康永德, 杨兴华, 何 清, 杨 帆, 霍 文, 艾力·买买提明

(1.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所, 新疆 乌鲁木齐 830002; 2.新疆师范大学 地理科学与旅游学院, 新疆 乌鲁木齐 830054)

塔中地区近地层风沙流的结构特征

康永德1,2, 杨兴华1, 何 清1, 杨 帆1, 霍 文1, 艾力·买买提明1

(1.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所, 新疆 乌鲁木齐 830002; 2.新疆师范大学 地理科学与旅游学院, 新疆 乌鲁木齐 830054)

[目的] 分析特定高度的风沙流结构，阐明其风沙流运动规律，为防沙治沙提供理论依据。[方法] 采用全方位微梯度集沙仪和风速仪，收集2014年7月至2014年8月风沙流输沙样，通过对近地层0—85 mm风沙流输沙率、风速进行分析。[结果] 输沙率与风速的最佳拟合关系为幂函数，相关系数为0.968 7。随风速的增大，风沙流输沙率主要集中在0—35 mm，0—5和15—35 mm百分含量基本呈上升的趋势，5—15和35—85 mm百分含量基本呈下降的趋势。[结论] 风沙流运动是一种贴近地面沙物质的搬运过程，随风速的增大，输沙量越来越集中在0—35 mm范围内。因此，采取各种措施改变近地表层的风状况及风沙流结构就能有效地削弱风沙活动的强度。

近地层; 风沙流结构; 输沙率; 塔中地区

文献参数： 康永德, 杨兴华,何清, 等.塔中地区近地层风沙流的结构特征[J].水土保持通报，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

风沙流结构是输沙量随高度的分布形式和变化规律，也是近地面输沙强度评估和防沙治沙工程布设的重要参数之一[1]，阐明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[2]。随着风沙物理学的发展，风沙流运动备受人们关注。自20世纪40年代以来，随着野外观测、风洞试验等手段的完善，以及数值模拟技术的高速发展，国内外学者在风沙流结构领域中取得了巨大成果。研究范围涉及固定沙丘与半固定沙丘、流动沙丘、河岸沙丘、海岸沙脊、平原农田等[3-6]。中国学者在野外观测和风洞模拟试验[7-9]方面进行了大量的研究。例如，屈建军等[10]，尹永顺等[11]在戈壁风沙流结构方面进行了研究；杜鹤强等[12]在塔克拉玛干沙漠的研究；哈斯[13]、张正偲等[2]对腾格里沙漠的研究；以及乌兰布和沙漠、毛乌素沙地等进行的研究[14-16]，探讨了风速、下垫面、输沙量、天气、粗糙度等对风沙流结构的影响。研究发现各因素之间不仅自身变化，也相互促进或制约[17]。研究者一般认为，风沙流结构呈指数函数[18]或幂函数[19]分布。但随着下垫面、气象因素、集沙仪等不同，风沙流运动亦呈特定形式。例如，受地表沉积物粒度影响，戈壁地表甚至新月形沙丘表面的风沙流结构出现“象鼻效应”[10-12]。众所周知，新疆是西北干旱区荒漠化面积最大、分布范围较广，灾害程度最严重的区域之一，全疆许多县市风沙灾害天气频发，对耕地、草地、林地、道路等带来严重威胁。例如南疆，特别是塔里木盆地危害最甚,是全疆沙漠化防治最为重点的区域[20]。因此，本文拟选取塔克拉玛干沙漠腹地的塔中地区为研究区，借助野外实测数据，进行特定高度的风沙流结构分析，以期阐明其风沙流运动规律，为防沙治沙提供理论依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

塔中地处塔克拉玛干沙漠腹地(38°57′29″—38°59′48″N,83°42′54″—83°44′59″E，海拔1 127～1 144 m)。年平均气温12.4 ℃，7月温度最高为28.0 ℃，12月最低温度为-8.0 ℃。年均降水量约25.9 mm，蒸发量约3 638.6 mm。风沙活动频繁，风力强劲，年平均风速2.3 m/s，年起沙风速高达500次以上，最大瞬时风速达到20.0 m/s，起沙风向主要在ENE，NE方向。扬沙、浮尘年平均不少于157 d，沙尘暴年平均不少于16 d[21]。地表植被匮乏，群落结构简单。沙样粒径主要集中在63～250 um，以细砂、极细砂为主。

1.2 研究方法

2014年7—8月在塔中进行风速与输沙量的同步观测。沙样收集仪器为乌鲁木齐沙漠气象研究所何清等研制的微梯度旋转集沙仪,共4个高度，依次为0—5，5—15，15—35，35—85 mm。其工作原理:来风时，风吹动尾翼，尾翼旋转带动集沙仪转动，保持进沙口始终对准来风的方向，达到起沙风速时，沙粒便通过积沙口进入积沙盒，进入集沙盒不同高度的沙粒依次进入相应的集沙室。

风速仪安装在距地面50 cm高程处，将采集的初始时间为1 min的风速数据〔即风速数据采集时间间隔(频率)为1次/min〕转化成10 min平均风速，将10 min平均风速作为本试验的风速数据进行处理。沙样每10 min收集1次并及时装袋，样品经预处理后，由精度为0.001 g分析天平称重计算输沙率。上述实测数据的统计和制图用Excel和Sigmaplot 12.5软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同风速下各高度输沙率的变化情况

对0—85 mm高度内的4层沙样进行分析，其输沙率与高度间的关系如表1—2所示，可以看出，0—85 mm垂直高度内，随着风速的增大，各层输沙率和总输沙率整体随风速呈递增趋势，变化规律趋于一致，第4层35—85 mm处输沙率随风速增加不明显。利用统计学分析可得：风速小于7 m/s时，每层输沙率随风速的增大，输沙率增加的趋势不显著；风速大于7 m/s时，气流搬运沙量急剧增加，各层的输沙率随风速的增大而增加地十分显著，但发生在各时间段的输沙率变化又有不同。7月16日输沙率大小依次为：5—15 ,0—5，15—35，35—85 mm，7月31日输沙率大小依次为：0—5，15—35，5—15，35—85 mm，其中风速小于8.0 m/s时，0—5和15—35 mm输沙率值相近，风速大于8.0 m/s时，相邻两高度层输沙率值差异明显。随着风速的增加，0—85 mm高度内,0—35 mm高度层的输沙率变化最为剧烈，说明风沙流活动主要集中于0—35 mm高度层，同时表明风沙流运动是一种贴近地表的沙物质的搬运过程[16]。造成该区域风沙流结构变异的主要因素可能是沙尘暴天气过程下平均风速较高，提高了对风沙搬运的高度，使近地面输沙量百分含量减小，风沙流结构变异。

2.2 风速与各高度层输沙率的相关性

对各层输沙率(Q)与风速(V)进行拟合，得出最佳关系曲线是幂函数关系，且输沙率随高度的增加呈幂函数增加的趋势(表3)，关系方程式为(1)：

Q=aVb

(1)

式中：Q——各高度层总输沙率〔(g·cm)/10 min〕；v——50 cm处风速(m/s);a，b——系数。系数a间接反映了近地表各高度层输沙率的差异，b表征了各高度层输沙率的大小。由拟合结果知，各层输沙率均随风速的增大而增加，相关系数R2为0.968 7，说明各层输沙率与风速的相关性较好。从b值可以看出风速对高度层的影响主要集中在0—35 mm范围内。

表1 2014年7月16(15:02-18:28)不同风速(m/s)下的输沙率 (g·cm2)/10 min

表2 2014年7月31(17:02-20:22)不同风速(m/s)下的输沙率 (g·cm2)/10 min

表3 2014年各高度层输沙率与风速的相关性

2.3 各高度输沙量百分比与风速的相关性

为了精细化研究0—85 mm高度的风沙流结构特征，分别将每层百分含量与风速进行方程拟合(表4)，发现每层的百分含量与风速间的最佳关系曲线是幂函数关系：y=axb和对数函数关系：Y=y+alnx。出现不同拟合函数的原因可能是：近地面空气干湿度不一样、沙粒物质机械组成、下垫面粗糙度不同等。当达到一定风速时，每层的百分含量变化不明显，当风速未达到这一值时，表现为幂函数；当风速超过这一值时，表现为对数函数。由表4知，虽然近地面输沙量的差异造成拟合函数的关系式不同，但总体趋势一致。因此，无论服从幂函数还是服从对数函数，每层输沙率百分含量与风速的相关性均较好，相关系数R2最大为0.951 0，R2最小为0.781 9。从a和b值可以看出，0—5和15—35 mm的百分含量随风速呈现增大的趋势，5—15和35—85 mm的百分含量随风速呈现减小的趋势，同时由35—85 mm高度层方程的a和b值说明随着风速的增大，输沙量越来越集中在0—35 mm范围内，徐军等[22]研究发现，随着风速的增加，40—80 mm的百分含量呈现下降的趋势，与本文研究结果大致相同。

表4 2014年各高度层输沙量百分比与风速的相关性

2.4 总输沙率与风速的相关性

由图1可知，总输沙率随风速增大呈幂函数规律增加，与朱震达[23]的研究结果相吻合，拟合最佳函数关系式为(2)：

Q=aVb

(2)

式中：Q——总输沙率〔(g·cm)/10 min)〕；V——50 cm处风速(m/s)；a，b—系数。

图1 塔中地区总输沙率与风速的相关性

从图1中不难发现，风速小于7 m/s时，总输沙率呈现增大的趋势，但比较缓慢，风速大于7 m/s时，增大趋势明显，说明风速的增大,沙粒携带的能量增加，从而气流搬运的沙量急剧增加。

3 讨 论

风沙流在地表运移过程中，主要集中在地表一定高度。Chepil等[24]研究发现，在地表0—5 cm内占总搬运量的60%～80%；毛东雷[25]研究表明，10和30 cm 高度范围的积沙量占总输沙量的百分比分别在23.43%～50.40%和64.30%～83.13%；张正偲等[26]研究腾格里沙漠时指出，风沙流主要集中在10 cm高度内，约占总输沙量的95.46%。本文基于野外大量的观测数据研究发现，风沙流主要中集中在0—35 mm高度范围内，说明0—85 mm 气流层内沙粒的运动以跃移为主，侧面反映出风沙流运动是一种贴近地表的沙物质搬运过程，这一结果与其他研究者的观测结果一致。上述所有试验结果均表明风沙运动是一种贴近地面的沙物质的搬运过程，因此，采取各种措施改变近地表层的风状况及风沙流结构就能有效地削弱风沙活动的强度。

有研究表明，总输沙量及各高度层的输沙量均随风速的增加而增加，拟合曲线遵循幂函数[27-28]，丁国栋[29]、朱震达等[23]研究显示，总输沙量和各高度层输沙量随风速增加呈对数关系，并不因风速和下垫面改变而发生变化，屈建军等[10]研究发现，戈壁风沙流结构具有与沙漠风沙流完全不同的风沙流特征，其表面风沙流输沙量高度分布表现出独特“象鼻”效应，在一定高度处呈现最大值，并随风速的增加而增高；杜鹤强等[12]研究表明，新月形沙丘因部位不同呈现不同的曲线。本研究显示0—85 mm总输沙量与各梯度输沙量均呈现幂函数关系。

由于研究区域间的差异及观测时间间隔性的不同，今后若进一步全面探究该区域风沙流结构特征，还有待继续加强试验精细化观测。由此可见，风沙流结构仍是一个继续性研究的课题，不同研究者研究结果有所差异，或许是因为研究区不同或下垫面性质的不同所致。本研究基于长期野外观测的基础上，结合微梯度集沙仪，更加精细化阐明了0—85 mm风沙流结构运动规律，可为今后进一步对风沙流结构的研究提供理论依据。

4 结 论

塔中地区风沙流随高度与风速增大均呈幂函数形式递增，输沙率集中在0—35 mm内。沙尘暴天气过程中，由于风速较大，输沙率表现出其特有的形式，0—5和15—35 mm高度呈上升的趋势，5—15和35—85 mm高度呈下降趋势，其中，15—35和35—85 mm高度层变化最为明显，0—5 mm变化不明显。由于风速和输沙率的不同，导致各梯度输沙率与风速的最佳拟合函数呈现幂函数和对数函数，由系数b得出，随风速的增大，输沙量越来越集中在0—35 mm范围内。

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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

国家自然科学基金项目“风沙两相流结构特征精细化观测与模拟研究”(41375163)

康永德(1989—),男(汉族),甘肃省张掖市人,硕士研究生,研究方向为资源开发与环境灾害。E-mail:2631310516@qq.com。

何清(1965—)，男(汉族),四川省成都市人,博士,研究员,博士生导师,主要从事资源开发与环境灾害研究。E-mail:qinghe@idm.cn。

A

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

P931.3, P425.5+5