古尔班通古特沙漠东缘风沙流结构特征.DOC

1、古尔班通古特沙漠东缘风沙流结构特征周颖 1,2，曹月娥 1,2，杨建军 1,2，刘巍 1,2，张婷婷 1,2，吴芳芳 1,2(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.教育部绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐 830046)摘要：为探讨古尔班通古特沙漠东缘半固定沙丘风沙流结构特征，采用方口梯度集沙仪和便携式气象站，收集 2015 年 59 月期间气象数据及风沙流沙样，对近地表风沙流的输沙率、粒径组成分布、粒度参数及平均跃移高度进行分析。结果表明：输沙率（Q）随高度（H）变化规律明显，均表现为负幂（ Q=aH-b）形式递减，相关系数均较高，风沙运移主要集中在近地表 0-40cm，其输

2、沙量占总量的 73.7% 97.9%；风沙流组成以细砂（0.1-0.25mm）为主，中砂（0.25- 0.5mm）次之，平均粒径（M）集中在 120250m之间，随着高度的增加，风沙流中极细砂含量增加，中砂含量减少，平均粒径大小呈递减趋势；风速、局地植被分布差异都会造成风沙流结构差异，沙粒的平均跃移高度与风速大小呈正相关性，同时风向的变化也造成局地风沙流平均跃移高度在纵深上分布规律的差异。关键词：风沙流；集沙仪；跃移高度；古尔班通古特沙漠中图分类号：X169 文献标识码：ASand flow structure characteristics in east of Gurbantnggt De

3、sert Zhou Ying1,2，Cao Yue-e 1,2，Yang Jian-jun 1,2 ，Liu Wei 1,2，Zhang Ting-ting 1,2，Wu Fang-fang 1,2(1.College of resources and Environmental Science of Xinjiang university， Urumqi， 830046;2.Key Laboratory of Oasis Ecology， Urumqi， 830046)Abstract: The Gurbantnggt Desert, located in Junggar Basin in

4、north Xinjiang, is the second largest desert in China, fixed and semi-fixed dunes are the main types in the desert. In this paper, 0-100cm above-ground sand were collected by sand traps, which sited perpendicular to the main wind direction at May to September 2015, at the same time, using a portable

5、 weather station recorded wind speed, wind direction, atmospheric pressure and other meteorological data. Sand flow characteristics such as sand transport profile, particle composition, particle size parameters and average saltation height of sand were analyzed. Results showed that within 0-100cm, a

6、s the altitude (H) increases, the sand transport profile (Q) with a negative power function(Q=aH-b) decrements, the fitting equation has a high correlation coefficient, 73.7%97.9%of sand movement mainly in near-surface of the range of 0- 40cm. according to the American of system of soil texture stan

7、dard, the main texture was fine sand(0.1-0.25mm) followed by medium sand (0.25- 0.5mm), the mean grain-size(M) which calculated by graphical method of Folk and Ward between 120250m. With the growth of height, the content of very fine sand increased，medium sand content reduced，The mean grain-size was

8、 showing a decreasing trend. The different of wind speed and local vegetation distribution caused the variation of sand flow structures, average saltation height of sand was positively correlated with wind speed, and the change of wind direction also due to the difference of distribution of average

9、saltation height between each sand traps, the main reasons for this phenomenon may be the difference land surface pattern of both 收 稿 日 期 ： 2016-01-11基 金 项 目 ： 国 家 自 然 基 金 “新 疆 典 型 露 天 煤 矿 区 土 壤 风 蚀 研 究 ”（ 41461056） ， 新 疆 维 吾 尔 自 治 区 高 校 科 研 计 划 科 学 研 究 重 点项 目 “新 疆 开 发 建 设 项 目 水 土 流 失 预 测 研 究 ”（ XJD

10、X2012I13） 。作 者 简 介 ： 周 颖 （ 1990-） ， 女 ， 四 川 南 充 人 ,硕 士 研 究 生 ， 主 要 从 事 干 旱 区 土 壤 风 蚀 研 究 ， E-mail： 通讯作者：曹月娥（1976-）,女 ,新疆昌吉人，副教授,研究方向:国土整治与 3S 技术应用.E-mail: 联系电话：13369679666side of monitoring point.Key words: sand flow; sand trap; saltation height; Gurbantnggt Desert1 引言风沙流是指沙粒被风扬起并随风沿地面及近地空间搬运前进形成的挟

11、沙气流，了解风沙流结构特征和运动方式对于风蚀、风积作用的研究及防沙措施的制定具有重要意义 1-32。由于风沙物理学的发展，风沙运动广受人们关注，并取得大量研究成果，研究对象包括流动沙丘、流沙地、海岸沙脊、不同植被盖度下垫面、高原农田等 4-103-6，且多采用野外实地观测 117-138结合风洞模拟实验 149-1710对风沙流结构特征进行分析。冯大军等 1811, 1912采用风洞实验设备，选取不同沙床以探究风沙流输沙量的垂向分布、沙粒粒度的垂直和水平分布特征，为非均匀风沙运动中不同粒径沙粒各自输沙特征分布研究奠定了基础。我国北部地处干旱半干旱区，沙地面积大，为研究风沙流的主要区域，研究区主

12、要集中在塔克拉玛干沙漠 12, 2013、腾格里沙漠 3, 2114、乌兰布和沙漠 22, 2315、毛乌素沙地 24, 2516、 古尔班通古特沙漠 43等，风沙流结构特征也由于地域差异而不尽相同，杨兴华等 2617-2818在塔中地区对沙尘天下的风沙流研究表明，在大风天气下，风沙流分布高度显著高于其他地区，这为本文提供了良好的参考依据。本文以古尔班通古特沙漠东缘为研究区域，基于 2015 年 5 月至 9 月的野外观测的数据，对其风沙流结构特征进行分析，在前人研究的基础上，探究半固定沙丘的风沙流特征以及沙粒跳跃高度与风速、风向之间的关系，进一步了解古尔班通古特沙漠的风沙运动特征，同时，为下

13、风向卡拉麦里自然保护区以及准东煤田露天矿区研究土壤风蚀提供数据支持，以期能准确估算露天煤矿开采活动造成的土壤侵蚀量。2 研究区概况及研究方法2.1 研究区概况古尔班通古特沙漠位于新疆准噶尔盆地中央，介于 8403 9000E 和 44114621N 之间，面积约 4.88 km2，是中国第二大沙漠也是我国最大的固定和半固定的沙丘 29。研究区选取古尔班通古特沙漠东部边缘，该区常年少雨，日照充足，热量丰富，昼夜温差大，春秋季多风，年降水量 70 150mm，冬季有稳定积雪，为典型的极端干旱大陆气候，与其他沙漠相比较湿润。全年主导风向为西北风，多年平均风速 2.0m/s-1，最大风速为 16 m/

14、s-1。地表植被十分稀疏，物种十分单一，由超旱生小半灌木、灌木、盐柴类、蒿类半灌木等一年生草本组成，主要分布在沙垄垄间和两坡中下部，主要植被有沙拐枣（Calligonum arborescens Litv.） 、盐生假木贼（Anabasis salsa(C.A.M.).Benth） 、蛇麻黄(Ephedra distachya L.)、梭梭 (Haloxylon ammodendron (C. A. Mey.) Bunge)，常伴生少量猪毛菜(Salsola collina Pall.)、驼绒藜（ Ceratoides latens (J. F. Gmel.) Reveal et Holmgr

15、en） 、戈壁藜（Iljinia regelii (Bunge) Korov.）和霸王(Sarcozygium xanthoxylon Bunge)等植物。2.2 研究方法监测点位于古尔班通古特沙漠东缘（883520E，45637 N）的半固定沙丘(图 1（a）)，阜康县东部，该区域地表起伏度较小，无高大沙丘，地势平坦，分布有梭梭(Haloxylon ammodendron (C. A. Mey.) Bunge)，少量沙拐枣（Calligonum arborescens Litv.）及蒿类，植被覆盖度约为 2%。在沙垄上布设方口梯度集沙仪及小型气象站，垂直于常年主导风向方向共布设 5 个方口梯

16、度集沙仪，集沙仪间距为 100m，从左至右依次将集沙仪编号为A、B 、 C、D、 E (图 1（b）) 。方口梯度集沙仪可收集近地表 0- 100cm 的风沙流，共 10层，每层并排 2 个进沙口，进沙口的宽和高分别为 5cm，进沙口距离为 5cm，集沙仪出沙口布设集沙袋。同时在半固定沙丘架设小型气象站，主要监测气象要素有：风向、风速， 、气压、气温、空气湿度。集沙仪连续收集 2015 年 4 月 30 日至 9 月 5 日期间风沙流沙样，风沙流取样时间为 5月 1 日、5 月 24 日、7 月 6 日、8 月 11 日以及 9 月 5 日，共 5 次，但 7 月 6 日仪器故障，因此进行分析

17、的共 4 次风沙流，根据时间顺序定义沙样编号为May1、 May2、 Aug、Sep。May1 采样为两天输沙量，期间发生沙尘暴，为极端天气。风沙流沙样带回实验室进行称重和粒径分析，粒径分析采用激光粒度仪（Microtrac Bluewave）分析，采用湿法测定沙粒粒径。输沙量由精度为 0.001g 分析天平称重。粒径分级采用美国制，根据福克和沃德(1957)的公式和定义用粒度分析软件 GRADISTAT 求得各粒度参数。所有数据均采用 Origin8.0 制图，采用 SPSS 拟合分析。3 结果与分析3.1 风沙流输沙率的分异规律输沙率是指气流在单位时间单位宽度内搬运的沙粒质量 30，本文数

18、据为长期监测数据，故输沙率公式单位采用 g/(cm-1d-1)，集沙仪收集到 0- 100cm 高度内的 4 次沙样，其输沙率与高度变化如图 2 所示，可以看出，随着高度的增加，所有风沙流的输沙率整体呈递减趋势，且规律一致，并在 0- 40cm 内变化最为明显。通过统计分析可以得到，沙尘暴天气下的风沙流结构与其他风沙流结构存在差异，May1 风沙流 0- 10cm 高度层输沙量占输沙总量的 21.2%36.7%，而 0-40cm 高度层则占总量的 52.1%79.1% ，与杨兴华等人2818在塔中地区的得出的研究结果较为相近。其他风沙流 0-40cm 高度层占总量的73.7% 97.9%，与刘

19、芳等人 2315在对乌兰布和沙漠东北缘观测得到气流所搬运沙量的 90%在离地表以下 30cm 结果较一致。造成研究区风沙流结构存在差异的原因是由于沙尘暴天气下平均风速较高，提高了对风沙搬运的高度，使近地面输沙量百分比变小，风沙流结构变异。510520354056057805910010203040506070Q (gcm-1d-1) H (cm) ABC DE51052053054050560570580590100.20.4.60.81.21.4.61.82.0.2.4Q (gcm-d-)H (cm)ABC DEMay1 May2510520354056057805910012345678Q

20、 (gcm-1d-1)H (cm)ABC DE510520354056057805910012345678910123Q (gcm-1d-1) H (cm) ABC DEAug Sep图 2 1 输沙率与高度关系为进一步分析输沙量随高度变化的规律，将高度（H ）与输沙率（Q ）进行拟合，由拟合结果可知，输沙率随高度的增加呈幂函数衰减的趋势（表 1） ，可表达为：Q=aH-b （1） 式中 Q 为输沙率；H 为高度；a、b 为系数。除个别数据外，风沙流对幂函数关系均有统计学意义(PCADE，Aug 、Sep 平均跃移高度在纵深方向上分布规律却与之存在差异，而风向变化同样为 May1、May2 以

21、 W，NW 为主，而 Aug、Sep 风向以 NE、E为主（图 65） ，具有明显的一致性。因此可以推断，风向的变化改变了风沙平均跃移高度的局地分布规律，并且风向为 W、NW 时，监测点之间风沙跃移高度差异明显比风向为NE、E 时的大。由于监测点位于古尔班通古特沙漠东缘，西北偏西方向为沙漠腹地，属固定半固定沙丘，主要景观类型是沙漠，沙粒的组成也相对较为丰富；而监测点东北偏东方向则以戈壁类型为主，分布有少量荒漠草地，两侧下垫面的不同可能是导致由风向变化从而造成风沙平均跃移高度在纵深方向上变化趋势差异的原因。但是，对于风向相同（西北偏西）时，五个监测点之间表现出的差异，可能是由于集沙仪周边梭梭等较

22、高灌木以及不平坦沙丘所引起的局部湍流所致。NNEESESSWWNW01000200030004000May1NNEESESSWWNW0200040006000800010000May2NNEESESSWWNW0500100015002000AugNNEESESSWWNW030060090012001500Sep图 56 风向频率玫瑰图4 结论通过分析古尔班通古特沙漠东缘半固定沙丘的风沙流，得出以下结论：（1）古尔班通古特沙漠东缘风沙流随高度增加均呈负幂函数的形式递减，0-40cm输沙量占总量的 73.7%97.9%，沙尘暴等极端天气，由于风速较大，输沙率与一般天气差异显著，且 0-40cm 内

23、输沙量比重减少。（2）古尔班通古特沙漠东缘风沙流中优势粒级为细砂，其百分含量最大（60%-90%） 。中砂和极细砂百分含量次之，而粗砂与粉砂含量极少。除沙尘暴天气外，随着高度的增加，风沙流中极细砂含量增加，中砂含量减少，而细砂变化趋势不明显。监测点之间粒径组成的差异主要来自于下垫面。（3）研究区风沙流的平均粒径在 120250m 之间，随高度呈递减趋势，风沙流分选性较好，沙粒粒径符合一般的正态分布，风速与局地植被分布对风沙流的平均粒径分布有一定影响。（4）沙粒的平均跃移高度与风速大小呈正相关性，同时风向的变化也造成局地风沙流平均跃移高度在纵深方向上分布规律的差异。由于地域差异，且采取连续不间断

24、观测，因此，本研究结论与他人研究存在一定的差异 1,3,5。虽然通过野外监测及实验，对该风沙流结构特征有一定的了解，但如若想进一步全面研究该区风沙流结构特征，还需改进实验仪器设备以及增加监测样点间距离以提高区域代表性。参考文献：1 杨东亮, 王雪芹, 胡永锋,等. 风沙流输沙通量垂向分布研究以塔克拉玛干沙漠南缘流沙地表风沙流观测为例J. 中国沙漠, 2012, 32(3): 631-639.2 李振山, 倪晋仁. 风沙流研究的历史、现状及其趋势J. 干旱区资源与环境, 1998, 12(3): 89-97.32 张正偲, 董治宝. 腾格里沙漠东南部野外风沙流观测J. 中国沙漠, 2013, 3

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