流動(dòng)沙丘地表風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀測(cè)研究

流動(dòng)沙丘地表風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀測(cè)研究

沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是沙物理研究的核心內(nèi)容。它也是防沙、防沙和防沙災(zāi)害的指導(dǎo)思想和理論基礎(chǔ)，在沙漠防治理論和實(shí)踐中發(fā)揮著重要作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在沙粒運(yùn)動(dòng)、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、輸沙率、風(fēng)速廓線、臨界起沙風(fēng)速等方面,做了大量深入細(xì)致的研究。但不同地區(qū)的風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)有著特定的流量和表現(xiàn)形式,關(guān)于烏蘭布和沙區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)少有持續(xù)的野外監(jiān)測(cè)結(jié)論,本文在國(guó)家林業(yè)局磴口荒漠生態(tài)站長(zhǎng)期風(fēng)沙監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,對(duì)烏蘭布和沙區(qū)特定環(huán)境背景下近地面0~100cm高度風(fēng)沙流流量進(jìn)行野外實(shí)測(cè),通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的定量和定性分析,揭示流動(dòng)沙丘地表的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及沙粒運(yùn)動(dòng)特性,以期為該地區(qū)區(qū)域性防沙工程提供基礎(chǔ)理論和科技支撐。1沙漠化的嚴(yán)重態(tài)勢(shì)烏蘭布和沙漠地處我國(guó)荒漠化草原向草原化荒漠過(guò)渡地帶,是我國(guó)北方沙塵暴頻發(fā)的主要源區(qū)及主要路徑之一,也是我國(guó)干旱區(qū)荒漠化發(fā)展嚴(yán)重地區(qū),沙漠總面積9082km2,其中流動(dòng)沙丘占49.94%,半固定沙丘21.78%,固定沙丘23.41%。烏蘭布和沙漠直接危害黃河的流沙段超過(guò)20km,每年向黃河輸沙約7.72×107kg,占黃河含沙量的37%。流沙浸入黃河,淤積河床,對(duì)三盛公黃河樞紐工程和上游庫(kù)區(qū)構(gòu)成嚴(yán)重威脅,同時(shí)造成整個(gè)河套灌區(qū)渠道淤積,每年需花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)清淤。沙漠東北部與河套綠洲西緣接壤,綠洲邊緣未治理區(qū),流沙每年仍以3~5m的速度東移逼進(jìn)農(nóng)田,該地區(qū)沙漠化嚴(yán)峻態(tài)勢(shì)和沙塵暴的發(fā)生給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了極大危害,嚴(yán)重影響了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此,對(duì)該地區(qū)開(kāi)展近地層風(fēng)沙運(yùn)移規(guī)律研究有現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)驗(yàn)布設(shè)在烏蘭布和沙漠東北部磴口綠洲外緣流動(dòng)沙丘較為平坦的沙丘頂部,海拔高度為1054.03m,地理坐標(biāo)為40°24′N,106°46′E,據(jù)國(guó)家林業(yè)局磴口荒漠生態(tài)站(簡(jiǎn)稱磴口站)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(表1),該地區(qū)干旱少雨,年均降水量為105.3mm,蒸發(fā)量達(dá)2407.0mm,氣溫8.8℃,風(fēng)速3.7m·s-1,最大風(fēng)速21m·s-1,全年風(fēng)沙日數(shù)85d。2全方位定點(diǎn)積沙儀在磴口站長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,選擇2011年3~6月風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈期的大風(fēng)日,集中進(jìn)行野外觀測(cè)。具體方法是:在上述實(shí)驗(yàn)點(diǎn)流動(dòng)沙丘頂部布設(shè)FSL-200風(fēng)沙流采集系統(tǒng)、立式積沙儀、全方位定點(diǎn)積沙儀等。立式積沙儀進(jìn)沙口50層,每個(gè)積沙盒進(jìn)沙口的寬和高均為2cm,可以監(jiān)測(cè)0~100cm的風(fēng)沙流特征,測(cè)定時(shí)進(jìn)沙口斷面與風(fēng)向垂直;全方位定點(diǎn)積沙儀高50cm,積沙盒按16個(gè)方位排列,可以收集不同方位的躍移沙粒。所有積沙儀底部與地面齊平,每次積沙觀測(cè)時(shí)間為10min,在集沙儀一側(cè)架設(shè)多通道自記風(fēng)速梯度測(cè)定系統(tǒng)同步測(cè)定2m高處的風(fēng)速,每1min記錄一次風(fēng)速,風(fēng)速取同時(shí)段10次觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。每次觀測(cè)結(jié)束后,將積沙儀的積沙量分層稱重,對(duì)收集的每層沙粒采用DLY2000光電顆粒分析儀進(jìn)行粒度分析。3結(jié)果與分析3.1口站12m風(fēng)收率及風(fēng)壓起沙風(fēng)是評(píng)定一個(gè)地區(qū)風(fēng)況的重要指標(biāo)。在機(jī)械防沙體系的設(shè)計(jì)中,起沙風(fēng)的統(tǒng)計(jì)分析是設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一。烏蘭布和沙區(qū)地處中緯度內(nèi)陸,終年受西風(fēng)環(huán)流控制,大風(fēng)常由強(qiáng)冷鋒過(guò)境引起。根據(jù)野外實(shí)測(cè),流動(dòng)沙丘2m高度處沙粒起動(dòng)風(fēng)速為5.1m·s-1。為了利用磴口站風(fēng)信資料,運(yùn)用公式V12=1.2272V2+0.6508,將2m高度處起沙風(fēng)速轉(zhuǎn)換為磴口站12m高度風(fēng)速,值為6.9m·s-1。對(duì)磴口站2011年12m風(fēng)信自記數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知(圖1-2),起沙風(fēng)(≥6.9m·s-1)以7~9m·s-1為主,占全年起沙風(fēng)頻率的67.64%,其次為9~11m·s-1,占22.19%,兩者之和占89.83%,而>17m·s-1的風(fēng)速全年只出現(xiàn)了2次,占0.07%;2011年3~4月、11~12月風(fēng)沙活動(dòng)最為強(qiáng)烈,分別占全年起沙風(fēng)持續(xù)時(shí)間的33.78%和25.36%。進(jìn)一步對(duì)年內(nèi)起沙風(fēng)的風(fēng)向統(tǒng)計(jì)(圖3),起沙風(fēng)最多出現(xiàn)在WNW和NW方向,WNW-NW占全年起沙風(fēng)的53.56%,其次是,WSW-W,占24.33%。因此,在采取工程措施治理流沙過(guò)程中,特別是烏蘭布和沙漠東北緣黃河西岸固沙林、綠洲外圍農(nóng)田防護(hù)林體系構(gòu)建時(shí),盡可能使防護(hù)帶主帶走向與NW或WNW-NW向垂。3.2輸沙率與風(fēng)速的關(guān)系風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)是指氣流中所搬運(yùn)的沙粒在搬運(yùn)層內(nèi)隨高度的分布特性。對(duì)實(shí)測(cè)的52組輸沙數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)得出:在0~100cm高度輸沙斷面上,0~10cm高度層內(nèi)搬運(yùn)的沙物質(zhì)量占總搬運(yùn)量的70.7%且主要集中于貼地層0~4cm高度范圍內(nèi),90.0%的風(fēng)沙流分布于0~30cm高度層內(nèi)。本觀測(cè)結(jié)果與吳正等觀測(cè)的氣流所搬運(yùn)沙量的90%在離地表30cm以下相一致,與WILLIAMSG、朱震達(dá)等觀測(cè)結(jié)果多數(shù)顆粒在0~2cm內(nèi)傳輸且90%的沙量在0~10cm內(nèi)傳輸存在一定的差異。進(jìn)一步分析輸沙率隨高度、風(fēng)速的變化情況可知(圖4、圖5),輸沙率隨高度增加呈冪函數(shù)規(guī)律衰減(Q0~100=10.345H-0.6318),相關(guān)系數(shù)R2=0.9446,輸沙率隨2m處風(fēng)速增大呈冪函數(shù)規(guī)律增加(Q0~100=0.0003v4.2962),相關(guān)系數(shù)R2=0.9308,呈強(qiáng)相關(guān)。根據(jù)輸沙率百分比在各高度層分布的差異,文中劃分0~4cm為貼近床面層,4~30cm為中層,30~100cm為上層。研究發(fā)現(xiàn)(表3),當(dāng)2m處風(fēng)速低于5.6m·s-1,30cm以上基本沒(méi)有輸沙發(fā)生,隨著風(fēng)速的增大,下層(0~4cm)輸沙率百分比由43.87%減少至31.68%;中層(4~30cm)輸沙率百分比保持在50%~60%之間;上層(30~100cm)輸沙率百分比由1.8%增加至8.21%,說(shuō)明隨著風(fēng)速的增大,絕對(duì)輸沙率增加,下層(0~4cm)相對(duì)輸沙率趨于減少,中層(4~30cm)基本不變,上層(30~100cm)明顯增加,沙粒的搬運(yùn)高度隨風(fēng)速增大而增加,貼近床面的氣流中搬運(yùn)的沙量相對(duì)減少,風(fēng)沙流處于不飽和狀態(tài),使地表風(fēng)蝕加強(qiáng)。馬世威等曾觀測(cè)到同樣的現(xiàn)象,認(rèn)為總輸沙量增加會(huì)增加沙粒之間的碰撞與沖擊,從而使沙粒的搬運(yùn)高度上升。3.3涌水面沙物質(zhì)輸移量分布風(fēng)沙流輸沙的方位分布也是風(fēng)沙流研究的重要內(nèi)容之一。2011-2012年利用全方位定點(diǎn)集沙儀對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)0~50cm躍移輸沙的空間分布進(jìn)行了監(jiān)測(cè)(圖6),結(jié)果如下:躍移輸沙主要集中在WNW、N、SW、WSW、W5個(gè)方位,分別為全年輸沙量的9.83%、9.22%、9.18%、8.83%、8.06%,共計(jì)占到全年總量的45.12%,在S、SSE方位上輸沙量較少,僅為全年總量的3.28%和1.95%。對(duì)比躍移輸沙分布(圖5)與起沙風(fēng)風(fēng)向分布(圖3)可以看出,躍移輸沙分布與起沙風(fēng)風(fēng)向分布極不一致。主要是由于所用積沙儀雖然在頂蓋上分布著16個(gè)進(jìn)沙口與16方位對(duì)應(yīng),但在野外風(fēng)沙環(huán)境下并不是只收集單一風(fēng)向方位上的來(lái)沙量造成的,現(xiàn)將全方位躍移積沙儀按中軸線劃成迎風(fēng)面與背風(fēng)面兩部分,在起沙風(fēng)輸沙條件下,與風(fēng)向垂直的迎風(fēng)面上的各方位都直接是積沙面,而背風(fēng)面也由于風(fēng)沙流的繞流作用造成一定沙物質(zhì)輸移,所以16方位的躍移積沙量并不對(duì)應(yīng)單一風(fēng)向下的輸沙量。所以圖3、圖5顯示的起沙風(fēng)風(fēng)向分布與躍移輸沙量的空間分布極不一致主要是由實(shí)驗(yàn)儀器本身的缺陷導(dǎo)致的。從理論上講躍移輸沙量的空間分布應(yīng)該與起沙風(fēng)風(fēng)向分布大體一致。差異應(yīng)主要受各方位風(fēng)的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間影響。3.4細(xì)沙和極細(xì)沙研究風(fēng)沙流中沙粒粒徑的垂向分布及變化對(duì)認(rèn)識(shí)沙粒的運(yùn)動(dòng)及探究風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)具有重要意義。研究表明:烏蘭布和沙區(qū)風(fēng)沙流中沙物質(zhì)主要由粒徑為0.25~0.05mm的細(xì)沙和極細(xì)沙構(gòu)成(表4),占輸沙量的51.2%~81.6%。由圖7可知,在0~100cm高度范圍內(nèi),風(fēng)沙流中沙粒的平均粒徑隨著高度的增加呈明顯的遞減趨勢(shì),平均粒徑由0.2129減少至0.1015,由此可見(jiàn),隨著高度的增加風(fēng)沙流中沙粒的平均粒徑趨向于更細(xì),這表明在同等條件下,沙粒的直徑越小,跳躍的高度越大。4沙粒及沙物質(zhì)分布利用多種積沙儀,通過(guò)野外實(shí)時(shí)輸沙觀測(cè),對(duì)烏蘭布和沙區(qū)流動(dòng)沙丘地表風(fēng)沙活動(dòng)特征及沙粒運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析,初步結(jié)論如下:(1)烏蘭布和沙區(qū)2011年以3~4月、11~12月風(fēng)沙活動(dòng)最為強(qiáng)烈,分別占全年起沙風(fēng)持續(xù)時(shí)間的33.78%和25.36%。起沙風(fēng)以7~9m·s-1為主,占全年起沙風(fēng)頻率的67.64%,其次為9~11m·s-1,占22.19%,兩者之和占89.83%,起沙風(fēng)最多出現(xiàn)在WNW-NW方向,占全年起沙風(fēng)的53.56%,其次是WSW-W,占24.33%。(2)0~100cm高度范圍內(nèi),輸沙總量的70.7%分布在10cm高度內(nèi),90.0%分布在30cm高度內(nèi),輸沙率隨高度增加呈冪函數(shù)規(guī)律衰減(Q0~100=10.345H-0.6318,相關(guān)系數(shù)R2=0.9446)。輸沙率與風(fēng)速呈冪函數(shù)關(guān)系(Q0~100=0.0003v4.2962,相關(guān)系數(shù)R2=0.9308),隨著風(fēng)速的增大絕對(duì)輸沙率增加,地表風(fēng)蝕加強(qiáng),輸沙斷面下層(0~4cm)相對(duì)輸沙率趨于減少,中層(4~30cm)略變,上層(30~100cm)增加。(3)風(fēng)沙流中沙物質(zhì)由粒徑為0.25~0.05mm的細(xì)沙和極細(xì)沙構(gòu)成,在0~100cm高度內(nèi),風(fēng)沙流中沙粒的平均粒徑隨高度的增加呈明顯遞減趨勢(shì),平均粒徑由0.2129減少至0.1015,表明在同等條件下,沙粒的直徑越小,跳躍的高度越大。(4)理論上,風(fēng)沙流中