海南省木兰湾海岸沙地输沙量分布特征研究

引言研究背景输沙量是研究风蚀地貌、沙漠变化以及防治沙漠化问题的关键指标。目前对低海拔地区沙漠、戈壁和沙漠化地区的输沙量进行了大量研究[1]。但对海岸沙地的输沙量研究仍然不足。海南省木兰湾作为中国的海岸线之一，具有月牙形的砂质海滩，其独特的地理位置和气候特征对木兰湾海岸沙地的风沙活动具有主要影响，是典型的海岸沙地。然而，随着人类活动的加剧和自然环境的变化，木兰湾海岸沙地的输沙量分布特征也发生了变化，这给海岸带的生态环境和经济发展带来了重要影响。目前，对于海南省木兰湾海岸沙地的研究还处在初期阶段，为了推进对海南省木兰湾海岸沙地的相关研究，填补海南省木兰湾海岸沙地输沙量分布特征的空缺。本项目拟选取海南省木兰湾作为典型研究区，明晰该地区海岸沙地输沙量分布特征对阐明木兰湾的风沙活动规律，深入了解海岸线的演变规律和保护海岸生态环境具有重要意义，对海南省制定合理的海岸带开发和海岸风沙资源利用与防治具有重要的现实意义。国内外研究进展国内研究进展对于风沙活动的研究，国内最早于20世纪中叶，而且研究地区主要集中在沙漠半沙漠地区和江河流域地区，相比之下国内对于海岸沙地的风沙活动研究较少。其中，已有的研究表明，沙漠地区关于地表风沙活动特征的研究多集中于风况、输沙势、输沙方向及输沙量的研究[2]。如杜鹤强等学者通过野外实测塔克拉玛干沙漠腹地新月形沙丘近地表100cm高度风沙流的输沙量，发现在近地表100cm高度内，除了背风坡外，新月形沙丘各部位风沙流的输沙量随着高度的增加呈现出不同程度的减小[3]。张伟民等学者通过对莫高窟顶戈壁输沙量的系统监测应用输沙势理论定量研究复杂风向（速）下输沙量的变化规律[4]。孙小雲等学者基于塔克拉玛干沙漠22个气象站2005—2007年的逐时风记录数据和输沙势定义计算了2007年各测站的16个方位的输沙势，并分析了输沙势的空间分布特征与季节变化[5]。张昊等人利用乌珠穆沁沙地的风况数据，研究沙地起沙风况和输沙势变化特征，同时结合沉积物粒径数据，揭示该地区风沙环境的空间分异规律[6]。汪海娇，田丽慧等学者以青海湖东岸的克土沙区为研究区域，利用风速风向数据及全方位集沙仪的集沙数据，比较分析本区的风沙活动特征[7]。落桑曲加，张焱等学者利用旋转多路方口集沙仪对雅鲁藏布江流域中游河岸沙地、河漫滩沙地和山麓沙地3种地表类型、6个点2020年9-12月的输沙量进行野外实地观测，对比不同下垫面的输沙量，分析地表特征对输沙量的影响过程[1]。国内对海岸沙地的研究方向主要集中在海岸风沙地貌类型、发育模式、风沙运动、沉积特征、发育演变及海岸风沙防治等，但近20年来在海岸沙地起沙风速、风沙流结构、沙丘移动与形态变化等方面开展了一定的观测研究，来探寻海岸沙地形成发育的动力学过程[8]。近年来，随着对海岸带环境保护意识的提高，越来越多的学者开始关注海岸沙地的动态变化和输沙机制。如董玉祥，马骏研究了输沙量对海岸沙丘表面风沙流中不同粒径组沙粒输沙量的垂向分布影响的原因，主要应与不同风速气流的携沙极限以及不同粒径组沙粒的运动方式密切相关[9]。在对中国河北省昌黎海岸的沙丘分布区域进行研究时，李志星等学者采用了邻近的三个气象站所收集的2008至2018年间风力数据，分析了沙土搬运势能的时空变动，他们还通过卫星图像，并结合多种影响因素，对海岸沙丘的分布模式及其形态演变背后的驱动因素进行了综合探讨[10]。木兰湾作为海南省的重要海岸带之一，也逐渐引起了学者们的关注。吴多誉，张航飞等学者利用海滩断面高层数据，对木兰湾海岸海滩断面地形进行了研究，木兰湾海滩断面地形具有季节性的变化特征，取得了一定的成果[11]。国外研究进展相对于国内研究，国外学者对于风沙活动的研究较为深入和系统。对于风沙现象及其携带沙粒运动的研究，国际上已经在多个地区进行，其中包括尼罗河的河谷和三角洲、科威特沙漠以及埃及的El-Khanka地区[2]。如MohamedE.Hereher从五个气象站获得的数据和遥感图像中提取沙丘形态和沙丘推进速率，以此用来评估和量化尼罗河河谷和三角洲西侧流沙和沙丘活动的严重程度[12]。J.M.Al-Awadhi等人基于八个气象站的风况数据资料和Fryberger的输沙势定义，分析了科威特风沙活动的输沙势分布特征[13]。NazariSamani等人在研究中将风况数据和地貌测量相结合，对伊朗中部KashanErg的不同沙丘进行分离和分类[14]。国外学者对海岸沙丘的研究中结合了多种因素，如NoamLevin等人使用卫星图像和雷达数据对海岸沙丘活动进行量化，并结合风况数据和波浪数据分析输沙势和风向性的变化[15]。JasperKnight等人利用遥感和野外实测数据，提取地上沙丘和通风口的地貌数据和结合风力状况，分析了海岸沙丘的迁移模式和动态变化[16]。研究的主要内容通过观测海南岛东北部木兰湾2023年全年不同高度、不同方向输沙量，不同方向输沙量占比图和全年实测输沙率玫瑰图进行分析，分析木兰湾输沙量、总输沙量、总输沙率随随高度和方向的变化，以探究海岸沙地形成演化过程和机理。研究区概况本研究区位于海南省文昌市北部铺前镇的木兰湾，实验监测地的经纬度位置为（20°36′19″N，110°44′29″E）。本研究区域属于热带季风性气候，全年高温，年平均气温23℃，旱雨两季分明，降水量大，雨季集中在夏季，日照充足，年平均日照时数大于2000小时，风向随着季节的更替有明显转变。台风是其主要的自然灾害。本研究区属于滨海堆积地貌，由7个具有独立性的月牙形沙滩组成，陆域地表地形平缓，沿海岸线伸展，形成平缓的沙滩，沙滩略向大海倾斜，后方地形逐渐升高，局部形成沙丘，沙丘发育良好，地表多为沙生植被覆盖。图1木兰湾实验地监测位置数据来源与处理数据来源本研究数据来自于木兰湾实验地积沙仪2023年的监测数据，数据包含研究区2023年积沙仪10、30、50、100cm四个不同高度的输沙量，N、NE、E、SE、S、SW、W、NW八个不同方向的输沙量以及2023年各个方向的总输沙量。数据分析方法在研究区选择典型砂质海岸作为观测区，面积250m×250m研究区部署全方位沙子收集装置（该装置包括进沙通道、储沙容器、防尘顶盖和一个圆筒状的外壳等组件）以捕获360°范围内的所有沙子传输过程。计算输沙率的公式为：Q=W其中Q为输沙率，单位为kg/m·a； W是集沙量，单位为kg；L为积沙仪进口宽度，单位为m；ΔT为时间。本次研究使用的全方位定点积沙仪可以监测10、30、50、100cm等4个高度的风沙流特征，并且积沙仪按N、NE、E、SE、S、SW、W、NW的8个方向摆放，可以收集不同方位的所有输沙，测得的数据可与风向资料建立关系。在安装积沙仪时，确保其下端口的底面与地面保持水平，且积沙口朝向与风向相对。启动积沙过程前，须同时开启所有积沙仪的口盖，并在积沙过程结束后，统一关闭各积沙仪的口盖。取样前，需对自封袋进行称重，然后分层次采集地表10、30、50、100cm的沙尘样本，并在烘干后，使用精度为1/10000克的电子天平进行称重。使用Excel软件整理和分析输沙率等数据，并用origin2022制作输沙率玫瑰图进行分析。结果与分析木兰湾2023年不同高度输沙量分布特征根据实验数据以及不同高度输沙量折线图（图2）可知：从不同高度的总输沙量来看，在积沙仪10、30、50、100cm四个不同的高度中，积沙仪10cm高度在八个方向的总输沙量为424.38g；积沙仪30cm高度在八个方向的总输沙量为203.06g；积沙仪50cm高度在八个方向的总输沙量为136.86；积沙仪100cm高度在八个方向的总输沙量最为51.37g。其中，研究区10cm高度的总输沙量最大，100cm高度的总输沙量最小，积沙仪不同高度总输沙量随着积沙高度的增加而减少，两者呈负相关关系。以此得出，研究区近地表10cm高度区域的风沙活动强度最强，100cm高度区域的风沙活动强度最弱，而且研究区风沙活动的强弱随着高度的增加而逐渐减弱。从不同高度的输沙量变化幅度来看，积沙仪10cm高度的输沙量变化幅度最大，其中最小输沙量为15.64g，最大输沙量为152.16g，最小输沙量与最大输沙量差值为136.52g，输沙量波动最大；积沙仪30cm高度的输沙量变化幅度仅次于10cm的变化幅度，其中最小输沙量为3.02g，最大输沙量为53.87g，最小输沙量与最大输沙量差值为50.85g，其输沙量波动程度仅次于10cm的输沙量波动程度；积沙仪50cm高度的输沙量变化幅度仅次于10cm和30cm的变化幅度，其中最小输沙量为2.03g，最大输沙量为39.6g，差值为37.57g，其输沙量波动程度次于10cm和30cm的输沙量波动程度；积沙仪100cm高度的输沙量变化幅度最小，最小输沙量为0.89g，最大输沙量为16.57g，差值为15.68g，输沙量波动最小。积沙仪不同高度的输沙量变化幅度随着高度的增加而减小，不同高度的输沙量波动程度也随高度的增加而减小，呈负相关关系。从不同高度的输沙量分布方位来看,积沙仪10cm高度在N、NE、E、SE、S、SW、W、NW八个方位的输沙量分别为29.68g、52.61g、62.53g、130.28g、152.16g、96.33g、37.31g、15.64g，其中，10cm高度的最大输沙量分布在S方向，最小输沙量分布在NW方向；积沙仪30cm高度在N、NE、E、SE、S、SW、W、NW八个方位的输沙量分别为6.7g、28.41g、25.04g、37.94g、53.87g、43.84g、4.24g、3.02g，其中30cm高度的最大输沙量分布在S方向，最小输沙量分布在NW方向；积沙仪50cm高度在N、NE、E、SE、S、SW、W、NW八个方位的输沙量分别5.7g、39.6g、14.46g、24.73g、25.91g、19.94g、4.49g、2.03g，其中50cm高度的最大输沙量分布在NE方向，最小输沙量分布在NW方向；积沙仪100cm高度在N、NE、E、SE、S、SW、W、NW八个方位的输沙量分别为4.7g、12.73g、16.57g、8.89g、3.87g、1.13g、2.59g、0.89g，其中100cm高度的最大输沙量分布在E方向，最小输沙量分布在NW方向。不同高度的输沙量，均是以偏南方向和偏东方向为主要分布方向，西北方向的输沙量分布最少；除了NE和W这两个方向，其余六个方向随着积沙仪高度的增加，同一方向上的输沙量逐渐减少。总体来说，除极个别情况外，木兰湾2023年输沙量随高度的变化大致体现为：高度越高，输沙量越小；木兰湾2023年风沙活动强度随高度的变化大致体现为:高度越高，风沙活动强度越弱。图2不同高度输沙量折线图木兰湾2023年不同方向输沙量分布特征结合图3从不同方向的总输沙量来看，积沙仪在N方向的总输沙量为46.78g，占不同方向总输沙量比例为5%；积沙仪在NE方向的总输沙量为133.35g，占不同方向总输沙量比例为14%；积沙仪在E方向的总输沙量为118.6g，占不同方向总输沙量比例为12%；积沙仪在SE方向的总输沙量为201.84g，占不同方向总输沙量比例为21%；积沙仪在S方向的总输沙量为235.81g，占不同方向总输沙量比例为24%；积沙仪在SW方向的总输沙量为161.24g，占不同方向总输沙量比例为17%；积沙仪在W方向的总输沙量为48.63g，占不同方向总输沙量比例为5%；积沙仪在NW方向的输沙量为21.58g，占不同方向总输沙量比例为2%。研究区S方向的总输沙量最多，所占比例最大，NW方向的总输沙量最少，所占比例最小；研究区2023年输沙量主要以偏南（S、SW）方向和偏东（SE、NE、E）方向的输沙为主,这两组方向占2023年输沙方向的88%，其中偏南方向以S方向所占比例最高（24%），偏东方向以SE方向所占比例最高（21%）。由此得出，研究区风沙活动主要集中在偏南和偏东方向，S方向的风沙活动强度最强，NW方向的风沙活动强度最弱。图3不同方向总输沙量占比图结合图4从不同方向输沙量的分布高度来看，积沙仪N方向在10cm、30cm、50cm、100cm四个高度的输沙量分别为29.68g、6.7g、5.7g、4.7g，分别占N方向总输沙量比例为64%、14%、12%、10%；积沙仪NE方向在10cm、30cm、50cm、100cm四个高度的输沙量分别为52.61g、28.41g、39.6g、12.73g，分别占NE方向总输沙量比例为39%、21%、30%、10%；积沙仪E方向在10cm、30cm、50cm、100cm四个高度的输沙量分别为62.53g、25.04g、14.44g、16.57g，分别占E方向总输沙量比例为53%、21%、12%、13%；积沙仪S方向在10cm、30cm、50cm、100cm四个高度的输沙量分别为152.16g、53.87g、25.91g、3.87g，分别占S方向总输沙量的比例为64%、23%、11%、2%；积沙仪SW方向在10cm、30cm、50cm、100cm四个高度的输沙量分别为96.33g、43.84g、19.94g、1.13g，分别占SW方向总输沙量比例为60%、27%、12%、1%；积沙仪W方向在10cm、30cm、50cm、100cm四个高度的输沙量分别为37.31g、4.42g、4.49g、2.59g，分别占W方向总输沙量的比例为77%、9%、9%、5%；积沙仪NW方向在10cm、30cm、50cm、100cm四个高度的输沙量分别为15.64g、3.02g、2.03g、0.89g，分别占NW方向总输沙量比例为73%、14%、9%、4%。由以上分析及图表资料可知，在八个方向的输沙量占比中，10cm高度输沙量所占比例最多，在近地面10cm高度为八个方向输沙量的主要集中分布高度，是主要的风沙活动高度，风沙活动强度较强；除E方向外，其余7个方向的输沙量占比中，100cm高度输沙量所占比例最少，风沙活动强度较弱。在不同方向的输沙量占比中，输沙量的垂直分布存在差异。其中，在各个方向中，垂直输沙量的最大差异如下：N方向为24.98g，NE方向为39.94g，E方向为48.07g，SE方向为121.39g，S方向为148.29g，SW方向为95.2g，W方向为34.72g，NW方向为14.75g。由此可得，导致垂直输沙量差异的原因可能是不同季节，风向不同，土壤含水量不同。推测其研究区的主风向主要以南风和东南风为主，在湿季，土壤含水量大，土壤不易被风力侵蚀，不易起风沙活动，故输沙量的高度越低，垂直方向上的输沙量差异较大；在干季，土壤含水量少，土壤易被风力侵蚀，易起风沙活动，故输沙量的高度越高，垂直方向上的输沙量差异较小。图4各个方向输沙量占比图木兰湾2023年实测输沙率分布特征结合实验数据和图5来看，2023年研究区年总输沙率为48.39kg/m·a，其中在N、NE、E、SE、S、SW、W、NW八个方向的输沙率分别为2.34kg/m·a、6.67kg/m·a、5.93kg/m·a、10.09kg/m·a、11.79kg/m·a、8.06kg/m·a、2.43kg/m·a、1.07kg/m·a，输沙率介于0~7.5之间的方向有N、EN、E、W、NW，介于7.5~15之间的有S、SE、SW，输沙率呈现出明显的方向变化特征，其中S方向的输沙率最大，NW方向的输沙率最小。本研究区输沙率以偏南方向（S、SW)和偏东方向(SE、E、NE）为主，其中偏南方向以S方向的输沙率最大（11.79kg/m·a），偏东方向以SE方向的输沙率最大（10.09kg/m·a）。这与前面分析的不同方向总输沙量的分布特征基本一致。图52023年木兰湾输沙率玫瑰图结论木兰湾海岸沙地输沙量随高度的变化显著，输沙量的分布在10cm高度最大，100cm高度最小；输沙活动主要集中在近地表10cm高度，并且随着高度的增加输沙量递减，研究区风沙活动强度随着高度的增加而减弱。木兰湾海岸沙地输沙量随方向的变化显著，输沙量的分布在S方向最大，NW方向最小，研究区风沙活动主要集中在偏南和偏东方向。不同方向的输沙量垂直分布存在差异，原因是不同季节，风向不同，土壤含水量不同，导致输沙垂直分布的差异。木兰湾海岸沙地2023年总输沙率为48.39kg/m·a，研究区南部与东部输沙率较大，其中最大输沙率分布在S方向，北部与西部输沙率较小，其中最小输沙率分布在NW方向。2023年研究区总输沙量在不同方向上的分布特征与总输沙率分布特征基本一致。论文的不足与展望本文基于木兰湾2023年全年不同高度、不同方向实测输沙量，系统地分析了输沙量、总输沙量、总输沙率随高度和方向的变化。通过对海南省木兰湾海岸沙地输沙量的分布特征进行研究，揭示了木兰湾海岸沙地输沙量分布规律，为后续推测木兰湾海岸沙地演变机理的研究奠定了基础。尽管对木兰湾海岸沙地输沙量分布特征的研究取得了一定的进展，但是由于作者本科阶段学习的知识比较笼统，学识积累和自身水平有限，仍有许多问题有待进一步的探讨和解决。研究过程中使用的方法比较简单，目前的实验结果分析可能还不够透彻，需要学习更为严谨的分析方法，更加深入、全面的分析实验结果。海南省木兰湾海岸属于典型的热带海岸，其海岸沙地的形成是一个复杂的过程。研究过程中忽略了输沙量的其他影响因素，如风速的变化、沙源的分布情况和植被覆盖率，需要更加深入地研究这些因素对输沙量的影响机制和相互作用关系，这有助于我们更好地理解木兰湾海岸沙地的动态变化过程，并为相关研究和应用提供更加准确地理论基础。未来对海南省木兰湾的研究可以从以下几个方面展开：一是加强实地观测的和采样工作，深入了解木兰湾海岸沙地的地形地貌、气候气象和水动力条件等特征；二是需要进一步探索新的研究方法的技术手段。如利用先进的遥感技术和GIS技术，建立木兰湾海岸沙地的时空数据库和数字高程模型（DEM），为研究输沙量分布特征提供更加准确和全面的数据支持；三是开展数值模拟研究，模拟木兰湾海岸沙地的动力地貌过程，预测未来输沙量分布趋势。同时，还需要加强跨学科合作和交流，推动海南省木兰湾相关领域的研究进展，同时加强研究成果的应用和推广。参考文献落桑曲加，张焱，马鹏飞等.雅鲁藏布江中游不同地表输沙量特征[J].中国沙漠，2022，42(02):6-13.罗凤敏，高君亮，辛智鸣等.乌兰布和沙漠东北缘起沙风风况及输沙特征[J].农业工程学报，2019，35(04):145-1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