吳汪洋，張登山，2，田麗慧，趙 超，賈飛飛

（1．北京師范大學(xué) 環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875；2．青海省農(nóng)林科學(xué)院，西寧810016）

在中性氣層中，近地層氣流運(yùn)動(dòng)速度隨高度增加呈現(xiàn)對數(shù)遞增的變化規(guī)律，這種風(fēng)速沿高程的分布在風(fēng)沙科學(xué)中稱為風(fēng)速廓線，是研究風(fēng)沙地貌，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)與危害的重要理論基礎(chǔ)和有效途徑［1－2］。20世紀(jì)30年代，Bagnold［3］率先提出此觀點(diǎn)并開始應(yīng)用于沙漠地區(qū)的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)研究，隨著室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬等技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，Owen等［4］分別對Bagnold提出的風(fēng)速廓線公式進(jìn)行了卡曼常數(shù)的修改和起沙風(fēng)條件下風(fēng)速廓線的變化研究，但總體上均認(rèn)可風(fēng)速廓線的對數(shù)分布規(guī)律［3－4］。但理想的風(fēng)速廓線是在定床實(shí)驗(yàn)中獲取的，在野外實(shí)地動(dòng)床條件以及復(fù)雜的地表狀況條件下，風(fēng)速的垂向變化具有不完全對數(shù)規(guī)律，尤其是風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)中風(fēng)速廓線的變異［5－6］。對于植被覆蓋的沙地地區(qū)，氣流受植被的影響被迫抬升，風(fēng)速廓線會(huì)相應(yīng)地發(fā)生位移，而其位移高度與植被高度具有一定的對數(shù)關(guān)系［7－8］。地形也是影響野外風(fēng)速廓線變化的重要因子，李振山［9］、哈斯等［10］從模擬到實(shí)地觀測對沙丘不同部位的風(fēng)況進(jìn)行對比研究，從坡長、坡度、坡高等地形差異分析風(fēng)速廓線中風(fēng)速放大率與垂向增加率的變化。另外，沙丘表面沙粒粒徑的大小也是影響空氣粗糙度的重要因素。不同類型沙丘地表粗糙度意味著不同的氣流垂線變化，從而影響氣流速度在高度上的梯度及其分布范圍［11－12］。眾多學(xué)者已經(jīng)對新月形沙丘和金字塔形沙丘表面不同部位的風(fēng)速廓線特征展開了研究，均反映氣流沿迎風(fēng)坡至丘頂，風(fēng)速不斷增加，而背風(fēng)坡部位的風(fēng)速廓線的對數(shù)變化規(guī)律表現(xiàn)不明顯，從而影響了各類形態(tài)沙丘的形成與擴(kuò)展［13－15］。在很多沙障試驗(yàn)中，風(fēng)速廓線的變異已成為治沙防風(fēng)效益的重要手段，通過改變下墊面的性質(zhì)影響氣流的運(yùn)動(dòng)方向和能量在高度上的傳輸，進(jìn)而防止土壤表面遭受侵蝕［16－18］。對于沙區(qū)人工治理沙丘的氣流場特征目前還缺乏足夠的研究，植被、地形等因子對風(fēng)速廓線的影響有待野外實(shí)證。

青海湖是我國最大的內(nèi)陸咸水湖，地處青藏高原東北部。盆地構(gòu)造與湖泊效應(yīng)，加之高寒氣候，使該區(qū)的風(fēng)況環(huán)境具有風(fēng)向多樣、風(fēng)速強(qiáng)、風(fēng)季長的特點(diǎn)，這對環(huán)湖沙漠化的勢態(tài)，沙丘形態(tài)和人工防治均產(chǎn)生了重大影響。近年來，通過機(jī)械、生物措施等的綜合治理，湖濱一帶眾多流動(dòng)沙丘逐漸演變?yōu)槿斯ぶ卫砉潭ɑ虬牍潭ㄉ城?，但其風(fēng)速廓線的變化和防風(fēng)效益還沒有進(jìn)行系統(tǒng)的對比研究。故本文對青海湖沙地人工治理沙丘不同部位的風(fēng)速廓線特征與變化進(jìn)行初步研究，對比流動(dòng)沙丘的風(fēng)速廓線特征，參照風(fēng)沙監(jiān)測數(shù)據(jù)，探討植被、地形等因子對人工治理沙丘的垂向氣流變化特征和防風(fēng)固沙效益的影響，從而為高寒沙區(qū)流沙治理工作提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選在青海湖湖東克土沙區(qū)，面積約為753 km2，是青海湖流域面積最大的沙漠化地區(qū)之一。自2008年開展治理以來，已基本形成以麥草沙障為基礎(chǔ)，結(jié)合多種高寒生物植被，進(jìn)行沙區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的機(jī)械與生物措施相結(jié)合的治沙方法，大面積的半固定和流動(dòng)沙丘得以穩(wěn)固。其中觀測的人工治理沙丘為2008年春季栽植的沙棘實(shí)生苗，秋季鋪設(shè)1．5m×1．5m麥草方格沙障，由于初期風(fēng)蝕嚴(yán)重，于2010年9月在該沙丘補(bǔ)設(shè)相同規(guī)格的草方格沙障。2012年春季植被調(diào)查中，沙棘株高0．5～1．0m，長勢良好。根據(jù)近4a的調(diào)查，沙棘已經(jīng)逐步適應(yīng)本區(qū)環(huán)境，在該區(qū)生物治沙中得到了廣泛應(yīng)用。

2 研究方法

2．1 觀測點(diǎn)布設(shè)

在克土沙區(qū)選取人工治理沙棘沙丘和流動(dòng)沙丘作為觀測樣帶，丘頂海拔均為3 188～3 191m，沙丘高度均在8～10m，沙丘迎風(fēng)坡為西北向。以樣帶西側(cè)某一沙丘的平坦丘頂為基準(zhǔn)點(diǎn)，以樣帶上兩個(gè)沙丘的迎風(fēng)坡腳、迎風(fēng)坡中、丘頂、背風(fēng)坡中、背風(fēng)坡腳和背風(fēng)坡丘間地6個(gè)沙丘部位為流動(dòng)點(diǎn)，各觀測點(diǎn)分布于同一東西走向，相同部位風(fēng)況環(huán)境相近。

2．2 數(shù)據(jù)采集

本文主要采用2012年春季風(fēng)沙觀測數(shù)據(jù)，通過梯度風(fēng)速儀采集各沙丘各部位9個(gè)高度層（0．1，0．2，0．5，1．0，1．5，2．0，2．5，3．5，4．5m）的風(fēng)速數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)點(diǎn)與流動(dòng)點(diǎn)同步觀測，數(shù)據(jù)采集器的抽樣頻率為1次／min，測風(fēng)時(shí)段為4月11日14：50—17：10、4月20日10：00—17：00和4月24日10：20—20：00。另輔以人工治理沙棘半固定沙丘（簡稱人工治理沙丘）和流動(dòng)沙丘的集沙數(shù)據(jù)（采用平口式積沙儀，與風(fēng)速觀測同步進(jìn)行），收集各風(fēng)沙觀測點(diǎn)的植被蓋度，地形坡度等數(shù)據(jù)用以分析人工治理沙丘的風(fēng)沙防護(hù)效益和影響氣流場的變異因素。

2．3 分析方法

統(tǒng)計(jì)基站點(diǎn)與流動(dòng)點(diǎn)每10min的平均風(fēng)速值，采用標(biāo)準(zhǔn)化公式：

式中：U（t，z）——某一高度t時(shí)段的風(fēng)速值；U對照（t0，z＝2）——基站t0時(shí)刻2m 高度的風(fēng)速值；U對照（t，z＝2）——基站點(diǎn)任一時(shí)刻2m高度的風(fēng)速值；U′（z）——任意測點(diǎn)在高度z上的標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)速。

對不同觀測點(diǎn)不同時(shí)間的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其風(fēng)速在同一時(shí)段進(jìn)行比較。以標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)速為橫軸，以高程對數(shù)為縱軸繪制風(fēng)速廓線圖，通過曲線擬合的擬合系數(shù)R2分析不同類型沙丘不同部位的風(fēng)速廓線特征。另外計(jì)算粗糙度z0，風(fēng)速增加率R和防風(fēng)效益F等指標(biāo)分析人工治理沙丘與流動(dòng)沙丘的氣流場特征，其中

式中：u2、u1——z2和z1高度下的風(fēng)速值。

式中：H——z2與z1的高度差；U2，U1——z2，z1高度的風(fēng)速值。

式中：U0——流動(dòng)沙丘不同部位的的平均風(fēng)速；U——人工治理沙丘對應(yīng)部位觀測點(diǎn)的平均風(fēng)速。

3 結(jié)果與分析

3．1 不同部位的風(fēng)速變化特征

3．1．1 風(fēng)速廓線特征 在理想條件下，風(fēng)速（u）與高度的對數(shù)值［lg（z）］成正比，即以高程對數(shù)為縱軸的風(fēng)速廓線為一條單調(diào)遞增的直線。根據(jù)圖1和圖2的結(jié)果分析，人工治理沙丘和流動(dòng)沙丘各部位主要表現(xiàn)出比較顯著的線性或?qū)?shù)函數(shù)的擬合規(guī)律。其中人工治理沙丘除背風(fēng)坡腳外，其余部位的線性擬合系數(shù)均在95%左右，與對數(shù)函數(shù)擬合相比，迎風(fēng)坡中與丘頂部位風(fēng)速廓線的線性擬合系數(shù)最高，但迎風(fēng)坡腳和背風(fēng)坡部位的風(fēng)速廓線表現(xiàn)出對數(shù)擬合性強(qiáng)于線性擬合性，這反映出人工治理沙丘整體上遵循較好的風(fēng)隨高度的對數(shù)變化規(guī)律，但在局部上也體現(xiàn)出人工治理對風(fēng)速廓線變化的推導(dǎo)作用。流動(dòng)沙丘除丘間地之外，其余各部位風(fēng)速廓線的線性擬合均接近95%，高于對數(shù)擬合，符合流動(dòng)沙丘各部位顯著的線性變化規(guī)律；而丘間地由于植被高度相對較高，加之背風(fēng)坡低層渦流的存在，風(fēng)速廓線已無顯著的函數(shù)擬合關(guān)系。

圖1 人工治理沙丘與流動(dòng)沙丘不同部位的風(fēng)速廓線

圖2 不同沙丘部位風(fēng)速廓線的線性與對數(shù)函數(shù)擬合

從同一類型沙丘不同部位的風(fēng)速變化特征分析，人工治理沙丘與流動(dòng)沙丘在各高度上的風(fēng)速值表現(xiàn)為丘頂＞迎風(fēng)坡＞背風(fēng)坡＞丘間地的規(guī)律，然而，人工治理沙丘存在部分差異，1m高度以下迎風(fēng)坡中的風(fēng)速大于丘頂，背風(fēng)坡丘間地大于背風(fēng)坡腳；流動(dòng)沙丘丘頂風(fēng)速在2m以上氣層中小于迎風(fēng)坡腳，且迎風(fēng)坡中的風(fēng)速始終小于迎風(fēng)坡腳。從不同類型沙丘同一部位角度分析，迎風(fēng)坡腳、丘頂、背風(fēng)坡中和背風(fēng)坡腳4處沙丘部位在某一高度層上存在人工治理沙丘風(fēng)速超越流動(dòng)沙丘的現(xiàn)象，這一超越高度值可以通過計(jì)算兩個(gè)沙丘的最優(yōu)擬合函數(shù)曲線的交點(diǎn)在風(fēng)速相等情況下求得。據(jù)觀測（圖2），迎風(fēng)坡腳、丘頂、背風(fēng)坡中和背風(fēng)坡腳的人工治理沙丘風(fēng)速超越流動(dòng)沙丘的高度分別在5．5，1，0．5，1．5m 左右。超越高度值的大小反映人工治理措施減弱地表風(fēng)蝕的程度，兩者呈負(fù)相關(guān)。迎風(fēng)坡中和背風(fēng)坡丘間地出現(xiàn)人工治理沙丘低層風(fēng)速高于流動(dòng)沙丘的現(xiàn)象，這種異常分別源自人工治理沙丘迎風(fēng)坡中的海拔高度較同部位的流動(dòng)沙丘偏高1．5m左右，流動(dòng)沙丘背風(fēng)坡丘間地存在較強(qiáng)的二次流作用。

3．1．2 風(fēng)速增加率 風(fēng)速增加率是反映風(fēng)速廓線變化特征與氣流能量垂向分配的重要指標(biāo)，風(fēng)速隨高度增加逐漸增大，但其增速不斷減小。通過統(tǒng)計(jì)沙丘各部位3個(gè)高度層（低層：0～1．0m，中層1．0～2．5m，高層2．5～4．5m）的風(fēng)速增加率（表1）可知，人工治理沙丘低層、中層、高層的增速范圍分別為0．5%～2．0%，0．05%～0．5%，0．002%～0．15%；可見人工治理沙丘低層風(fēng)速增加率大于中高層，且達(dá)到中層的6～12倍，高層的20～200倍。從沙丘部位差異來看，迎風(fēng)坡中和背風(fēng)坡腳的低層風(fēng)速增加率較小，丘頂與背風(fēng)坡中的風(fēng)速增加率較大，中高層則表現(xiàn)為背風(fēng)坡各部位的風(fēng)速增加率最大，迎風(fēng)坡至丘頂，低層風(fēng)速增加率是高層風(fēng)速的200多倍而背風(fēng)坡與丘間地，只有10～40倍。由此得知，人工治理沙丘迎風(fēng)坡部位風(fēng)速在垂直高度上的變化大于背風(fēng)坡，這是迎風(fēng)坡風(fēng)速大于背風(fēng)坡，以及氣流沿迎風(fēng)坡低層爬升的增速大于背風(fēng)坡氣流低層降速的體現(xiàn)。流動(dòng)沙丘的風(fēng)速增加率在高度上的變化也是低層＞中層＞高層，增幅范圍分別為0．5%～1．2%，0．05%～0．1%，0．006%～0．2%；在部位差異上，迎風(fēng)坡低層增速大于背風(fēng)坡，中高層則出現(xiàn)丘頂風(fēng)速增幅最低。與人工治理沙丘相比，流動(dòng)沙丘各高度層的增速均低于人工治理沙丘，這與線性擬合的斜率值變化相符合，而在部位上，人工治理沙丘迎風(fēng)坡中部位的風(fēng)速增加率低于流動(dòng)沙丘，各高度層背風(fēng)坡部位風(fēng)速增加率大于丘頂，流動(dòng)沙丘則是迎風(fēng)坡部位大于背風(fēng)坡部位。

表1 人工治理沙丘與流動(dòng)沙丘不同部位的垂向風(fēng)速增加率 %

3．1．3 粗糙度 粗糙度是反映下墊面對氣流產(chǎn)生的作用大小的指標(biāo)，它能改變垂向流速梯度和各流速的梯度范圍，通常代表風(fēng)速為零的某一幾何高度。根據(jù)觀測點(diǎn)半對數(shù)高程圖中風(fēng)速廓線較為顯著的線性擬合規(guī)律，可以通過2m和0．1m高度層的風(fēng)速關(guān)系計(jì)算近地面粗糙度，對于植被蓋度較大的觀測點(diǎn)則根據(jù)地表粗糙度為表土平均粒徑的1／9求得（表2）。人工治理沙丘除迎風(fēng)坡中外，其余部位地面粗糙度均高于流動(dòng)沙丘，這揭示了迎風(fēng)坡中近地面風(fēng)速值大于流動(dòng)沙丘的異常原因。人工治理沙丘能有效提高零風(fēng)速高度，與流動(dòng)沙丘相比，丘頂和背風(fēng)坡部位粗糙度提高了2～4倍，反映人工治理措施對地表粗糙度的改造效果。

表2 不同沙丘類型不同部位粗糙度比較 cm

3．2 人工治理沙丘的防風(fēng)固沙效益

人工治理沙丘丘頂經(jīng)過治理保護(hù)后，地表植被與機(jī)械沙障對高寒地區(qū)的地表風(fēng)蝕起到了有效防護(hù)作用。根據(jù)圖3，迎風(fēng)坡腳在垂向上整體防風(fēng)效果最好，背風(fēng)坡部位近地層防風(fēng)效益最大，除迎風(fēng)坡中部位的防風(fēng)效益集中于2m以上氣層外，其余部位近地層的防風(fēng)效果明顯，1m以下氣層中，迎風(fēng)坡腳和背風(fēng)坡部位防風(fēng)效益達(dá)到25%～38%，且具有背風(fēng)坡腳＞背風(fēng)坡中＞丘頂＞迎風(fēng)坡腳＞丘間地的規(guī)律。丘頂部位其0．2m以下地表風(fēng)速降低41．5%，1m以下防風(fēng)效益達(dá)到22．3%；但在氣流1．5m以上的氣流層，由于風(fēng)速高于流動(dòng)沙丘，其防風(fēng)效益為－9．5%?？梢姡斯ぶ卫砩城鸾孛娣里L(fēng)效益明顯，氣流隨著高度增加風(fēng)速增加率大于同高度的流動(dòng)沙丘，致使人工治理沙丘隨高度增加防風(fēng)效果愈不明顯。

圖3 人工治理沙丘不同部位防風(fēng)效益隨高度的分布變化

人工治理沙丘風(fēng)速廓線的變化致使風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變異，實(shí)驗(yàn)得出，人工治理沙丘各部位起沙風(fēng)通常大于7m／s，2012年積沙結(jié)果顯示，人工治理沙丘僅丘頂存在積沙現(xiàn)象。與流動(dòng)沙丘相比，丘頂在8～10m／s的風(fēng)速條件下的輸沙量明顯降低，固沙效益達(dá)到86．9%～94．5%。在風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)上，人工治理沙丘近地層輸沙量明顯低于其它類型沙丘，但在60 cm高度層上分布相對均勻（圖4）。在8．5m／s風(fēng)速條件下，人工治理沙丘60cm高度層上總輸沙量為11．91g，在0—2，2—10，10—60cm高度層上輸沙量分別為4．39，0．54，6．98g，所占總輸沙量百分比依次為：36．86%、4．54%、58．60%；流動(dòng)沙丘總輸沙量為61．02g，各高度層的分布與所占百分比分別為：12．22g，20．03%；38．89g，63．73%；9．91g，16．24%。人工治理沙丘在總輸沙量以及0—10cm高度層內(nèi)輸沙量均小于流動(dòng)沙丘，其沙粒主要分布在10cm以上的氣層，這與人工治理沙丘丘頂風(fēng)速廓線特征與風(fēng)速增加率的變化規(guī)律相符。

3．3 垂向氣流場變化的影響因素

植被蓋度、植株高度、地形坡度與高度以及表土沙粒粒徑均是影響人工治理沙丘風(fēng)速廓線與風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變異的因素。對觀測點(diǎn)植被與地形條件的調(diào)查（表3）表明，對比流動(dòng)沙丘，人工治理沙丘丘頂部位蓋度增加93．7%，近地層風(fēng)速降低15．4%；背風(fēng)坡腳蓋度增加25．4%，風(fēng)速增加效益最大，達(dá)到27．2%；迎風(fēng)坡中和丘間地蓋度均小于流動(dòng)沙丘，其風(fēng)速值也對應(yīng)偏小。地形坡度的大小是氣流爬升過程中能量轉(zhuǎn)移的重要?jiǎng)恿l件，人工治理沙丘各部位坡度均小于流動(dòng)沙丘，其中流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡中、背風(fēng)坡中與丘間地部位坡度差異較大，嚴(yán)重影響了近地表的風(fēng)速和垂向上的風(fēng)速增加率。另外，沙棘的植株高度影響人工治理沙丘不同部位的低層防風(fēng)效益，整體上，丘間地沙棘平均高度較小，低層防護(hù)效果不如其它部位。兩個(gè)沙丘沙粒粒徑的差異主要表現(xiàn)在迎風(fēng)坡腳和丘間地部位，人工治理沙丘平均粒徑較小，反映了沙棘植被的土壤改良效果，促進(jìn)表土結(jié)皮，減少風(fēng)蝕。以上因素共同影響著地表粗糙度，從而影響風(fēng)速的垂向分布與變化，各因子的影響程度以及綜合影響過程值得進(jìn)一步探討。但整體上植被蓋度與地形坡度的差異，是改變風(fēng)速廓線和防風(fēng)效益的核心因子。

圖4 不同類型沙丘丘頂輸沙量隨高度分布的累積百分比

表3 影響人工治理沙丘與流動(dòng)沙丘風(fēng)速變化的自然地理因子

4 結(jié)論與討論

（1）人工治理沙丘各部位的風(fēng)速廓線整體上表現(xiàn)出風(fēng)速隨高度呈對數(shù)變化的規(guī)律，但近地表風(fēng)速的增長規(guī)律受到破壞。迎風(fēng)坡中與丘頂，風(fēng)速與高度呈較好的線性關(guān)系，而其余部位遵循較好的對數(shù)規(guī)律。由于近地表植被和麥草沙障對地表氣流的阻滯作用，氣流的風(fēng)速增加率出現(xiàn)垂向變異，使人工治理沙丘的風(fēng)速在一定高度上超越同高度的流動(dòng)沙丘，這一超越高度值則表現(xiàn)出背風(fēng)坡高于丘頂和迎風(fēng)坡中，坡腳高于坡中和丘頂?shù)牟町惉F(xiàn)象。

（2）人工治理沙丘風(fēng)速廓線的變異導(dǎo)致其治理措施的風(fēng)沙防護(hù)效益出現(xiàn)明顯的高度變化和沙丘部位差異，背風(fēng)坡防護(hù)效果好于迎風(fēng)坡，迎風(fēng)坡中高層防護(hù)效益好于近地層。在丘頂，近地層1m以下能有效減弱風(fēng)速30%左右，同時(shí)使丘頂37．0%左右的沙量分布于近地面10cm高度之內(nèi)，整體固沙效益達(dá)到87%～95%。而植被蓋度與地形坡度是人工治理沙丘風(fēng)沙防護(hù)效益出現(xiàn)沙丘部位差異的主要影響因素。

（3）人工治理沙棘沙丘不同部位風(fēng)速廓線和防風(fēng)固沙效益的研究充分反映出人工治理的效果良好，揭示其防風(fēng)機(jī)制和主要影響因子。同時(shí)反映設(shè)置麥草方格沙障搭配沙棘實(shí)生苗的治沙措施對于高寒地區(qū)治沙工作而言，切實(shí)可行。但在工程規(guī)劃中，地形和植被因子需要重點(diǎn)考慮，在沙丘不同部位塑造合適的植被環(huán)境和沙障規(guī)格以獲取最大的防風(fēng)固沙效果。

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