烏蘭布和沙漠沿黃河區域下墊面特征與風沙活動

0非中性環境下的沙丘風在干旱和半干旱地區，穿過沙漠的河流受到地表風速的影響。地表侵蝕產生的泥沙使得河道發生分流、遷徙、萎縮,決口改道,阻塞成湖等災害。黃河上游烏海-磴口河段毗鄰烏蘭布和沙漠,是黃河上游風沙、水沙活動強烈、河道演變劇烈的關鍵河段之一。近幾十年來,由于氣候變化、沙漠擴張、人口增加、耕地擴大、用水過度等多因素的影響,該河段河床淤積抬高,河槽萎縮,不僅影響到河套平原的灌溉安全,而且在一定程度上影響到黃河上游大型水利工程的布局。自20世紀30年代,Bagnold對北非沙漠地區風沙運動進行觀測與研究以來,國內外學者對風沙運動進行大量研究,取得了一定的研究進展。近30a來,隨著野外觀測手段的提高與計算機技術的發展,風沙科學研究取得了長足進步。如:沙丘表面氣流變化特征、氣流與輸沙率之間的關系,沙丘背風坡二次流的風洞試驗與數值模擬,沙漠地區風蝕模型的建立等。但是,由于野外觀測條件的限制與理論模型的需要,通常假設沙丘表面風速廓線呈對數形式分布、輸沙量隨高度呈指數函數衰減,沙丘表面流場與粒徑組成被假定為均一的。但實際上,在非中性大氣環境下,風速廓線將偏離對數形式,風沙流結構也并非完全服從指數函數,粒徑組成與風速沿沙丘表面更是呈現出明顯變化。因此,本文對研究區沙丘形態、粒度組成、風速變化、輸沙率與風沙流結構進行了實地觀測與室內分析,研究了該地區下墊面與風沙活動之間的互饋關系,明確了當地風沙運動的特點,以期為該區域風沙入黃防治提供理論依據。1陰山河區域自然概況烏蘭布和沙漠位于內蒙古自治區西部,黃河左岸,地處中國西北荒漠化土地的前沿地帶。與內蒙古河套平原接壤,地理坐標為105°32′73″~107°10′27″E,39°16′3″~40°55′27″N,總面積約1.3×104km2,海拔約1028~1054m。烏蘭布和沙漠沿黃河區域包括烏海以北,沿途經阿拉善左旗巴音木仁蘇木和烏素圖蘇木,直至磴口的大片區域(圖1)。該區氣候惡劣,降水稀少,蒸發強烈,大風天氣頻繁。年平均降水量為142.7mm,年蒸發能力卻高達2372mm,年平均風速約為3.7m/s,最大可達17m/s。主風向為西北風,風季為頭年11月至翌年5月,與植物枯黃期基本同步。該區分布大量橫向流動沙丘,最高可達17m。地表物質組成主要有角閃石、綠簾石、石榴石、輝石、云母及少量金屬礦物。在主風向作用下,風沙流挾帶大量風成沙進入黃河,致使該河段泥沙淤積,嚴重威脅三盛公水利樞紐的正常運作。據觀測,自1958年到1989年,烏蘭布和沙漠每年風沙入黃量約為0.178億t,2000年則達到0.286億t。風成沙在黃河中的淤積,致使河道阻塞,水利樞紐庫容減少,調水調沙能力減弱。三盛公水利樞紐原設計庫容為8000萬m3左右,由于泥沙的淤積,到目前為止,有效庫容僅為原設計庫容的40.2%。2學習方法2.1丘-丘-沙間地沙物質采集和沙粒測量明晰研究區的寬-高比例,即可根據衛星影像估算該地區的沙丘的高度,進而估算當地的風成沙進入黃河的量。2011年4月至5月對分布于烏海市的烏蘭鄉、阿拉善左旗的巴音木仁蘇木及磴口縣西南劉拐沙頭的流動沙丘進行了野外調查與實地測量。沙丘形態的測量方法為GPS差分法,水平差分誤差小于15cm,垂直差分誤差小于30cm,共測量42座橫向沙丘。在進行沙丘形態測量的同時,沿沙丘中軸線,對沙丘不同部位表面沙物質進行采集。沙物質采集樣方大小為5cm×5cm,深度為10cm。樣方位置分布在丘間地、迎風坡坡腳、迎風坡中部、沙丘頂部、落沙坡與背風坡坡腳。在實驗室內去除樣品中的植物根須、動物殘骸等雜質,應用電動振篩機進行三維振動15min后,用電子天平(精確到0.01g)對各粒徑組的沙粒進行稱量。利用Folk-Ward圖解法計算平均粒徑(Φm)、分選系數(σ)、偏度(SK)和峰度(KD)進行計算。計算方法如下式中,Φn表示累積質量分數為n%的粒徑的Φ值,d表示粒徑值,mm,d0為基準粒徑值,1mm。2.2近地表風速廓線與沙粒粒徑的關系風速觀測點設在磴口縣西南的劉拐沙頭,選取不同高度3座橫向沙丘(高度分別為2.4、5.7和12.3m,寬度分別為30.8、73.5和158m),分別編號為1、2、3號沙丘。分別對3座沙丘的丘間地(1號測點)、迎風坡坡腳(2號測點)、迎風坡中部(3號測點)、沙丘頂部(4號測點)、落沙坡(5號測點)與背風坡坡腳(6號測點)的風速進行觀測(圖2)。在對沙丘各部位風速廓線進行觀測的同時,在該區域附近選擇一開闊地,距1、2、3號沙丘分別為110、150與300m,將其作為參照點,進行風速的對照同步觀測。觀測儀器采用美國MetOne公司生產的014A風速傳感器和024A風向傳感器。風速和風向的量程分別為0~45m/s,0~360°;分辨率分別為±0.11m/s和±5°,起動風速均為0.45m/s,其測量結果以ASCII碼數據輸出。傳感器固定在3m長的金屬桿上,風速傳感器架設4個高度,分別為20、80、150和200cm。風向傳感器架設高度為200cm(圖3)。傳感器的數據采集步長設置為1min(1min的平均風速和風向)。觀測時間為2011年4至5月,共測得180組風速數據,即每座沙丘6個觀測點,10次重復觀測。中性大氣條件下,近地表風速廓線的表示形式如下式中,uz表示z高度處的風速,m/s;u*為摩阻風速,m/s;k為VonKarman常數,z0為地表粗糙度,m。對沙丘表面的起沙風進行粗略計算。計算方法如下式中,u*t為摩阻起動風速,m/s;d為沙粒平均粒徑,m;ρa與ρp分別表示空氣與沙粒的密度,kg/m3;a1是一個無量綱系數,取值為0.0123,a2為一個量綱系數,取值為3×10-4kg/s2。假設近地表風速廓線服從對數函數分布,只需求得地表粗糙度z0,即可根據公式(6)對2m高度的起動風速進行計算。Sherman等基于106組風速廓線、摩阻風速與沙粒粒徑數據,推導出當地表蝕積平衡時,地表粗糙度、沙粒粒徑、摩阻風速與起動摩阻風速之間存在一個函數關系式中,d50為沙粒粒徑的中值,m。當摩阻風速等于或接近起動摩阻風速時,假定地表處于蝕積平衡狀態,可根據公式(8)對地表粗糙度進行計算。2.3沙樣的采集與測定由于輸沙量主要集中在距地表20cm高度內,因此所采用的集沙儀粒徑采集高度為20cm,分為10個連續的采集梯度,集沙管容量約為300mL,每個進沙口大小為2cm×2cm,進沙口不隨風向的改變而轉動。將集沙儀分別架設到3座沙丘的丘間地、迎風坡坡腳、迎風坡中部、丘頂和背風坡底部。依據風速大小,每次觀測時間為20min至3h不等,進行重復觀測,共取得150組觀測數據。采集的沙樣用自封袋封存,用百分之一的電子天平進行稱量。單寬輸沙率計算方法為其中,Q為集沙量,g;q為單寬輸沙率,g/(cmmin);t為觀測時間,min。將各個高度的輸沙量進行歸一化處理。即將集沙儀進沙口從底至頂依次編為1~10號,用各高度的輸沙量與總輸沙量的比值代替其的絕對輸沙量。3結果與分析3.1向沙丘沙粒的粒度特征本地區沙丘均為典型的橫向沙丘,沙丘西側為迎風坡,坡度較緩,約為10°;沙丘東側為背風坡,頂部附近達到了沙子的最大休止角,存在發育典型的落沙坡。本地區的沙丘為快速運動的簡單橫向沙丘。對沙丘寬度w與高度h之間的關系做線性函數回歸分析(圖4),回歸關系式如下回歸結果顯示,在決定系數R2=0.94情況下,a=12.75,即烏蘭布和沙漠沿黃河區域橫向沙丘的寬-高比約12.75,略大于新月形沙丘的寬-高比(約為10),主要是由當地邊界層氣流、供沙量、和水分條件等一系列因子綜合作用的結果。由表1可知,烏蘭布和沙漠沿黃河區域橫向沙丘主要以細沙為主,其平均粒徑范圍為0.1520~0.1698mm,粉砂含量極低,且不含粗沙。與其他沙漠同一類型沙丘表面沙相比,細于非洲南部的Namib沙漠沙(0.22~0.23mm)、阿拉伯半島的Nafud沙漠沙(0.22~0.43mm)與Jafurah沙漠沙(0.16~0.28mm);粗于中國塔克拉瑪干沙漠沙(0.09~0.19mm)與騰格里沙漠沙(0.11~0.16mm)。平均粒徑標準差為0.079~0.091,分選系數為0.3020~0.3657,分選情況為好與極好。累計頻率曲線偏度系數均為正偏,范圍為0.0209~1.1021。峰度系數范圍為5.3226~6.2295,為極窄單峰態。丘間地-迎風坡坡腳-迎風坡中部-丘頂-落沙坡,平均粒徑逐漸減小,同時粒徑標準差、分選系數也逐漸減小,偏度與粒徑峰度值則自丘間地至丘頂逐漸增大。落沙坡處峰度值小于丘頂處與迎風坡中部,背風坡坡腳處其平均粒徑、分選系數與均大于落沙坡處而小于丘頂處,而偏度則正好相反。沙丘表面沙粒的粒度特征反映了作用于沙丘表面的風動力環境。氣流吹過沙丘表面時受到床面抬升影響,在氣流通量近似不變的情況下,流速增大;在風速超過起沙風速時,丘間地與迎風坡坡腳為侵蝕區,部分較細沙粒被吹蝕,留下難以搬運的較粗沙粒;由于粗細沙粒沉積速率的差異,較粗粒徑沙粒較多沉積在沙丘迎風坡中下部,較細粒徑沙粒多沉積在沙丘的頂部和落沙坡;因此,沙丘表面的平均粒徑呈現出由丘間地到落沙坡逐漸減小的趨勢。氣流越過落沙坡后,在沙丘背風坡處,氣流擴散緩慢,受背風坡二次流的作用,風速高于落沙坡風速,風向近似平行沙丘走向,細沙粒部分被吹蝕,其沙粒粒徑與分選系數略大于落沙坡處沙粒。粗細沙粒沉積速率的差異性,導致自丘間地至落沙坡,沙粒粒度分選性逐漸變好,平均粒徑標準差逐漸減小,其峰態愈加尖窄。3.2廓線形式的偏對由公式(6)、(7)、(8)計算可得,2m高度處起動風速約為7m/s,因此,通過對所觀測的數據進行篩選,得到該地區凈風和起沙風狀態下沙丘不同部位的風速梯度(表2)。由表2可知,無論在起沙風還是凈風環境下,丘間地風速廓線均呈對數形式分布;沙丘迎風坡坡腳處風速廓線大多偏離了對數函數,除2號沙丘,該點風速廓線基本呈冪函數分布;無論在凈風還是起沙風環境下,迎風坡中部處風速廓線形式均偏離了對數函數;除3號沙丘在起沙風環境下,沙丘頂部處風速廓線均服從對數函數分布;落沙坡與背風坡坡腳處的風速廓線函數形式則分布極不統一,包括對數函數、二次函數、冪函數、指數函數與三次函數等分布形式。說明在丘間地與沙丘頂部,大氣環境接近中性大氣環境,因此其風速廓線大致呈對數形式分布。而在沙丘迎風坡坡腳、迎風坡中部、落沙坡與背風坡坡腳處氣流受地形擾動較為強烈,致使其風速廓線偏離對數形式分布。由于氣流經過丘間地時,受周圍地形擾動較小,且丘間地處于凈侵蝕狀態,沙粒粒徑較粗,起沙較少,其大氣環境接近于中性大氣環境,風速廓線呈對數形式分布。在迎風坡坡腳處,受沙丘地形阻擋,有部分回流產生,故近地表風速突然減弱,受地形擾動影響,其風速廓線偏離對數形式分布。由沙丘迎風坡坡腳至沙丘頂部風速逐漸增加的結論早已被認同,在迎風坡中部,氣流受迎風坡擠壓處于爬升狀態,氣流受地形擾動較大,大氣環境也非中性環境,風速廓線也偏離了對數形式。在沙丘頂部,氣流不再受迎風坡擠壓作用,風場受周圍地形擾動減小,近似處于中性大氣環境下,風速廓線多呈對數形式分布。在沙丘落沙坡與沙丘背風坡處,受沙丘阻擋作用,這2個測點處除發育主風向氣流之外,還發育不同強度的落沙坡渦流及背風坡二次流,周圍不再屬于中性大氣環境,其風速廓線均偏離了對數形式。3.3橫向沙丘與沙丘之間的風速加速率根據起沙風計算公式,得到2m高度處起沙風速最低為7m/s。為探究在起沙風環境與凈風環境下沙丘表面風場變化情況,設置2套風能環境,即高風能環境(參照點20cm高度處風速為8m/s,使得沙丘表面充分起沙)與低風能環境(參照點20cm高度風速為3m/s,沙丘各部位均處于凈風環境),通過沙丘表面各部位風速廓線分布函數及沙丘表面各部位風速與參照點風速之間的對應關系,得到不同風能環境下,沙丘各部位不同高度風速的變化特征(圖5)。由觀測結果可知,無論低風能環境下還是高風能環境下,自丘間地至沙丘背風坡坡腳,4個高度的風速均經歷了減小(丘間地至迎風坡坡腳)——逐漸增大(迎風坡坡腳至丘頂)——減小(丘頂至落沙坡)——增大(落沙坡至背風坡坡腳)的過程。在對橫向沙丘表面氣流研究過程中,經常引入風速加速率,其表示形式為式中,S為風速加速率;uc與uf分別為沙丘頂部與迎風坡坡腳處風速,m/s。由觀測結果可得,迎風坡表面風速在不同高度均有增大趨勢(表3)。同一沙丘上,不同高度風速加速率差異不大,其中低層20cm風速加速率略高于高層風速加速率(表3)。主要是由于近地表受沙丘地形擾較大所造成。1號沙丘在低風能環境與高風能環境下,其風速加速率均較小。其主要原因是1號沙丘較為低矮,氣流受地形擾動較小,故迎風坡坡腳處風速與沙丘頂部風速差異較小。無論在低風能環境下與高風能環境下,3號沙丘的風速加速率均大于1號沙丘與2號沙丘的風速加速率,主要是因為3號沙丘明顯高于1號沙丘與2號沙丘,氣流在迎風坡表面加速距離較長所致。此外,不同風能環境下風速加速率也存在一定的差異。1號沙丘與2號沙丘的風速加速率在不同風能環境下變化不大;3號沙丘在高風能環境下的風速加速率則略小于其在低風能環境下的風速加速率。這是由沙丘的發育尺度與沙丘表面輸沙率共同作用下的結果。相對于3號沙丘,1號沙丘與2號沙丘較低矮,氣流在迎風坡加速距離較短,無論是在高風能環境還是低風能環境下,迎風坡坡腳與丘頂處的風速差距都較小,因此,1號沙丘與2號沙丘在不同風能環境下風速加速率變化不大。3號沙丘明顯高于1號沙丘與2號沙丘,氣流在迎風坡加速距離較長,迎風坡坡腳與丘頂處風速差距較大。在高風能環境下,沙丘表面風速大于起沙風速,根據輸沙勢計算公式式中,Q為輸沙勢,m3/s2;U為平均風速,m/s,Ut為起沙風速,m/s。由公式(11)可得,輸沙勢與近地表風速的三次方成正比,因此,在高風能環境下,3號沙丘頂部輸沙率必然大于迎風坡坡腳,受地表風沙流阻滯作用,丘頂處風速必然減小。因此,在高風能環境下,3號沙丘,迎風坡坡腳與丘頂處風速差異減小,其風速加速率小于在低風能環境下的風速加速率。3.4輸沙過程與近地表風速關系由公式(6)~(8)計算所得,烏蘭布和沙漠沿黃河區域天然混合沙2m高度流體起動風速約為7m/s。但是由于沙丘表面粒徑分布的差異,當氣流攜帶沙物質從丘間地向沙丘迎風坡輸送時,風沙流在丘間地及迎風坡坡腳均不能達到飽和狀態,且摩阻起動風速隨坡度的變化而變化,因此根據摩阻風速來計算輸沙率則存在一定的問題。本文應用輸沙率與近地表風速(20cm高度處)的關系建立輸沙率計算方程。對每次風速與輸沙量的同步觀測數據進行篩選,將2m高度處大于7m/s的風速全部篩選出來,并將其20cm高度處風速的平均值作為每次輸沙過程的近地表平均風速。將每次觀測數據中,2m高度處大于7m/s的風速的累計時間作為輸沙過程的時間,按公式(8)對輸沙率進行計算,擬合結果如下(表4)。通過分析結果可得,輸沙率與近地表風速存在三次函數關系,且一次項系數均為0,與Fryberger提出的輸沙勢方程類似。由表4中的擬合公式所知,在相同風速下,輸沙率由小到大依次為:迎風坡坡腳<背風坡坡腳<丘間地<迎風坡中部<丘頂。輸沙率主要與沙丘表面平均粒徑的分布及沙丘表面氣流變化有密切關系。沙丘表面平均粒徑分布規律是丘間地>迎風坡坡腳>迎風坡中部>丘頂>背風坡坡腳>落沙坡。當沙丘表面氣流為層流時,根據公式(7)可知,當粒徑值大于0.113mm,起動風速隨粒徑的增大而增大。研究區內沙丘表面各部位平均粒徑均大于0.113mm,因此,起動風速與沙丘表面粒徑沿沙丘斷面呈相同的分布趨勢。且丘間地與迎風坡坡腳處發育不飽和風沙流。但由于在迎風坡坡腳處,摩阻風速會突然下降,沙物質在此處發生部分沉積,因此其輸沙率反而小于丘間地。沙丘表面粒徑分布中,背風坡的平均粒徑值最小,理論上在同等風速下,其輸沙率會大于其余4部位。但是在實際計算中,其輸沙率僅大于迎風坡坡腳。從沙丘表面風場環境對其進行分析,無論在低風能環境下還是高風能環境下,背風坡坡腳處近地表風速均處于一個較低的值,在大部分情況下都難以到達起沙風速。在實際觀測中,在背風坡坡腳處采集到的輸沙量也較小。因此,在函數擬合中,同等風速下其輸沙率要小于丘間地的輸沙率。3.5丘間地與丘頂、背風坡處輸沙量標準差隨高度的變化由觀測結果可知,在10cm以下的高度內,集中了90%以上的輸沙量。且自丘間地至背風坡坡腳,0~2cm高度處輸沙比率依次增大(圖6)。說明自丘間地至背風坡坡腳處,風沙流的侵蝕效應逐漸減弱,堆積效應逐漸增強。沙丘表面粒徑分布情況可以充分解釋沙丘不同部位風沙流結構特征與沙丘表面蝕積特征。自丘間地至背風坡坡腳,沙粒粒徑逐漸減小。丘間地與迎風坡坡腳處,床面較硬,沙粒沖擊床面時,所獲得的反彈力較大,沙粒在該處躍移高度較大。且在丘間地與迎風坡坡腳處發育不飽和風沙流,其侵蝕作用大于堆積作用。在丘頂與背風坡坡腳處堆積作用加強。因此,丘頂與背風坡處近地表輸沙比率大于迎風坡坡腳與丘間地的近地表輸沙比率。沙丘不同部位輸沙量標準差隨高度基本呈減小趨勢,10cm高度(5號進沙口)內輸沙量標準差總和遠大于10cm高度(5號進沙口)外的標準差總和,說明輸沙量在10cm高度內的變化要大于10cm高度(5號進沙口)外的變化,從而印證了10cm高度內集中了風沙流中大部分輸沙量。在14cm高度(7號進沙口)以上,丘頂與迎風坡中部輸沙量標準差大于其余3個部位,說明丘頂與迎風坡中部在14cm高度(7號進沙口)以上輸沙量變化大于其余3個部位的輸沙量變化。由于氣流受坡面擠壓,在迎風坡加速,迎風坡中部與丘頂處風速較大,導致在沙粒躍移高度較大,因此在14cm高度(7號進沙口)以上丘頂與迎風坡中部輸沙量變化較大。風沙流內不同高度內輸沙比率隨高度呈三次函數遞減,而非指數函數。其表達式為:Q0=ah3+bh2+ch+d,其中,Q0表示輸沙比率,h為高度編號,a、b、c、d均為擬合系數。擬合函數在0.05顯著水平上,決定系數R2均在0.99以上(表5)。4沙丘形態與粒徑的關系通過沙丘形態測量、粒度采樣和風沙觀測等手段,基本獲得了烏蘭布和沙漠沿黃河區域的下墊面特征和風沙活動特點。對于烏蘭布和沙漠每年風沙入黃量的估算,歷來是一個難點。單純采用幾期衛星影像對比的方法,只能獲得沙丘進入黃河的大致面積。如果想獲得沙漠沙進入黃河的具體質量,只能借助高精度的地形圖,然而高精度地形圖時間分辨率較差,且較難獲取。本文通過對烏蘭布和沙漠沿黃河區域42座沙丘的測量,得到該地區沙丘的寬-高比約為12.75。由于在分辨率較高的衛星影像(ETM+、SPOT、IKNOS或QUICKBIRD數據)上基本能夠獲得的沙丘的寬度,根據當地沙丘寬-高比率即可利用不同時期衛星影像對比的方法,即獲得估算不同時間段內沙漠沙進入黃河的量。丘間地-迎風坡坡腳-迎風坡中部-丘頂-落沙坡,其平均粒徑、分選系數逐漸減小,偏度逐漸增大。背風坡坡腳處平均粒徑與分選系數均大于落沙坡處而小于丘頂處。沙丘各部位粒徑分布為正偏、單峰態近似對稱分布。其粒度沉積特征反映了該區域的風動力環境,即該區域為單一的風況條件,沙丘走向與盛行風近似垂直、流場較單一,因此該區域的沙丘基本是單向運動,運動方向朝向