流動沙丘地表風沙流運動規(guī)律的觀測研究

流動沙丘地表風沙流運動規(guī)律的觀測研究

沙的運動規(guī)律是沙物理研究的核心內(nèi)容。它也是防沙、防沙和防沙災害的指導思想和理論基礎，在沙漠防治理論和實踐中發(fā)揮著重要作用。國內(nèi)外學者在沙粒運動、風沙流結(jié)構(gòu)、輸沙率、風速廓線、臨界起沙風速等方面,做了大量深入細致的研究。但不同地區(qū)的風沙流運動有著特定的流量和表現(xiàn)形式,關(guān)于烏蘭布和沙區(qū)風沙活動少有持續(xù)的野外監(jiān)測結(jié)論,本文在國家林業(yè)局磴口荒漠生態(tài)站長期風沙監(jiān)測的基礎上,對烏蘭布和沙區(qū)特定環(huán)境背景下近地面0~100cm高度風沙流流量進行野外實測,通過對觀測數(shù)據(jù)的定量和定性分析,揭示流動沙丘地表的風沙流結(jié)構(gòu)及沙粒運動特性,以期為該地區(qū)區(qū)域性防沙工程提供基礎理論和科技支撐。1沙漠化的嚴重態(tài)勢烏蘭布和沙漠地處我國荒漠化草原向草原化荒漠過渡地帶,是我國北方沙塵暴頻發(fā)的主要源區(qū)及主要路徑之一,也是我國干旱區(qū)荒漠化發(fā)展嚴重地區(qū),沙漠總面積9082km2,其中流動沙丘占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,對三盛公黃河樞紐工程和上游庫區(qū)構(gòu)成嚴重威脅,同時造成整個河套灌區(qū)渠道淤積,每年需花費大量經(jīng)費清淤。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的速度東移逼進農(nóng)田,該地區(qū)沙漠化嚴峻態(tài)勢和沙塵暴的發(fā)生給當?shù)氐慕?jīng)濟和社會發(fā)展帶來了極大危害,嚴重影響了區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此,對該地區(qū)開展近地層風沙運移規(guī)律研究有現(xiàn)實意義。實驗布設在烏蘭布和沙漠東北部磴口綠洲外緣流動沙丘較為平坦的沙丘頂部,海拔高度為1054.03m,地理坐標為40°24′N,106°46′E,據(jù)國家林業(yè)局磴口荒漠生態(tài)站(簡稱磴口站)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(表1),該地區(qū)干旱少雨,年均降水量為105.3mm,蒸發(fā)量達2407.0mm,氣溫8.8℃,風速3.7m·s-1,最大風速21m·s-1,全年風沙日數(shù)85d。2全方位定點積沙儀在磴口站長期監(jiān)測的基礎上,選擇2011年3~6月風沙活動強烈期的大風日,集中進行野外觀測。具體方法是:在上述實驗點流動沙丘頂部布設FSL-200風沙流采集系統(tǒng)、立式積沙儀、全方位定點積沙儀等。立式積沙儀進沙口50層,每個積沙盒進沙口的寬和高均為2cm,可以監(jiān)測0~100cm的風沙流特征,測定時進沙口斷面與風向垂直;全方位定點積沙儀高50cm,積沙盒按16個方位排列,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,每次積沙觀測時間為10min,在集沙儀一側(cè)架設多通道自記風速梯度測定系統(tǒng)同步測定2m高處的風速,每1min記錄一次風速,風速取同時段10次觀測數(shù)據(jù)的平均值。每次觀測結(jié)束后,將積沙儀的積沙量分層稱重,對收集的每層沙粒采用DLY2000光電顆粒分析儀進行粒度分析。3結(jié)果與分析3.1口站12m風收率及風壓起沙風是評定一個地區(qū)風況的重要指標。在機械防沙體系的設計中,起沙風的統(tǒng)計分析是設計的主要依據(jù)之一。烏蘭布和沙區(qū)地處中緯度內(nèi)陸,終年受西風環(huán)流控制,大風常由強冷鋒過境引起。根據(jù)野外實測,流動沙丘2m高度處沙粒起動風速為5.1m·s-1。為了利用磴口站風信資料,運用公式V12=1.2272V2+0.6508,將2m高度處起沙風速轉(zhuǎn)換為磴口站12m高度風速,值為6.9m·s-1。對磴口站2011年12m風信自記數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知(圖1-2),起沙風(≥6.9m·s-1)以7~9m·s-1為主,占全年起沙風頻率的67.64%,其次為9~11m·s-1,占22.19%,兩者之和占89.83%,而>17m·s-1的風速全年只出現(xiàn)了2次,占0.07%;2011年3~4月、11~12月風沙活動最為強烈,分別占全年起沙風持續(xù)時間的33.78%和25.36%。進一步對年內(nèi)起沙風的風向統(tǒng)計(圖3),起沙風最多出現(xiàn)在WNW和NW方向,WNW-NW占全年起沙風的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)田防護林體系構(gòu)建時,盡可能使防護帶主帶走向與NW或WNW-NW向垂。3.2輸沙率與風速的關(guān)系風沙流結(jié)構(gòu)是指氣流中所搬運的沙粒在搬運層內(nèi)隨高度的分布特性。對實測的52組輸沙數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計(表2)得出:在0~100cm高度輸沙斷面上,0~10cm高度層內(nèi)搬運的沙物質(zhì)量占總搬運量的70.7%且主要集中于貼地層0~4cm高度范圍內(nèi),90.0%的風沙流分布于0~30cm高度層內(nèi)。本觀測結(jié)果與吳正等觀測的氣流所搬運沙量的90%在離地表30cm以下相一致,與WILLIAMSG、朱震達等觀測結(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。進一步分析輸沙率隨高度、風速的變化情況可知(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2m處風速低于5.6m·s-1,30cm以上基本沒有輸沙發(fā)生,隨著風速的增大,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%,說明隨著風速的增大,絕對輸沙率增加,下層(0~4cm)相對輸沙率趨于減少,中層(4~30cm)基本不變,上層(30~100cm)明顯增加,沙粒的搬運高度隨風速增大而增加,貼近床面的氣流中搬運的沙量相對減少,風沙流處于不飽和狀態(tài),使地表風蝕加強。馬世威等曾觀測到同樣的現(xiàn)象,認為總輸沙量增加會增加沙粒之間的碰撞與沖擊,從而使沙粒的搬運高度上升。3.3涌水面沙物質(zhì)輸移量分布風沙流輸沙的方位分布也是風沙流研究的重要內(nèi)容之一。2011-2012年利用全方位定點集沙儀對實驗點0~50cm躍移輸沙的空間分布進行了監(jiān)測(圖6),結(jié)果如下:躍移輸沙主要集中在WNW、N、SW、WSW、W5個方位,分別為全年輸沙量的9.83%、9.22%、9.18%、8.83%、8.06%,共計占到全年總量的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%。對比躍移輸沙分布(圖5)與起沙風風向分布(圖3)可以看出,躍移輸沙分布與起沙風風向分布極不一致。主要是由于所用積沙儀雖然在頂蓋上分布著16個進沙口與16方位對應,但在野外風沙環(huán)境下并不是只收集單一風向方位上的來沙量造成的,現(xiàn)將全方位躍移積沙儀按中軸線劃成迎風面與背風面兩部分,在起沙風輸沙條件下,與風向垂直的迎風面上的各方位都直接是積沙面,而背風面也由于風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應單一風向下的輸沙量。所以圖3、圖5顯示的起沙風風向分布與躍移輸沙量的空間分布極不一致主要是由實驗儀器本身的缺陷導致的。從理論上講躍移輸沙量的空間分布應該與起沙風風向分布大體一致。差異應主要受各方位風的強度和持續(xù)時間影響。3.4細沙和極細沙研究風沙流中沙粒粒徑的垂向分布及變化對認識沙粒的運動及探究風沙流結(jié)構(gòu)具有重要意義。研究表明:烏蘭布和沙區(qū)風沙流中沙物質(zhì)主要由粒徑為0.25~0.05mm的細沙和極細沙構(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,平均粒徑由0.2129減少至0.1015,由此可見,隨著高度的增加風沙流中沙粒的平均粒徑趨向于更細,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,通過野外實時輸沙觀測,對烏蘭布和沙區(qū)流動沙丘地表風沙活動特征及沙粒運動特性進行了分析,初步結(jié)論如下:(1)烏蘭布和沙區(qū)2011年以3~4月、11~12月風沙活動最為強烈,分別占全年起沙風持續(xù)時間的33.78%和25.36%。起沙風以7~9m·s-1為主,占全年起沙風頻率的67.64%,其次為9~11m·s-1,占22.19%,兩者之和占89.83%,起沙風最多出現(xiàn)在WNW-NW方向,占全年起沙風的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),隨著風速的增大絕對輸沙率增加,地表風蝕加強,輸沙斷面下層(0~4cm)相對輸沙率趨于減少,中層(4~30cm)略變,上層(30~100cm)增加。(3)風沙流中沙物質(zhì)由粒徑為0.25~0.05mm的細沙和極細沙構(gòu)成,在0~100cm高度內(nèi),風沙流中沙粒的平均粒徑隨高度的增加呈明顯遞減趨勢,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,風沙流中