110)作者簡介：丁亮(1979-)，男(漢族)，江西萍鄉(xiāng)人，碩士生，主要從事固沙材料工程性質研究。 通訊聯(lián)系人韓文峰(蘭州大學資源環(huán)境學院蘭州730000)摘 要以敦煌莫高窟鳴沙山為試驗點，采川現(xiàn)場測:1及人工降雨等丁段，研究了不同配比的新型打機化學固沙劑對沙丘內部溫度、濕度的影響。結果表明：此種固沙劑對沙丘溫度、濕度的影響冇利于在沙丘內部形成適丁梢物生長的水熱條件，防護效來姑著。研究結澩對化學、生物一體化固沙其有重耍的意義。關鍵詞化學固沙新材料現(xiàn)場試驗溫度濕

2、度1刖目我國兩北部地區(qū)正以每年2460km2的驚人速度句沙漠化推進，致使260多萬km2、約1/4 的國土已經(jīng)變成荒漠，每年給國家造成500多億元的經(jīng)濟損失n1。隨著西部人開發(fā)戰(zhàn)略的實施， 防沙、治沙已經(jīng)成為我們血前最緊迫的任務之一。在這方囬，各國除采用傳統(tǒng)的生物岡沙技 術以外，還采川設置各種人工沙障等機械凼沙措施或噴灑化學凼沙制劑等工程措施。其中化 學固沙是近年來發(fā)展較快的新型固沙途徑?；瘜W岡沙就是利用化學材料與工藝，對易發(fā)生沙害的沙丘或沙質地表建造能夠防止風力 吹揚乂具有保持水分和改良沙地性質的固結層，以達到控制和改善沙害環(huán)境，提島沙地生產(chǎn) 力的目的2。國外化學固沙研究始于20世紀30年代

3、，到50年代已有較大發(fā)展,國內始于20 世紀60年代，繭今也冇30余年的歷史3。世界上已有46個國家研制出100多種化學固沙劑， 除水玻璃、乳化瀝青等常見化學固沙劑外，近年還岀現(xiàn)了利用工業(yè)廢料如廢塑料|41、工鼎酒糟 液151、紙漿疲液或草漿黑液161為基礎，加入各種添加劑配制而成的鬧沙材料，但都僅處于實驗 室研究階段，未能川于室外沙漠治現(xiàn)。本試驗所川固沙劑就足由蘭州人學利川化工廢料為原 料研制成的新型有機化學固沙劑(sh),并結合敦煌莫高窟風沙治理，在緊鄰窟區(qū)的鳴沙山邊 緣沙丘上進行了現(xiàn)場的應用試驗?；瘜W固沙包含了沙地固結和保水增肥兩方|w,它和楨物固 沙相結合可人人提尚植物的成活率。因此，

4、化#固沙劑噴灑后形成的固結層對于沙丘內部溫 度、濕度的影響就成為評價化學w沙劑同沙效果的秉要指標之一，直接影響到閥沙植物的生 長。我們在室內試驗的某礎上，優(yōu)選/不同配比的固沙劑，在同沙應用現(xiàn)場側重于對這兩項 指標的研究。2試驗區(qū)概況莫商窟位于河兩走廊兩端，敦煌盆地南緣，東南鄰峰巒矜障的三危山，兩南靠綿延4()km 的鳴沙山，北邊相隔14km戈娥灘與敦煌綠洲相望。莫高窟區(qū)海拔尚度1330m1380m，比相 距25km的敦煌市區(qū)高出200250m。由干莫高窟地處丙北內陸腹地，窟區(qū)氣候環(huán)境為內陸極 干早沙漠型氣候，具冇干燥、降水量少、溫差大等特點。氣象觀測資料統(tǒng)計(19621965年， 198919

5、92年)結果表明:多年平均氣溫為10.6°c,歷年絕對最高氣溫40cc (1965-7-27), 最低氣溫一21.5°c (1965-12-23),多年平均降水m僅23.3mm，平均蒸發(fā);w； 3479mm,蒸發(fā)m 是降水量的150倍；區(qū)內多風且多風向|71，平均風速3.5m/s,空氣濕度年平均為32.2%,干燥指數(shù)為32181。干燥的沙漠氣候一方面使得石窟和壁m得以保存，而；w方淅卻造成了風沙災 害更為嚴重?？邊^(qū)地貌及試驗點位置如圖1。圖1莫島窟區(qū)地貌及試驗地點fig. 1 geomorphologic map of magao grottoes and test sit

6、e3拭驗原理及方法3.1試驗原理所誚化學固沙，就是在（流動）沙丘（地）上噴灑化學粘結材料，在（流）沙表面形成 覆蓋層，或滲入表層沙中，把松散的沙粒粘結起來，形成固結層，從而防止風力對沙粒的吹 揚和搬運，達到固定流沙，防治沙害的0的|91?；瘜W固沙劑的固沙性能在于化學物質充滿沙粒 空隙后，能加強顆粒間的相瓦作用，有助于其從游離態(tài)向結合態(tài)轉化。從而在流沙表而形成 一層具冇一定結構和強度、能夠防止風力吹蝕、又可保持下層水分的固結層。同結層相對光 滑，能使沙斤表血形成保護層，隔絕氣流對松散沙層直接作用以防止風沙流對沙粒的吹蝕， 且能形成輸沙面，使沙粒不易堆積。而且，固結層能在一定程度上改善沙丘內部的水

7、熱條件， 對固沙拊物產(chǎn)生重耍影響。3.2試驗方法3.2.1地溫測量先在試驗區(qū)內分割出四塊試驗小區(qū)，每塊小區(qū)大小為50mx50m,在每個小區(qū)內都插上一 組地溫計，分別測量沙丘10、20、3（）、40cm深度處的溫度。由于現(xiàn)場試驗是在一系列的室內 試驗完成之p進行的，因此罔沙劑已經(jīng)經(jīng)過了多種試驗的優(yōu)選，木次試驗采用的是從強度、 生產(chǎn)工藝、滲透性、成本等方面綜合考慮而確定的優(yōu)選配方，即sh宥機化學物質含量為2°% 的固沙劑溶液。在現(xiàn)場制備好固沙劑之后，用機械式氣壓噴灑機開始均勻噴灑，在第一塊試 驗小區(qū)內，噴灑一遍，凼沙層完全風干、凼化后，厚度為1.52cm,編為i號；在第二塊試驗 小區(qū)，噴

8、灑兩遍固沙劑，固沙層厚度為33.5mm，編為ii號；在第三塊試驗小區(qū)，噴灑三遍固沙劑，固沙層厚度為4.55mm,編為iii號；剩下的一塊試驗小區(qū)，不噴灑任何固沙劑，保 待原始沙漠的狀態(tài)，做對比試驗，編為0兮。24小時后，固沙劑已經(jīng)完全固化，開始每隔2 小吋測暈四個試驗小區(qū)內的地溫。3.2.2濕度測量濕度指標在木試驗內是用體積含水fi來確定的。固結層對沙丘內部含水fi的影響試驗跟 上述試驗一樣，也是在同樣的叫個試驗小區(qū)內進行，編號方式也完全一樣。試驗采取人丁.降 雨方法，應用現(xiàn)有噴灑器并稍做改造而成的噴頭式噴灑器能模擬雨強為80200mm/h的降雨。 根據(jù)沙漠氣候特點及試驗需耍，試驗時降雨雨強固

9、定為somm/h,降雨持續(xù)時間為半個小時， 總汁降雨w為40nmi。測:w:儀器采用的是mg-2高精度測墑儀，測錢鬧結層下6cm深度處的 體積含水fi。模擬降雨完畢后開始在0、i、11、iii號試驗小區(qū)閃測g，測s頻率為每10分 鐘一次，直至固沙層下6cm處的水分完全蒸發(fā)為止。4試驗結果及分析地溫試驗得到的足每隔2小吋的各塊試驗小區(qū)的不同深度的地溫，數(shù)據(jù)極多，為了簡要 說明問題，特別選擇一晝夜內有代表意義的四個時刻（1:00； 7:00； 13:00； 19:00）的數(shù)據(jù)來 演示同沙層對沙丘閃部溫度的影響（如圖2圖5）。(30) 愛時間1:0010203040深度/ (cm)333231302

10、9282730-29-26-25-ih時間7:00閣3地溫變化曲線2827(o°)aw閣2地溫變化曲線圖4地溫變化曲線fig.4 changes of temperature in sand dunefig.2 changes of temperature in sand dune7654321098733333333222(30) /療愛圖5地溫變化曲線fig.5 changes of temperature in sand dunefig.3 changes of temperature in sand dune109876543210987443333333333222(00)

11、麄煢從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)i、ii、iii號凼沙層對沙丘地溫的影響程度是依次遞增的。在10cm 深處，固沙層對沙ft內部起到了一定程度的餌溫作川，即：在無f1照條件k,固沙層使此吋溫度不高的沙粒升溫了（圖2、圖3）;而u照條件下，同沙層則起相反的作用，降低了此時 處于高溫狀態(tài)k的沙粒的溫度。在20cm深處，凼沙層基本起降溫作用（圖4、圖5），至于30、 40cm深處，固沙層的作用則不叨顯了。之所以出現(xiàn)這樣的結果是基于兩方面的作用，一方面固沙劑使沙粒巾原來的松散體轉化 為致密的凝膠材料，形成相對致密的閥結層，盡管這層物質很?。?5mm）,不妨礙水分的 下滲和氣體的交換，但確實起到了保溫的作用；：w方

12、謝，固結層相對光滑，能反射大fi的 太陽輻射，減少了熱景的吸收，起到了降低岡結層下沙丘溫度的作用。而且光滑層面減小了 風沙吹過吋的.摩擦，有助于風沙快速通過，空氣更易流通，也在一定程度上起到了降溫作川。 在沙漠的特殊環(huán)境氣候下，這w方而的因素同時存在，井m作用于沙漠體，而.r隨著環(huán)境（日 照、氣溫、濕度、風沙等）的變化而變化，此消彼長。當前者的影響占優(yōu)勢時，罔結層就表 現(xiàn)出保溫的效果；后者占優(yōu)勢時，則恰好相反。蛣終綜合產(chǎn)生的規(guī)律性結果如上所述，而這 對子固沙是很有利的。因為化學工程固沙方法里好，但要達到最好的效果，還是應該與生物 固沙相結合。而噴灑固沙劑后沙丘10cm, 20cm深處的溫度變化

13、是有利于植物牛.長的，可以避 免固沙植物因地溫過尚或過低而死亡。另外，在這一深度k的溫度足直接影響到水分的蒸發(fā) 的，岡沙層的這種功能顯然是杏助于植物根系涵養(yǎng)水分的。圖6足固沙層下6cm深處沙體體積含水量隨吋間的變化情況。其中，0時刻足指開始測量 的吋刻，是在人工降雨完畢后10分鐘。這是為了給水分以充足的時間下滲。從圖中我們可以 看到，各固沙層對沙丘內部水分蒸發(fā)的抑止作用是十分明顯的，而凡i、ii、iii號作用依次 增強，iii號固沙層表現(xiàn)最為明顯，與沒倉噴灑固沙劑的0號空g樣比起來，含水景變化ilh線 緩和的多，由人工降雨完畢到最后完全蒸發(fā)千所經(jīng)歷的時間增加了將近一倍。鬧沙層的這種 保濕作用顯

14、然足與sh固沙劑特冇的結構冇關的。sh同沙劑是一種冇機卨分子化學同沙劑， 結果特殊，既有三維空鬧網(wǎng)絡式的，又有鏈式的，這就決定了侃濕作用是對水分既有物理 吸附，也有化學吸附而產(chǎn)生的，自然效果較好。fig.6 changes of volumetric water content under different sand-fixing layers i-口 一ii -iii o0(次)z珉長仁菸發(fā)5結論（1）sh新型有機化學固沙劑在莫高窟鳴沙山的現(xiàn)場應用試驗結果表明，此種固沙劑噴 灑形成的固結層對于沙丘一定深度內的沙粒具冇類似于“現(xiàn)代空調”的作川：在淺層沙體， 當溫度過尚吋，sh固沙劑能降低溫度

15、；當溫度很低吋，它乂能提尚沙體溫度。(2) sh同沙劑憑借k特有的有機高分子結構的優(yōu)勢，十分明顯的改善了沙丘的僅濕條件， 有效抑止了水分的迅速蒸發(fā)。i、ii、iii號固沙層下等量水分的蒸發(fā)吋間分別是0號原始場 地時間的160%、185°%、215%,大大延緩了沙體內的水分蒸發(fā)。(3) sh鬧沙劑的上述兩項功效與噴灑厚度是成正比的，體現(xiàn)在試驗結果上就是最厚的 iii號小區(qū)的效果總足比艽它的明顯。(4) 在莫高窟鳴沙山的噴灑試驗表明，sh固沙劑價格低廉、施工工藝簡單方便、固沙效 果顯著，適于在沙漠地區(qū)推廣使用。參考文獻1萵學貴，賁少云，馬廣偉等.環(huán)境礦物、sap、化學固沙漿材綜合治理荒漠

16、初探ijj.畀石礦物學雜志， 2001，20(4): 511-514.2丁慶軍，許祥俊，陳友治等.化學固沙材料研究進展j.武漢理工大學學報，2003, 25(5):2729.3韓致文，胡英娣，陳廣庭等.化學工程鬧沙在塔里木沙漠公路沙害防止屮的適宜性j.環(huán)境科學，2000, 21(5):86 88.14j鈕亦塑，蘇盛彪.利用白色污染廢料研制開發(fā)固沙膠結材料治理沙漠化jj.中國建材，2001, 6(9):55-58 |5胡孟春.獨聯(lián)體利川有機粘合劑圃定沙漠現(xiàn)狀|j1.悅界沙漠研究，1993,:4751.6吳玉爽，張力平.流沙和半流沙區(qū)化學法固沙的研究j.北京林業(yè)大學學報，1998, 20(5):4

17、246.7屈建軍，李云鶴,張偉民等.論敦煌莫髙窟的若干風沙問題j.地理學報,1996, 51(5):418425.8張明泉，李最雄等.敦煌莫髙窟保護中的主要環(huán)境問題分析j.干旱區(qū)資源與環(huán)境，1997, 11(1):34-38. 19吳正等.風沙地貌與治沙工程學mj.北京：科學出版社，2003. 324.locale experimental study on the effects of new chemicalsand-fixing material on temperature and humidity in sand duneding liangchen wenwu(school of

18、resource and environment，lanzhou university，lanzhou，730000)abstract: selecting a sandlot as test spot in minsha mountain at mogaogrottoes in dunhuang，and carring out artificial rainfall experiments，the effect of new chemical sand-fixing material with different compositions on temperature and humidity in sand dune is studied. the results show that the mater