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(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830054)

塔中地區(qū)近地層風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)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(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830054)

[目的] 分析特定高度的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，闡明其風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為防沙治沙提供理論依據(jù)。[方法] 采用全方位微梯度集沙儀和風(fēng)速儀，收集2014年7月至2014年8月風(fēng)沙流輸沙樣，通過對近地層0—85 mm風(fēng)沙流輸沙率、風(fēng)速進(jìn)行分析。[結(jié)果] 輸沙率與風(fēng)速的最佳擬合關(guān)系為冪函數(shù)，相關(guān)系數(shù)為0.968 7。隨風(fēng)速的增大，風(fēng)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(jié)論] 風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)是一種貼近地面沙物質(zhì)的搬運(yùn)過程，隨風(fēng)速的增大，輸沙量越來越集中在0—35 mm范圍內(nèi)。因此，采取各種措施改變近地表層的風(fēng)狀況及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)就能有效地削弱風(fēng)沙活動(dòng)的強(qiáng)度。

近地層; 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu); 輸沙率; 塔中地區(qū)

文獻(xiàn)參數(shù)： 康永德, 楊興華,何清, 等.塔中地區(qū)近地層風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)特征[J].水土保持通報(bào)，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(fēng)沙流結(jié)構(gòu)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(qiáng)度評(píng)估和防沙治沙工程布設(shè)的重要參數(shù)之一[1]，闡明風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)動(dòng)方式對于風(fēng)蝕、風(fēng)積作用的研究及防沙措施的制定具有重要意義[2]。隨著風(fēng)沙物理學(xué)的發(fā)展，風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)備受人們關(guān)注。自20世紀(jì)40年代以來，隨著野外觀測、風(fēng)洞試驗(yàn)等手段的完善，以及數(shù)值模擬技術(shù)的高速發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者在風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)領(lǐng)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(dòng)沙丘、河岸沙丘、海岸沙脊、平原農(nóng)田等[3-6]。中國學(xué)者在野外觀測和風(fēng)洞模擬試驗(yàn)[7-9]方面進(jìn)行了大量的研究。例如，屈建軍等[10]，尹永順等[11]在戈壁風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了研究；杜鶴強(qiáng)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(jìn)行的研究[14-16]，探討了風(fēng)速、下墊面、輸沙量、天氣、粗糙度等對風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn)各因素之間不僅自身變化，也相互促進(jìn)或制約[17]。研究者一般認(rèn)為，風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)呈指數(shù)函數(shù)[18]或冪函數(shù)[19]分布。但隨著下墊面、氣象因素、集沙儀等不同，風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)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(fēng)沙流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“象鼻效應(yīng)”[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(zāi)害程度最嚴(yán)重的區(qū)域之一，全疆許多縣市風(fēng)沙災(zāi)害天氣頻發(fā)，對耕地、草地、林地、道路等帶來嚴(yán)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(diǎn)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(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行特定高度的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)分析，以期闡明其風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為防沙治沙提供理論依據(jù)。

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(fēng)沙活動(dòng)頻繁，風(fēng)力強(qiáng)勁，年平均風(fēng)速2.3 m/s，年起沙風(fēng)速高達(dá)500次以上，最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到20.0 m/s，起沙風(fēng)向主要在ENE，NE方向。揚(yáng)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(jié)構(gòu)簡單。沙樣粒徑主要集中在63～250 um，以細(xì)砂、極細(xì)砂為主。

1.2 研究方法

2014年7—8月在塔中進(jìn)行風(fēng)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(zhuǎn)集沙儀,共4個(gè)高度，依次為0—5，5—15，15—35，35—85 mm。其工作原理:來風(fēng)時(shí)，風(fēng)吹動(dòng)尾翼，尾翼旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)集沙儀轉(zhuǎn)動(dòng)，保持進(jìn)沙口始終對準(zhǔn)來風(fēng)的方向，達(dá)到起沙風(fēng)速時(shí)，沙粒便通過積沙口進(jìn)入積沙盒，進(jìn)入集沙盒不同高度的沙粒依次進(jìn)入相應(yīng)的集沙室。

風(fēng)速儀安裝在距地面50 cm高程處，將采集的初始時(shí)間為1 min的風(fēng)速數(shù)據(jù)〔即風(fēng)速數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔(頻率)為1次/min〕轉(zhuǎn)化成10 min平均風(fēng)速，將10 min平均風(fēng)速作為本試驗(yàn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。沙樣每10 min收集1次并及時(shí)裝袋，樣品經(jīng)預(yù)處理后，由精度為0.001 g分析天平稱重計(jì)算輸沙率。上述實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和制圖用Excel和Sigmaplot 12.5軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同風(fēng)速下各高度輸沙率的變化情況

對0—85 mm高度內(nèi)的4層沙樣進(jìn)行分析，其輸沙率與高度間的關(guān)系如表1—2所示，可以看出，0—85 mm垂直高度內(nèi)，隨著風(fēng)速的增大，各層輸沙率和總輸沙率整體隨風(fēng)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(fēng)速增加不明顯。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可得：風(fēng)速小于7 m/s時(shí)，每層輸沙率隨風(fēng)速的增大，輸沙率增加的趨勢不顯著；風(fēng)速大于7 m/s時(shí)，氣流搬運(yùn)沙量急劇增加，各層的輸沙率隨風(fēng)速的增大而增加地十分顯著，但發(fā)生在各時(shí)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(fēng)速小于8.0 m/s時(shí)，0—5和15—35 mm輸沙率值相近，風(fēng)速大于8.0 m/s時(shí)，相鄰兩高度層輸沙率值差異明顯。隨著風(fēng)速的增加，0—85 mm高度內(nèi),0—35 mm高度層的輸沙率變化最為劇烈，說明風(fēng)沙流活動(dòng)主要集中于0—35 mm高度層，同時(shí)表明風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)是一種貼近地表的沙物質(zhì)的搬運(yùn)過程[16]。造成該區(qū)域風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變異的主要因素可能是沙塵暴天氣過程下平均風(fēng)速較高，提高了對風(fēng)沙搬運(yùn)的高度，使近地面輸沙量百分含量減小，風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變異。

2.2 風(fēng)速與各高度層輸沙率的相關(guān)性

對各層輸沙率(Q)與風(fēng)速(V)進(jìn)行擬合，得出最佳關(guān)系曲線是冪函數(shù)關(guān)系，且輸沙率隨高度的增加呈冪函數(shù)增加的趨勢(表3)，關(guān)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(fēng)速(m/s);a，b——系數(shù)。系數(shù)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(jié)果知，各層輸沙率均隨風(fēng)速的增大而增加，相關(guān)系數(shù)R2為0.968 7，說明各層輸沙率與風(fēng)速的相關(guān)性較好。從b值可以看出風(fēng)速對高度層的影響主要集中在0—35 mm范圍內(nèi)。

表1 2014年7月16(15:02-18:28)不同風(fēng)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(fēng)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(fēng)速的相關(guān)性

2.3 各高度輸沙量百分比與風(fēng)速的相關(guān)性

為了精細(xì)化研究0—85 mm高度的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征，分別將每層百分含量與風(fēng)速進(jìn)行方程擬合(表4)，發(fā)現(xiàn)每層的百分含量與風(fēng)速間的最佳關(guān)系曲線是冪函數(shù)關(guān)系：y=axb和對數(shù)函數(shù)關(guān)系：Y=y+alnx。出現(xiàn)不同擬合函數(shù)的原因可能是：近地面空氣干濕度不一樣、沙粒物質(zhì)機(jī)械組成、下墊面粗糙度不同等。當(dāng)達(dá)到一定風(fēng)速時(shí)，每層的百分含量變化不明顯，當(dāng)風(fēng)速未達(dá)到這一值時(shí)，表現(xiàn)為冪函數(shù)；當(dāng)風(fēng)速超過這一值時(shí)，表現(xiàn)為對數(shù)函數(shù)。由表4知，雖然近地面輸沙量的差異造成擬合函數(shù)的關(guān)系式不同，但總體趨勢一致。因此，無論服從冪函數(shù)還是服從對數(shù)函數(shù)，每層輸沙率百分含量與風(fēng)速的相關(guān)性均較好，相關(guān)系數(shù)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(fēng)速呈現(xiàn)增大的趨勢，5—15和35—85 mm的百分含量隨風(fēng)速呈現(xiàn)減小的趨勢，同時(shí)由35—85 mm高度層方程的a和b值說明隨著風(fēng)速的增大，輸沙量越來越集中在0—35 mm范圍內(nèi)，徐軍等[22]研究發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的增加，40—80 mm的百分含量呈現(xiàn)下降的趨勢，與本文研究結(jié)果大致相同。

表4 2014年各高度層輸沙量百分比與風(fēng)速的相關(guān)性

2.4 總輸沙率與風(fēng)速的相關(guān)性

由圖1可知，總輸沙率隨風(fēng)速增大呈冪函數(shù)規(guī)律增加，與朱震達(dá)[23]的研究結(jié)果相吻合，擬合最佳函數(shù)關(guān)系式為(2)：

Q=aVb

(2)

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

圖1 塔中地區(qū)總輸沙率與風(fēng)速的相關(guān)性

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

3 討 論

風(fēng)沙流在地表運(yùn)移過程中，主要集中在地表一定高度。Chepil等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在地表0—5 cm內(nèi)占總搬運(yùn)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(shí)指出，風(fēng)沙流主要集中在10 cm高度內(nèi)，約占總輸沙量的95.46%。本文基于野外大量的觀測數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙流主要中集中在0—35 mm高度范圍內(nèi)，說明0—85 mm 氣流層內(nèi)沙粒的運(yùn)動(dòng)以躍移為主，側(cè)面反映出風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)是一種貼近地表的沙物質(zhì)搬運(yùn)過程，這一結(jié)果與其他研究者的觀測結(jié)果一致。上述所有試驗(yàn)結(jié)果均表明風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)是一種貼近地面的沙物質(zhì)的搬運(yùn)過程，因此，采取各種措施改變近地表層的風(fēng)狀況及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)就能有效地削弱風(fēng)沙活動(dòng)的強(qiáng)度。

有研究表明，總輸沙量及各高度層的輸沙量均隨風(fēng)速的增加而增加，擬合曲線遵循冪函數(shù)[27-28]，丁國棟[29]、朱震達(dá)等[23]研究顯示，總輸沙量和各高度層輸沙量隨風(fēng)速增加呈對數(shù)關(guān)系，并不因風(fēng)速和下墊面改變而發(fā)生變化，屈建軍等[10]研究發(fā)現(xiàn)，戈壁風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)具有與沙漠風(fēng)沙流完全不同的風(fēng)沙流特征，其表面風(fēng)沙流輸沙量高度分布表現(xiàn)出獨(dú)特“象鼻”效應(yīng)，在一定高度處呈現(xiàn)最大值，并隨風(fēng)速的增加而增高；杜鶴強(qiáng)等[12]研究表明，新月形沙丘因部位不同呈現(xiàn)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(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系。

由于研究區(qū)域間的差異及觀測時(shí)間間隔性的不同，今后若進(jìn)一步全面探究該區(qū)域風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征，還有待繼續(xù)加強(qiáng)試驗(yàn)精細(xì)化觀測。由此可見，風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)繼續(xù)性研究的課題，不同研究者研究結(jié)果有所差異，或許是因?yàn)檠芯繀^(qū)不同或下墊面性質(zhì)的不同所致。本研究基于長期野外觀測的基礎(chǔ)上，結(jié)合微梯度集沙儀，更加精細(xì)化闡明了0—85 mm風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可為今后進(jìn)一步對風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的研究提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

塔中地區(qū)風(fēng)沙流隨高度與風(fēng)速增大均呈冪函數(shù)形式遞增，輸沙率集中在0—35 mm內(nèi)。沙塵暴天氣過程中，由于風(fēng)速較大，輸沙率表現(xiàn)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(fēng)速和輸沙率的不同，導(dǎo)致各梯度輸沙率與風(fēng)速的最佳擬合函數(shù)呈現(xiàn)冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)，由系數(shù)b得出，隨風(fēng)速的增大，輸沙量越來越集中在0—35 mm范圍內(nèi)。

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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(xué)基金項(xiàng)目“風(fēng)沙兩相流結(jié)構(gòu)特征精細(xì)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?yàn)橘Y源開發(fā)與環(huán)境災(zāi)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(dǎo)師,主要從事資源開發(fā)與環(huán)境災(zāi)害研究。E-mail:qinghe@idm.cn。

A

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

P931.3, P425.5+5