尹瑞平, 郭建英, 董 智, 何京麗, 李錦榮, 田世民, 代豫杰

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020; 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,山東 泰安271018; 3.黃河水利科學(xué)研究院, 鄭州 450003)

黃河烏蘭布和沙漠段沿岸不同高度典型沙丘風(fēng)沙特征

尹瑞平1, 郭建英1, 董 智2, 何京麗1, 李錦榮1, 田世民3, 代豫杰2

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020; 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,山東 泰安271018; 3.黃河水利科學(xué)研究院, 鄭州 450003)

為探究烏蘭布和沙漠沿黃段典型沙丘的風(fēng)速流場與風(fēng)沙運(yùn)移特征，以3座不同高度的典型沙丘為研究對象，對沙丘不同部位5個高度的風(fēng)速流場、風(fēng)速廓線、風(fēng)速加速率及輸沙量進(jìn)行了測定。結(jié)果表明：(1) 風(fēng)速從沙丘迎風(fēng)坡腳至背風(fēng)坡坡腳呈現(xiàn)先增大后減小再增大的“S”型趨勢，沙丘頂部風(fēng)速最大，背風(fēng)坡中部最小。(2) 沙丘各部位風(fēng)速的垂直變化與高度的對數(shù)值呈V=aln(z)+b線性變化規(guī)律，風(fēng)速廓線斜率a由沙丘頂部向迎風(fēng)坡腳與背風(fēng)坡腳逐漸增大。不同高度沙丘的摩阻流速與粗糙度變化趨勢不一。(3) 沙丘發(fā)育尺度對沙丘迎風(fēng)坡風(fēng)速加速率影響明顯，其沙丘發(fā)育尺度越大，對氣流的反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，迎風(fēng)坡低層20 cm風(fēng)速加速率明顯高于高層風(fēng)速加速率；(4) 沙丘不同部位0～100 cm的輸沙率隨高度呈冪函數(shù)規(guī)律遞減，輸沙量主要集中在0～10 cm內(nèi)，但不均勻，大部分集中在0～4 cm，且在距地高度約4～5 cm處是相對輸沙量不隨高程變化的不變層。

風(fēng)速流場; 風(fēng)速廓線; 風(fēng)沙流; 烏蘭布和沙漠

風(fēng)沙運(yùn)移是指沙物質(zhì)在風(fēng)力搬運(yùn)中的物理運(yùn)動過程，掌握風(fēng)沙運(yùn)移規(guī)律可為防沙治沙體系的建設(shè)提供理論指導(dǎo)，并可推演沙丘的演變過程[1]。已有的風(fēng)沙運(yùn)移規(guī)律涉及區(qū)域風(fēng)能環(huán)境及其變化[2-4]，風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征與風(fēng)沙通量模型構(gòu)建等[5-9]。從風(fēng)沙流的形成與運(yùn)動來看，風(fēng)力、沙量和下墊面是影響流沙運(yùn)移的三個要素，其中風(fēng)力是促進(jìn)或制約風(fēng)沙流流動的動力，沙量的多少直接影響著風(fēng)沙流的運(yùn)移，而下墊面對風(fēng)沙流的影響就變得十分復(fù)雜[10]。特別地，風(fēng)速流場在空間上的分布，將改變近地表的粗糙度、渦旋尺度和沙物質(zhì)運(yùn)移特征，但關(guān)于沙丘形態(tài)特別是沙丘高度對風(fēng)速流場及風(fēng)速廓線的影響研究尚未見報(bào)道。黃河烏蘭布和沙漠段毗鄰黃河，地理位置獨(dú)特，沙丘形態(tài)及表面粒度特征較沙漠腹地有較大區(qū)別[11]。該段直接危害黃河的流沙段超過20 km，每年向黃河輸沙約7.72×107kg，占該區(qū)域黃河含沙量的37%[12]，風(fēng)沙流傳輸與沙丘前移是沿岸風(fēng)成沙入黃的主要途徑[13]。該段沙丘形態(tài)以新月形沙丘及沙丘鏈為主，沙丘高度明顯不同，以往的研究主要集中于沙丘固定程度與風(fēng)速和風(fēng)沙流的研究[5-6,14]，關(guān)于沙丘高度與風(fēng)速流場的關(guān)系研究不夠重視。沙丘高度的差異直接影響沙丘運(yùn)動的速度，而其實(shí)質(zhì)就是風(fēng)速在沙丘表面的分布狀況的差異?；诖耍狙芯恳詾跆m布和沙漠沿黃段的劉拐沙頭為試驗(yàn)區(qū)域，選擇3種不同高度的沙丘，開展沙丘不同部位的風(fēng)速與風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的測定，旨在闡明不同高度沙丘上的風(fēng)速流場與風(fēng)速廓線分布，揭示沙丘不同部位風(fēng)沙流運(yùn)移與沙丘運(yùn)動的本質(zhì)，為黃河沿岸入黃風(fēng)積沙綜合治理工程提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河烏蘭布和沙漠劉拐沙頭風(fēng)蝕觀測場內(nèi)，距離黃河500～1 000 m，地理坐標(biāo)40°09′52.28″N，106°50′37.60″E。該區(qū)屬于典型的中溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候，氣候干旱，大風(fēng)天氣頻繁，易發(fā)沙塵暴。年平均氣溫8.0℃，降水量為142.7 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2 372 mm[15]。研究區(qū)多年≥5 m/s的主風(fēng)向?yàn)镾W—W，占61.69%，次主風(fēng)方向?yàn)閃NW—NW和NE—ENE，分別占13.73%和12.32%，年平均風(fēng)速3.7 m/s，大風(fēng)和風(fēng)沙一年四季均有出現(xiàn)，多集中于3—5月份；年均大風(fēng)日數(shù)10～32 d，平均揚(yáng)沙日數(shù)75～79 d，沙塵暴日數(shù)19～22 d。研究區(qū)流動沙丘廣布，沙丘高度4～10 m，土壤為典型風(fēng)沙土，植被主要有白刺(NitrariatangutorumBobr.)、霸王(ZygophyllumxanthoxylonMaxim)、梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bunge)、沙蓬(AgriophyllumsquarrosumVahl.)、沙旋覆花(Inulasalsoloides(Turcz.)Ostenf.)、沙竹(PsammochloaillosaTrin.)等[15]。

1.2 沙丘不同部位風(fēng)速分布與風(fēng)速流場的測定

于2014年、2015年的4—6月份在黃河烏蘭布和沙漠劉拐沙頭風(fēng)蝕監(jiān)測場內(nèi)，選取3座規(guī)格不同的新月形沙丘，沙丘高度分別為2.3 m，5.2 m和10.1 m，寬度為37.8 m，58.4 m和109.2 m，將沙丘按高度變化分別編號為A，B，C沙丘。選擇典型大風(fēng)日，分別在3座沙丘的迎風(fēng)坡坡腳(1#測點(diǎn))、迎風(fēng)坡中部(2#測點(diǎn))、沙丘頂部(3#測點(diǎn))、背風(fēng)坡中部(4#測點(diǎn))與背風(fēng)坡坡腳(5#測點(diǎn))5個測點(diǎn)同時布設(shè)HOBO氣象站風(fēng)速儀(圖1)，測定沙丘不同部位的風(fēng)速垂直梯度變化，測定高度分別為20 cm，50 cm，100 cm，150 cm和200 cm，風(fēng)向架設(shè)高度為250 cm；風(fēng)速儀每隔5 min自動記錄各高度觀測數(shù)據(jù)的平均值與最大值。根據(jù)測定的風(fēng)速平均值，利用Furfer 10.0繪制各沙丘的風(fēng)速流場等值線圖。

圖1 沙丘表面風(fēng)速觀測示意圖

1.3 沙丘不同部位風(fēng)速廓線與粗糙度計(jì)算

采用各沙丘HOBO氣象站5個高度的風(fēng)速測定值，采用的最小二乘逼近實(shí)測風(fēng)速廓線法(簡稱對數(shù)廓線法)[16]，擬合各部位的風(fēng)速廓線方程，計(jì)算摩阻流速與粗糙度，各公式為：

uz=b+a×lnz

(1)

式中：uz為z高度處風(fēng)速；a，b為回歸系數(shù)。

令式(1)中uz=0可求出粗糙度：

(2)

將公式(1)代入普朗特—馮卡曼的速度對數(shù)分布規(guī)律公式：

uz=(u*/k)ln(z/z0)

(3)

式中：uz同公式(1)；u*為摩阻速度；k為馮卡曼常數(shù)(0.4)；z0為空氣動力學(xué)粗糙度。

1.4 沙丘不同部位輸沙量的測定

與風(fēng)速測定同步，在3座沙丘的迎風(fēng)坡坡腳、迎風(fēng)坡坡中和迎風(fēng)坡坡頂(1#、2#和3#測點(diǎn))布設(shè)旋轉(zhuǎn)式集沙儀測定輸沙量。集沙儀進(jìn)沙口50層，每層進(jìn)沙口的寬、高為2 cm×2 cm。觀測時將集沙儀最下部的進(jìn)沙口與沙面平齊并垂直放置，即可觀測0～100 cm風(fēng)沙流的輸沙量。在不同風(fēng)速條件下，共進(jìn)行30次野外觀測，每次測定時間為3～30 min，采集時將沙樣倒入自封袋，按層次編號，帶回室內(nèi)烘干后用百分之一的電子天平進(jìn)行稱量。分層統(tǒng)計(jì)各層次輸沙量，獲得不同沙丘不同部位的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，并進(jìn)而對相對輸沙率與高度的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，揭示輸沙量沿高度梯度的垂直分布規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙丘不同部位風(fēng)速變化與風(fēng)速流場

對沙丘表面風(fēng)場流場變化的研究，是建立合理風(fēng)沙防護(hù)體系的根本。3個沙丘不同部位的風(fēng)速變化與風(fēng)速流場見圖2。由圖可知，3個不同高度沙丘的風(fēng)速流場變化趨勢一致，即迎風(fēng)坡風(fēng)速由坡腳向沙丘頂部呈逐漸增強(qiáng)的趨勢，風(fēng)速流場流線加密，并在丘頂風(fēng)速達(dá)到最大；在背風(fēng)坡風(fēng)速由丘頂向背風(fēng)坡腳迅速下降，在背風(fēng)坡中部形成渦旋，風(fēng)速降至最低，在背風(fēng)坡坡腳形成次低區(qū)。3個沙丘的風(fēng)速為同步測定，但在不同部位風(fēng)速的變化各不相同。3個沙丘迎風(fēng)坡腳的近地表20 cm風(fēng)速基本一致，為6.5 m/s，但因沙丘高度不同，使得風(fēng)速在各部位的分布與變化隨著沙丘高度的增加而迅速增大。沙丘A迎風(fēng)坡中部與丘頂20 cm處的風(fēng)速分別較迎風(fēng)坡腳同一高度風(fēng)速增大9.6%與27.7%，而沙丘B(yǎng)與沙丘C迎風(fēng)坡中部和丘頂20 cm處風(fēng)速較迎風(fēng)坡腳同高度風(fēng)速增大24.8%，90.0%與56.1%，126.3%。而在背風(fēng)坡中部與坡腳，沙丘A，B，C近地表20 cm處風(fēng)速分別較各沙丘迎風(fēng)坡腳近地表風(fēng)速下降33.9%，12.8%，34.8%，26.9%和58.1%，40.3%，顯然，隨著各沙丘高度的增加，背風(fēng)坡風(fēng)速受到沙丘自身高度遮擋作用的影響，風(fēng)速明顯下降，且沙丘背風(fēng)坡中部下降幅度大于背風(fēng)坡坡腳。由風(fēng)速流場可知，沙丘表面的風(fēng)場變化與沙丘形態(tài)有著密切的關(guān)系。由迎風(fēng)坡坡腳至沙丘頂部，氣流受沙丘阻擋作用，隨地形抬升風(fēng)速逐漸增大，到沙丘頂部時達(dá)到最大。氣流越過沙丘頂部后，地形陡降，氣流擴(kuò)散，在背風(fēng)坡產(chǎn)生回流渦旋低速區(qū)，因此風(fēng)速得到大幅度減小。自背風(fēng)坡以下，氣流擴(kuò)散緩慢，并疊加背風(fēng)坡二次流，其風(fēng)速逐漸增大。

2.2 沙丘不同部位風(fēng)速廓線與粗糙度變化

風(fēng)速廓線表征風(fēng)速隨高度的垂直分布規(guī)律，是研究近地表氣流特征的重要指標(biāo)之一。對不同高度沙丘各部位的風(fēng)速與測定高度的對數(shù)值進(jìn)行擬合，獲得沙丘各部位的風(fēng)速廓線圖(圖2)。由圖可知，沙丘各部位風(fēng)速的垂直分布遵循對數(shù)線性定律，即風(fēng)速的垂直變化與高度的對數(shù)值呈V=aln(z)+b線性變化規(guī)律(圖3，表1)。

風(fēng)速廓線方程V=aln(z)+b的斜率a反映了風(fēng)速垂直變化梯度的大小，因沙丘高度不同，使得不同高度沙丘迎風(fēng)坡、丘頂與背風(fēng)坡各部位風(fēng)速的垂直分布變化并不一致，由表1可知，不同沙丘各部位風(fēng)速廓線斜率a的變化均表現(xiàn)為由迎風(fēng)坡坡腳向沙丘頂部風(fēng)速垂直梯度迅速增加的趨勢，表現(xiàn)在風(fēng)速廓線的斜率由迎風(fēng)坡腳向沙丘頂部呈減小趨勢，而在背風(fēng)坡又表現(xiàn)為由沙丘頂部向沙丘背風(fēng)坡坡腳迅速增大的趨勢，說明在背風(fēng)坡由于氣流的分離與渦旋作用，使得風(fēng)速垂直變化梯度增大，斜率變大。

圖2不同高度沙丘的風(fēng)速流場

由表1可知，沙丘A，B，C不同部位的摩阻流速與粗糙度也存在差異。對于同一沙丘而言，摩阻流速呈現(xiàn)由迎風(fēng)坡腳向沙丘頂部逐漸減小的趨勢，而在背風(fēng)坡則又表現(xiàn)為由沙丘頂部向沙丘背風(fēng)坡腳逐漸減小的趨勢；對于不同高度的沙丘而言，摩阻流速在迎風(fēng)坡的同一部位均呈現(xiàn)隨著沙丘高度的增加而增加的趨勢，而在背風(fēng)坡的摩阻流速則均表現(xiàn)為沙丘B(yǎng)>沙丘C>沙丘A。對于同一沙丘的粗糙度變化而言，粗糙度以沙丘頂部最小，分別向迎風(fēng)坡腳和背風(fēng)坡腳增大，且以背風(fēng)坡中部或坡腳位置最大；而不同高度沙丘同一部位的粗糙度則表現(xiàn)不同，迎風(fēng)坡腳、背風(fēng)坡中部和坡腳，粗糙度表現(xiàn)為沙丘C>沙丘B(yǎng)>沙丘A，迎風(fēng)坡中部和沙丘頂部的粗糙度急劇降低，3個沙丘的粗糙度表現(xiàn)為沙丘A>沙丘B(yǎng)>沙丘C。

圖3 沙丘表面不同部位風(fēng)速變化表1 風(fēng)速廓線擬合方程

注：u*為摩阻流速(m/s)，z0為近地表粗糙度(cm)。

2.3 沙丘迎風(fēng)坡不同部位風(fēng)速加速率變化

在對新月形沙丘表面氣流研究過程中，經(jīng)常引入風(fēng)速加速率，其表示形式為S=uc/uf，其中S為風(fēng)速加速率，uc與uf分別為沙丘丘頂與迎風(fēng)坡坡腳處同一高度的風(fēng)速。由觀測結(jié)果可得，迎風(fēng)坡表面風(fēng)速在不同高度均有增大趨勢(表2)。不同高度風(fēng)速加速率不盡相同，低層20 cm風(fēng)速加速率明顯高于高層風(fēng)速加速率。其主要原因是由于受沙丘地形的影響所致。通過對不同高度沙丘間風(fēng)速加速率的對比發(fā)現(xiàn)，沙丘A的風(fēng)速加速率均較小。由于沙丘A較為低矮，氣流受地形擾動較小，故迎風(fēng)坡坡腳處風(fēng)速與沙丘頂部風(fēng)速差異較小。3個不同發(fā)育尺度沙丘的風(fēng)速加速率差異顯著，風(fēng)速加速率也呈加速趨勢，其大小依次為沙丘C>沙丘B(yǎng)>沙丘A。說明沙丘發(fā)育尺度對風(fēng)速加速率影響顯著，即沙丘發(fā)育尺度越大，對氣流的反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，其風(fēng)速加速率越大。

表2 新月形沙丘迎風(fēng)坡不同高度風(fēng)速加速率

2.4 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的基本特征

在沙丘迎風(fēng)坡坡腳、坡中、丘頂部位，不同風(fēng)速條件下0～100 cm相對輸沙量與高度之間有著良好的冪函數(shù)關(guān)系，在0.01顯著性水平上決定系數(shù)R2均達(dá)到0.95以上。0～100 cm高度的輸沙量的81.75%集中在0～10 cm內(nèi)，30 cm以上高程的輸沙量平均不足7%，該結(jié)果與吳正等的觀測結(jié)果基本一致。在0～10 cm內(nèi)輸沙率并非均勻分布，其主要集中在0～4 cm內(nèi)，平均占60.37%(圖4)。在距地高度約4～5 cm處，沙丘不同部位的相對輸沙量有一個交點(diǎn)，即該處為相對輸沙量不隨高程變化的不變層。

圖4沙丘不同部位近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變化

3 結(jié) 論

(1) 3個沙丘迎風(fēng)坡風(fēng)速由坡腳向沙丘頂部呈逐漸增強(qiáng)的趨勢，背風(fēng)坡則由丘頂向坡腳呈減小趨勢，但風(fēng)速以背風(fēng)坡中部最小。因沙丘高度不同，各部位風(fēng)速變化并不一致，但均以丘頂風(fēng)速變化幅度最大。

(2) 沙丘各部位風(fēng)速的垂直變化與高度的對數(shù)值呈V=aln(z)+b線性變化規(guī)律，風(fēng)速廓線斜率a由沙丘頂部向迎風(fēng)坡腳與背風(fēng)坡腳逐漸增大。不同高度沙丘的摩阻流速呈由迎風(fēng)坡腳和背風(fēng)坡腳向沙丘頂部逐漸減小的趨勢；而粗糙度在迎風(fēng)坡中部和沙丘頂部的粗糙度表現(xiàn)為沙丘A>沙丘B(yǎng)>沙丘C，其他部位呈現(xiàn)沙丘C>沙丘B(yǎng)>沙丘A的趨勢。

(3) 迎風(fēng)坡風(fēng)速加速率與沙丘發(fā)育尺度有明顯關(guān)系，沙丘發(fā)育尺度越大，對氣流的反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，其風(fēng)速加速率越大，且以近地表20 cm的風(fēng)速加速更加明顯。

(4) 在沙丘迎風(fēng)坡坡腳、坡中、丘頂部位，0～100 cm高程內(nèi)風(fēng)沙流的輸沙率隨高度呈冪函數(shù)規(guī)律遞減，且輸沙量81.75%集中在0～10 cm內(nèi)，其主要集中在0～4 cm內(nèi)，平均占60.37%；在距地高度約4～

5 cm處，相對輸沙量不隨高程變化而變化；30 cm以上的輸沙量平均不足7%。

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WindVelocityandSandFlowTransportCharacteristicsofDifferentHeightTypicalDunesinUlanBuhDesertAlongtheYellowRiver

YIN Ruiping1, GUO Jianying1, DONG Zhi2, HE Jingli1, LI Jinrong1, TIAN Shimin3, DAI Yujie2

(1.InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,MinistryofWaterResources,Hohhot010010,China; 2.CollegeofForestry,ShandongAgriculturalUniversity,Taian,Shandong271018,China; 3.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou450003,China)

Flow fields of wind speed and aeolian transport are concerned by scientists because of its basic position in desert research. We took 3 typical dunes with different heights as samples and measured flow fields of wind， wind profiles， velocity accelerations， sediment discharges of 5 heights of different parts. Results show that: (1) wind velocity is greater over the top of dune but lowest at central leeward and appeares to increase firstly and decrease later and increase eventually from dune windward slope foot to leeward slope foot, showing the tendency of ‘S’ shape; (2) vertical changes of wind at different parts of dune and height changes of logarithmic follows the linear regression equation [V=aln(z)+b], slope of wind profile increases gradually from top of dune to slope foot of windward and leeward, friction velocity and roughness changes appear inconsistently; (3) wind velocity acceleration of low-rise (20 cm) is higher than high-rice; dune development scale impacts wind velocity acceleration of windward obviously, and feedback is significant with its growth; (4) sediment discharges of different dune parts within 0～100 cm show a uneven law of diminishing power function and concentrate in 0～10 cm, and distribute in 0～4 cm mostly. Relative sediment discharges are stable and do not transform with height changes.

wind velocity flow field; sand flow; wind profile; Ulan Buh Desert

2016-06-23

：2016-07-13

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201401084);國家自然科學(xué)基金(41301303,51409114);中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)(MK2016J03)

尹瑞平(1964—),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,碩士,高級工程師,主要從事草地土壤侵蝕過程研究。E-mail:yinrp@iwrh.com

董智(1971—),男,內(nèi)蒙古烏蘭察布市人,博士,副教授,主要從事荒漠化防治與生態(tài)修復(fù)。E-mail:nmgdz@163.com

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