烏蘭布和沙漠不同下墊面風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)與變異特征

徐 軍，郝玉光，劉 芳，陳海玲，辛智鳴，孫 非

（中國林業(yè)科學(xué)研究院 沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，內(nèi)蒙古 磴口015200）

風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)是指風(fēng)沙流中的沙量在垂直高度上的分布規(guī)律，對其的研究一直是風(fēng)沙研究關(guān)注的熱點(diǎn)之一［1－3］。風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律是治沙的理論基礎(chǔ)，它能直接表征沙粒的運(yùn)動形式，判斷地表的蝕積狀況［4］。通過研究風(fēng)沙流中沙量在垂直高度的分布及變化規(guī)律，可以進(jìn)一步認(rèn)識顆粒運(yùn)動的啟動機(jī)制和運(yùn)行特征，也可以分析風(fēng)沙地貌形態(tài)的形成發(fā)育、演變發(fā)展等規(guī)律，從而采取有效措施控制和促進(jìn)風(fēng)沙運(yùn)動［5］，因此，對風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的研究在沙漠治理的理論和實(shí)踐中占有重要的地位。近年來，許多研究者對沙漠地區(qū)和礫漠地區(qū)的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了大量的野外觀測和風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)研究，闡明風(fēng)沙流運(yùn)動是一種貼近地表的沙粒搬運(yùn)過程并初步建立了定量描述沙質(zhì)地表空氣動力學(xué)特征、起動風(fēng)速、輸沙量及其垂直分布規(guī)律及沙丘運(yùn)移的簡單模型［6－14］。但眾多學(xué)者的研究一般都局限于某一類型的沙丘，且限于20 c m高度層，對較高高度層中的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)研究較少，鑒于此，本文以風(fēng)沙頻繁的春季為研究時段，采用集沙儀測定風(fēng)蝕量的方法，研究烏蘭布和沙漠不同類型沙區(qū)0—40 c m層的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及其變異特征。確定不同類型沙區(qū)0—40 c m氣流層內(nèi)的輸沙量、相對輸沙量及其與高度的關(guān)系；分析不同類型沙區(qū)地表風(fēng)蝕物粒度組成隨高度的變異規(guī)律；探討不同下墊面的風(fēng)沙蝕積特征，以明確不同類型的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，揭示其運(yùn)動規(guī)律，為烏蘭布和沙漠的防沙治沙規(guī)劃及固沙措施的選擇提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究地概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古磴口縣境內(nèi)，烏蘭布和沙漠東北邊緣，中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心第二實(shí)驗(yàn)場，地理坐標(biāo)為：40°28′N，106°46′E，試驗(yàn)地海拔1 040～1 060 m。氣候干旱多風(fēng)，年均氣溫7.8℃，年均降水102.9 mm，主要災(zāi)害風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，以春季3—5月風(fēng)速最大，年均風(fēng)速4.1 m／s，全年風(fēng)沙日數(shù)85 d。區(qū)內(nèi)固定沙丘、半固定沙丘、丘間低地與流動沙丘相間分布，且以固定、半固定沙丘為主。風(fēng)沙頻繁，地表風(fēng)蝕強(qiáng)烈。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

于2011年4月初5月底，在烏蘭布和沙漠的流動（植被覆蓋度＜15%）、半固定（植被覆蓋度＞15%）及固定（植被覆蓋度＞30%）沙丘上設(shè)立觀測樣地，選取大風(fēng)天進(jìn)行觀測，分層收集和測定不同沙地0—40 c m氣流層內(nèi)的輸沙量及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。具體方法為：輸沙量的測定采用FSL-200風(fēng)沙采集系統(tǒng)中的立式集沙儀，風(fēng)速的測定采用FSL-200風(fēng)沙采集系統(tǒng)中的三杯風(fēng)速儀，兩組平行進(jìn)行。每組集沙儀以2 c m為高度層，集沙儀寬為2 c m。在距離集沙儀1.5～2 m處設(shè)立支架，將風(fēng)速儀固定在支架2 m高處，測定風(fēng)沙流的同時測定風(fēng)速。集沙儀設(shè)置在地面上，保持進(jìn)沙口斷面與風(fēng)向垂直。每次集沙時間10 min，每隔1 min測定一次風(fēng)速，風(fēng)速數(shù)據(jù)取10次觀測數(shù)據(jù)的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用回歸法確定總輸沙量及各層輸沙量隨高度的變化規(guī)律，采用茲納門斯基［15］提出的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征表征結(jié)構(gòu)數(shù)（S）。S的計算公式為：

式 中：Q0—1——?dú)?流 中 0—1 c m 層 的 輸 沙 量；ˉQ0—10——?dú)饬髦?—10 c m層的平均輸沙量，等于0—10 c m層內(nèi)輸沙量的10%；

采用吳正［16］提出的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征值（λ）確定不同類型沙地的蝕積規(guī)律。λ的計算公式為：

式中：Q2—10——?dú)饬髦?—10 c m層內(nèi)的輸沙量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同下墊面0—40 c m層輸沙總量

圖1是不同下墊面0—40 c m層輸沙總量及在不同的風(fēng)速下輸沙量的變化曲線。從圖1可以看出，無論在哪種風(fēng)速下，流動沙丘0—40 c m高度層內(nèi)的總輸沙量始終大于半固定沙丘及固定沙丘。這與前人的研究結(jié)果基本一致［17］。

流動沙丘、半固定沙丘及固定沙丘的輸沙總量的均值分別為3.01，0.36，0.77 g／（min·c m2），半固定沙丘和固定沙丘的輸沙量分別占流動沙丘總量的11.96%和25.58%，這是由于三種不同下墊面沙區(qū)植被覆蓋度存在較大的差異，有研究表明，0—20 c m總輸沙量和相對輸沙量與植被覆蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與植株高度、土壤含水量、地表粗糙度呈負(fù)相關(guān)，但并不顯著［18］。因此，植被覆蓋可以有效防止風(fēng)蝕，必須加強(qiáng)天然植被的封育及其管護(hù)，通過多種措施增加植被蓋度和地表覆蓋度，發(fā)揮其防風(fēng)固沙作用，有效控制流沙流動。由圖1可知，半固定沙丘及固定沙丘的減沙量分別達(dá)到88.04%和74.42%。

圖1 0－40 c m層輸沙總量隨風(fēng)速的變化

圖1 表明，無論是哪種沙丘類型，0—40 c m氣流層內(nèi)輸沙量均隨風(fēng)速的增加而增加，且可用指數(shù)函數(shù)來描述。流動沙丘：Y＝0.0222e0.5135x，半固定沙丘：Y＝0.0006e0.7293x，固定沙丘：Y＝0.0016e0.5732x，相關(guān)系數(shù)分別為0.806 9，0.947 0，0.907 7，相關(guān)性均較強(qiáng)。

2.2 不同下墊面0－40 c m層相對輸沙量隨高度的動態(tài)變化

王自龍等［18］對白刺平坦礫質(zhì)沙地和沙包迎風(fēng)坡底部、頂部、背風(fēng)坡底部風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的研究表明，輸沙率隨高度的增加而減小，并分別遵循負(fù)指數(shù)函數(shù)和負(fù)冪函數(shù)關(guān)系。張華等［19］的研究表明，輸沙量隨高度的增加呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系［16］。

在同一風(fēng)速條件下，無論是哪種類型的沙丘，0—40 c m氣流層內(nèi)的相對輸沙量隨高度的增加均呈現(xiàn)出遞減趨勢，且可用負(fù)冪函數(shù)關(guān)系來描述。流動沙丘：Y＝52.933x－1.4017，半 固 定 沙 丘：Y ＝61.657 x－1.745，固定沙丘：Y＝42.585x－1.5177，其相關(guān)系數(shù)分別為0.976 3，0.959 6，0.942 1。

2.3 不同下墊面粒度組成隨高度的變化規(guī)律

不同下墊面0—40 c m氣流層內(nèi)粒度組成隨高度的動態(tài)變化如表1所示，由表1看出，不管哪種沙丘類型，石礫（＞1 mm）和粗砂粒（粒徑1.0～0.5 mm）的含量較低，同樣極細(xì)顆粒（粒徑0.1～0.05 mm）和粉、黏粒（＜0.05 mm）的含量也很低。而細(xì)沙粒（粒徑0.25～0.05 mm）的含量較高，占輸沙量的23.6%～71.2%；中沙粒（0.5～0.25 mm）占輸沙量的15.9%～42.3%。隨高度的增加，中沙?；境蔬f減趨勢，減小幅度因下墊面的不同而異。細(xì)沙粒呈現(xiàn)遞增趨勢，可能是由于較大的沙粒由于自身的重量的原因，氣流上升的舉力不足以將其帶到較高的高度，但可以把重量較小的顆粒運(yùn)送到較高的高度層。

表1 0－40 c m內(nèi)輸沙量的粒度組成隨高度的動態(tài)變化

2.4 不同下墊面的蝕積特征

地表沙物質(zhì)的起動、搬運(yùn)和堆積過程受到下墊面性質(zhì)的強(qiáng)烈影響，要定量確定某一下墊面的風(fēng)蝕與堆積發(fā)生態(tài)勢非常困難。但茲納門斯基［15］和吳正等［16］的研究表明，通過對近地表0—10 c m層風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征數(shù)（S）和特征值（λ）的估算，可以大體判斷出下墊面是以風(fēng)蝕還是搬運(yùn)過程為主。茲納門斯基［15］的研究表明，對于沙質(zhì)地來說，以3.8為蝕積臨界值。當(dāng)S值大于3.8時可認(rèn)為是以堆積過程為主，反之則以風(fēng)蝕過程為主。吳正［16］的研究結(jié)果表明，當(dāng)λ＞1時（非飽和風(fēng)沙流），地表出現(xiàn)風(fēng)蝕或搬運(yùn)，不產(chǎn)生堆積，稱非堆積搬運(yùn)。當(dāng)λ＜1時（過飽和風(fēng)沙流），地表產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，當(dāng)λ＝1時（飽和風(fēng)沙流），地表無風(fēng)蝕、無堆積，稱非蝕積搬運(yùn)。

由表2可以看出，三種不同下墊面的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征數(shù)S值均小于3.8，而特征值λ均大于1，這表明3種下墊面均處于風(fēng)蝕或搬運(yùn)狀態(tài)。

表2 不同下墊面0－10 c m層風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)值

3 結(jié)論

對烏蘭布和沙漠不同下墊面風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的分析表明，下墊面類型對風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)影響很大。

（1）研究表明，0—40 c m總輸沙量隨風(fēng)速的增加而增加，并遵循指數(shù)關(guān)系式，流動沙丘：Y＝0.0222e0.5135x，半固定沙丘：Y＝0.0006e0.7293x，固定沙丘：Y＝0.0016e0.5732x；相對輸沙量隨高度的增加呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，分別為流動沙丘：Y＝52.933x－1.4017，半固定沙丘：Y＝61.657x－1.745，固定沙丘：Y＝42.585x－1.5177。

（2）0—40 c m內(nèi)，隨高度的增加，輸沙量的粒度組成表現(xiàn)為中沙?；境蔬f減趨勢，減小的幅度因下墊面的不同而異，細(xì)沙粒呈遞增趨勢。

（4）三種不同下墊面近地表0—10 c m層風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征數(shù)S值均小于3.8，特征值λ均大于1，這表明三種下墊面均處于風(fēng)蝕或搬運(yùn)狀態(tài)。

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