内蒙古沙坡头铁路防护体系的风沙效应

内蒙古沙坡头铁路防护体系的风沙效应

1沙坡头沙粒及地表沉降特征建立沙头铁路保护体系，是保护包兰铁路不受腾格里沙漠沙漠活动的重要任务。防护体系固定了流动沙丘［１］,改变了地表形态［２］、近地表流场分布［３］和地表沉积物特性［４－５］,促进了荒漠植被演替和结皮发育［６－８］,改善了生态环境功能［９］,风沙活动方式和强度都发生了很大变化［１０］。沙坡头防护体系建立以后,风沙活动的主要方式逐渐由强烈的风蚀、沉积转变成为风沙沉降主导。根据距地面35cm高的降尘样品数据,估算得到防护体系植被带内年降尘量为4240kg·hm－２(1991年)和4866kg·hm－２(1991—1998平均值),该区在25%~40%的植被盖度下,约30%的降尘可以被拦截［１１－１２］。更深入的研究包括防护体系内的降尘量、沉积速率、粒度特征、元素和矿物含量、主要影响因素和尘源等［１３－１４］。然而我们的调查表明,降尘只是沙坡头铁路防护体系内风沙沉降活动的一部分,特别是防护距离小于150m以内的区域,地表性质仍属于流沙,近地面风沙活动活跃,跃移沙粒的沉降是地表沉积物的主体,其沉降量远远高于大气降尘。鉴于此,我们选择了与当地主风向平行、穿越铁路防护体系的观测断面,沿断面布设了近地面沙尘沉降缸,对防护体系内的风沙沉降活动进行了为期1年的连续观测,以期分析防护体系内风沙沉降速率和沉降物源的时空分布规律。2学习方法2.1铁路沙区沙坡头铁路防护体系位于腾格里沙漠东南缘(37°27′N,104°59′E),地势西北高东南低,主要的沙丘类型是格状沙丘,常见新月形沙丘和沙丘链。受蒙古高压和地形影响,该区主风向为NW和WNW,次主风向为ENE。气候干旱,年均降水量186.2mm,主要集中在5—9月;年均蒸发量>3000mm。年均气温9.6℃,气温季节变化剧烈,7月平均气温24.3℃,1月平均气温-6.9℃。年均风速3.5m·s－１,春季大风频繁,风沙活动活跃。铁路防护体系由4个工程带组成,距离铁路由近及远分别为砾石平台、灌溉植被带、草方格沙障和无灌溉植被带、阻沙栅栏。草方格沙障和无灌溉植被带是防护体系的主体,带内灌木树种主要有柠条(Caraganakorshinskii)、花棒(Hedysarumscopa-rium)、沙枣(Elaeagnaceaeangustifolia)和沙拐枣(Calligonumarborescens)。砾石平台区域也有零星植被分布。阻沙栅栏为高1.2m、由水泥柱固定的孔隙度约30%的尼龙网。2.2沙区沉降缸的设置在防护体系内选取与主风向(NW)大致平行的风沙沉降观测断面(图1)。断面起于前沿阻沙栅栏所在沙丘的迎风坡脚,止于铁路路基以北的砾石平台,走向为NWSE,长约900m。其中,阻沙栅栏所在沙丘为前沿流沙区,前沿沙丘下风向至铁路路基以北大部分为草方格和无灌溉植被区。风沙沉降缸为内径17.5cm、高35cm的圆柱形玻璃缸。沉降缸与地面接触式放置,地面以下深度5cm,地面以上高度为30cm。沿断面共布设12个沉降缸,其中1~3号缸分别位于前沿沙丘迎风坡脚、丘顶和背风坡丘间地,11号缸位于灌溉林地,12号缸位于砾石平台,其余7个沉降缸位于草方格和无灌溉植被带内。2009年4月1日至2010年3月31日期间,采用干法按月收集风沙沉降样品。使用S-4800冷场发射扫描电子显微镜(日立高新科技有限公司)拍摄沙尘沉降样品照片,每个样品取样拍摄8次。使用MiVnt图像分析系统计算样品的粒度组成和组分含量,最终结果为8次分析结果的平均值。3结果分析3.1风沉降速率风沙沉降速率随防护距离增大逐渐降低,这种递减趋势在防护体系前段尤为剧烈(图2)。前沿流沙区风沙沉降的平均速率为108.6kg·m－２·a－１,远大于植被带内(0.6~9.5kg·m－２·a－１)。在距离前沿阻沙栅栏50~300m的草方格和无灌溉植被带前段,风沙沉降的平均速率为17.1kg·m－２·a－１,其中200~300m距离区域平均沉降速率为8.4kg·m－２·a－１。300m以外的下风向区域风沙沉降速率随防护距离增大而呈微弱的减少趋势,平均沉降速率为1.5kg·m－２·a－１。风沙沉降速率的空间变化趋势表明,随防护距离增大,风沙沉降活动逐渐减弱。在前沿流沙区,巨大的风沙沉降速率反映了流沙区强烈的风沙活动,草方格和无灌溉植被区前段风沙活动强度已得到有效控制,风沙沉降速率急剧降低;防护距离>300m的区域风沙沉降量及其差异都很小,表明风沙环境相对稳定。3.2沙区的沙细及沙沉颗粒形态特征由防护体系前沿流沙区至铁路路基,风沙沉降平均粒径逐渐变细,分选性变差(图2)。前沿流沙区风沙沉降物质的粒径组成和组分含量与其下风向草方格和无灌溉植被带、灌溉植被带、砾石平台的风沙沉降物质存在明显差别。前沿流沙区风沙沉降物质颗粒较粗,分选好(标准偏差0.36Ф),细偏,常峰态。植被带内风沙沉降物平均粒径较细,分选普遍为中度偏好(标准偏差0.59Ф),细偏程度稍大,偏度变化范围较小,常峰态。沉降颗粒平均粒径沿断面的变化趋势说明,随防护距离增大较粗颗粒迅速沉降,细颗粒含量相对逐渐增多。颗粒分选性逐渐变差,表明防护体系下风向区域沙尘沉降受风力的分选作用逐渐减弱。细沙是研究区风沙沉降的主体成分,平均占72.5%,尤其是在前沿流沙区,细沙含量>90.6%。粉沙是植被带内风沙沉降的重要组分,其含量高达32.9%,远大于前沿流沙区(3.3%)。粘粒含量普遍较低,植被带内的风沙沉降中,粘粒含量高于前沿流沙区。沿主风向风沙沉降中的细组分(粘粒和粉沙)含量表现出增大趋势,粗组分(细沙和中沙)逐渐减少。植被带风沙沉降中粘粒和粉沙含量与流沙区风沙沉降的显著差异表明这些细组分的主要来源是远距离输移的大气降尘。风沙沉降由悬移颗粒(<0.1mm)和跃移颗粒(0.1~0.5mm)组成。悬移颗粒是主要组分,在植被带内的含量显著大于前沿流沙区(p<0.05),随防护距离的增大而呈现先迅速增大、后逐渐稳定的变化趋势(图3),但也具有一定的波动性,明显的例子是9号沉降缸悬移颗粒含量明显低于邻近区域,这是由于该沉降缸位于丘顶植被稀少的沙丘背风坡,沙尘沉降缸不仅接受了大气降尘,还接受到丘顶风蚀物的沉降。悬移组分含量的断面分布特征表明在防护距离大于200m的区域内风沙环境较稳定,但也存在一定波动性,风沙活动以悬移的大气沉降为主,地面侵蚀和跃移搬运过程较弱,沙丘地形起伏对风沙沉降具有一定影响。个别沙丘顶部由于水分条件较差,植被过于稀疏,在大风条件下仍会产生风蚀,但风沙流的沉降距离非常有限,不足于对下风向邻近沙丘的风沙沉降产生影响。风沙沉降颗粒的形状随防护距离的变化也一定程度反映了防护体系内风沙环境的变化。前沿流沙区1~3号沉降缸的风沙沉降颗粒粒径差别较小,电镜下可见细小碎片,颗粒形状有椭圆形、圆形、菱形、长条形、不规则形状等,表面多见蝶形坑、麻坑、断口和裂纹,颗粒磨圆度较好(图4)。这说明前沿沙垄风沙活动强烈,撞击和摩擦作用促使颗粒破裂、剥落,从而产生细小碎片。植被带内风沙沉降样品中细小颗粒比例增加,颗粒形状除上述外还存在磨圆度极差的剥离破碎状颗粒,剥离破碎状颗粒能保存而未在风沙活动中被撞击和摩擦作用破坏,表明植被带内侵蚀活动较弱。3.3沙区的沙区沉降量风沙沉降量具有明显的月际变化(图5)。3—5月风沙沉降集中,期间前沿流沙区和植被带内单位面积风沙沉降总量分别为13.67kg·m－２和1.76kg·m－２,月均沉降量分别为4.56kg·m－２和0.59kg·m－２。4月沉降最强烈,前沿流沙区和植被带内的沉降量分别占全年沉降量的52.6%和32.8%。6—8月是较弱沉降期,期间前沿流沙区和植被带内风沙沉降总量分别为2.05kg·m－２和0.3kg·m－２,月均沉降量分别为0.68kg·m－２和0.1kg·m－２。9月至次年2月是最弱沉降期,期间前沿流沙区和植被带内的风沙沉降总量分别为1.48kg·m－２和0.24kg·m－２,月均沉降量分别为0.25kg·m－２和0.04kg·m－２。沉降量最少的月份是12月和1月,合计仅占全年沉降量的2.6%。无论流沙区还是防护体系内,风沙沉降颗粒组成中,跃移组分含量最高的月份都是风沙沉降最活跃的3—4月,期间前沿流沙区风沙沉降中的跃移颗粒含量高达40.9%,同期植被带风沙沉降中跃移颗粒的含量约占8.5%(图6)。9月并不是风沙沉降的活跃期,该月的风沙沉降量分别仅占前沿流沙区和植被带内全年总沉降量的1.2%和2.1%,但9月出现了风沙沉降中跃移颗粒含量的另一个峰值。4近地面风速影响风沙活动的两个必要条件是风动力和物质来源,因此动力环境的变化和物源性质的差异是风沙沉降量以及沉降性质变化的根本原因。近地面风力观测表明,沙丘地形和防护体系前沿阻沙栅栏改变了局部流场分布［３，１５］,防护体系内的草方格和植被覆盖则显著增大了近地面气流阻力,不仅削弱了气流的侵蚀能力和挟沙能力,还由于直接覆盖地表而极大制约了就地起沙。关于阻沙栅栏的防风阻沙作用及其原理已有大量研究［１６－２０］,本文不再赘述,无论栅栏处于沙丘表面何种部位,对局部流场和风沙流的影响都是显而易见的。值得一提的是,栅栏前后的持续积沙使得栅栏所在沙丘不断增高、变大,并形成沿栅栏延伸、与主风向大致垂直的带状沙垄,这一横亘在防护体系前沿的巨大沙垄不仅导致风沙地貌形态的明显变异,还对下风向区域的近地面流场产生了很大影响,有效抬升了进入防护体系的气流,降低了近地面风速,对削弱防护体系内尤其是防护体系前段的气流侵蚀力具有重要作用。我们将这一特殊成因机制和形态特征的沙丘地貌称为“栅栏沙垄”,其地貌学意义和对防护体系的工程影响机制有待开展更深入的研究。在“栅栏沙垄”影响减弱的较远区域,沙丘地形是造成气流波动的主要原因,而草方格和无灌溉人工植被是普遍增大地表粗糙程度、削弱近地面风力的关键因素［３］。防护体系内外近地面流场格局和风力环境不仅决定了风沙活动方式和强度,还影响到风沙沉降物质的来源和性质。随风力的逐渐削弱,由上风向流沙区搬运来的近地面运动颗粒在进入防护体系后不断沉降,气流携带的沙物质浓度逐渐降低,因而随防护距离的增大,风沙沉降的来源逐渐由前沿流沙区近地面风沙运动颗粒,转变为以大气降尘为主的悬移颗粒。风沙沉降颗粒的粒度特征证实了这一点。在防护体系前沿流沙区,风沙沉降量远高于下风向区域,其中近地面跃移颗粒含量相对较高,颗粒较粗,磨圆度较好;防护体系以内风沙沉降急剧减少,粉沙和粘粒含量相对增加。在防护距离大于300m的区域,风沙沉降量变化小,悬移颗粒含量较高。此外,草方格和植被固定地表,沙丘表面逐渐发育结皮,地表稳定性增强,也有效控制了就地物源。沙坡头铁路防护体系内风沙沉降的月际变化也是风动力月际变化和物源性质改变的结果,并受到降水的影响［２１］。根据中国科学院沙坡头沙漠试验研究站气象站记录的风速资料(表1),本文的风沙沉降观测期间内,3—5月是平均风速最高、起沙风发生频率最大的时期,6—8月平均风速和起沙风频率有所降低,9月至次年2月风速最小,起沙风比例最低。研究区风沙沉降强度的月际变化规律与的同期风速变化规律完全一致。观测周期内的风速变化情况与该区多年平均风况基本相同［２２］,表明该区风沙沉降的月变化具有良好的代表性。物源方面,研究区冬春季地表干燥,防护体系内的植被覆盖差,3—5月频繁发生的起沙风,导致强烈的地面风沙活动和大范围系统大风天气条件下的沙尘天气过程,尤其是流沙区地表风沙活动非常活跃。此期间的风沙沉降以上风向邻近区域的风蚀起沙为主,特别是防护体系前沿地带。6月降水逐渐增多,7、8月达到当地降水峰值,因此尽管起沙风发生频率较高,但地表湿度增大有效削弱了风沙活动,风沙沉降迅速减弱(图5)。肖洪浪等［１１］的观测表明该区6—8月的大气降尘量与3—5月的降尘量相比并没有明显降低,因此我们认为这一期间的风沙沉降物源中,较远源的大气降尘相对增加而上风向邻近区域的风蚀起沙相对减少。9月至次年2月份地表水分状况和植被状况都比较差,但起沙风发生频率低,同样不利于地表风蚀起沙。这一期间的风沙沉降物源应以大气降尘为主。5沙区颗粒组成沙坡头铁路防护体系内风沙沉降速率随防护距离增大逐渐降低,这种递减趋势在防护体系前段尤为剧烈。前沿流沙区、防护距离50~300m的植被区和300m以外的植被区风沙沉降速率分别为108.6、17.1kg·m－２·a－１和1.5kg·m－２·a－１。风沙沉降颗粒平均粒径逐渐变细,分选变差,以细沙为主的跃移组分含量逐渐减少,以粉沙和粘粒为主的悬移组分含量逐渐增大。防护体系前沿流沙区和植被带内的风沙沉降高峰期均为3—