運(yùn)用風(fēng)蝕儀進(jìn)行風(fēng)力侵蝕特征研究的實(shí)踐

劉 敏，周 波，何有華，張曉虹，柴亞凡，侯 超

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅蘭州730020)

甘肅是一個(gè)水資源極度匱乏的省份，風(fēng)力侵蝕面積占到全省土地面積的一半以上，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活造成極大的影響，因此對(duì)風(fēng)力侵蝕特征的研究顯得尤為重要［1］。目前風(fēng)蝕測(cè)量?jī)x器還僅限于集沙儀、降塵缸、測(cè)釬等簡(jiǎn)易裝置，這些裝置的測(cè)量結(jié)果只有一個(gè)最終值，對(duì)輸沙量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化則無法描述，而且沒有自動(dòng)記錄功能。風(fēng)蝕儀是一種產(chǎn)自德國(guó)先進(jìn)的風(fēng)蝕測(cè)量系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是能夠自動(dòng)記錄測(cè)量值，還可以根據(jù)需求設(shè)定時(shí)間間隔，為描述輸沙量動(dòng)態(tài)變化，研究風(fēng)蝕特征提供了方便。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

蘭州市地處青藏高原與黃土高原的交接地帶，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性的控制，特別是新生代以來受喜馬拉雅山運(yùn)動(dòng)的影響，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，致使該地區(qū)產(chǎn)生了大幅度不均衡的升降運(yùn)動(dòng)，形成了多處斷陷盆地及河谷盆地中的多級(jí)階地，是典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)。

土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的灰鈣土，部分山體基部有巖石和第三系紅土層裸露。土壤中腐殖質(zhì)缺乏，有機(jī)質(zhì)含量低，不能形成良好的土壤結(jié)構(gòu)。一般表土呈粉粒狀，質(zhì)地疏松多孔，濕陷性強(qiáng)，含鈣質(zhì)結(jié)核。由于歷史和自然的原因，加之蘭州市特殊的地理位置，造成區(qū)域內(nèi)植被稀少，水土流失嚴(yán)重［2］。

2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法

2.1 儀器介紹

試驗(yàn)所用主要儀器有風(fēng)蝕儀、試驗(yàn)用風(fēng)機(jī)、降塵缸。

風(fēng)蝕儀(風(fēng)蝕測(cè)量系統(tǒng))由自動(dòng)沉淀物收集器、數(shù)據(jù)采集器、供電裝置3部分組合而成，主要用于監(jiān)測(cè)自然界的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和風(fēng)蝕作用，草地等植被的風(fēng)沙研究，土壤沙化、環(huán)境荒漠化監(jiān)測(cè)等方面。本系統(tǒng)應(yīng)用一種帶有自動(dòng)風(fēng)向控制的集沙系統(tǒng)，收集隨風(fēng)揚(yáng)起的風(fēng)沙，然后通過電子天平對(duì)收集到的風(fēng)沙進(jìn)行稱重，數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)記錄收集風(fēng)沙的時(shí)間和收集的風(fēng)沙量(電子天平稱重獲得)。該系統(tǒng)的集沙系統(tǒng)，能自動(dòng)記錄沉淀物侵蝕的起始時(shí)間和強(qiáng)度以及沉淀物隨時(shí)間變化的累積量，入沙口形狀是直徑為5 cm的圓形。

試驗(yàn)用風(fēng)機(jī)額定功率為1000 W，試驗(yàn)場(chǎng)地平均風(fēng)速為10 m/s。降塵缸為直徑10 cm的鋁盆，深6 cm，試驗(yàn)時(shí)放置在風(fēng)蝕儀的附近，一組設(shè)4個(gè)鋁盆。

2.2 試驗(yàn)方法

在蘭州市城關(guān)區(qū)竇家山試驗(yàn)場(chǎng)布置3組人工模擬風(fēng)蝕觀測(cè)場(chǎng)，規(guī)格均為1 m2的正方形區(qū)域，周圍平整硬化，避免對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成干擾。觀測(cè)場(chǎng)分別為擾動(dòng)后的裸露地表、10%礫石覆蓋地表、20%礫石覆蓋地表3種處理，礫石平均直徑約5 cm，呈條形和網(wǎng)格型布置，場(chǎng)地內(nèi)要求平整。

試驗(yàn)時(shí)將風(fēng)蝕儀置于場(chǎng)地下風(fēng)向，入沙口距地表10 cm［3］;1000 W固定式試驗(yàn)用風(fēng)機(jī)位于試驗(yàn)場(chǎng)地的另一端以提供風(fēng)源，場(chǎng)地內(nèi)平均風(fēng)速約為10 m/s;4個(gè)鋁盆置于風(fēng)蝕儀附近，以測(cè)量風(fēng)沙沉積量，結(jié)果求其平均值。

3 結(jié)果分析

3.1 輸沙量與輸沙率

圖1為10 m/s試驗(yàn)風(fēng)速下，裸露地表累積輸沙量隨時(shí)間的變化曲線。由圖1可以看出，測(cè)量期內(nèi)累計(jì)輸沙量最高值可達(dá)7.8 g［4］。造成這種現(xiàn)象的原因是，試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)可以侵蝕的土量是有限的，開始時(shí)，可蝕土壤充裕，輸沙量相對(duì)較大，隨著地表可蝕土量的不斷減少，累計(jì)輸沙量逐漸恒定。測(cè)量期內(nèi)，裸露地表平均輸沙率為0.35 g/min。

圖2為10 m/s風(fēng)速下，10%礫石覆蓋地表累積輸沙量變化曲線。由圖2可以看出，測(cè)量期內(nèi)累積輸沙量最高值為4.4 g，輸沙率在測(cè)量期內(nèi)基本保持恒定，約為0.18 g/min。原因可能是，地表礫石的阻隔使風(fēng)速發(fā)生變化，風(fēng)流并非直線運(yùn)行，這就對(duì)風(fēng)蝕產(chǎn)生了一定的削弱和緩沖作用，因此輸沙率比較均勻。

圖3為10 m/s風(fēng)速下，20%礫石覆蓋地表累積輸沙量變化情況。

由圖3可以看出，測(cè)量期內(nèi)累積輸沙量的增加幅度只有0.4 g，輸沙量的增加速度在逐漸減小，并最終趨于恒定［5］。20%的礫石覆蓋極大地削弱了表層風(fēng)速，減少了沙的來源，因此累積輸沙量和輸沙率都有明顯減少。測(cè)量期內(nèi)平均輸沙率只有 0.02 g/min。

比較以上3種地表處理，可得出如下結(jié)論:①3種處理累積輸沙量相差較大，裸地＞10%礫石覆蓋＞20%礫石覆蓋;②輸沙率相差懸殊，裸地＞10%礫石覆蓋＞20%礫石覆蓋;③3種地表處理輸沙率變化趨于一致，均為由大到小，最終為趨于穩(wěn)定［6］。

3.2 沉積量

測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，裸露地表沉積量為16.8 g，10%礫石覆蓋沉積量為5.9 g，20%礫石覆蓋沉積量為0.9 g。20%礫石覆蓋下沉積量是10%礫石覆蓋下的15.3%，是裸露地表沉積量的5.4%;10%礫石覆蓋下的沉積量是裸露地表的35.1%?？梢姡瑹o論是10%礫石覆蓋還是20%礫石覆蓋，沉積量較裸露地表均有明顯減小。

試驗(yàn)結(jié)果表明，礫石覆蓋措施防風(fēng)蝕的效果是明顯的，無論從輸沙量還是沉積量來看，都有明顯下降［2］。

4 結(jié)論

(1)人工模擬試驗(yàn)條件下，裸露地表的累積輸沙量為7.8 g，10% 礫石覆蓋地表為 4.4 g，20% 礫石覆蓋地表為 0.4 g，分別是前兩者的 5.1%、9.1%。

(2)從輸沙率來看，裸露地表為0.35 g/min，10%礫石覆蓋地表為0.18 g/min，20%礫石覆蓋地表為0.02 g/min;10%和20%礫石覆蓋下的輸沙率分別為裸露地表的51.4%、5.7%。

(3)從單位沉積量來看，裸露地表為16.8 g，10%礫石覆蓋沉積量為5.9 g，20%礫石覆蓋沉積量為0.9 g;10%和20%礫石覆蓋下的沉積量分別占裸露地表的35.1%、5.4%。

(4)試驗(yàn)結(jié)果表明，礫石覆蓋地表的水土保持措施在減小風(fēng)速、防止地表風(fēng)蝕、減少輸沙量等方面具有非常積極的作用［2］。由于場(chǎng)地的局限性和篇幅的限制，今后還應(yīng)該在輸沙量、沉積量與侵蝕量的關(guān)系以及試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面作進(jìn)一步研究。

［1］陳渭南，董光榮，董治寶.中國(guó)北方土壤風(fēng)蝕問題研究的進(jìn)展與趨勢(shì)［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，1994，9(5):6－12.

［2］張力輝，代全厚，劉明義.風(fēng)蝕與荒漠化防治［J］.吉林水利，2002(1):28－30.

［3］Fryrear W D，Salth A.Field wind erosion:vertical distribution［J］.Soil Science，1993，155:294 －300.

［4］王力威，石曉燕，李國(guó)忠.對(duì)風(fēng)蝕機(jī)理的分析與認(rèn)識(shí)［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，1997，3(20):90 －91.

［5］胡孟青.科爾沁沙地土壤風(fēng)蝕風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)沙漠，1991，11(1):22 －29.

［6］嚴(yán)平，董光榮，鄒學(xué)勇.土壤風(fēng)蝕容忍值(T值)研究的現(xiàn)狀與問題［J］.水土保持通報(bào)，1998，18(l):13－16.