流动沙丘地表风沙流运动规律的观测研究

流动沙丘地表风沙流运动规律的观测研究

沙的运动规律是沙物理研究的核心内容。它也是防沙、防沙和防沙灾害的指导思想和理论基础，在沙漠防治理论和实践中发挥着重要作用。国内外学者在沙粒运动、风沙流结构、输沙率、风速廓线、临界起沙风速等方面,做了大量深入细致的研究。但不同地区的风沙流运动有着特定的流量和表现形式,关于乌兰布和沙区风沙活动少有持续的野外监测结论,本文在国家林业局磴口荒漠生态站长期风沙监测的基础上,对乌兰布和沙区特定环境背景下近地面0~100cm高度风沙流流量进行野外实测,通过对观测数据的定量和定性分析,揭示流动沙丘地表的风沙流结构及沙粒运动特性,以期为该地区区域性防沙工程提供基础理论和科技支撑。1沙漠化的严重态势乌兰布和沙漠地处我国荒漠化草原向草原化荒漠过渡地带,是我国北方沙尘暴频发的主要源区及主要路径之一,也是我国干旱区荒漠化发展严重地区,沙漠总面积9082km2,其中流动沙丘占49.94%,半固定沙丘21.78%,固定沙丘23.41%。乌兰布和沙漠直接危害黄河的流沙段超过20km,每年向黄河输沙约7.72×107kg,占黄河含沙量的37%。流沙浸入黄河,淤积河床,对三盛公黄河枢纽工程和上游库区构成严重威胁,同时造成整个河套灌区渠道淤积,每年需花费大量经费清淤。沙漠东北部与河套绿洲西缘接壤,绿洲边缘未治理区,流沙每年仍以3~5m的速度东移逼进农田,该地区沙漠化严峻态势和沙尘暴的发生给当地的经济和社会发展带来了极大危害,严重影响了区域经济的可持续发展。因此,对该地区开展近地层风沙运移规律研究有现实意义。实验布设在乌兰布和沙漠东北部磴口绿洲外缘流动沙丘较为平坦的沙丘顶部,海拔高度为1054.03m,地理坐标为40°24′N,106°46′E,据国家林业局磴口荒漠生态站(简称磴口站)气象数据统计(表1),该地区干旱少雨,年均降水量为105.3mm,蒸发量达2407.0mm,气温8.8℃,风速3.7m·s-1,最大风速21m·s-1,全年风沙日数85d。2全方位定点积沙仪在磴口站长期监测的基础上,选择2011年3~6月风沙活动强烈期的大风日,集中进行野外观测。具体方法是:在上述实验点流动沙丘顶部布设FSL-200风沙流采集系统、立式积沙仪、全方位定点积沙仪等。立式积沙仪进沙口50层,每个积沙盒进沙口的宽和高均为2cm,可以监测0~100cm的风沙流特征,测定时进沙口断面与风向垂直;全方位定点积沙仪高50cm,积沙盒按16个方位排列,可以收集不同方位的跃移沙粒。所有积沙仪底部与地面齐平,每次积沙观测时间为10min,在集沙仪一侧架设多通道自记风速梯度测定系统同步测定2m高处的风速,每1min记录一次风速,风速取同时段10次观测数据的平均值。每次观测结束后,将积沙仪的积沙量分层称重,对收集的每层沙粒采用DLY2000光电颗粒分析仪进行粒度分析。3结果与分析3.1口站12m风收率及风压起沙风是评定一个地区风况的重要指标。在机械防沙体系的设计中,起沙风的统计分析是设计的主要依据之一。乌兰布和沙区地处中纬度内陆,终年受西风环流控制,大风常由强冷锋过境引起。根据野外实测,流动沙丘2m高度处沙粒起动风速为5.1m·s-1。为了利用磴口站风信资料,运用公式V12=1.2272V2+0.6508,将2m高度处起沙风速转换为磴口站12m高度风速,值为6.9m·s-1。对磴口站2011年12m风信自记数据统计可知(图1-2),起沙风(≥6.9m·s-1)以7~9m·s-1为主,占全年起沙风频率的67.64%,其次为9~11m·s-1,占22.19%,两者之和占89.83%,而>17m·s-1的风速全年只出现了2次,占0.07%;2011年3~4月、11~12月风沙活动最为强烈,分别占全年起沙风持续时间的33.78%和25.36%。进一步对年内起沙风的风向统计(图3),起沙风最多出现在WNW和NW方向,WNW-NW占全年起沙风的53.56%,其次是,WSW-W,占24.33%。因此,在采取工程措施治理流沙过程中,特别是乌兰布和沙漠东北缘黄河西岸固沙林、绿洲外围农田防护林体系构建时,尽可能使防护带主带走向与NW或WNW-NW向垂。3.2输沙率与风速的关系风沙流结构是指气流中所搬运的沙粒在搬运层内随高度的分布特性。对实测的52组输沙数据进行统计(表2)得出:在0~100cm高度输沙断面上,0~10cm高度层内搬运的沙物质量占总搬运量的70.7%且主要集中于贴地层0~4cm高度范围内,90.0%的风沙流分布于0~30cm高度层内。本观测结果与吴正等观测的气流所搬运沙量的90%在离地表30cm以下相一致,与WILLIAMSG、朱震达等观测结果多数颗粒在0~2cm内传输且90%的沙量在0~10cm内传输存在一定的差异。进一步分析输沙率随高度、风速的变化情况可知(图4、图5),输沙率随高度增加呈幂函数规律衰减(Q0~100=10.345H-0.6318),相关系数R2=0.9446,输沙率随2m处风速增大呈幂函数规律增加(Q0~100=0.0003v4.2962),相关系数R2=0.9308,呈强相关。根据输沙率百分比在各高度层分布的差异,文中划分0~4cm为贴近床面层,4~30cm为中层,30~100cm为上层。研究发现(表3),当2m处风速低于5.6m·s-1,30cm以上基本没有输沙发生,随着风速的增大,下层(0~4cm)输沙率百分比由43.87%减少至31.68%;中层(4~30cm)输沙率百分比保持在50%~60%之间;上层(30~100cm)输沙率百分比由1.8%增加至8.21%,说明随着风速的增大,绝对输沙率增加,下层(0~4cm)相对输沙率趋于减少,中层(4~30cm)基本不变,上层(30~100cm)明显增加,沙粒的搬运高度随风速增大而增加,贴近床面的气流中搬运的沙量相对减少,风沙流处于不饱和状态,使地表风蚀加强。马世威等曾观测到同样的现象,认为总输沙量增加会增加沙粒之间的碰撞与冲击,从而使沙粒的搬运高度上升。3.3涌水面沙物质输移量分布风沙流输沙的方位分布也是风沙流研究的重要内容之一。2011-2012年利用全方位定点集沙仪对实验点0~50cm跃移输沙的空间分布进行了监测(图6),结果如下:跃移输沙主要集中在WNW、N、SW、WSW、W5个方位,分别为全年输沙量的9.83%、9.22%、9.18%、8.83%、8.06%,共计占到全年总量的45.12%,在S、SSE方位上输沙量较少,仅为全年总量的3.28%和1.95%。对比跃移输沙分布(图5)与起沙风风向分布(图3)可以看出,跃移输沙分布与起沙风风向分布极不一致。主要是由于所用积沙仪虽然在顶盖上分布着16个进沙口与16方位对应,但在野外风沙环境下并不是只收集单一风向方位上的来沙量造成的,现将全方位跃移积沙仪按中轴线划成迎风面与背风面两部分,在起沙风输沙条件下,与风向垂直的迎风面上的各方位都直接是积沙面,而背风面也由于风沙流的绕流作用造成一定沙物质输移,所以16方位的跃移积沙量并不对应单一风向下的输沙量。所以图3、图5显示的起沙风风向分布与跃移输沙量的空间分布极不一致主要是由实验仪器本身的缺陷导致的。从理论上讲跃移输沙量的空间分布应该与起沙风风向分布大体一致。差异应主要受各方位风的强度和持续时间影响。3.4细沙和极细沙研究风沙流中沙粒粒径的垂向分布及变化对认识沙粒的运动及探究风沙流结构具有重要意义。研究表明:乌兰布和沙区风沙流中沙物质主要由粒径为0.25~0.05mm的细沙和极细沙构成(表4),占输沙量的51.2%~81.6%。由图7可知,在0~100cm高度范围内,风沙流中沙粒的平均粒径随着高度的增加呈明显的递减趋势,平均粒径由0.2129减少至0.1015,由此可见,随着高度的增加风沙流中沙粒的平均粒径趋向于更细,这表明在同等条件下,沙粒的直径越小,跳跃的高度越大。4沙粒及沙物质分布利用多种积沙仪,通过野外实时输沙观测,对乌兰布和沙区流动沙丘地表风沙活动特征及沙粒运动特性进行了分析,初步结论如下:(1)乌兰布和沙区2011年以3~4月、11~12月风沙活动最为强烈,分别占全年起沙风持续时间的33.78%和25.36%。起沙风以7~9m·s-1为主,占全年起沙风频率的67.64%,其次为9~11m·s-1,占22.19%,两者之和占89.83%,起沙风最多出现在WNW-NW方向,占全年起沙风的53.56%,其次是WSW-W,占24.33%。(2)0~100cm高度范围内,输沙总量的70.7%分布在10cm高度内,90.0%分布在30cm高度内,输沙率随高度增加呈幂函数规律衰减(Q0~100=10.345H-0.6318,相关系数R2=0.9446)。输沙率与风速呈幂函数关系(Q0~100=0.0003v4.2962,相关系数R2=0.9308),随着风速的增大绝对输沙率增加,地表风蚀加强,输沙断面下层(0~4cm)相对输沙率趋于减少,中层(4~30cm)略变,上层(30~100cm)增加。(3)风沙流中沙物质由粒径为0.25~0.05mm的细沙和极细沙构成,在0~100cm高度内,风沙流中沙粒的平均粒径随高度的增加呈明显递减趋势,平均粒径由0.2129减少至0.1015,表明在同等条件下,沙粒的直径越小,跳跃的高度越大。(4)理论上,风沙流中