毛烏素沙地新月型流動沙丘風沙流運移規律研究

沙流軌跡的研究是防沙和沙流軌跡破壞的理論基礎。國內外專家一致認為風沙流運移和風沙地貌是一項重要的指標,也是非常必要的研究課題。尤其是當前涉及到的沙漠化監測、防沙治沙工程及開發利用、生態環境保護、人類生存發展等重大問題,都與風沙流運動問題緊密相關。風力、沙量和下墊面是影響流沙運移的三個要素。風力是促進或制約風沙流流動的動力;沙量的多少直接影響著風沙流的運移;而下墊面對風沙流的影響就變得十分復雜。因此本項研究的主要目的是通過研究流動沙丘風蝕積沙規律,為有效控制流沙而采取科學的措施提供依據。1儀器和觀測點設置為探討沙漠化土地動態變化、風沙流運移規律、沙丘位移、移動速度及綜合治理途徑,我們在毛烏素沙地腹部選擇典型新月型沙丘,在其流動沙丘的主軸上設置三臺(迎風坡中部、丘頂、落沙坡中部)光電子式積雪深度測定儀(法國制造,原用于滑雪場測定積雪深度的精密儀器,由日本鳥取大學農學部奧村武信先生在中日科技治沙合作研究期間直接引進中國),觀測流動沙丘不同部位的風蝕和積沙規律。該儀器全部自動記錄,可連續觀測365d風沙流積、蝕情況的詳細資料。在典型新月型沙丘上設置測定點的平面圖如圖1所示。A、B、C三點為光電子式積雪深度測定儀的設置點,0點為總控制原點。2沙丘變化、沙體位移以及研究地區的概念分析關于毛烏素沙地流動沙丘的年移動量、沙丘表面高度的變化、沙丘整體位移、移動速度以及研究地區的概況在參考文獻1中有詳細的論述。本文主要是討論流動沙丘不同部位的風蝕和積沙變化與風速、大風頻率的關系。2.1風速和沙蝕條件變化原因分析沙丘各部位的動態變化與風沙流的特征有直接的關系,因此,在短時間內,風速與沙丘各部位的風蝕、積沙過程表現出一定的相關性。在特定的風速下,落沙坡和沙丘頂部基本處于積沙過程,而迎風坡則處于風蝕過程。從圖2中,我們可以明顯看出一天之內沙丘不同部位風蝕、積沙過程的動態變化關系。從圖2中,我們看出,隨著風速的增加,即風速由6.5m/s增加到14～15m/s(13∶00～14∶00時)時,落沙坡表現出一定的積沙過程,積沙厚度在1cm左右,并且基本處于一個較平穩的積沙過程,當風速達到當天的最大風速時,落沙坡的積沙過程顯著加強,積沙厚度在2cm左右,而到15∶00時以后,隨著當天風速的降低,風沙流的移動相對減緩,而在落沙坡由于渦流作用對風沙流產生巨大影響,導致沙粒集聚下落,形成一個強烈的積沙時段,積沙厚度從2cm劇增到12cm左右(15∶00～17∶00時)。可見落沙坡的積沙過程同時受風速、風沙流特征和刮風時間長短的影響,也就是說,當達到起沙風速時,隨著風速的逐漸加大,落沙坡首先處于一種較平緩的積沙過程;當風速由最大逐漸下降時,落沙坡的積沙過程加強,并且由于積沙的移動,進而導致落沙坡沙丘腳的前移。從迎風坡的變化看(圖3),當風速達到起沙風速時,迎風坡處于最大的風蝕狀態,以后隨著風速增加,直至達到當天的最大風速后,迎風坡的風蝕過程開始減弱,其原因我們認為,隨著風速的加大,迎風坡同時進行著風蝕和積沙過程,但以風蝕為主。因為風沙流通過迎風坡時,隨著風速的加大,風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坡沉積下來,以補充因風蝕作用而吹走的沙粒,所以導致整個結果有所減弱,掩蓋了風蝕作用的強度,形成一個由強風蝕到弱風蝕的過程,即圖3中的13∶00時到16∶00時這段時間的迎風坡的風蝕變化曲線特征。當風速由最大逐漸降低時,迎風坡處于一個比較平緩的風蝕過程。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坡的風蝕特征變化趨勢正好相反。也就是說,同一天中迎風坡的強烈風蝕時間,即13∶00～14∶00時,并不是落沙坡的積沙時段,而當風速由最大逐漸下降時,迎風坡同時也進行著強烈的風蝕和積沙過程,但以風蝕過程為主,此時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坡的一個中間部位,從圖中看出,沙丘頂部基本處于一種由弱風蝕到積沙的過渡特征。當風速達到起沙風速時,沙丘頂部處于風蝕過程,造成沙丘高度的降低,隨著風速的逐漸加大,沙丘頂部也隨之處于積沙過程,到最大風速時,沙丘頂部的積沙厚度達2cm左右,以后隨著風速由最大到逐漸降低,沙丘頂部進行著強烈的積沙過程,積沙厚度可達8cm左右,但當風速繼續下降到臨近起沙風速時,沙丘頂部又處在一個風蝕過程,使前期的積沙被吹走,正是這個過程削弱了沙丘的高度。可見,沙丘頂部隨風速的變化而產生具有風蝕和積沙特征,但這一過程與風速的變化有密切的關系。也就是說,隨著風速由低到高或由高到低的變化,在臨近起沙風速的時間段,沙丘頂部是處于一種風蝕過程,而當風速超過起沙風速,并逐漸增大時,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,即在起沙風速時,沙丘頂部處于風蝕過程,因此,從全年或更長時間看,當一個大型沙丘形成以后,沙丘的高度是相對穩定的,盡管在短期內有增高的過程,但增高的部位會因風蝕作用而逐漸被削弱。總之,從某一天沙丘不同部位的風蝕和積沙過程看,風速是主要的影響因素,其中,迎風坡基本處于風蝕過程,落沙坡處于積沙過程,而沙丘頂部的變化則同時具有風蝕和積沙過程,即在臨近起沙風速時,沙丘頂部處于風蝕過程,當風速超過起沙風速,并逐漸增大時,沙丘頂部處于積沙過程。所以風速是決定沙丘頂部風蝕或積沙的主要因素。2.2沙面高度的月變化為進一步探討沙丘不同部位與風速變化的關系,我們對沙丘高度每個月的動態變化進行了認真分析。從沙丘三個部位高度的月動態變化結果看,沙丘頂部的高度經歷了由低到高,再到低的變化過程,落沙坡或迎風坡總體上是處于高度下降的過程,但這一過程不是持續的,而與每月的風速變化相一致,即有時是增加的過程,有時是降低的過程。從圖5中看出,在4月份落沙坡與大風變化的關系。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果而言,當落沙坡達到一定的積沙厚度時,必然導致沙粒的下移,而不是持續的增加,因此第二天儀器反應的高度也就隨之發生了變化。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。同樣,在迎風坡(圖6)由于不存在沙面的堆積下移現象,所以迎風坡處于風蝕過程。但如果連續幾天都是起沙風速以上的大風天氣(1～7日和20～25日),迎風坡同時處于由逐漸風蝕到強烈風蝕的過程,導致沙面高度的下降,而當大風次數和風速都較小時,沙面也有升高的趨勢(9～20日),但總體上還是處于風蝕過程。因為迎風坡在日變化中,隨風速的變化同時存在風蝕和積沙兩個過程,并當風速由最大變小時,相對而言,形成一種假的積沙過程(風蝕曲線升高,但仍然是風蝕過程),使沙面有所提高。從沙丘頂部高度的月變化看(圖7),當大風次數和風速都有所減少時(7～18日),沙丘頂部基本是積沙過程,即沙丘頂部增高,但隨著風速和大風次數的頻繁發生(1～6日和19～24日),并且風速達12m/s或以上時,沙丘頂部處于明顯的風蝕過程,同時沙丘頂部的高度變化也經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,但到19～20日間,由于風速增大到10m/s以上,使18日沙丘頂部的積沙嚴重風蝕,風蝕厚度降低了近6cm,但到23日以后,由于風速的由大變小,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,當風速由小變大時,沙丘頂部每天的變化結果是處于風蝕狀態,使高度降低;當風速由大變小時,沙丘頂部每天的變化結果是處于由假積沙到真積沙狀態,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;當風速較小,并且連續幾天刮風次數也較少時,沙丘頂部基本保持一定的高度范圍,并處于一種持續的積沙過程(圖7中7～18日的變化曲線)。可見風速和大風頻率對沙丘頂部高度的變化具有明顯的影響。2.3積沙與風蝕的關系從年際間沙丘不同部位風蝕和積沙情況與風速的關系看,隨著時間的延長,迎風坡基本是處于一種持續的風蝕狀態;與上述迎風坡風蝕的日變化和月變化情況基本吻合,三年間迎風坡的沙面高度下降了近100cm,年平均風蝕厚度30cm。從圖8中還可以看出,風速和起沙風次數的增加(1994年4月和1995年4月),迎風坡的風蝕強度也加劇,其變化曲線明顯呈下降趨勢;而當起沙風次數較小的時段(1993年8月～11月和1994年8月～1995年1月),風蝕曲線也比較平穩,但始終都保持在持續的風蝕狀態,所以每年的4～5月是迎風坡最嚴重的風蝕時期。從落沙坡的積沙曲線看(圖9),各年間落沙坡基本是處于長期的積沙狀態,但在每年中同樣以4月為積沙的強烈時期,其變化曲線明顯升高。隨著年際間時間的延長,落沙坡的積沙厚度也在持續的增加,除1994年以外,其變化曲線也比較平緩,并且處于持續的積沙過程,所以正是由于落沙坡的持續積沙,最終才導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蝕過程。1993年4月以后,風速和大風次數明顯增加,而沙丘頂部也表現出明顯的風蝕狀態,特別是到了8～11月間沙丘高度明顯降低,其原因一是反季節風的影響,另外是由于降雨作用,導致沙丘高度降低(其他年份也有同樣的變化趨勢)。由于這種風蝕作用,導致落沙坡的積沙,也就是圖9中1993年4月～6月間落沙坡有一個明顯的積沙過程(變化曲線升高),以后,又在第二年的風季沙丘頂部的風蝕過程又有所加強,并且落沙坡的積沙也達到了最大,所以沙丘頂部和落沙坡之間的風蝕與積沙關系,進一步說明沙丘頂部風蝕、積沙對落沙坡積沙的影響。總之,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,迎風坡則為風蝕過程,而沙丘頂部也同樣在春季進行著積沙過程(變化曲線升高),但從每年最終的變化結果看沙丘頂部的高度一直在進行著由高到低或由低到高的波動過程,因此沙丘一旦形成后,其整體高度基本保持在一定的水平,而不是持續的增加或降低。迎風坡多年的變化表明,沙面在不斷的進行著風蝕,盡管每年都有一個較平穩的時期,但第二年在此基礎上又進一步風蝕。同樣,在落沙坡則每年都在前一年積沙的基礎上,又進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,導致沙丘脊線前移,使積沙不斷埋在觀測儀器上(儀器的觀測點是不變的),另一個是在落沙坡中的積沙進行著下移不斷的堆積過程,導致儀器被沙埋,同時促進沙丘腳的前移,表現為沙丘的整體前移。從多年的積沙結果看落沙坡主要是進行著持續的積沙過程。3沙面質量與高度落沙坡的積沙過程同時受風速、風沙流特征和刮風時間長短的影響,當達到起沙風速時,隨著風速的逐漸加大,落沙坡首先處于一種較平緩的積沙過程;當風速由最大逐漸下降時,落沙坡的積沙過程加強。風速達到起沙風速時,迎風坡處于最大的風蝕狀態,而當風速由最大逐漸下降時,迎風坡同時也進行著強烈的風蝕和積沙過程,但以風蝕過程為主。沙丘頂部隨風速的變化同時具有風蝕和積沙特征,隨著風速由低到高或由高到低的變化,在臨近起沙風速的時間段,沙丘頂部是處于一種風蝕過程,而當風速超過起沙風速,并逐漸增大時,沙丘頂部是處于一種積沙過程。從月動態變化看:落沙坡高度總體上是處于降低的過程。迎風坡處于持續的風蝕過程。但如果連續幾天都出現大于起沙風速的大風天氣,迎風坡同時處于由逐漸風蝕到強烈風蝕的過程,導致沙面高度的下降,而當大風次數和風速都較小時,沙面也有升高的趨勢。隨著風