康永德, 楊興華, 何 清, 楊 帆, 霍 文, 艾力·買買提明

(1.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所, 新疆 烏魯木齊 830002; 2.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054)

塔中地區(qū)近地層風沙流的結構特征

康永德1,2, 楊興華1, 何 清1, 楊 帆1, 霍 文1, 艾力·買買提明1

(1.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所, 新疆 烏魯木齊 830002; 2.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054)

[目的] 分析特定高度的風沙流結構，闡明其風沙流運動規(guī)律，為防沙治沙提供理論依據。[方法] 采用全方位微梯度集沙儀和風速儀，收集2014年7月至2014年8月風沙流輸沙樣，通過對近地層0—85 mm風沙流輸沙率、風速進行分析。[結果] 輸沙率與風速的最佳擬合關系為冪函數，相關系數為0.968 7。隨風速的增大，風沙流輸沙率主要集中在0—35 mm，0—5和15—35 mm百分含量基本呈上升的趨勢，5—15和35—85 mm百分含量基本呈下降的趨勢。[結論] 風沙流運動是一種貼近地面沙物質的搬運過程，隨風速的增大，輸沙量越來越集中在0—35 mm范圍內。因此，采取各種措施改變近地表層的風狀況及風沙流結構就能有效地削弱風沙活動的強度。

近地層; 風沙流結構; 輸沙率; 塔中地區(qū)

文獻參數： 康永德, 楊興華,何清, 等.塔中地區(qū)近地層風沙流的結構特征[J].水土保持通報，2017,37(3)：195-199.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.032； Kang Yongde, Yang Xinghua, He Qing, et al. Structural characteristics of near surface wind blown sand in central Tarim Basin[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：195-199.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.032

風沙流結構是輸沙量隨高度的分布形式和變化規(guī)律，也是近地面輸沙強度評估和防沙治沙工程布設的重要參數之一[1]，闡明風沙流結構特征和運動方式對于風蝕、風積作用的研究及防沙措施的制定具有重要意義[2]。隨著風沙物理學的發(fā)展，風沙流運動備受人們關注。自20世紀40年代以來，隨著野外觀測、風洞試驗等手段的完善，以及數值模擬技術的高速發(fā)展，國內外學者在風沙流結構領域中取得了巨大成果。研究范圍涉及固定沙丘與半固定沙丘、流動沙丘、河岸沙丘、海岸沙脊、平原農田等[3-6]。中國學者在野外觀測和風洞模擬試驗[7-9]方面進行了大量的研究。例如，屈建軍等[10]，尹永順等[11]在戈壁風沙流結構方面進行了研究；杜鶴強等[12]在塔克拉瑪干沙漠的研究；哈斯[13]、張正偲等[2]對騰格里沙漠的研究；以及烏蘭布和沙漠、毛烏素沙地等進行的研究[14-16]，探討了風速、下墊面、輸沙量、天氣、粗糙度等對風沙流結構的影響。研究發(fā)現各因素之間不僅自身變化，也相互促進或制約[17]。研究者一般認為，風沙流結構呈指數函數[18]或冪函數[19]分布。但隨著下墊面、氣象因素、集沙儀等不同，風沙流運動亦呈特定形式。例如，受地表沉積物粒度影響，戈壁地表甚至新月形沙丘表面的風沙流結構出現“象鼻效應”[10-12]。眾所周知，新疆是西北干旱區(qū)荒漠化面積最大、分布范圍較廣，災害程度最嚴重的區(qū)域之一，全疆許多縣市風沙災害天氣頻發(fā)，對耕地、草地、林地、道路等帶來嚴重威脅。例如南疆，特別是塔里木盆地危害最甚,是全疆沙漠化防治最為重點的區(qū)域[20]。因此，本文擬選取塔克拉瑪干沙漠腹地的塔中地區(qū)為研究區(qū)，借助野外實測數據，進行特定高度的風沙流結構分析，以期闡明其風沙流運動規(guī)律，為防沙治沙提供理論依據。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

塔中地處塔克拉瑪干沙漠腹地(38°57′29″—38°59′48″N,83°42′54″—83°44′59″E，海拔1 127～1 144 m)。年平均氣溫12.4 ℃，7月溫度最高為28.0 ℃，12月最低溫度為-8.0 ℃。年均降水量約25.9 mm，蒸發(fā)量約3 638.6 mm。風沙活動頻繁，風力強勁，年平均風速2.3 m/s，年起沙風速高達500次以上，最大瞬時風速達到20.0 m/s，起沙風向主要在ENE，NE方向。揚沙、浮塵年平均不少于157 d，沙塵暴年平均不少于16 d[21]。地表植被匱乏，群落結構簡單。沙樣粒徑主要集中在63～250 um，以細砂、極細砂為主。

1.2 研究方法

2014年7—8月在塔中進行風速與輸沙量的同步觀測。沙樣收集儀器為烏魯木齊沙漠氣象研究所何清等研制的微梯度旋轉集沙儀,共4個高度，依次為0—5，5—15，15—35，35—85 mm。其工作原理:來風時，風吹動尾翼，尾翼旋轉帶動集沙儀轉動，保持進沙口始終對準來風的方向，達到起沙風速時，沙粒便通過積沙口進入積沙盒，進入集沙盒不同高度的沙粒依次進入相應的集沙室。

風速儀安裝在距地面50 cm高程處，將采集的初始時間為1 min的風速數據〔即風速數據采集時間間隔(頻率)為1次/min〕轉化成10 min平均風速，將10 min平均風速作為本試驗的風速數據進行處理。沙樣每10 min收集1次并及時裝袋，樣品經預處理后，由精度為0.001 g分析天平稱重計算輸沙率。上述實測數據的統(tǒng)計和制圖用Excel和Sigmaplot 12.5軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同風速下各高度輸沙率的變化情況

對0—85 mm高度內的4層沙樣進行分析，其輸沙率與高度間的關系如表1—2所示，可以看出，0—85 mm垂直高度內，隨著風速的增大，各層輸沙率和總輸沙率整體隨風速呈遞增趨勢，變化規(guī)律趨于一致，第4層35—85 mm處輸沙率隨風速增加不明顯。利用統(tǒng)計學分析可得：風速小于7 m/s時，每層輸沙率隨風速的增大，輸沙率增加的趨勢不顯著；風速大于7 m/s時，氣流搬運沙量急劇增加，各層的輸沙率隨風速的增大而增加地十分顯著，但發(fā)生在各時間段的輸沙率變化又有不同。7月16日輸沙率大小依次為：5—15 ,0—5，15—35，35—85 mm，7月31日輸沙率大小依次為：0—5，15—35，5—15，35—85 mm，其中風速小于8.0 m/s時，0—5和15—35 mm輸沙率值相近，風速大于8.0 m/s時，相鄰兩高度層輸沙率值差異明顯。隨著風速的增加，0—85 mm高度內,0—35 mm高度層的輸沙率變化最為劇烈，說明風沙流活動主要集中于0—35 mm高度層，同時表明風沙流運動是一種貼近地表的沙物質的搬運過程[16]。造成該區(qū)域風沙流結構變異的主要因素可能是沙塵暴天氣過程下平均風速較高，提高了對風沙搬運的高度，使近地面輸沙量百分含量減小，風沙流結構變異。

2.2 風速與各高度層輸沙率的相關性

對各層輸沙率(Q)與風速(V)進行擬合，得出最佳關系曲線是冪函數關系，且輸沙率隨高度的增加呈冪函數增加的趨勢(表3)，關系方程式為(1)：

Q=aVb

(1)

式中：Q——各高度層總輸沙率〔(g·cm)/10 min〕；v——50 cm處風速(m/s);a，b——系數。系數a間接反映了近地表各高度層輸沙率的差異，b表征了各高度層輸沙率的大小。由擬合結果知，各層輸沙率均隨風速的增大而增加，相關系數R2為0.968 7，說明各層輸沙率與風速的相關性較好。從b值可以看出風速對高度層的影響主要集中在0—35 mm范圍內。

表1 2014年7月16(15:02-18:28)不同風速(m/s)下的輸沙率 (g·cm2)/10 min

表2 2014年7月31(17:02-20:22)不同風速(m/s)下的輸沙率 (g·cm2)/10 min

表3 2014年各高度層輸沙率與風速的相關性

2.3 各高度輸沙量百分比與風速的相關性

為了精細化研究0—85 mm高度的風沙流結構特征，分別將每層百分含量與風速進行方程擬合(表4)，發(fā)現每層的百分含量與風速間的最佳關系曲線是冪函數關系：y=axb和對數函數關系：Y=y+alnx。出現不同擬合函數的原因可能是：近地面空氣干濕度不一樣、沙粒物質機械組成、下墊面粗糙度不同等。當達到一定風速時，每層的百分含量變化不明顯，當風速未達到這一值時，表現為冪函數；當風速超過這一值時，表現為對數函數。由表4知，雖然近地面輸沙量的差異造成擬合函數的關系式不同，但總體趨勢一致。因此，無論服從冪函數還是服從對數函數，每層輸沙率百分含量與風速的相關性均較好，相關系數R2最大為0.951 0，R2最小為0.781 9。從a和b值可以看出，0—5和15—35 mm的百分含量隨風速呈現增大的趨勢，5—15和35—85 mm的百分含量隨風速呈現減小的趨勢，同時由35—85 mm高度層方程的a和b值說明隨著風速的增大，輸沙量越來越集中在0—35 mm范圍內，徐軍等[22]研究發(fā)現，隨著風速的增加，40—80 mm的百分含量呈現下降的趨勢，與本文研究結果大致相同。

表4 2014年各高度層輸沙量百分比與風速的相關性

2.4 總輸沙率與風速的相關性

由圖1可知，總輸沙率隨風速增大呈冪函數規(guī)律增加，與朱震達[23]的研究結果相吻合，擬合最佳函數關系式為(2)：

Q=aVb

(2)

式中：Q——總輸沙率〔(g·cm)/10 min)〕；V——50 cm處風速(m/s)；a，b—系數。

圖1 塔中地區(qū)總輸沙率與風速的相關性

從圖1中不難發(fā)現，風速小于7 m/s時，總輸沙率呈現增大的趨勢，但比較緩慢，風速大于7 m/s時，增大趨勢明顯，說明風速的增大,沙粒攜帶的能量增加，從而氣流搬運的沙量急劇增加。

3 討 論

風沙流在地表運移過程中，主要集中在地表一定高度。Chepil等[24]研究發(fā)現，在地表0—5 cm內占總搬運量的60%～80%；毛東雷[25]研究表明，10和30 cm 高度范圍的積沙量占總輸沙量的百分比分別在23.43%～50.40%和64.30%～83.13%；張正偲等[26]研究騰格里沙漠時指出，風沙流主要集中在10 cm高度內，約占總輸沙量的95.46%。本文基于野外大量的觀測數據研究發(fā)現，風沙流主要中集中在0—35 mm高度范圍內，說明0—85 mm 氣流層內沙粒的運動以躍移為主，側面反映出風沙流運動是一種貼近地表的沙物質搬運過程，這一結果與其他研究者的觀測結果一致。上述所有試驗結果均表明風沙運動是一種貼近地面的沙物質的搬運過程，因此，采取各種措施改變近地表層的風狀況及風沙流結構就能有效地削弱風沙活動的強度。

有研究表明，總輸沙量及各高度層的輸沙量均隨風速的增加而增加，擬合曲線遵循冪函數[27-28]，丁國棟[29]、朱震達等[23]研究顯示，總輸沙量和各高度層輸沙量隨風速增加呈對數關系，并不因風速和下墊面改變而發(fā)生變化，屈建軍等[10]研究發(fā)現，戈壁風沙流結構具有與沙漠風沙流完全不同的風沙流特征，其表面風沙流輸沙量高度分布表現出獨特“象鼻”效應，在一定高度處呈現最大值，并隨風速的增加而增高；杜鶴強等[12]研究表明，新月形沙丘因部位不同呈現不同的曲線。本研究顯示0—85 mm總輸沙量與各梯度輸沙量均呈現冪函數關系。

由于研究區(qū)域間的差異及觀測時間間隔性的不同，今后若進一步全面探究該區(qū)域風沙流結構特征，還有待繼續(xù)加強試驗精細化觀測。由此可見，風沙流結構仍是一個繼續(xù)性研究的課題，不同研究者研究結果有所差異，或許是因為研究區(qū)不同或下墊面性質的不同所致。本研究基于長期野外觀測的基礎上，結合微梯度集沙儀，更加精細化闡明了0—85 mm風沙流結構運動規(guī)律，可為今后進一步對風沙流結構的研究提供理論依據。

4 結 論

塔中地區(qū)風沙流隨高度與風速增大均呈冪函數形式遞增，輸沙率集中在0—35 mm內。沙塵暴天氣過程中，由于風速較大，輸沙率表現出其特有的形式，0—5和15—35 mm高度呈上升的趨勢，5—15和35—85 mm高度呈下降趨勢，其中，15—35和35—85 mm高度層變化最為明顯，0—5 mm變化不明顯。由于風速和輸沙率的不同，導致各梯度輸沙率與風速的最佳擬合函數呈現冪函數和對數函數，由系數b得出，隨風速的增大，輸沙量越來越集中在0—35 mm范圍內。

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Structural Characteristics of Near Surface Wind Blown Sand in Central Tarim Basin

KANG Yongde1,2, YANG Xinghua1, HE Qing1, YANG Fan1, HUO Wen1, AILI·Maimaitiming1

(1.InstituteofDesertMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Urumqi,XinjiangUygurAutonomousRegion830002,China; 2.SchoolofGeographyandTourismScience,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,XinjiangUygurAutonomousRegion830045,China)

[Objective] To analyze the structure of wind blown sand at a specific height, in order to clarify the disciplinarian of wind blown sand, and provide the theoretical basis for preventing and controlling desertification in central Tarim Basin. [Methods] Omni-directional microinverse sand trap and anemometer were used to collect sand transport sample of wind blown sand from July to August in 2014 and wind-sand transport rate, wind speed in the near surface layer (0—85 mm) were analyzed. [Results] The most fitting relationship between sand transport rate and wind speed was power function, the correlation coefficient was 0.9687. Along with the increase of wind speed, sand transport rate mainly concentrate on 0—35 mm layer，meanwhile, it showed ascending trend in 0—5 mm and 15—35 mm layers, and descending trend in 5—15 mm and 35—85 mm layers. [Conclusion] Wind blown sand movement is the process of sand sediment transport in the near surface layer, and sand sediment discharge more and more concentrated on the range from 0 mm to 35 mm with the increase of wind speed. Thus, it requires taking various measures to change the state of near earth surface wind blown sand structure and meanwhile which can effectively weaken the strength of the sandstorm activities.

near-strata; wind blown sand structure; sediment transport rate; central Tarim Basin

2016-10-11

2016-10-28

國家自然科學基金項目“風沙兩相流結構特征精細化觀測與模擬研究”(41375163)

康永德(1989—),男(漢族),甘肅省張掖市人,碩士研究生,研究方向為資源開發(fā)與環(huán)境災害。E-mail:2631310516@qq.com。

何清(1965—)，男(漢族),四川省成都市人,博士,研究員,博士生導師,主要從事資源開發(fā)與環(huán)境災害研究。E-mail:qinghe@idm.cn。

A

1000-288X(2017)03-0195-05

P931.3, P425.5+5