烏蘭布和沙漠不同下墊面風沙流結構與變異特征

徐 軍，郝玉光，劉 芳，陳海玲，辛智鳴，孫 非

（中國林業科學研究院 沙漠林業實驗中心，內蒙古 磴口015200）

風沙流結構是指風沙流中的沙量在垂直高度上的分布規律，對其的研究一直是風沙研究關注的熱點之一［1－3］。風沙運動規律是治沙的理論基礎，它能直接表征沙粒的運動形式，判斷地表的蝕積狀況［4］。通過研究風沙流中沙量在垂直高度的分布及變化規律，可以進一步認識顆粒運動的啟動機制和運行特征，也可以分析風沙地貌形態的形成發育、演變發展等規律，從而采取有效措施控制和促進風沙運動［5］，因此，對風沙流結構的研究在沙漠治理的理論和實踐中占有重要的地位。近年來，許多研究者對沙漠地區和礫漠地區的風沙流結構特征進行了大量的野外觀測和風洞模擬實驗研究，闡明風沙流運動是一種貼近地表的沙粒搬運過程并初步建立了定量描述沙質地表空氣動力學特征、起動風速、輸沙量及其垂直分布規律及沙丘運移的簡單模型［6－14］。但眾多學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沙流結構研究較少，鑒于此，本文以風沙頻繁的春季為研究時段，采用集沙儀測定風蝕量的方法，研究烏蘭布和沙漠不同類型沙區0—40 c m層的風沙流結構及其變異特征。確定不同類型沙區0—40 c m氣流層內的輸沙量、相對輸沙量及其與高度的關系；分析不同類型沙區地表風蝕物粒度組成隨高度的變異規律；探討不同下墊面的風沙蝕積特征，以明確不同類型的風沙流結構，揭示其運動規律，為烏蘭布和沙漠的防沙治沙規劃及固沙措施的選擇提供理論依據和技術支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 研究地概況

試驗區位于內蒙古磴口縣境內，烏蘭布和沙漠東北邊緣，中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心第二實驗場，地理坐標為：40°28′N，106°46′E，試驗地海拔1 040～1 060 m。氣候干旱多風，年均氣溫7.8℃，年均降水102.9 mm，主要災害風向為西北風，以春季3—5月風速最大，年均風速4.1 m／s，全年風沙日數85 d。區內固定沙丘、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。風沙頻繁，地表風蝕強烈。

1.2 試驗設計

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%）沙丘上設立觀測樣地，選取大風天進行觀測，分層收集和測定不同沙地0—40 c m氣流層內的輸沙量及風沙流結構。具體方法為：輸沙量的測定采用FSL-200風沙采集系統中的立式集沙儀，風速的測定采用FSL-200風沙采集系統中的三杯風速儀，兩組平行進行。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處設立支架，將風速儀固定在支架2 m高處，測定風沙流的同時測定風速。集沙儀設置在地面上，保持進沙口斷面與風向垂直。每次集沙時間10 min，每隔1 min測定一次風速，風速數據取10次觀測數據的平均值。

1.3 數據分析

采用回歸法確定總輸沙量及各層輸沙量隨高度的變化規律，采用茲納門斯基［15］提出的風沙流結構特征表征結構數（S）。S的計算公式為：

式 中：Q0—1——氣 流 中 0—1 c m 層 的 輸 沙 量；ˉQ0—10——氣流中0—10 c m層的平均輸沙量，等于0—10 c m層內輸沙量的10%；

采用吳正［16］提出的風沙流結構特征值（λ）確定不同類型沙地的蝕積規律。λ的計算公式為：

式中：Q2—10——氣流中2—10 c m層內的輸沙量。

2 結果與分析

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速下輸沙量的變化曲線。從圖1可以看出，無論在哪種風速下，流動沙丘0—40 c m高度層內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相關關系（P＜0.05），與植株高度、土壤含水量、地表粗糙度呈負相關，但并不顯著［18］。因此，植被覆蓋可以有效防止風蝕，必須加強天然植被的封育及其管護，通過多種措施增加植被蓋度和地表覆蓋度，發揮其防風固沙作用，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到88.04%和74.42%。

圖1 0－40 c m層輸沙總量隨風速的變化

圖1 表明，無論是哪種沙丘類型，0—40 c m氣流層內輸沙量均隨風速的增加而增加，且可用指數函數來描述。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，相關系數分別為0.806 9，0.947 0，0.907 7，相關性均較強。

2.2 不同下墊面0－40 c m層相對輸沙量隨高度的動態變化

王自龍等［18］對白刺平坦礫質沙地和沙包迎風坡底部、頂部、背風坡底部風沙流結構的研究表明，輸沙率隨高度的增加而減小，并分別遵循負指數函數和負冪函數關系。張華等［19］的研究表明，輸沙量隨高度的增加呈負指數函數關系［16］。

在同一風速條件下，無論是哪種類型的沙丘，0—40 c m氣流層內的相對輸沙量隨高度的增加均呈現出遞減趨勢，且可用負冪函數關系來描述。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，其相關系數分別為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律

不同下墊面0—40 c m氣流層內粒度組成隨高度的動態變化如表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，同樣極細顆粒（粒徑0.1～0.05 mm）和粉、黏粒（＜0.05 mm）的含量也很低。而細沙粒（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，中沙粒基本呈遞減趨勢，減小幅度因下墊面的不同而異。細沙粒呈現遞增趨勢，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送到較高的高度層。

表1 0－40 c m內輸沙量的粒度組成隨高度的動態變化

2.4 不同下墊面的蝕積特征

地表沙物質的起動、搬運和堆積過程受到下墊面性質的強烈影響，要定量確定某一下墊面的風蝕與堆積發生態勢非常困難。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層風沙流結構特征數（S）和特征值（λ）的估算，可以大體判斷出下墊面是以風蝕還是搬運過程為主。茲納門斯基［15］的研究表明，對于沙質地來說，以3.8為蝕積臨界值。當S值大于3.8時可認為是以堆積過程為主，反之則以風蝕過程為主。吳正［16］的研究結果表明，當λ＞1時（非飽和風沙流），地表出現風蝕或搬運，不產生堆積，稱非堆積搬運。當λ＜1時（過飽和風沙流），地表產生堆積現象，當λ＝1時（飽和風沙流），地表無風蝕、無堆積，稱非蝕積搬運。

由表2可以看出，三種不同下墊面的風沙流結構特征數S值均小于3.8，而特征值λ均大于1，這表明3種下墊面均處于風蝕或搬運狀態。

表2 不同下墊面0－10 c m層風沙流結構特征指標值

3 結論

對烏蘭布和沙漠不同下墊面風沙流結構的分析表明，下墊面類型對風沙流的結構影響很大。

（1）研究表明，0—40 c m總輸沙量隨風速的增加而增加，并遵循指數關系式，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冪函數關系，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，隨高度的增加，輸沙量的粒度組成表現為中沙粒基本呈遞減趨勢，減小的幅度因下墊面的不同而異，細沙粒呈遞增趨勢。

（4）三種不同下墊面近地表0—10 c m層風沙流結構特征數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蝕或搬運狀態。

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