北京市科委项目建议书(2002年度-地表起沙(尘)模拟、观测与综合防治技术-课题1建议书)终稿.doc

北京市科委项目建议书(2002年度-地表起沙(尘)模拟、观测与综合防治技术-课题1建议书)终稿.doc

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北京市科技计划项目

课题建议书

所属项目名称：

北京市防沙治沙相关技术研究

课题名称：

地表起沙（尘）模拟、观测与综合防治技术

所属技术领域：

社会发展

课题建议单位：

北京市防沙治沙工程技术中心

北京师范大学中国沙漠研究中心

项目依托单位：

北京师范大学

主管处室：

北京市科学技术委员会社会发展处

课题建议书的组织方式：

定向征集

二○○二年八月十日

填写说明

1．建议书各项内容应当实事求是，用钢笔填写或计算机打印填报（A4），字迹要工整清楚，页面保持整洁。

2．建议书中各栏大小可随内容调整。

不够时，可以自行加页。

3．填写内容涉及到外文名称，要写清全称和缩写字母。

4．市科技经费是指市科委管理的财政经费；国家有关部委拨款是指国家有关部、委、局所拨科技经费；经费预算中的“其他”一栏是指市科委以外的各级财政拨款和承担单位融资、集资、入股等各种形式的经费来源，本栏需具体填写。

5．经费支出明细中各项开支范围说明见《北京市科技课题合同经费预算编制规定》（试行）（文件下载网址：

）。

6．课题建议书的组织方式分为：

（1）公开征集；

（2）定向征集；（3）招投标。

7．本建议书中，凡无需填写的条款，就在该条款填写的空白处划（/）表示。

8．本建议书一式三份报送市科委。

一、课题的目的、意义、必要性及它在所属项目中的作用

北京郊县农田风蚀严重并有加剧趋势的事实，在20世纪80年代就已得到研究结果的证实。

研究结果表明，农田风蚀产生的严重后果，一方面使地表粗化，土壤肥力下降，土地生产力降低作物在风沙（尘）打击下严重减产甚至造成禾苗死亡，严重影响土地的可持续利用和农业经济的发展；另一方面风蚀过程释放的沙尘使大气颗粒污染物大量增加，危害人体健康，降低能见度和影响交通。

北京郊县以种植业为主，农田面积分布广泛。

在冬春季节，气候干燥，风力强盛，收获后的农田表土处于裸露状态，再加上春耕对农田地表的扰动，可蚀性颗粒大量增加，农田风蚀起尘异常强烈。

据研究，北京郊县的农田基本上都是沙质和沙质壤土，地表每年平均风蚀深度约0.8厘米，严重的地段每年风蚀量可达9.6吨/亩。

近三年的环境监测结果显示，总悬浮颗粒物（TSP）是北京市大气的首要污染物，年平均出现频度约占60%，在风沙强盛的春季高达80%，峰值期与沙尘暴频发期同步。

在TSP中，粒径≤10μ的可吸入颗粒物（PM10）对人体健康造成的危害最大，其主要来源就是农田、沙化土地及城区裸地等风蚀而逸入大气的土壤粉尘。

因此，本课题通过室内模拟和观测观测，研究北京郊区不同地表条件下的风蚀量和沙尘输送规律及其与土地利用格局的关系，研制和开发出适合北京郊区的风蚀防治技术，提出土地利用结构调整的优化模式及相关政策。

本课题作为重点项目“北京市郊区地表风蚀防治综合技术研究”的第一课题，是该项目核心部分和重要保障，课题的实施可以有效抑制郊区起沙起尘、减少城区大气沙尘量，为北京市生态建设和环境保护提供科学的决策，特别是对实现北京2008年“绿色奥运”将发挥积极的贡献。

二、课题所属领域国内外研究开发现状和发展趋势

美国中西部和前苏联中亚地区分别在20世纪30和40年代，因大规模开垦土地而频繁爆发沙尘暴引起人们对土壤风蚀问题的重视，并投入大量的人力、财力研发土壤风蚀机理和防治技术，提出通过削弱地表风速、增加地表粗糙度和地面覆盖等技术来控制地表风蚀。

削弱地表风速技术主要是通过建设防风林带；防风蚀耕作技术包括带状耕作、行垄耕作、轮作制、免耕法和长期休闲等方式；地表覆盖技术主要是使用秸秆、留茬、固化剂、保水剂、覆盖作物和砂砾石等对农田表土进行覆盖。

这些技术可改善土壤理化性质、提高作物产量并有效地抑制地表风蚀，推广后收到了显著效果。

我国对风蚀问题的研究和防治风蚀技术的开发起步较晚，直到1980年前后才得到重视。

目前，针对地表风蚀防治技术的研发，仅实施了小范围带状耕作、轮作等简单的风蚀防治措施。

防治风蚀技术的开发和集成，还处于空白状态，更没有整套技术的推广应用。

因此，开发地表防治风蚀技术是北京市乃至全国实施防沙治沙工程的一项关键应用技术。

在地表起沙（尘）规律研究方面，目前国内外广泛采用的是风洞实验与野外观测相结合的手段。

美国和前苏联分别早在20世纪30年代和50年代就开始运用风沙环境风洞，研究地表风蚀的发生机制和防治风蚀技术。

目前，国内外现有的风沙环境风洞主要是中小型的，而且功能不够完善。

国内同类实验室只有三座，包括中国科学院原兰州沙漠研究两座室内风洞和内蒙古林学院的野外风洞，但这些风沙环境风洞仅限于理论研究，从事工程设计方面的能力极为有限。

综观国内外同类实验室的功能和主要研究方向可以看出，目前还没有专门从事风沙环境工程技术的实验室，特别是将风沙环境工程风洞和野外风沙综合观测试验场结合起来进行有效的技术开发和集成。

可以预见，通过本课题的实施，建成风沙环境工程技术试验平台，将会极大地推动风沙环境工程技术开发的进展。

三、课题现有工作基础

自1980年以来，本课题组成员对我国土壤风蚀与沙质荒漠化防治做了大量研究工作，课题申报人与参加人积累了丰富的经验，取得了丰硕的研究成果。

在西北地区、农牧交错带等地区完成的国家级项目主要有：

北方农牧交错带环境演变研究、西北地区沙漠化土地动态变化研究、内蒙古土壤侵蚀遥感制图研究、西北地区风沙灾害与灾情信息系统建立、农牧交错带土壤自然风蚀规律与人为加速效应的实验研究、坝上地区土地沙漠化及整治途径，青海共和盆地土地沙漠化防治研究等。

与课题研究任务相关的科研成果有：

揭示了中国沙漠形成演化与气候变化的总体规律及区域差异；提出区域农业自然灾害灾情形成的动力学机制；组织编制了《中国自然灾害地图集》、《青海共和盆地土地沙漠化图》、《河北坝上地区土地沙漠化图》等；系统提出中国北方生态环境恶化的形成原因，特别在土壤风蚀、水土流失的形成机理方面进行了深入研究；揭示了我国农牧交错带土壤风蚀的地带性规律和不同人为扰动形式对土壤风蚀的加速作用机制等。

先后发表100多篇研究论文，出版专著10余部，20多项研究成果获国家和省部级奖励。

北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室建有气象卫星遥感信息接收与处理系统、GPS全球定位系统、土壤侵蚀实验室、农业水旱灾害模拟实验室、资源与环境信息处理实验室等，可以进行卫星影像数据存储处理、土壤风蚀模拟与测定、土壤理化性质分析。

北京师范大学中国沙漠研究中心现有成套的集沙仪和进口测尘仪，专门研究土壤风蚀、起尘输移过程及其影响因子（水分条件、土壤、植被等）。

四、课题实施目标及考核指标（具有明确的可考核性）

1.风沙环境工程技术试验平台将被建设成为总体工作能力达到亚洲最强大，世界第一流水平，完全满足北京市乃至国内风沙环境工程的技术开发和集成需要。

2.野外风沙综合观测试验场，将成为防沙治沙应用技术试验基地。

它可以独立进行推广防沙治沙工程技术的中试，也可以与风沙环境工程风洞配套使用，相互提供技术支撑，开发新技术。

3.开发出一套能够在郊县农业区推广的、环境保护和农业可持续发展相结合的最佳风蚀防治技术，为北京市防沙治沙工程的实施提供强有力的技术保障。

4.用本项目研究成果，在郊区建立3处农田（种植业用地）、1处经济林和1处草地的防治风蚀示范地，每处20亩。

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五、主要研究开发内容（包括要解决的主要问题、解决措施、技术关键、创新

点）

（1）地表风蚀综合防治技术体系

l选择草田轮作地、倒茬地、留茬地和新耕地作为试验地，检验增加地表残留物、提高表面粗糙度和保持根系层水分等耕作、管理技术对起尘量的控制效果，在此基础上总结并开发出有效的、具有推广价值的最佳风蚀防治技术。

l在风蚀最为剧烈的冬春季节，通过小区和大田试验，开发生物地膜、表面固化和抗风作物等防风蚀应急技术。

l通过小区和大田试验，确定农田防风林网的最佳林种结构、合理密度和优化配置。

l通过实地调查、田间试验和模拟，对不同作物品种组合、不同土地覆被结构的经济效益和生态防护功能进行比较，确定合理的草、田、林比例。

并通过种植结构优化、景观生态设计使农业生产、生态和田园景观达到完美结合。

l首先用已经购置的测尘仪测量、确定市区各种裸地的起尘量，以及市区起尘量地域等级分布；针对工地、街道路面、其他可发生二次起尘裸地的具体起尘特点，研究出有效、便捷、低成本的防起尘技术。

（2）风沙环境工程技术试验平台

室内模拟与野外观测设备主要包括风沙环境工程风洞和野外风沙综合观测试验场两部分。

①建设场地

风沙环境工程风洞占地面积为1500m2，长75m，宽20m。

房屋设计为两层，第一层为实验大厅和部分大型仪器设备，房屋高度10m，室内安装风洞的地基需要作整体特殊加固处理；第二层为小型仪器设备和人员办公，总建筑面积3000m2。

野外风沙综合观测试验场占地面积5500m2，周边呈矩形，长边与冬半年主风向平行。

所需场地由北京师范大学解决，地点拟在北京市房山区良乡。

②建设内容

A.拟建风沙环境工程风洞的规模和性能

a风洞类型与规模

采用直流开口吹气型，风洞全长约48m，实验段长度24m，宽3m，高2m，其顶部设置供沙箱和喷水设备，实验段扩散角0.5度左右，以克服轴向静压梯度。

b设计技术要求

风洞洞体共分九段，分别为风扇段、过渡段、阻尼器、第一扩散段、稳定段、收缩段、速度车、实验段、第二扩散段。

实验段两侧为活动侧板，并用透明材料（如钢化玻璃板）制作，每块侧板为1.5m´2.0m，目的是便于实验观测；实验段下风向10.5m长度范围内为活动顶板和底板，目的是便于布置模型和放置土壤槽天平、多分力天平等设备。

实验段内的轴心风速为2～40m/s连续可调。

实验段气流的正常紊流度在0.5%以下，如有特殊需要，可通过阻尼器达到增强紊流度的目的；速度车可以使实验段的边界层增加到1m左右。

动力系统采用变频调速系统，闭环控制。

洞体结构可采用槽型钢做加强肋和支架，试验段顶板和底板用5mm厚钢板制作，侧板用12mm厚钢化玻璃板。

B.风沙环境工程风洞的配套仪器设备与经费概算

a洞体

160.0万元

其中：

洞体框架材料和加工

81万元

钢材25吨（含加工费）

35.0万元

钢化玻璃（30块，1.5m´2.0m，含加工费）

7.5万元

供沙箱和喷水设备

5.0万元

风扇和传动轴

16.5万元

其他材料和加工费

15.0万元

b动力、自控系统

40.0万元

其中：

变频器、控制柜、电机等

25.0万元

闭环控制系统（包括计算机、软件、传感器等）

15.0万元

c设计（国家标准15～30％）、安装、调试等

60.0万元

d辅助仪器设备

142.2万元

其中：

高速运动图象分析仪（1台）

14.0万元

高速频闪光源（1台）

2.6万元

沙尘垂直采样观测系统（1台）

5.0万元

野外多点风速仪（2台）

2.4万元

皮托排管（10头自动记录）

2.5万元

皮托管（散20头自动记录）

6.0万元

风蚀土壤槽天平

24.0万元

野外多点风速仪（2台）

2.4万元

20和50cm高积沙仪（各1个）

0.8万元

风沙土工力学（1套）

26.5万元

三维移测架

29.0万元

三分力天平

27.0万元

C.野外风沙综合观测设备与经费概算29.8万元

风、沙、尘综合观测塔（高15m）

18.0万元

真空泵（6台）

4.2万元

2m高度积沙仪（4台，开口4cm´4cm）

2.4万元

10路（1路风向）风速仪（3台）

3.5万元

铝合金的风速仪支杆（套接式，共20m）

0.2万元

20和50cm高积沙仪（各两个），已计划，可室内外公用

平整场地

1.5万元

D.实验室土建