黃 磊， 張 余， 何明珠， 安志山

(1.寧夏公路建設(shè)管理局， 寧夏 銀川 750002； 2.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院， 甘肅 蘭州 730000； 3.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 101407)

風(fēng)經(jīng)過疏松沙表面時(shí)，其固有的搬運(yùn)能力將沙粒吹起，形成風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)。風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)是土地荒漠化的主要?jiǎng)右颍巧衬蜕衬茖W(xué)及其研究體系的重要組成部分。我國學(xué)者對(duì)沙漠科學(xué)進(jìn)行了大量的系統(tǒng)性研究[1-3]，特別是對(duì)于交通干線防沙治沙方面，取得了卓越的效果。早在1954年，國內(nèi)學(xué)者就結(jié)合包蘭鐵路選線和防護(hù)工作，開展了對(duì)騰格里沙漠東南緣風(fēng)沙地貌[4-5]、沙漠演化[6-7]、風(fēng)沙活動(dòng)規(guī)律[8]、沙生植物[9]等研究。近年來，騰格里沙漠東南緣風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)及生態(tài)防護(hù)研究多集中在沙丘表面流場[5]、植被格局[10]、土壤含水量和生物結(jié)皮等方面[11]。從單一的固沙功能來說，騰格里沙漠東南緣鐵路生態(tài)防護(hù)體系抑制了流沙的危害，體系內(nèi)風(fēng)沙沉降物源逐漸由沙粒轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿饨祲m[12]，確保了包蘭鐵路幾十年暢通無阻。此外，風(fēng)沙環(huán)境特征是設(shè)計(jì)和建立防護(hù)體系的重要參考指標(biāo)，是確保其穩(wěn)定的理論基礎(chǔ)。屈建軍等[13]對(duì)沙坡頭地區(qū)的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了長期監(jiān)測，詳細(xì)闡述了該地區(qū)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及格狀沙丘移動(dòng)與防護(hù)體系的相互作用，并對(duì)半隱蔽格狀沙障的防護(hù)效益進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[14]。此外，隨著時(shí)間的推移，體系外圍風(fēng)沙環(huán)境發(fā)生轉(zhuǎn)變，為保證防護(hù)體系功能的穩(wěn)定性，鐵路管理部門需不斷在原有防護(hù)體系的基礎(chǔ)上對(duì)防護(hù)體系局部結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行補(bǔ)充和微調(diào)。因此，亟需對(duì)區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境演變趨勢進(jìn)行系統(tǒng)性研究。本文通過分析騰格里沙漠東南緣沙坡頭地區(qū)近30 a來氣象資料，并結(jié)合人工防護(hù)體系的發(fā)展演化過程，深入研究區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境的變化趨勢，研究結(jié)果對(duì)揭示這一特殊地帶的風(fēng)沙活動(dòng)規(guī)律及完善人工防護(hù)體系有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

騰格里沙漠東南緣沙坡頭地區(qū)深居西北內(nèi)陸(104°48′—105°10′E，37°25′—37°38′N)，南鄰黃河，屬于草原化荒漠地帶，地勢西北高東南低，海拔1 200～1 600 m。沙丘類型以格狀沙丘為主，伴有新月型沙丘和及其沙丘鏈，其間多有沙窩，并見出露粉沙土和根套。大陸荒漠性氣候顯著，年均降雨量176.5 mm，年均蒸發(fā)量1 500～2 000 mm。包蘭鐵路沙坡頭段防護(hù)體系總長約15 km，主要采取“以固為主，固阻結(jié)合”的原理，即由前沿阻沙帶、封沙育草帶、草障植物帶、灌溉造林帶和卵石防火帶五帶組成。完整的防護(hù)體系只有2 km左右，主要包括4個(gè)帶。第一帶：前沿阻沙帶，利用不同植物枝條做成高度為1 m左右的立式柵欄，初設(shè)柵欄時(shí)，在其兩側(cè)設(shè)置1～4行草方格沙障，防止柵欄根部“掏蝕”；第二帶：無灌溉條件下的1 m×1 m半隱蔽草方格沙障與植物措施保護(hù)下的固沙帶，是防護(hù)體系的主體；第三帶是灌溉條件下的喬灌木林帶；第四帶為礫石平臺(tái)緩沖輸沙帶[15]。

2 資料與方法

數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn)和沙坡頭地區(qū)野外定位站的氣象資料。輸沙勢通常采用Fryberger[16]的計(jì)算方法：

DP=V2(V-Vt)t

(1)

式中：DP——輸沙勢(VU)；V——大于5 m/s的起沙風(fēng)速(m/s)；Vt——起動(dòng)風(fēng)速(m/s)；t——起沙風(fēng)作用時(shí)間，一般以頻率表示。

最大可能輸沙量采用凌裕泉[17]的計(jì)算方法：

Q=0.895(V-Vt)1.9T

(2)

式中：Q——最大可能輸沙量(kg/m·a)；V——起沙風(fēng)速(m/s)；Vt——臨界起沙風(fēng)速(m/s)；T——累計(jì)持續(xù)時(shí)間(min)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫、降雨及風(fēng)況

如圖1所示，研究區(qū)年內(nèi)月平均氣溫變化具有典型大陸性氣候特點(diǎn)，7月份月平均氣溫最高，1月份月平均氣溫最低。降水量主要集中在4—10月，占年內(nèi)總降水量的95.2%，最高降水出現(xiàn)在8月份。分析多年季度平均降水量可知，夏季降水量最多，冬季降水量最少。且降水量的年際波動(dòng)幅度較大，年最小降水量(1982年)和年最大降水量(1985年)相差173.5 mm，降水距平百分率在-5.3%～4.4%之間變化。除此之外，1983年日降水量56.2 mm，占年總降水量的24.7%。可見研究區(qū)域降水量不僅年際變化較大，且表現(xiàn)出降水時(shí)間短，但降水強(qiáng)度變化大。沙坡頭多年年平均風(fēng)速為2.4 m/s，風(fēng)季主要集中在3—5月，風(fēng)季月平均風(fēng)速均超過2.5 m/s，1月平均風(fēng)速最低。從年際平均風(fēng)速的分布來看(1991—2003缺測)，21世紀(jì)平均風(fēng)速明顯較20世紀(jì)有所增加， 以春季為例，年均風(fēng)速由20世紀(jì)80年代初期的2.36 m/s增至21世紀(jì)00年代中期的3.22 m/s，隨后又有所減小，且各年代春季風(fēng)速值均大于其它季節(jié)。極大風(fēng)速是給定時(shí)間段內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速的最大值，對(duì)風(fēng)沙防護(hù)體系和鐵路的運(yùn)行危害較大，是防護(hù)體系設(shè)置重要的理論參數(shù)之一。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)極端最大風(fēng)速37.9 m/s，風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。

3.2 起沙風(fēng)

從各季度起沙風(fēng)統(tǒng)計(jì)情況來看(圖2)，風(fēng)速主要集中在5.0～10.0 m/s，頻次為7 018次，占起沙風(fēng)總頻次的98%，隨著風(fēng)速等級(jí)的增加，頻次呈減少趨勢。分析各季度起沙風(fēng)頻次分布規(guī)律，可知春夏兩季的起沙風(fēng)頻次占到全年起沙風(fēng)總頻次的72.3%，是秋冬兩季的2.6倍，且春季起沙風(fēng)頻次最高，為3 138次。在各風(fēng)速等級(jí)內(nèi)，隨著風(fēng)速的增加，春季占全年起沙風(fēng)比例呈增加趨勢，即大風(fēng)天氣多集中在春季。統(tǒng)計(jì)各方位起沙風(fēng)頻次和頻率后，發(fā)現(xiàn)起沙風(fēng)可分為WNW-NNW組風(fēng)向和NE-E組風(fēng)向兩組，且NE-E組風(fēng)向頻次略高于WNW-NNW組風(fēng)向。此外，主風(fēng)向在各個(gè)季度內(nèi)的變化不明顯，各個(gè)季度主風(fēng)向均是WNW-NNW組風(fēng)向和NE-E組風(fēng)向的起沙風(fēng)占最大比例。比如春季W(wǎng)NW-NNW組風(fēng)向和NE-E組風(fēng)向方位的起沙風(fēng)所占比重達(dá)到該季度的44.7%，秋季W(wǎng)NW-NNW組風(fēng)向的起沙風(fēng)頻率更是高達(dá)64.5%。

圖1 沙坡頭地區(qū)氣溫、降雨、風(fēng)速隨時(shí)間變化特征

圖2 沙坡頭站2000-2010年各季度起沙風(fēng)頻次及風(fēng)速級(jí)別

3.3 輸沙勢分析

輸沙勢(DP)又稱輸沙風(fēng)能，它反映了風(fēng)速統(tǒng)計(jì)中某一方位風(fēng)向在一定時(shí)間內(nèi)搬運(yùn)沙的能力，是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度及風(fēng)沙地貌演變的重要指標(biāo)之一[20]。從歷年輸沙勢的變化情況看(圖3)，合成輸沙勢的年際波動(dòng)較大。1984—1989合成輸沙勢逐漸減小，1989年取的最小值57.46VU，之后逐年增加，至1994年取得極大值171.02VU后再次減小并穩(wěn)定在40VU左右?？梢姡?994年之前區(qū)域?qū)儆谥械蕊L(fēng)能環(huán)境，1994年之后轉(zhuǎn)變?yōu)榈惋L(fēng)能環(huán)境。除2010年東北方向的輸沙勢要遠(yuǎn)大于西北方向合成輸沙方位為偏西南方向外，其余年份合成輸沙方向都在偏東南方向，即區(qū)域西北方向的風(fēng)力相對(duì)較強(qiáng)。輸沙風(fēng)勢與輸沙風(fēng)能的比值(RDP/DP)均小于0.8，方向變率屬于中小比率。綜上所述，區(qū)域輸沙勢年際波動(dòng)幅度較大，且區(qū)域大多數(shù)年份表現(xiàn)為西北方向的輸沙活動(dòng)強(qiáng)于東北方向，但也存在東北方向輸沙能力大于西北方向的年份。

3.4 最大可能輸沙量

最大可能輸沙量(RQ)是指沙源充足，沙面平坦裸露時(shí)，氣流充分作用流沙表面所具有對(duì)沙物質(zhì)的最大可能搬運(yùn)能力，它是輸沙量的理論極限值[17]。動(dòng)力風(fēng)玫瑰(Q%)將風(fēng)向、風(fēng)速和輸沙量綜合于一體，可以更加突出地顯示輸沙強(qiáng)度的空間分布，為沙坡頭鐵路防護(hù)體系可以承載的最大沙量提供具體數(shù)值依據(jù)。表1計(jì)算了2000年之后16個(gè)方位上的最大可能輸沙量。表中所示各年合成輸沙方向均介于133.3°～161.8°之間(2009和2010年除外)，屬于東南偏南方向，和輸沙勢的合成輸沙方向較為一致(圖3)。2009年最大可能輸沙量和合成最大可能輸沙量最小，分別為16.24和3.9 m3/(m·a)，2000年最大可能輸沙量和合成最大可能輸沙量最大，分別為36.72和13.87 m3/(m·a)。為更加深入分析區(qū)域風(fēng)動(dòng)力環(huán)境的特征，分別選取2005，2008，2010年的動(dòng)力風(fēng)玫瑰(Q%，如圖4所示)。

首先剔除該地區(qū)次一級(jí)局地環(huán)流在方向場方面對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)的影響，可更直觀突出主體環(huán)流的動(dòng)力作用，之后結(jié)合輸沙勢的空間分布規(guī)律，繼而研究風(fēng)動(dòng)力環(huán)境。研究表明輸沙強(qiáng)度的分布具有穩(wěn)定一致性，但西北風(fēng)、東北風(fēng)和西南風(fēng)強(qiáng)度卻呈現(xiàn)明顯的不均一性。如2005年合成最大可能輸沙量為5.74 m3/(m·a)，合成方向153°，表明沙坡頭地區(qū)1m高的單個(gè)新月型沙丘，沿合成方向年移動(dòng)量不會(huì)超過5.74 m。實(shí)際上，沙坡頭地區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)受到多組風(fēng)沙流場的相互制約，沙丘移動(dòng)過程表現(xiàn)為格狀沙丘主梁和副梁在風(fēng)力作用下的往復(fù)擺動(dòng)[13]，并非朝單一方向運(yùn)移，從而導(dǎo)致沙丘形態(tài)季節(jié)性和年際性變化劇烈，沙丘的推移速度其實(shí)與理論值相比較小。但往復(fù)擺動(dòng)的沙丘體仍對(duì)防護(hù)體系產(chǎn)生潛在威脅，很容易在前沿阻沙帶形成沙壟繼而破壞防護(hù)體系，并成為二次沙源，危害植被固沙帶，甚至影響鐵路安全運(yùn)營。

圖3 沙坡頭站1984-2010年輸沙勢各參數(shù)年際變化

表1 沙坡頭歷年最大可能輸沙量計(jì)算結(jié)果 m3/(m·a)

注：表中Q，RQ和RA分別表示總最大可能輸沙量、合成最大可能輸沙量和合成輸沙方向。

圖4 研究區(qū)2005，2008，2010年動(dòng)力風(fēng)玫瑰圖

4 輸沙勢與最大可能輸沙量比較

通過回歸年輸沙勢和最大可能輸沙量，可知兩者呈顯著正相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.95，且兩者存在同期波動(dòng)特征。例如，2000年，輸沙勢為158.17VU，最大可能輸沙量為36.72 m3/(m·a)；2005年，輸沙勢下降為75.1VU，而最大可能輸沙量也隨之下降至16.48 m3/(m·a)；到2010年，輸沙勢上升為115.37VU，最大可能輸沙量增加至29.39 m3/(m·a)。

5 討 論

沙坡頭地區(qū)受蒙古高壓影響，加之周邊地形影響，大陸性荒漠氣候明顯，降雨少而集中，區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境復(fù)雜多變，具有明顯的季節(jié)性和方向性。由于包蘭鐵路走向大致為東西，而區(qū)域內(nèi)盛行西北風(fēng)和東北風(fēng)，前人研究的成果表明當(dāng)人工防護(hù)體系走向與主風(fēng)向近似垂直時(shí)，可取的較好的防護(hù)效益，當(dāng)兩者交角較小時(shí)，防護(hù)效果會(huì)明顯下降[21]，區(qū)域內(nèi)鐵路防護(hù)體系的走向基本與鐵路平行，因而從理論上可以判定前期設(shè)計(jì)者并沒有將防護(hù)體系的防護(hù)效益最大化，但仍取得了令人滿意的防護(hù)效果，其主要原因主要有： ①雖阻沙柵欄與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角略小，但通過布設(shè)多道阻沙柵欄，仍可達(dá)到阻沙的效果。 ②由于區(qū)域有與阻沙柵欄主體走向一致的起沙風(fēng)，可使堆積在阻沙柵欄附近的流沙向兩側(cè)輸導(dǎo)，在一定程度上減輕防護(hù)體系的積沙危害。 ③人工灌溉下的喬灌木林帶多年來一直處在封育階段，植被種類增多，覆蓋率增大，防風(fēng)固沙能力增強(qiáng)。 ④由草方格和無灌溉人工植被組成的固沙帶作為防護(hù)體系的主體部分，受區(qū)域降雨變化影響，土壤水分“淺層化”，更易于表層土壤結(jié)皮的形成。可見，包蘭鐵路防護(hù)體系的設(shè)置雖理論上沒有取得較優(yōu)，但其優(yōu)化了其余防護(hù)措施的防護(hù)功能，故達(dá)到了較好的防護(hù)效果。但在后期風(fēng)沙防護(hù)體系優(yōu)化過程中，為實(shí)現(xiàn)防護(hù)效益的較大化，防護(hù)體系設(shè)置的走向應(yīng)盡可能與主導(dǎo)風(fēng)向垂直?；谝陨显?，本文建議新建防護(hù)體系可設(shè)置成A字形，使西北和東北兩組風(fēng)向與防護(hù)體系盡可能垂直，實(shí)現(xiàn)防護(hù)效益的較大化。

6 結(jié) 論

作為衡量輸沙強(qiáng)度的重要指標(biāo)，研究區(qū)輸沙勢的年際變化大，在1994年取得極大值后，輸沙勢開始逐年減小，且多數(shù)情況下西北方向的輸沙活動(dòng)強(qiáng)于東北方向，但也存在東北方向輸沙能力大于西北方向的年份。最大可能輸沙量的計(jì)算結(jié)果對(duì)防護(hù)體系可以承載的最大沙量具有參考意義，在2000年Q和RQ達(dá)到36.72，13.87 m3/(m·a)，以后逐年下降，到2009年減小至16.24和3.9 m3/(m·a)。輸沙勢和最大可能輸沙量的分析表明：兩者呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，且具有較高的顯著性。結(jié)合前人研究結(jié)論，包蘭鐵路防護(hù)體系理論上并沒有將防護(hù)效益最大化，因此建議后期體系結(jié)構(gòu)設(shè)置為A字形，以取得較好的防護(hù)效果。同時(shí)，在維護(hù)過程中要注重體系內(nèi)植被的更新及演替，特別是在春夏季，輸沙強(qiáng)度大，鐵路沙害嚴(yán)重，而此時(shí)植被處于萌芽階段，地表覆蓋少，防護(hù)效益差，因此還需加大機(jī)械沙障的建設(shè)，以保證防護(hù)體系逐漸向穩(wěn)態(tài)發(fā)展。

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