內蒙古沙坡頭鐵路防護體系的風沙效應

1沙坡頭沙粒及地表沉降特征建立沙頭鐵路保護體系，是保護包蘭鐵路不受騰格里沙漠沙漠活動的重要任務。防護體系固定了流動沙丘［１］,改變了地表形態［２］、近地表流場分布［３］和地表沉積物特性［４－５］,促進了荒漠植被演替和結皮發育［６－８］,改善了生態環境功能［９］,風沙活動方式和強度都發生了很大變化［１０］。沙坡頭防護體系建立以后,風沙活動的主要方式逐漸由強烈的風蝕、沉積轉變成為風沙沉降主導。根據距地面35cm高的降塵樣品數據,估算得到防護體系植被帶內年降塵量為4240kg·hm－２(1991年)和4866kg·hm－２(1991—1998平均值),該區在25%~40%的植被蓋度下,約30%的降塵可以被攔截［１１－１２］。更深入的研究包括防護體系內的降塵量、沉積速率、粒度特征、元素和礦物含量、主要影響因素和塵源等［１３－１４］。然而我們的調查表明,降塵只是沙坡頭鐵路防護體系內風沙沉降活動的一部分,特別是防護距離小于150m以內的區域,地表性質仍屬于流沙,近地面風沙活動活躍,躍移沙粒的沉降是地表沉積物的主體,其沉降量遠遠高于大氣降塵。鑒于此,我們選擇了與當地主風向平行、穿越鐵路防護體系的觀測斷面,沿斷面布設了近地面沙塵沉降缸,對防護體系內的風沙沉降活動進行了為期1年的連續觀測,以期分析防護體系內風沙沉降速率和沉降物源的時空分布規律。2學習方法2.1鐵路沙區沙坡頭鐵路防護體系位于騰格里沙漠東南緣(37°27′N,104°59′E),地勢西北高東南低,主要的沙丘類型是格狀沙丘,常見新月形沙丘和沙丘鏈。受蒙古高壓和地形影響,該區主風向為NW和WNW,次主風向為ENE。氣候干旱,年均降水量186.2mm,主要集中在5—9月;年均蒸發量>3000mm。年均氣溫9.6℃,氣溫季節變化劇烈,7月平均氣溫24.3℃,1月平均氣溫-6.9℃。年均風速3.5m·s－１,春季大風頻繁,風沙活動活躍。鐵路防護體系由4個工程帶組成,距離鐵路由近及遠分別為礫石平臺、灌溉植被帶、草方格沙障和無灌溉植被帶、阻沙柵欄。草方格沙障和無灌溉植被帶是防護體系的主體,帶內灌木樹種主要有檸條(Caraganakorshinskii)、花棒(Hedysarumscopa-rium)、沙棗(Elaeagnaceaeangustifolia)和沙拐棗(Calligonumarborescens)。礫石平臺區域也有零星植被分布。阻沙柵欄為高1.2m、由水泥柱固定的孔隙度約30%的尼龍網。2.2沙區沉降缸的設置在防護體系內選取與主風向(NW)大致平行的風沙沉降觀測斷面(圖1)。斷面起于前沿阻沙柵欄所在沙丘的迎風坡腳,止于鐵路路基以北的礫石平臺,走向為NWSE,長約900m。其中,阻沙柵欄所在沙丘為前沿流沙區,前沿沙丘下風向至鐵路路基以北大部分為草方格和無灌溉植被區。風沙沉降缸為內徑17.5cm、高35cm的圓柱形玻璃缸。沉降缸與地面接觸式放置,地面以下深度5cm,地面以上高度為30cm。沿斷面共布設12個沉降缸,其中1~3號缸分別位于前沿沙丘迎風坡腳、丘頂和背風坡丘間地,11號缸位于灌溉林地,12號缸位于礫石平臺,其余7個沉降缸位于草方格和無灌溉植被帶內。2009年4月1日至2010年3月31日期間,采用干法按月收集風沙沉降樣品。使用S-4800冷場發射掃描電子顯微鏡(日立高新科技有限公司)拍攝沙塵沉降樣品照片,每個樣品取樣拍攝8次。使用MiVnt圖像分析系統計算樣品的粒度組成和組分含量,最終結果為8次分析結果的平均值。3結果分析3.1風沉降速率風沙沉降速率隨防護距離增大逐漸降低,這種遞減趨勢在防護體系前段尤為劇烈(圖2)。前沿流沙區風沙沉降的平均速率為108.6kg·m－２·a－１,遠大于植被帶內(0.6~9.5kg·m－２·a－１)。在距離前沿阻沙柵欄50~300m的草方格和無灌溉植被帶前段,風沙沉降的平均速率為17.1kg·m－２·a－１,其中200~300m距離區域平均沉降速率為8.4kg·m－２·a－１。300m以外的下風向區域風沙沉降速率隨防護距離增大而呈微弱的減少趨勢,平均沉降速率為1.5kg·m－２·a－１。風沙沉降速率的空間變化趨勢表明,隨防護距離增大,風沙沉降活動逐漸減弱。在前沿流沙區,巨大的風沙沉降速率反映了流沙區強烈的風沙活動,草方格和無灌溉植被區前段風沙活動強度已得到有效控制,風沙沉降速率急劇降低;防護距離>300m的區域風沙沉降量及其差異都很小,表明風沙環境相對穩定。3.2沙區的沙細及沙沉顆粒形態特征由防護體系前沿流沙區至鐵路路基,風沙沉降平均粒徑逐漸變細,分選性變差(圖2)。前沿流沙區風沙沉降物質的粒徑組成和組分含量與其下風向草方格和無灌溉植被帶、灌溉植被帶、礫石平臺的風沙沉降物質存在明顯差別。前沿流沙區風沙沉降物質顆粒較粗,分選好(標準偏差0.36Ф),細偏,常峰態。植被帶內風沙沉降物平均粒徑較細,分選普遍為中度偏好(標準偏差0.59Ф),細偏程度稍大,偏度變化范圍較小,常峰態。沉降顆粒平均粒徑沿斷面的變化趨勢說明,隨防護距離增大較粗顆粒迅速沉降,細顆粒含量相對逐漸增多。顆粒分選性逐漸變差,表明防護體系下風向區域沙塵沉降受風力的分選作用逐漸減弱。細沙是研究區風沙沉降的主體成分,平均占72.5%,尤其是在前沿流沙區,細沙含量>90.6%。粉沙是植被帶內風沙沉降的重要組分,其含量高達32.9%,遠大于前沿流沙區(3.3%)。粘粒含量普遍較低,植被帶內的風沙沉降中,粘粒含量高于前沿流沙區。沿主風向風沙沉降中的細組分(粘粒和粉沙)含量表現出增大趨勢,粗組分(細沙和中沙)逐漸減少。植被帶風沙沉降中粘粒和粉沙含量與流沙區風沙沉降的顯著差異表明這些細組分的主要來源是遠距離輸移的大氣降塵。風沙沉降由懸移顆粒(<0.1mm)和躍移顆粒(0.1~0.5mm)組成。懸移顆粒是主要組分,在植被帶內的含量顯著大于前沿流沙區(p<0.05),隨防護距離的增大而呈現先迅速增大、后逐漸穩定的變化趨勢(圖3),但也具有一定的波動性,明顯的例子是9號沉降缸懸移顆粒含量明顯低于鄰近區域,這是由于該沉降缸位于丘頂植被稀少的沙丘背風坡,沙塵沉降缸不僅接受了大氣降塵,還接受到丘頂風蝕物的沉降。懸移組分含量的斷面分布特征表明在防護距離大于200m的區域內風沙環境較穩定,但也存在一定波動性,風沙活動以懸移的大氣沉降為主,地面侵蝕和躍移搬運過程較弱,沙丘地形起伏對風沙沉降具有一定影響。個別沙丘頂部由于水分條件較差,植被過于稀疏,在大風條件下仍會產生風蝕,但風沙流的沉降距離非常有限,不足于對下風向鄰近沙丘的風沙沉降產生影響。風沙沉降顆粒的形狀隨防護距離的變化也一定程度反映了防護體系內風沙環境的變化。前沿流沙區1~3號沉降缸的風沙沉降顆粒粒徑差別較小,電鏡下可見細小碎片,顆粒形狀有橢圓形、圓形、菱形、長條形、不規則形狀等,表面多見蝶形坑、麻坑、斷口和裂紋,顆粒磨圓度較好(圖4)。這說明前沿沙壟風沙活動強烈,撞擊和摩擦作用促使顆粒破裂、剝落,從而產生細小碎片。植被帶內風沙沉降樣品中細小顆粒比例增加,顆粒形狀除上述外還存在磨圓度極差的剝離破碎狀顆粒,剝離破碎狀顆粒能保存而未在風沙活動中被撞擊和摩擦作用破壞,表明植被帶內侵蝕活動較弱。3.3沙區的沙區沉降量風沙沉降量具有明顯的月際變化(圖5)。3—5月風沙沉降集中,期間前沿流沙區和植被帶內單位面積風沙沉降總量分別為13.67kg·m－２和1.76kg·m－２,月均沉降量分別為4.56kg·m－２和0.59kg·m－２。4月沉降最強烈,前沿流沙區和植被帶內的沉降量分別占全年沉降量的52.6%和32.8%。6—8月是較弱沉降期,期間前沿流沙區和植被帶內風沙沉降總量分別為2.05kg·m－２和0.3kg·m－２,月均沉降量分別為0.68kg·m－２和0.1kg·m－２。9月至次年2月是最弱沉降期,期間前沿流沙區和植被帶內的風沙沉降總量分別為1.48kg·m－２和0.24kg·m－２,月均沉降量分別為0.25kg·m－２和0.04kg·m－２。沉降量最少的月份是12月和1月,合計僅占全年沉降量的2.6%。無論流沙區還是防護體系內,風沙沉降顆粒組成中,躍移組分含量最高的月份都是風沙沉降最活躍的3—4月,期間前沿流沙區風沙沉降中的躍移顆粒含量高達40.9%,同期植被帶風沙沉降中躍移顆粒的含量約占8.5%(圖6)。9月并不是風沙沉降的活躍期,該月的風沙沉降量分別僅占前沿流沙區和植被帶內全年總沉降量的1.2%和2.1%,但9月出現了風沙沉降中躍移顆粒含量的另一個峰值。4近地面風速影響風沙活動的兩個必要條件是風動力和物質來源,因此動力環境的變化和物源性質的差異是風沙沉降量以及沉降性質變化的根本原因。近地面風力觀測表明,沙丘地形和防護體系前沿阻沙柵欄改變了局部流場分布［３，１５］,防護體系內的草方格和植被覆蓋則顯著增大了近地面氣流阻力,不僅削弱了氣流的侵蝕能力和挾沙能力,還由于直接覆蓋地表而極大制約了就地起沙。關于阻沙柵欄的防風阻沙作用及其原理已有大量研究［１６－２０］,本文不再贅述,無論柵欄處于沙丘表面何種部位,對局部流場和風沙流的影響都是顯而易見的。值得一提的是,柵欄前后的持續積沙使得柵欄所在沙丘不斷增高、變大,并形成沿柵欄延伸、與主風向大致垂直的帶狀沙壟,這一橫亙在防護體系前沿的巨大沙壟不僅導致風沙地貌形態的明顯變異,還對下風向區域的近地面流場產生了很大影響,有效抬升了進入防護體系的氣流,降低了近地面風速,對削弱防護體系內尤其是防護體系前段的氣流侵蝕力具有重要作用。我們將這一特殊成因機制和形態特征的沙丘地貌稱為“柵欄沙壟”,其地貌學意義和對防護體系的工程影響機制有待開展更深入的研究。在“柵欄沙壟”影響減弱的較遠區域,沙丘地形是造成氣流波動的主要原因,而草方格和無灌溉人工植被是普遍增大地表粗糙程度、削弱近地面風力的關鍵因素［３］。防護體系內外近地面流場格局和風力環境不僅決定了風沙活動方式和強度,還影響到風沙沉降物質的來源和性質。隨風力的逐漸削弱,由上風向流沙區搬運來的近地面運動顆粒在進入防護體系后不斷沉降,氣流攜帶的沙物質濃度逐漸降低,因而隨防護距離的增大,風沙沉降的來源逐漸由前沿流沙區近地面風沙運動顆粒,轉變為以大氣降塵為主的懸移顆粒。風沙沉降顆粒的粒度特征證實了這一點。在防護體系前沿流沙區,風沙沉降量遠高于下風向區域,其中近地面躍移顆粒含量相對較高,顆粒較粗,磨圓度較好;防護體系以內風沙沉降急劇減少,粉沙和粘粒含量相對增加。在防護距離大于300m的區域,風沙沉降量變化小,懸移顆粒含量較高。此外,草方格和植被固定地表,沙丘表面逐漸發育結皮,地表穩定性增強,也有效控制了就地物源。沙坡頭鐵路防護體系內風沙沉降的月際變化也是風動力月際變化和物源性質改變的結果,并受到降水的影響［２１］。根據中國科學院沙坡頭沙漠試驗研究站氣象站記錄的風速資料(表1),本文的風沙沉降觀測期間內,3—5月是平均風速最高、起沙風發生頻率最大的時期,6—8月平均風速和起沙風頻率有所降低,9月至次年2月風速最小,起沙風比例最低。研究區風沙沉降強度的月際變化規律與的同期風速變化規律完全一致。觀測周期內的風速變化情況與該區多年平均風況基本相同［２２］,表明該區風沙沉降的月變化具有良好的代表性。物源方面,研究區冬春季地表干燥,防護體系內的植被覆蓋差,3—5月頻繁發生的起沙風,導致強烈的地面風沙活動和大范圍系統大風天氣條件下的沙塵天氣過程,尤其是流沙區地表風沙活動非常活躍。此期間的風沙沉降以上風向鄰近區域的風蝕起沙為主,特別是防護體系前沿地帶。6月降水逐漸增多,7、8月達到當地降水峰值,因此盡管起沙風發生頻率較高,但地表濕度增大有效削弱了風沙活動,風沙沉降迅速減弱(圖5)。肖洪浪等［１１］的觀測表明該區6—8月的大氣降塵量與3—5月的降塵量相比并沒有明顯降低,因此我們認為這一期間的風沙沉降物源中,較遠源的大氣降塵相對增加而上風向鄰近區域的風蝕起沙相對減少。9月至次年2月份地表水分狀況和植被狀況都比較差,但起沙風發生頻率低,同樣不利于地表風蝕起沙。這一期間的風沙沉降物源應以大氣降塵為主。5沙區顆粒組成沙坡頭鐵路防護體系內風沙沉降速率隨防護距離增大逐漸降低,這種遞減趨勢在防護體系前段尤為劇烈。前沿流沙區、防護距離50~300m的植被區和300m以外的植被區風沙沉降速率分別為108.6、17.1kg·m－２·a－１和1.5kg·m－２·a－１。風沙沉降顆粒平均粒徑逐漸變細,分選變差,以細沙為主的躍移組分含量逐漸減少,以粉沙和粘粒為主的懸移組分含量逐漸增大。防護體系前沿流沙區和植被帶內的風沙沉降高峰期均為3—