准噶尔盆地绿洲-荒漠过渡带近地面输沙方向分布特征

准噶尔盆地绿洲-荒漠过渡带近地面输沙方向分布特征

塔里木盆地是新疆风沙活动的高发区。风沙活动造成道路、村庄、农田沙埋和大气质量下降及区域环境恶化,严重影响当地生产、生活及社会经济发展。特别是在盆地的南缘,风沙危害尤为严重,村庄、农田等大面积被蚕食。策勒是塔里木盆地南缘风沙危害的重灾区,策勒县城历史上曾3次因为风沙侵袭而搬迁,风沙灾害严重地制约着当地社会经济的发展。因此,认识这一区域的风沙活动规律,对于该地区的风沙灾害防治、荒漠化控制及经济、社会可持续发展等至关重要。20世纪60年代以来,众多学者对这一区域的风沙地貌、沙丘移动、起沙风速、地面风场、风沙活动强度、风沙灾害成因及治理措施、沙漠化状况等开展了广泛研究。对于该区风沙活动规律、危害等有了较为深刻的认识。但关于输沙方向分布的研究较少,虽然根据地形地貌、沙丘变化规律及地面风场分布特征,可以认识一个地区风沙流输沙的方向分布,但仍需要通过野外观测来定量研究输沙方向分布。本文以策勒县为研究区,利用绿洲-荒漠过渡带风沙观测场实测的一个周期年的全方位输沙数据及同步风速、风向数据,计算了策勒绿洲-荒漠过渡带风沙前沿近地表输沙量,分析了不同方向的输沙特征。1蒸发量和出沙风时间策勒县位于塔克拉玛干沙漠南缘,昆仑山北麓,属于暖温带荒漠气候,年平均气温11.9℃,年积温4340℃,无霜期200d;气候干旱,多年平均降水量34.0~37.0mm,而年平均蒸发量可达2600mm。策勒风沙活动频繁,多年平均大风日数4d,最多年份达16d;多年平均沙尘暴日数25.2d,最多年份高达59d。根据2005—2009年的气象资料,研究区起沙风主要集中在W、WNW、NW3个方位,占所有风向的87.9%;起沙风主要出现在春、夏季,秋、冬季较少;研究区输沙势介于20~30VU,合成输沙势介于19~34VU,合成输沙方向为101.1°,属于低风能环境。其中,WNW和NW方向的输沙势分别占总输沙势的52.5%和31.4%,4—7月为风沙活动强盛期,4个月的输沙势占全年总输沙势的73.3%。2输沙量、风速和风向观测场位于新疆策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站西北方向,距站区8km左右;处于绿洲-荒漠过渡带北缘,下垫面为平坦沙面,周边有稀疏的灌丛沙堆分布。观测场中安装有全方位定点集沙仪和风速风向观测站。全方位定点集沙仪通过16个方向进沙口可以测量输沙量的方向分布。进沙口高40cm,宽1.5cm,通过导管与下端的集沙盒连接,集沙盒的容积约为4L。观测时,调整好进沙口的朝向,进沙口的底端与地表持平,集沙盒组埋入地下,测量的数据可代表每个方位近地表40cm高的输沙量。本文所用输沙数据为2010年9月15日至2011年9月21日的累积量,且把数据统一换算成0~40cm高度、1cm宽度截面上的输沙量。风速风向的观测高度为2m,仪器为芬兰Vaisala公司生产的WAA151,数据采集频率为1Hz,风速、风向数据均为1min平均值。根据同步测量的2m高度风速、风向数据,采用Fryberger方法,计算了对应时段16个方向的输沙势,输沙势的计算公式如下:式中:DP为输沙势,为矢量单位(VU);V为各级别起沙风速1min的平均值;Vt为临界起沙风速(根据前人的研究,观测点2m高度1min平均起沙风速取值5.2m/s),V和Vt的单位为kn/h(海里或节每小时);t为起沙风作用时间,以频率表示。统计观测期间各风向不同速级起沙风的频率,把相同风向各风速级出现频率和平均风速分别代入公式(1),所得值相加,即得到某一风向的输沙势。16个方向的输沙势相加得到总输沙势,然后进行矢量合成,可得到合成输沙势(RDP)和输沙势合成方向(RDD)。3结果3.1合成输沙量和输沙方向由图1可知,在一年的观测中,16个方位都有风沙活动发生,只是不同方位的输沙量存在较大差异。输沙量主要集中在NW、WNW、W、SW、WSW5个方位,年输沙量分别为15.4、15.3、12.9、12.3、9.8kg。其他方位的输沙量相对较小,在0.5~4.7kg,其中SSE方位的输沙量最小,只有0.5kg,仅为最大输沙量出现方位(NW)的1/30。观测点0~40cm高度、1cm宽度截面上的年输沙量为96.0kg。合成输沙量和合成输沙方向是衡量一个地区风沙活动强度的重要判断标准。根据16个方位的输沙量,利用矢量合成法则,计算得到观测点0~40cm高度、1cm宽度截面上的年合成输沙量为45.9kg,合成输沙方向为102.5°。由图2可知,NW、WNW、W、SW、WSW5个方位分别占地表输沙总量的16%、15.9%、13.4%、12.8%及10.2%,合计占总输沙量的68.3%,其他11个方位的输沙量仅占31.7%,表明策勒地区输沙活动的方向较为集中。3.2沙风风向比选风是风沙流输沙的最直接动力。由图2可见,观测点起沙风风向以W和WNW为主,W风向占39.8%,WNW占17%;E、ESE、WSW和NW4个风向发生频率相对较高,分别为7.5%、6.3%、5.8%和4.7%,其余风向发生频率都较小。表明观测点年起沙风风向比较单一,这与观测点输沙活动发生方向较集中的现象一致。策勒起沙风风向的分布特点与整个盆地的风场分布及环流影响有关。影响塔里木盆地的主要大气环流有两支,东部主要受大陆和极地反气旋“东风倒灌”控制,而西部受弱西风环流控制。这种环流形式决定了在整个沙漠中,东部盛行偏东风,而西部盛行偏西风,两者在克里雅河一带汇合形成一个辐合区,策勒就位于这个辐合区范围内。因此,策勒受两大风系的影响,既有偏东风,又有偏西风,只是偏东风向西运行过程中会逐渐减弱,因而偏东风风力较弱,以上观测的数据也证实了这一点。3.3输沙方向和下垫面状况输沙势是衡量区域风沙活动强度的重要指标,代表潜在的输沙能力。根据公式(1),计算了观测点的输沙势分布(图3)。由图3可知,观测点的输沙势方向主要集中在WSW、W、WNW风向上,合计占78.9%,其中W方向最大,占46.6%。年输沙势为43.2VU,年合成输沙势为31.04VU,合成输沙方向为98.5°,输沙方向与全方位定点集沙仪实测较为接近。比较各个方位输沙势与实测输沙量(图1、3),可以发现存在一定差异。实测输沙量以NW、WNW、W、SW、WSW5个方位所占比重较大,输沙势方向主要集中在WSW、W、WNW风向上,两者的相关性仅为0.3648(图4)。其主要原因在于:(1)输沙势的计算是根据风速变化的,且起沙风速设计为定值,而野外实际起沙风速为变值,导致计算出的输沙势与实测输沙量在方位分布上存在一定的差异;(2)策勒绿洲西部的策勒河受河流流量、河流渠道化等因素的影响,发生了河道干涸或者变迁,导致河西岸的沙丘可能越过河流向东岸的策勒绿洲逼近,为风沙活动提供了沙源,使得实际的输沙活动发生了变化。由此可见,下垫面状况的改变对于输沙活动具有重要影响。这也提示我们在风沙运动的研究中,需要把风速、下垫面等各要素结合起来,才能更加深入地揭示风沙活动表象背后的真实原因。4输沙势与输沙量(1)研究区16个方位都有输沙活动出现,但输沙量存在显著的差异,输沙量的高值以NW、WNW、W、SW、WSW5个方位为主,近地表40cm高年输沙量分别为15.4、15.3、12.9、12.3、9.8kg,5个方位占到总输沙量的68.3%;输沙量最小值出现在SSE方位,仅为0.5kg。观测点近地表40cm高年输沙总量为96.0kg,年合成输沙量为45.9kg,合成输沙方向为102.5°。(2)观测点起沙风风向变化比较单一,以W和WNW为主,W风向占年起沙风频率的39.8%,WNW占17%,与观测点输沙活动发生方向较为集中的现象一致。(3)本研究发现,输沙势与输沙量的分布存在一定差异。分析其原因,输沙势计算中起沙风速设计为定值,与野外实际起沙风速为变值有一定差异,且与策勒绿洲西部下垫面发生变化等因素有关。因此,有必要开展更多的观测试验,定量研究输沙势与实测输沙量的关系,以进一步认识不同方向的输沙活动。在防沙治沙工作中,W、SW、WSW3个方向的输沙活动也是关注的重点。因此,策勒绿洲的防沙工作不但要防止绿洲北面的沙漠南扩,更重要的