毛乌素沙地新月型流动沙丘风沙流运移规律研究

毛乌素沙地新月型流动沙丘风沙流运移规律研究

沙流轨迹的研究是防沙和沙流轨迹破坏的理论基础。国内外专家一致认为风沙流运移和风沙地貌是一项重要的指标,也是非常必要的研究课题。尤其是当前涉及到的沙漠化监测、防沙治沙工程及开发利用、生态环境保护、人类生存发展等重大问题,都与风沙流运动问题紧密相关。风力、沙量和下垫面是影响流沙运移的三个要素。风力是促进或制约风沙流流动的动力;沙量的多少直接影响着风沙流的运移;而下垫面对风沙流的影响就变得十分复杂。因此本项研究的主要目的是通过研究流动沙丘风蚀积沙规律,为有效控制流沙而采取科学的措施提供依据。1仪器和观测点设置为探讨沙漠化土地动态变化、风沙流运移规律、沙丘位移、移动速度及综合治理途径,我们在毛乌素沙地腹部选择典型新月型沙丘,在其流动沙丘的主轴上设置三台(迎风坡中部、丘顶、落沙坡中部)光电子式积雪深度测定仪(法国制造,原用于滑雪场测定积雪深度的精密仪器,由日本鸟取大学农学部奥村武信先生在中日科技治沙合作研究期间直接引进中国),观测流动沙丘不同部位的风蚀和积沙规律。该仪器全部自动记录,可连续观测365d风沙流积、蚀情况的详细资料。在典型新月型沙丘上设置测定点的平面图如图1所示。A、B、C三点为光电子式积雪深度测定仪的设置点,0点为总控制原点。2沙丘变化、沙体位移以及研究地区的概念分析关于毛乌素沙地流动沙丘的年移动量、沙丘表面高度的变化、沙丘整体位移、移动速度以及研究地区的概况在参考文献1中有详细的论述。本文主要是讨论流动沙丘不同部位的风蚀和积沙变化与风速、大风频率的关系。2.1风速和沙蚀条件变化原因分析沙丘各部位的动态变化与风沙流的特征有直接的关系,因此,在短时间内,风速与沙丘各部位的风蚀、积沙过程表现出一定的相关性。在特定的风速下,落沙坡和沙丘顶部基本处于积沙过程,而迎风坡则处于风蚀过程。从图2中,我们可以明显看出一天之内沙丘不同部位风蚀、积沙过程的动态变化关系。从图2中,我们看出,随着风速的增加,即风速由6.5m/s增加到14～15m/s(13∶00～14∶00时)时,落沙坡表现出一定的积沙过程,积沙厚度在1cm左右,并且基本处于一个较平稳的积沙过程,当风速达到当天的最大风速时,落沙坡的积沙过程显著加强,积沙厚度在2cm左右,而到15∶00时以后,随着当天风速的降低,风沙流的移动相对减缓,而在落沙坡由于涡流作用对风沙流产生巨大影响,导致沙粒集聚下落,形成一个强烈的积沙时段,积沙厚度从2cm剧增到12cm左右(15∶00～17∶00时)。可见落沙坡的积沙过程同时受风速、风沙流特征和刮风时间长短的影响,也就是说,当达到起沙风速时,随着风速的逐渐加大,落沙坡首先处于一种较平缓的积沙过程;当风速由最大逐渐下降时,落沙坡的积沙过程加强,并且由于积沙的移动,进而导致落沙坡沙丘脚的前移。从迎风坡的变化看(图3),当风速达到起沙风速时,迎风坡处于最大的风蚀状态,以后随着风速增加,直至达到当天的最大风速后,迎风坡的风蚀过程开始减弱,其原因我们认为,随着风速的加大,迎风坡同时进行着风蚀和积沙过程,但以风蚀为主。因为风沙流通过迎风坡时,随着风速的加大,风沙流中的沙粒成分也增加,并受地面局部特征的影响,有一部分沙粒在迎风坡沉积下来,以补充因风蚀作用而吹走的沙粒,所以导致整个结果有所减弱,掩盖了风蚀作用的强度,形成一个由强风蚀到弱风蚀的过程,即图3中的13∶00时到16∶00时这段时间的迎风坡的风蚀变化曲线特征。当风速由最大逐渐降低时,迎风坡处于一个比较平缓的风蚀过程。此外,从图2和图3的比较中,看出落沙坡的积沙特征和迎风坡的风蚀特征变化趋势正好相反。也就是说,同一天中迎风坡的强烈风蚀时间,即13∶00～14∶00时,并不是落沙坡的积沙时段,而当风速由最大逐渐下降时,迎风坡同时也进行着强烈的风蚀和积沙过程,但以风蚀过程为主,此时才有利于落沙坡的积沙作用。图4是沙丘顶部的变化过程。沙丘顶部是连接落沙坡和迎风坡的一个中间部位,从图中看出,沙丘顶部基本处于一种由弱风蚀到积沙的过渡特征。当风速达到起沙风速时,沙丘顶部处于风蚀过程,造成沙丘高度的降低,随着风速的逐渐加大,沙丘顶部也随之处于积沙过程,到最大风速时,沙丘顶部的积沙厚度达2cm左右,以后随着风速由最大到逐渐降低,沙丘顶部进行着强烈的积沙过程,积沙厚度可达8cm左右,但当风速继续下降到临近起沙风速时,沙丘顶部又处在一个风蚀过程,使前期的积沙被吹走,正是这个过程削弱了沙丘的高度。可见,沙丘顶部随风速的变化而产生具有风蚀和积沙特征,但这一过程与风速的变化有密切的关系。也就是说,随着风速由低到高或由高到低的变化,在临近起沙风速的时间段,沙丘顶部是处于一种风蚀过程,而当风速超过起沙风速,并逐渐增大时,沙丘顶部是处于一种积沙过程。从沙丘顶部的这种变化特征看,我们可以推断,即在起沙风速时,沙丘顶部处于风蚀过程,因此,从全年或更长时间看,当一个大型沙丘形成以后,沙丘的高度是相对稳定的,尽管在短期内有增高的过程,但增高的部位会因风蚀作用而逐渐被削弱。总之,从某一天沙丘不同部位的风蚀和积沙过程看,风速是主要的影响因素,其中,迎风坡基本处于风蚀过程,落沙坡处于积沙过程,而沙丘顶部的变化则同时具有风蚀和积沙过程,即在临近起沙风速时,沙丘顶部处于风蚀过程,当风速超过起沙风速,并逐渐增大时,沙丘顶部处于积沙过程。所以风速是决定沙丘顶部风蚀或积沙的主要因素。2.2沙面高度的月变化为进一步探讨沙丘不同部位与风速变化的关系,我们对沙丘高度每个月的动态变化进行了认真分析。从沙丘三个部位高度的月动态变化结果看,沙丘顶部的高度经历了由低到高,再到低的变化过程,落沙坡或迎风坡总体上是处于高度下降的过程,但这一过程不是持续的,而与每月的风速变化相一致,即有时是增加的过程,有时是降低的过程。从图5中看出,在4月份落沙坡与大风变化的关系。虽然在图2中分析了落沙坡的日变化特征是处于积沙过程,但就一天的总变化结果而言,当落沙坡达到一定的积沙厚度时,必然导致沙粒的下移,而不是持续的增加,因此第二天仪器反应的高度也就随之发生了变化。所以从落沙坡高度的月变化看,总体上落沙坡的高度是处于降低的过程,也正是这种降低才导致了沙丘脚的前移,即落沙坡沙面的下降,在沙丘低部形成堆积移动。同样,在迎风坡(图6)由于不存在沙面的堆积下移现象,所以迎风坡处于风蚀过程。但如果连续几天都是起沙风速以上的大风天气(1～7日和20～25日),迎风坡同时处于由逐渐风蚀到强烈风蚀的过程,导致沙面高度的下降,而当大风次数和风速都较小时,沙面也有升高的趋势(9～20日),但总体上还是处于风蚀过程。因为迎风坡在日变化中,随风速的变化同时存在风蚀和积沙两个过程,并当风速由最大变小时,相对而言,形成一种假的积沙过程(风蚀曲线升高,但仍然是风蚀过程),使沙面有所提高。从沙丘顶部高度的月变化看(图7),当大风次数和风速都有所减少时(7～18日),沙丘顶部基本是积沙过程,即沙丘顶部增高,但随着风速和大风次数的频繁发生(1～6日和19～24日),并且风速达12m/s或以上时,沙丘顶部处于明显的风蚀过程,同时沙丘顶部的高度变化也经历了由降低到逐渐升高的过程。如在18日,沙丘顶部处于积沙状态,但到19～20日间,由于风速增大到10m/s以上,使18日沙丘顶部的积沙严重风蚀,风蚀厚度降低了近6cm,但到23日以后,由于风速的由大变小,沙丘顶部又处于一种逐渐的积沙过程,到25日上沙面高度又增加了近4cm。从总体看,当风速由小变大时,沙丘顶部每天的变化结果是处于风蚀状态,使高度降低;当风速由大变小时,沙丘顶部每天的变化结果是处于由假积沙到真积沙状态,使沙丘高度逐渐增加,这一变化从18～25日间的变化曲线中可明显的看出;当风速较小,并且连续几天刮风次数也较少时,沙丘顶部基本保持一定的高度范围,并处于一种持续的积沙过程(图7中7～18日的变化曲线)。可见风速和大风频率对沙丘顶部高度的变化具有明显的影响。2.3积沙与风蚀的关系从年际间沙丘不同部位风蚀和积沙情况与风速的关系看,随着时间的延长,迎风坡基本是处于一种持续的风蚀状态;与上述迎风坡风蚀的日变化和月变化情况基本吻合,三年间迎风坡的沙面高度下降了近100cm,年平均风蚀厚度30cm。从图8中还可以看出,风速和起沙风次数的增加(1994年4月和1995年4月),迎风坡的风蚀强度也加剧,其变化曲线明显呈下降趋势;而当起沙风次数较小的时段(1993年8月～11月和1994年8月～1995年1月),风蚀曲线也比较平稳,但始终都保持在持续的风蚀状态,所以每年的4～5月是迎风坡最严重的风蚀时期。从落沙坡的积沙曲线看(图9),各年间落沙坡基本是处于长期的积沙状态,但在每年中同样以4月为积沙的强烈时期,其变化曲线明显升高。随着年际间时间的延长,落沙坡的积沙厚度也在持续的增加,除1994年以外,其变化曲线也比较平缓,并且处于持续的积沙过程,所以正是由于落沙坡的持续积沙,最终才导致了沙丘的堆积前移。从图10中也能看出沙丘顶部的积沙和风蚀过程。1993年4月以后,风速和大风次数明显增加,而沙丘顶部也表现出明显的风蚀状态,特别是到了8～11月间沙丘高度明显降低,其原因一是反季节风的影响,另外是由于降雨作用,导致沙丘高度降低(其他年份也有同样的变化趋势)。由于这种风蚀作用,导致落沙坡的积沙,也就是图9中1993年4月～6月间落沙坡有一个明显的积沙过程(变化曲线升高),以后,又在第二年的风季沙丘顶部的风蚀过程又有所加强,并且落沙坡的积沙也达到了最大,所以沙丘顶部和落沙坡之间的风蚀与积沙关系,进一步说明沙丘顶部风蚀、积沙对落沙坡积沙的影响。总之,从上述各年际间沙丘不同部位的变化看,在每年的春季,落沙坡明显处于积沙过程,迎风坡则为风蚀过程,而沙丘顶部也同样在春季进行着积沙过程(变化曲线升高),但从每年最终的变化结果看沙丘顶部的高度一直在进行着由高到低或由低到高的波动过程,因此沙丘一旦形成后,其整体高度基本保持在一定的水平,而不是持续的增加或降低。迎风坡多年的变化表明,沙面在不断的进行着风蚀,尽管每年都有一个较平稳的时期,但第二年在此基础上又进一步风蚀。同样,在落沙坡则每年都在前一年积沙的基础上,又进行着同样的积沙过程,这一过程的原因一是沙丘顶部的积沙,导致沙丘脊线前移,使积沙不断埋在观测仪器上(仪器的观测点是不变的),另一个是在落沙坡中的积沙进行着下移不断的堆积过程,导致仪器被沙埋,同时促进沙丘脚的前移,表现为沙丘的整体前移。从多年的积沙结果看落沙坡主要是进行着持续的积沙过程。3沙面质量与高度落沙坡的积沙过程同时受风速、风沙流特征和刮风时间长短的影响,当达到起沙风速时,随着风速的逐渐加大,落沙坡首先处于一种较平缓的积沙过程;当风速由最大逐渐下降时,落沙坡的积沙过程加强。风速达到起沙风速时,迎风坡处于最大的风蚀状态,而当风速由最大逐渐下降时,迎风坡同时也进行着强烈的风蚀和积沙过程,但以风蚀过程为主。沙丘顶部随风速的变化同时具有风蚀和积沙特征,随着风速由低到高或由高到低的变化,在临近起沙风速的时间段,沙丘顶部是处于一种风蚀过程,而当风速超过起沙风速,并逐渐增大时,沙丘顶部是处于一种积沙过程。从月动态变化看:落沙坡高度总体上是处于降低的过程。迎风坡处于持续的风蚀过程。但如果连续几天都出现大于起沙风速的大风天气,迎风坡同时处于由逐渐风蚀到强烈风蚀的过程,导致沙面高度的下降,而当大风次数和风速都较小时,沙面也有升高的趋势。随着风