李菁菁，袁宏波，劉淑娟，劉世增，郭樹江，馬劍平

(甘肅省治沙研究所&甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅 蘭州 730070)

自然狀態(tài)下，通常認(rèn)為生態(tài)逆轉(zhuǎn)過(guò)程是一個(gè)長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[1,2]。青土湖面積曾經(jīng)超過(guò)400 km2，但在1959年完全干涸，大部分已被流沙覆蓋[3]。為了改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，2010年9月開始，向青土湖注入生態(tài)用水，到2015年11月，形成了22.28 km2水面[4]。青土湖水面的形成必然會(huì)對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[5,6]。依靠生態(tài)注水改變區(qū)域水文環(huán)境，提高青土湖生態(tài)功能，是石羊河下游生態(tài)輸水工程的主要目標(biāo)。因此青土湖注水能否起到改變?cè)搮^(qū)域生態(tài)因子，增強(qiáng)區(qū)域生態(tài)功能，是社會(huì)各界所關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。應(yīng)急輸水恢復(fù)退化生態(tài)已經(jīng)在塔里木河實(shí)施[7]，且研究了輸水對(duì)地下水位、植被、植物種以及區(qū)域生態(tài)影響，說(shuō)明應(yīng)急輸水可以提升地下水位，促進(jìn)植被蓋度增加，是區(qū)域退化生態(tài)恢復(fù)的有效方法[8-12]。但塔里木河生態(tài)輸水影響沿河生態(tài)，是一種線型水文生態(tài)影響。青土湖生態(tài)輸水則是形成面狀水域，對(duì)于區(qū)域氣候形成影響[13,14]。本研究分析青土湖水面形成后的區(qū)域地下水位、空氣溫度和空氣濕度、風(fēng)速，旨在闡明水面形成區(qū)生態(tài)因子的變化規(guī)律，揭示水面形成的生態(tài)因子響應(yīng)程度、方式和關(guān)系，為定量評(píng)價(jià)水面形成對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)造成的影響提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)自然概況

該研究區(qū)地處甘肅省民勤縣東北的騰格里沙漠西緣（39°07′7.3〞-39°08′3.2〞N，103°37′53.0〞-103°38′40.6〞E），海拔高度約為1292～1310m。該區(qū)年平均氣溫7.8 ℃；年降水量110 mm左右，7月，8月,9月三個(gè)月的降水占全年降水量73%，蒸發(fā)量達(dá)2600 mm以上；全年盛行西北、西北偏西風(fēng)，夏秋季東風(fēng)也比較盛行。年均風(fēng)速4.1m/s；屬典型溫帶大陸性干旱荒漠氣候。

1.2 青土湖的人工水面

根據(jù)衛(wèi)星影像分析（如圖1所示），隨著連續(xù)幾年的不斷輸水，水面急劇擴(kuò)大。2013年，水面面積607.126 hm2，大概比2010-2012年兩年的總面積還多。到2014年，水面面積大概是2010-2013年水面面積之和。水面面積隨著連續(xù)注水的時(shí)間延長(zhǎng)，形成水面積成直線增加，輸水量與水面面積呈正相關(guān)系數(shù)為0.894，保留水面積與地下水位的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.909。2010-2013年，入湖水量的增加率始終小于水面面積的增長(zhǎng)率。連續(xù)輸水對(duì)于水域面積擴(kuò)大具有疊加效應(yīng)，有利于水域面積的擴(kuò)大，增強(qiáng)了輸水效應(yīng)。

2 研究方法

2.1 觀測(cè)樣地設(shè)置

調(diào)查以人工湖為中心，分別在較大面積水域設(shè)置樣帶3條（如圖1所示）。在每個(gè)樣帶以水面為中心點(diǎn)，在水面兩側(cè)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。15號(hào)樣地（地理坐標(biāo)為：39 °08′3.2〞-39 °08 ′3.2 〞N，103 °37 ′53〞-103°38′8.8〞 E）樣帶長(zhǎng)約為350 m，16號(hào)樣地（39 °07′13.2〞-39 °07 ′30.1 〞N，103 °38 ′0.3〞-103°38′21.09〞E）和17號(hào)（39°07′7.3〞-39°07′14.3〞N，103°38 ′12.1〞-103°38′40.6〞 E）樣帶長(zhǎng)500 m。在水面迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)分別是設(shè)置樣點(diǎn)測(cè)定風(fēng)速。

圖1 觀測(cè)區(qū)地理位置及觀測(cè)樣點(diǎn)位置圖

2.2 風(fēng)速測(cè)定方法

風(fēng)速觀測(cè)：使用野外便攜式防沙風(fēng)速廓線測(cè)量?jī)x（ZL 02261931.3）測(cè)量，測(cè)定使用8個(gè)風(fēng)杯，數(shù)據(jù)采集器每10 s自動(dòng)記錄一次，每組觀測(cè)記錄100～300次。

1）垂直方向風(fēng)速的測(cè)定：在距水面0m，分別水面的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)，將5個(gè)風(fēng)杯按照15cm、50cm、100cm、150cm和200cm的高度固定于同一根固定桿上測(cè)定200cm高度范圍的風(fēng)速梯度值，同時(shí)在距水面500曠野設(shè)置對(duì)照。

2）測(cè)定同一高度的水平方向風(fēng)速變化：在水面的背風(fēng)側(cè)，距水面0 m、50 m、100 m、150 m、200 m、500 m設(shè)置測(cè)桿，每桿上固定1個(gè)風(fēng)杯，測(cè)定在同一風(fēng)況下50 cm高度的相同高度風(fēng)速，確定不同距離水面的風(fēng)速變化值。

2.3 計(jì)算分析

1）空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度

計(jì)算粗糙度[15]公式如下：

式中：Z0為地表粗糙度，U1、U2分別為高度Z1、Z2處的風(fēng)速。

（2）變異系數(shù)：?jiǎn)挝唬?）

式中：CV（%）變異系數(shù)（Coefficient of Variation）：是標(biāo)準(zhǔn)差與其平均數(shù)的比，是反映數(shù)據(jù)離散程度的絕對(duì)值。S為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均數(shù)。

風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)在EXCEL中作計(jì)算分析，包括方差分析、差異性比較、圖表制作等。

3 結(jié)果分析

3.1 水面前后的風(fēng)速廓線

當(dāng)風(fēng)通過(guò)青土湖水面前后，隨著高度增大，風(fēng)速呈指數(shù)增加（如圖2所示）。水前15cm高度的風(fēng)速與200cm相差0.81m/s，水后0m的風(fēng)速梯度相差0.57m/s，水后500m的風(fēng)速梯度相差0.57m/s則相差0.90m/s。距水面0m前后的風(fēng)速變率都小于水后500m的風(fēng)速，其變異系數(shù)分別是13.33%、13.95%和17.73%。

圖2 青土湖岸的水面前后的風(fēng)速廓線

3.2 空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度

輸水形成人工湖后，在高度15cm、50cm、100 cm、150cm處的水面前后風(fēng)速差異顯著（P＜0.05），200cm處的差異不顯著（P＜0.05）。但是，但當(dāng)氣溫較高的中午，風(fēng)速大于5 ms-1時(shí)，風(fēng)經(jīng)過(guò)水面遞減。

水面前的空氣動(dòng)力粗糙度小于水面后（見(jiàn)表1），在高度200cm處的水面前后風(fēng)速變化差異不顯著，應(yīng)用50cm高度和200cm處的風(fēng)速計(jì)算空氣動(dòng)力粗糙度，水面前的粗糙度小于水面后，水面有改變空氣動(dòng)力粗糙度作用，影響風(fēng)速變化。

表1 青土湖岸迎風(fēng)向和背風(fēng)向50cm和200cm高度的風(fēng)速平均值及其粗糙度

3.2 不同時(shí)間的風(fēng)速

當(dāng)風(fēng)經(jīng)過(guò)水面前后時(shí)，背風(fēng)面的平均風(fēng)速大于迎風(fēng)面（如圖3所示），但其變化率與氣溫相關(guān)。氣溫較高時(shí)，風(fēng)速變化率較小，晚上0：00至早上7點(diǎn)之前風(fēng)速變化率較大，0：00-2：00風(fēng)速變化率達(dá)到136.54%（見(jiàn)表2）。在風(fēng)速較大的中午，風(fēng)速大于5 ms-1時(shí)，風(fēng)經(jīng)過(guò)水面遞減。風(fēng)速的變化與空氣溫度變化相一致，隨空氣溫度增加而增大。

表2 青土湖岸不同時(shí)間向風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)速

圖3 青土湖岸的水面前后風(fēng)速隨時(shí)間的變化

3.3 距水面不同距離的風(fēng)速

當(dāng)風(fēng)通過(guò)青土湖水面前后時(shí)，隨著距水面距離增大，風(fēng)速呈指數(shù)增加，變異系數(shù)為33.82%。0～500范圍的風(fēng)速相差距3.34倍，變異系數(shù)為33.82%。水面50 m的風(fēng)速是0m風(fēng)速的2.20倍，變異系數(shù)達(dá)53.03%，風(fēng)速增加了1.91m/s。距水面50～200m，風(fēng)速只增加0.15 m/s，200 m風(fēng)速是50 m風(fēng)速的1.04倍，變異系數(shù)為3.03%。距水面50m之外，風(fēng)速發(fā)生較大變化，50～200m范圍的風(fēng)速變化較小。在距水面在距水面0～50m，風(fēng)速相對(duì)較小。這于空氣溫濕度變化相關(guān)（如圖4所示）。在距水面0～150m，空氣溫度相對(duì)較低，風(fēng)速也小。在距水面0～200m，空氣濕度相對(duì)較大，風(fēng)速反而較小。

圖4 青土湖岸距水面0-500m范圍的溫度、濕度和風(fēng)速變化值

4 討論與結(jié)論

1）風(fēng)通過(guò)水面附近，其風(fēng)速廓線的變化率小于沙漠，200 cm以下的梯度變化差異顯著，200 cm處的風(fēng)速梯度變化差異不顯著；背風(fēng)面的平均風(fēng)速大于迎風(fēng)面。但當(dāng)氣溫較高的中午，風(fēng)速大于5 ms-1時(shí)，風(fēng)經(jīng)過(guò)水面遞減。

2）青土湖輸水形成水面后，距水面150m范圍的風(fēng)速和溫度降低，濕度增加。青土湖水面影響風(fēng)速的空間小于其作用溫度和濕度的。0～50 m范圍的風(fēng)速受水面影響較大。風(fēng)經(jīng)過(guò)開闊的水面產(chǎn)生強(qiáng)勁的向岸風(fēng)，但也受湖岸環(huán)境影響[18]。青土湖水面生長(zhǎng)蘆葦，岸邊0～50m范圍是植被相對(duì)較高和較密區(qū)域，因此降低了風(fēng)速。距青土湖水面0～150m范圍的溫度降低了55.67%，濕度增加了3倍。一定面積水體及植被都會(huì)產(chǎn)生“冷島效應(yīng)”[19-23]，青土湖水體對(duì)周圍氣溫和濕度效應(yīng)顯著，而且也可能影響當(dāng)?shù)貧夂?。?jù)報(bào)道[14]：2014年的青土湖年降水量較多年平均值增長(zhǎng)15.5mm。但青土湖水面影響區(qū)域氣候是否與全球氣候變暖有關(guān)，而且青土湖水面積及深度應(yīng)該保持多大才明顯影響區(qū)域氣候還有待研究。

3）水面附近的空氣動(dòng)力粗糙度和風(fēng)速的變化率均小于沙漠區(qū)，風(fēng)速的變化與空氣溫度變化相一致，隨空氣溫度增加而增大。水面前的粗糙度小于水面后，水面有改變空氣動(dòng)力粗糙度作用，影響風(fēng)速變化。