毛烏素沙地新月型流動(dòng)沙丘風(fēng)沙流運(yùn)移規(guī)律研究

毛烏素沙地新月型流動(dòng)沙丘風(fēng)沙流運(yùn)移規(guī)律研究

沙流軌跡的研究是防沙和沙流軌跡破壞的理論基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外專家一致認(rèn)為風(fēng)沙流運(yùn)移和風(fēng)沙地貌是一項(xiàng)重要的指標(biāo),也是非常必要的研究課題。尤其是當(dāng)前涉及到的沙漠化監(jiān)測(cè)、防沙治沙工程及開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、人類生存發(fā)展等重大問題,都與風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)問題緊密相關(guān)。風(fēng)力、沙量和下墊面是影響流沙運(yùn)移的三個(gè)要素。風(fēng)力是促進(jìn)或制約風(fēng)沙流流動(dòng)的動(dòng)力;沙量的多少直接影響著風(fēng)沙流的運(yùn)移;而下墊面對(duì)風(fēng)沙流的影響就變得十分復(fù)雜。因此本項(xiàng)研究的主要目的是通過研究流動(dòng)沙丘風(fēng)蝕積沙規(guī)律,為有效控制流沙而采取科學(xué)的措施提供依據(jù)。1儀器和觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置為探討沙漠化土地動(dòng)態(tài)變化、風(fēng)沙流運(yùn)移規(guī)律、沙丘位移、移動(dòng)速度及綜合治理途徑,我們?cè)诿珵跛厣车馗共窟x擇典型新月型沙丘,在其流動(dòng)沙丘的主軸上設(shè)置三臺(tái)(迎風(fēng)坡中部、丘頂、落沙坡中部)光電子式積雪深度測(cè)定儀(法國(guó)制造,原用于滑雪場(chǎng)測(cè)定積雪深度的精密儀器,由日本鳥取大學(xué)農(nóng)學(xué)部奧村武信先生在中日科技治沙合作研究期間直接引進(jìn)中國(guó)),觀測(cè)流動(dòng)沙丘不同部位的風(fēng)蝕和積沙規(guī)律。該儀器全部自動(dòng)記錄,可連續(xù)觀測(cè)365d風(fēng)沙流積、蝕情況的詳細(xì)資料。在典型新月型沙丘上設(shè)置測(cè)定點(diǎn)的平面圖如圖1所示。A、B、C三點(diǎn)為光電子式積雪深度測(cè)定儀的設(shè)置點(diǎn),0點(diǎn)為總控制原點(diǎn)。2沙丘變化、沙體位移以及研究地區(qū)的概念分析關(guān)于毛烏素沙地流動(dòng)沙丘的年移動(dòng)量、沙丘表面高度的變化、沙丘整體位移、移動(dòng)速度以及研究地區(qū)的概況在參考文獻(xiàn)1中有詳細(xì)的論述。本文主要是討論流動(dòng)沙丘不同部位的風(fēng)蝕和積沙變化與風(fēng)速、大風(fēng)頻率的關(guān)系。2.1風(fēng)速和沙蝕條件變化原因分析沙丘各部位的動(dòng)態(tài)變化與風(fēng)沙流的特征有直接的關(guān)系,因此,在短時(shí)間內(nèi),風(fēng)速與沙丘各部位的風(fēng)蝕、積沙過程表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。在特定的風(fēng)速下,落沙坡和沙丘頂部基本處于積沙過程,而迎風(fēng)坡則處于風(fēng)蝕過程。從圖2中,我們可以明顯看出一天之內(nèi)沙丘不同部位風(fēng)蝕、積沙過程的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。從圖2中,我們看出,隨著風(fēng)速的增加,即風(fēng)速由6.5m/s增加到14～15m/s(13∶00～14∶00時(shí))時(shí),落沙坡表現(xiàn)出一定的積沙過程,積沙厚度在1cm左右,并且基本處于一個(gè)較平穩(wěn)的積沙過程,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到當(dāng)天的最大風(fēng)速時(shí),落沙坡的積沙過程顯著加強(qiáng),積沙厚度在2cm左右,而到15∶00時(shí)以后,隨著當(dāng)天風(fēng)速的降低,風(fēng)沙流的移動(dòng)相對(duì)減緩,而在落沙坡由于渦流作用對(duì)風(fēng)沙流產(chǎn)生巨大影響,導(dǎo)致沙粒集聚下落,形成一個(gè)強(qiáng)烈的積沙時(shí)段,積沙厚度從2cm劇增到12cm左右(15∶00～17∶00時(shí))?？梢娐渖称碌姆e沙過程同時(shí)受風(fēng)速、風(fēng)沙流特征和刮風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)短的影響,也就是說,當(dāng)達(dá)到起沙風(fēng)速時(shí),隨著風(fēng)速的逐漸加大,落沙坡首先處于一種較平緩的積沙過程;當(dāng)風(fēng)速由最大逐漸下降時(shí),落沙坡的積沙過程加強(qiáng),并且由于積沙的移動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致落沙坡沙丘腳的前移。從迎風(fēng)坡的變化看(圖3),當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起沙風(fēng)速時(shí),迎風(fēng)坡處于最大的風(fēng)蝕狀態(tài),以后隨著風(fēng)速增加,直至達(dá)到當(dāng)天的最大風(fēng)速后,迎風(fēng)坡的風(fēng)蝕過程開始減弱,其原因我們認(rèn)為,隨著風(fēng)速的加大,迎風(fēng)坡同時(shí)進(jìn)行著風(fēng)蝕和積沙過程,但以風(fēng)蝕為主。因?yàn)轱L(fēng)沙流通過迎風(fēng)坡時(shí),隨著風(fēng)速的加大,風(fēng)沙流中的沙粒成分也增加,并受地面局部特征的影響,有一部分沙粒在迎風(fēng)坡沉積下來,以補(bǔ)充因風(fēng)蝕作用而吹走的沙粒,所以導(dǎo)致整個(gè)結(jié)果有所減弱,掩蓋了風(fēng)蝕作用的強(qiáng)度,形成一個(gè)由強(qiáng)風(fēng)蝕到弱風(fēng)蝕的過程,即圖3中的13∶00時(shí)到16∶00時(shí)這段時(shí)間的迎風(fēng)坡的風(fēng)蝕變化曲線特征。當(dāng)風(fēng)速由最大逐漸降低時(shí),迎風(fēng)坡處于一個(gè)比較平緩的風(fēng)蝕過程。此外,從圖2和圖3的比較中,看出落沙坡的積沙特征和迎風(fēng)坡的風(fēng)蝕特征變化趨勢(shì)正好相反。也就是說,同一天中迎風(fēng)坡的強(qiáng)烈風(fēng)蝕時(shí)間,即13∶00～14∶00時(shí),并不是落沙坡的積沙時(shí)段,而當(dāng)風(fēng)速由最大逐漸下降時(shí),迎風(fēng)坡同時(shí)也進(jìn)行著強(qiáng)烈的風(fēng)蝕和積沙過程,但以風(fēng)蝕過程為主,此時(shí)才有利于落沙坡的積沙作用。圖4是沙丘頂部的變化過程。沙丘頂部是連接落沙坡和迎風(fēng)坡的一個(gè)中間部位,從圖中看出,沙丘頂部基本處于一種由弱風(fēng)蝕到積沙的過渡特征。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起沙風(fēng)速時(shí),沙丘頂部處于風(fēng)蝕過程,造成沙丘高度的降低,隨著風(fēng)速的逐漸加大,沙丘頂部也隨之處于積沙過程,到最大風(fēng)速時(shí),沙丘頂部的積沙厚度達(dá)2cm左右,以后隨著風(fēng)速由最大到逐漸降低,沙丘頂部進(jìn)行著強(qiáng)烈的積沙過程,積沙厚度可達(dá)8cm左右,但當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)下降到臨近起沙風(fēng)速時(shí),沙丘頂部又處在一個(gè)風(fēng)蝕過程,使前期的積沙被吹走,正是這個(gè)過程削弱了沙丘的高度?？梢?沙丘頂部隨風(fēng)速的變化而產(chǎn)生具有風(fēng)蝕和積沙特征,但這一過程與風(fēng)速的變化有密切的關(guān)系。也就是說,隨著風(fēng)速由低到高或由高到低的變化,在臨近起沙風(fēng)速的時(shí)間段,沙丘頂部是處于一種風(fēng)蝕過程,而當(dāng)風(fēng)速超過起沙風(fēng)速,并逐漸增大時(shí),沙丘頂部是處于一種積沙過程。從沙丘頂部的這種變化特征看,我們可以推斷,即在起沙風(fēng)速時(shí),沙丘頂部處于風(fēng)蝕過程,因此,從全年或更長(zhǎng)時(shí)間看,當(dāng)一個(gè)大型沙丘形成以后,沙丘的高度是相對(duì)穩(wěn)定的,盡管在短期內(nèi)有增高的過程,但增高的部位會(huì)因風(fēng)蝕作用而逐漸被削弱?？傊?從某一天沙丘不同部位的風(fēng)蝕和積沙過程看,風(fēng)速是主要的影響因素,其中,迎風(fēng)坡基本處于風(fēng)蝕過程,落沙坡處于積沙過程,而沙丘頂部的變化則同時(shí)具有風(fēng)蝕和積沙過程,即在臨近起沙風(fēng)速時(shí),沙丘頂部處于風(fēng)蝕過程,當(dāng)風(fēng)速超過起沙風(fēng)速,并逐漸增大時(shí),沙丘頂部處于積沙過程。所以風(fēng)速是決定沙丘頂部風(fēng)蝕或積沙的主要因素。2.2沙面高度的月變化為進(jìn)一步探討沙丘不同部位與風(fēng)速變化的關(guān)系,我們對(duì)沙丘高度每個(gè)月的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了認(rèn)真分析。從沙丘三個(gè)部位高度的月動(dòng)態(tài)變化結(jié)果看,沙丘頂部的高度經(jīng)歷了由低到高,再到低的變化過程,落沙坡或迎風(fēng)坡總體上是處于高度下降的過程,但這一過程不是持續(xù)的,而與每月的風(fēng)速變化相一致,即有時(shí)是增加的過程,有時(shí)是降低的過程。從圖5中看出,在4月份落沙坡與大風(fēng)變化的關(guān)系。雖然在圖2中分析了落沙坡的日變化特征是處于積沙過程,但就一天的總變化結(jié)果而言,當(dāng)落沙坡達(dá)到一定的積沙厚度時(shí),必然導(dǎo)致沙粒的下移,而不是持續(xù)的增加,因此第二天儀器反應(yīng)的高度也就隨之發(fā)生了變化。所以從落沙坡高度的月變化看,總體上落沙坡的高度是處于降低的過程,也正是這種降低才導(dǎo)致了沙丘腳的前移,即落沙坡沙面的下降,在沙丘低部形成堆積移動(dòng)。同樣,在迎風(fēng)坡(圖6)由于不存在沙面的堆積下移現(xiàn)象,所以迎風(fēng)坡處于風(fēng)蝕過程。但如果連續(xù)幾天都是起沙風(fēng)速以上的大風(fēng)天氣(1～7日和20～25日),迎風(fēng)坡同時(shí)處于由逐漸風(fēng)蝕到強(qiáng)烈風(fēng)蝕的過程,導(dǎo)致沙面高度的下降,而當(dāng)大風(fēng)次數(shù)和風(fēng)速都較小時(shí),沙面也有升高的趨勢(shì)(9～20日),但總體上還是處于風(fēng)蝕過程。因?yàn)橛L(fēng)坡在日變化中,隨風(fēng)速的變化同時(shí)存在風(fēng)蝕和積沙兩個(gè)過程,并當(dāng)風(fēng)速由最大變小時(shí),相對(duì)而言,形成一種假的積沙過程(風(fēng)蝕曲線升高,但仍然是風(fēng)蝕過程),使沙面有所提高。從沙丘頂部高度的月變化看(圖7),當(dāng)大風(fēng)次數(shù)和風(fēng)速都有所減少時(shí)(7～18日),沙丘頂部基本是積沙過程,即沙丘頂部增高,但隨著風(fēng)速和大風(fēng)次數(shù)的頻繁發(fā)生(1～6日和19～24日),并且風(fēng)速達(dá)12m/s或以上時(shí),沙丘頂部處于明顯的風(fēng)蝕過程,同時(shí)沙丘頂部的高度變化也經(jīng)歷了由降低到逐漸升高的過程。如在18日,沙丘頂部處于積沙狀態(tài),但到19～20日間,由于風(fēng)速增大到10m/s以上,使18日沙丘頂部的積沙嚴(yán)重風(fēng)蝕,風(fēng)蝕厚度降低了近6cm,但到23日以后,由于風(fēng)速的由大變小,沙丘頂部又處于一種逐漸的積沙過程,到25日上沙面高度又增加了近4cm。從總體看,當(dāng)風(fēng)速由小變大時(shí),沙丘頂部每天的變化結(jié)果是處于風(fēng)蝕狀態(tài),使高度降低;當(dāng)風(fēng)速由大變小時(shí),沙丘頂部每天的變化結(jié)果是處于由假積沙到真積沙狀態(tài),使沙丘高度逐漸增加,這一變化從18～25日間的變化曲線中可明顯的看出;當(dāng)風(fēng)速較小,并且連續(xù)幾天刮風(fēng)次數(shù)也較少時(shí),沙丘頂部基本保持一定的高度范圍,并處于一種持續(xù)的積沙過程(圖7中7～18日的變化曲線)?？梢婏L(fēng)速和大風(fēng)頻率對(duì)沙丘頂部高度的變化具有明顯的影響。2.3積沙與風(fēng)蝕的關(guān)系從年際間沙丘不同部位風(fēng)蝕和積沙情況與風(fēng)速的關(guān)系看,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),迎風(fēng)坡基本是處于一種持續(xù)的風(fēng)蝕狀態(tài);與上述迎風(fēng)坡風(fēng)蝕的日變化和月變化情況基本吻合,三年間迎風(fēng)坡的沙面高度下降了近100cm,年平均風(fēng)蝕厚度30cm。從圖8中還可以看出,風(fēng)速和起沙風(fēng)次數(shù)的增加(1994年4月和1995年4月),迎風(fēng)坡的風(fēng)蝕強(qiáng)度也加劇,其變化曲線明顯呈下降趨勢(shì);而當(dāng)起沙風(fēng)次數(shù)較小的時(shí)段(1993年8月～11月和1994年8月～1995年1月),風(fēng)蝕曲線也比較平穩(wěn),但始終都保持在持續(xù)的風(fēng)蝕狀態(tài),所以每年的4～5月是迎風(fēng)坡最嚴(yán)重的風(fēng)蝕時(shí)期。從落沙坡的積沙曲線看(圖9),各年間落沙坡基本是處于長(zhǎng)期的積沙狀態(tài),但在每年中同樣以4月為積沙的強(qiáng)烈時(shí)期,其變化曲線明顯升高。隨著年際間時(shí)間的延長(zhǎng),落沙坡的積沙厚度也在持續(xù)的增加,除1994年以外,其變化曲線也比較平緩,并且處于持續(xù)的積沙過程,所以正是由于落沙坡的持續(xù)積沙,最終才導(dǎo)致了沙丘的堆積前移。從圖10中也能看出沙丘頂部的積沙和風(fēng)蝕過程。1993年4月以后,風(fēng)速和大風(fēng)次數(shù)明顯增加,而沙丘頂部也表現(xiàn)出明顯的風(fēng)蝕狀態(tài),特別是到了8～11月間沙丘高度明顯降低,其原因一是反季節(jié)風(fēng)的影響,另外是由于降雨作用,導(dǎo)致沙丘高度降低(其他年份也有同樣的變化趨勢(shì))。由于這種風(fēng)蝕作用,導(dǎo)致落沙坡的積沙,也就是圖9中1993年4月～6月間落沙坡有一個(gè)明顯的積沙過程(變化曲線升高),以后,又在第二年的風(fēng)季沙丘頂部的風(fēng)蝕過程又有所加強(qiáng),并且落沙坡的積沙也達(dá)到了最大,所以沙丘頂部和落沙坡之間的風(fēng)蝕與積沙關(guān)系,進(jìn)一步說明沙丘頂部風(fēng)蝕、積沙對(duì)落沙坡積沙的影響?？傊?從上述各年際間沙丘不同部位的變化看,在每年的春季,落沙坡明顯處于積沙過程,迎風(fēng)坡則為風(fēng)蝕過程,而沙丘頂部也同樣在春季進(jìn)行著積沙過程(變化曲線升高),但從每年最終的變化結(jié)果看沙丘頂部的高度一直在進(jìn)行著由高到低或由低到高的波動(dòng)過程,因此沙丘一旦形成后,其整體高度基本保持在一定的水平,而不是持續(xù)的增加或降低。迎風(fēng)坡多年的變化表明,沙面在不斷的進(jìn)行著風(fēng)蝕,盡管每年都有一個(gè)較平穩(wěn)的時(shí)期,但第二年在此基礎(chǔ)上又進(jìn)一步風(fēng)蝕。同樣,在落沙坡則每年都在前一年積沙的基礎(chǔ)上,又進(jìn)行著同樣的積沙過程,這一過程的原因一是沙丘頂部的積沙,導(dǎo)致沙丘脊線前移,使積沙不斷埋在觀測(cè)儀器上(儀器的觀測(cè)點(diǎn)是不變的),另一個(gè)是在落沙坡中的積沙進(jìn)行著下移不斷的堆積過程,導(dǎo)致儀器被沙埋,同時(shí)促進(jìn)沙丘腳的前移,表現(xiàn)為沙丘的整體前移。從多年的積沙結(jié)果看落沙坡主要是進(jìn)行著持續(xù)的積沙過程。3沙面質(zhì)量與高度落沙坡的積沙過程同時(shí)受風(fēng)速、風(fēng)沙流特征和刮風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)短的影響,當(dāng)達(dá)到起沙風(fēng)速時(shí),隨著風(fēng)速的逐漸加大,落沙坡首先處于一種較平緩的積沙過程;當(dāng)風(fēng)速由最大逐漸下降時(shí),落沙坡的積沙過程加強(qiáng)。風(fēng)速達(dá)到起沙風(fēng)速時(shí),迎風(fēng)坡處于最大的風(fēng)蝕狀態(tài),而當(dāng)風(fēng)速由最大逐漸下降時(shí),迎風(fēng)坡同時(shí)也進(jìn)行著強(qiáng)烈的風(fēng)蝕和積沙過程,但以風(fēng)蝕過程為主。沙丘頂部隨風(fēng)速的變化同時(shí)具有風(fēng)蝕和積沙特征,隨著風(fēng)速由低到高或由高到低的變化,在臨近起沙風(fēng)速的時(shí)間段,沙丘頂部是處于一種風(fēng)蝕過程,而當(dāng)風(fēng)速超過起沙風(fēng)速,并逐漸增大時(shí),沙丘頂部是處于一種積沙過程。從月動(dòng)態(tài)變化看:落沙坡高度總體上是處于降低的過程。迎風(fēng)坡處于持續(xù)的風(fēng)蝕過程。但如果連續(xù)幾天都出現(xiàn)大于起沙風(fēng)速的大風(fēng)天氣,迎風(fēng)坡同時(shí)處于由逐漸風(fēng)蝕到強(qiáng)烈風(fēng)蝕的過程,導(dǎo)致沙面高度的下降,而當(dāng)大風(fēng)次數(shù)和風(fēng)速都較小時(shí),沙面也有升高的趨勢(shì)。隨著風(fēng)