古爾班通古特沙漠腹地半固定沙壟表面風沙運動規(guī)律研究

20世紀40年代，以來，以來，以來，根據(jù)knald建立了沙物理的基礎，沙著性運動受到了人們的關注，并取得了良好的研究成果[3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13]。由于風力作用使沙粒脫離地表進入氣流中而被搬運,從而產生風沙流。風沙流是風沙物理的核心內容,也是風沙地貌、沙漠化及防沙工程的基礎理論之一。風沙運動體系的基本要素包括風、沙源、風沙流、下墊面和地表形態(tài),這些基本要素相互作用構成了風沙運動發(fā)展變化的總體。隨著認識的不斷深入,越來越多的研究者意識到,獲取各種風成地表的風沙流參數(shù)特征,建立風沙流變化與蝕積地貌間的關系,是風沙流研究可望取得突破進展的重要方向,并特別指出這一研究在國內有很大的地域優(yōu)勢。古爾班通古特沙漠是我國最大的固定、半固定沙漠,自然沙壟壟間及兩坡植被和生物結皮覆蓋良好,地表呈固定狀態(tài);兩坡上部和壟頂部基本裸露,在起沙風的作用下會產生風沙運動,形成普遍稱謂的壟頂“流動帶”。因而,該區(qū)域的風沙運動從根本上有別于流動沙丘和各類平坦地表。近年來,隨著古爾班通古特沙漠油氣資源勘探開發(fā)力度不斷加大,縱橫沙漠的公路及重大工程相繼投入建設,所導致的環(huán)境變化和風沙危害已逐漸引起人們的關注。然而,該區(qū)域系統(tǒng)的野外風沙運動規(guī)律研究尚顯薄弱,特別是對壟頂流動帶的認識極為有限。鑒于此,本研究以古爾班通古特沙漠腹地典型沙壟為研究對象,對地表氣流變化、輸沙率、風沙流結構、沙面活動強度等進行系統(tǒng)觀測,探討半固定沙壟表面風沙運動規(guī)律,以期為特殊環(huán)境條件下人類合理利用沙漠及科學防沙治沙提供理論依據(jù)。1研究領域的總結和研究方法1.1古爾班通古特沙漠地區(qū)古爾班通古特沙漠位于準噶爾盆地,位于84°03′~90°00′E和44°11′~46°21′N之間。受封閉性地形和大氣環(huán)流的影響,形成了典型的溫帶大陸性荒漠氣候。該沙漠以固定、半固定沙壟為主,占總面積的50%~80%。沙壟壟間和兩坡中下部普遍存在小半灌木、短命植物和生物結皮,地表呈固定狀態(tài);沙壟中上部分布有梭梭和沙拐棗等灌木,地表呈半固定狀態(tài);壟頂大部分裸露,形成10~40m寬度不等的流動帶。該沙漠植物種類相對豐富,生活型多樣,特別是短命植物和生物結皮的存在對地表穩(wěn)定意義巨大。研究區(qū)位于古爾班通古特沙漠腹地(圖1),根據(jù)2002-2006年的氣象資料分析,全年4~7月為起沙風高頻期(圖2),其中以NE風最多,約占全年總起沙風次數(shù)的17%,其次為NNE和SE風,依次占到總起沙風次數(shù)的9.8%和10.5%。包括W、WNW、NW和NNW在內的西北風,可占總起沙風次數(shù)的25.5%。全年總輸沙勢(DP)為66.7VU,合成輸沙勢(RDP)為25.7VU,合成輸沙方向(RDD)為南偏西17°,起沙風方向變率指數(shù)為0.56,依據(jù)Freberger的判別標準,屬于低風能環(huán)境。與古爾班通古特沙漠南部相比,沙漠腹地的輸沙風能增加了2倍之多(南部DP為21.92VU)。1.2沙面活動參數(shù)和輸沙量測量野外觀測時間為2008年4~5月,觀測沙壟具體位于44.88°N,87.83°E。沙壟高23m,寬180m,沙壟走向為北偏東5°,斷面形態(tài)及覆被狀況在研究區(qū)具典型性。選擇垂直于沙壟脊線的斷面,將DETI可移動測風系統(tǒng)的7個子系統(tǒng)風桿分別布設于沙壟西坡坡腳、西坡中下部、西坡中上部、壟頂部、東坡中上部、東坡中下部和東坡坡腳7個典型部位。每個子系統(tǒng)的風速傳感器高度依次為20,40,60,100和200cm,風向傳感器高度為200cm。7個部位的風速和風向數(shù)據(jù)同步采集,時間間隔為1min。沙面蝕積變化采用地形測量和插釬法進行,將34根80cm長的鐵釬布置于觀測斷面上,沙壟中上部和壟頂相對密集,中下部和壟間低地較為稀疏,每場起沙風結束后測量鐵釬外露高度并計算蝕積量,用Gile方法計算相應時段的總體沙面活動值(用日均沙面變化量反映,單位:mm/d),以確定不同部位的沙面活動強度。將多向集沙儀分別布設于壟頂、兩坡中部和壟間低地進行多向輸沙觀測,集沙儀地上部分為為圓柱狀集沙筒(直徑10cm,高50cm),由16個方向的集沙口組成,每個楔形進沙口大小為2cm×2cm,通過導管與地下部分的沙物質收集器相接(圖3a);大風天氣后收集積沙盒中的沙物質并以0.01g感量電子天平稱重。輸沙率和風沙流結構采用階梯式分層積沙儀進行觀測,觀測部位集中在沙壟頂部。積沙儀地上部分高20cm,入口大小為2cm×2cm,共10層(圖3b)。當壟頂持續(xù)起沙時打開蓋口進行觀測,觀測時將積沙口與風向正對,積沙時間為5~10min,風速風向數(shù)據(jù)由測風系統(tǒng)同步記錄。根據(jù)壟頂2m高風速和風向數(shù)據(jù),利用Freberger方法計算輸沙勢,以分析壟頂輸沙風能與實測輸沙量的關系。首先確定壟頂2m高的臨界起動風速(通過多次實地觀測確定為5.0m/s),以1min為單位統(tǒng)計起沙風天氣過程中16個風向所有的輸沙風能,計算公式為:DP=V2(V-Vt)t,式中:DP為輸沙勢,V為所有起沙風速值,Vt為臨界起動風速(5.0m/s),t為起沙風作用時間,輸沙量為與大風同期的壟頂實測多向集沙數(shù)據(jù)。2研究結果2.1從背風坡入射,氣流速度隨高度變化的變化觀測結果表明氣流由迎風坡腳至壟頂逐漸增大,在壟頂達到最大,至背風坡中上部劇烈降低,此后又逐漸恢復(圖4),這與Lancaster、Tsoar和Livingstone等人的研究結果一致。氣流在沙壟迎風坡的加速和背風坡的減速作用受風向的影響甚大,當入射角小于35°時,迎風坡氣流變化比較復雜,在背風坡的減速幅度也較小。可以認為氣流小角度入射時,風大體順著沙壟走向吹刮,氣流速度變化主要受控于沿程地表植被狀況,而以爬坡所致的的流速增大作用相對較弱。隨著入射角的增大,地形對氣流的壓縮聚合作用相對加強,風速的變化幅度逐漸增強。以壟頂風速7~8m/s為例,當入射角從5°變化到85°時,壟頂風速放大率由1.0變到2.3,背風坡上部風速占壟頂風速的比率則由0.8降到0.2。進一步的分析結果顯示,壟頂風速放大率隨入射角的增大呈指數(shù)關系遞增(Y=0.7993e0.0136X,R2=0.9335),而背風坡風速占壟頂風速的比率則隨入射角的增大呈線性關系遞減(Y=-0.0084X+0.8347,R2=0.9241),可見入射角大小控制著沙壟表面風速變化的幅度。若以中角度入射(45°)的平均風速放大率1.7來進行推算,那么在壟底風速大于2.9m/s時,壟頂風速即可大于5m/s而產生風沙活動。2.2壟頂沙面活動特征在4~5月兩個月觀測期內,7~29號鐵釬所在部位有蝕積變化(圖5a),寬度約70m,其中15~22號鐵釬所在的壟頂部變化最大。15號和21號鐵釬所在部位蝕積量最大,總體沙面活動值分別為5.1mm/d和4.4mm/d,而流動帶中部的18和19號鐵釬相對較小,分別為0.9mm/d和1.6mm/d。觀測期內壟頂沙面蝕積深度變化在0.1~15cm之間,觀測到一次性最大風蝕深度為5.9cm,最大風積厚度13.4cm。與古爾班通古特沙漠南部相比,4月和5月壟頂部總體沙面活動值增加了近10倍,一次性最大風蝕和風積深度分別增加了10mm和49mm。壟間低地和兩坡中下部沒有觀測到沙面變化,這與植被和生物結皮覆蓋良好密切相關;隨著風速的增大,氣流在迎風坡中上部開始攜沙,但由于地表仍有少許植被和藻結皮覆蓋,沙源不足而使風沙流處于不飽和狀態(tài);隨著地形對氣流的壓縮聚合作用趨于最大化以及植被和結皮的消失,開始在壟頂迎風坡一側大量輸沙,同時造成地表風蝕;攜沙氣流躍過壟頂中部至背風坡一側,受回旋渦流和植被的影響,沙物質大量沉積于此形成風積。起沙風由沙壟兩側交替入射時,不斷將壟頂流動帶內的沙物質從一側搬運到另一側,因而靠近壟頂兩側的沙面活動最劇烈,壟頂中部作為過沙床面,加之表面平坦沒有植被的阻滯作用,蝕積量低于壟頂兩側。總體來看,20m左右寬度的壟頂部是半固定沙壟表面風沙活動的關鍵部位,地表覆蓋條件和氣流性質共同塑造了其獨特的風沙運動規(guī)律。2.3地表輸沙分布通過4組觀測數(shù)據(jù)反映沙壟頂部輸沙率和風沙流結構特征。觀測時對應2m高10min平均風速值依次為6(E風)、8(E風)、12(NW風)和14m/s(NW風)。不同風速條件下,輸沙率的垂線分布均符合指數(shù)分布規(guī)律,擬合關系良好(R2>0.96)(圖6)。四組觀測數(shù)據(jù)中,距地表2cm高度的輸沙率在0.70~3.57g·cm-2·min-1之間,18~20cm的輸沙率在0.01~0.16g·cm-2·min-1之間,二者相差一個數(shù)量級。地表輸沙主要分布在6cm以下高度范圍,2cm高的輸沙量約占總輸沙量的30%~40%。四種風速條件下,6cm以下輸沙量分別占總輸沙量的86%、67%、80%和76%;10cm以下的輸沙量分別占輸沙總量的97%、83%、94%和89%。輸沙總量隨風速增大而增大,0~6cm高度的輸沙量占輸沙總量的百分比逐漸減小,6~20cm的百分比逐漸升高,可見隨著風速的增大,輸沙高度也在上移(表1)。2.4積沙對應關系在多向積沙儀對應的4個沙壟部位中,僅在壟頂部觀測到積沙現(xiàn)象,說明氣流在壟底部和兩坡中部均處于凈風狀態(tài)。在壟頂觀測到輸沙風能與實測輸沙方向基本一致,輸沙勢和積沙量的最大值均在WNW方向,壟頂輸沙勢與實測多向積沙對應關系良好(圖7)。多向積沙儀在WSW、NNW、N和NNE四個方向也有少量積沙,這主要是由于集沙儀的地上部分影響了攜沙氣流的運動路線,運行沙粒被渦流帶入了其兩側的進沙口所致。計算得到觀測期內壟頂各方向的輸沙勢之和為4.97VU,實測輸沙量之和為9779.73g,即1VU的輸沙勢約產生2kg的積沙。若不考慮渦流的影響,全部積沙由W、WNW、NW和NNW四個方向的進沙口收集,則過沙橫截面寬度為8cm,那么1VU的輸沙風能在1m的寬度上可產生25kg的輸沙。如果具備研究區(qū)更為詳細的氣象資料,即可建立單個沙壟實際輸沙量與風速、風向的定量關系,這將對該沙漠防沙治沙工作具有重要的現(xiàn)實意義。3沙壟頂部輸沙率及分布(1)古爾班通古特沙漠腹地沙壟兩坡和壟間低地植被及生物結皮覆蓋良好,風沙活動主要集中在約20m寬的壟頂部。風速在迎風坡逐漸增大,至壟頂達到最大,在背風坡中上部劇烈降低,此后又逐漸恢復。氣流在迎風坡的加速和背風坡的減速幅度隨入射角的增大而增大。風速放大率的存在,大大增加了沙壟頂部的輸沙率和活動性,特別是在大角度入射的風力作用下,這種效果就更為顯著。(2)受下墊面的影響,氣流在沙壟中下部未能實現(xiàn)攜沙,至壟頂迎風側開始搬運沙粒,躍過壟頂后受回旋渦流和植被的共同影響而發(fā)生沉積,大部分沙物質被約束在壟頂流動帶以內。起沙風由沙壟兩側交替入射,不斷將沙物質從一側搬運到另一側,因而流動帶兩側沙面活動最劇烈,流動帶