流動沙丘不同部位風蝕積沙特征研究

閆德仁, 姚洪林, 胡小龍

(內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

流動沙丘不同部位風蝕積沙特征研究

閆德仁, 姚洪林, 胡小龍

(內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

摘要：[目的] 探究和利用流動沙丘各部位的風蝕積沙規(guī)律，為提升固沙技術(shù)措施提供依據(jù)。[方法] 在典型新月型沙丘上設(shè)置3臺光電子式積雪深度測定儀觀測流動沙丘不同部位的風蝕和積沙規(guī)律。 [結(jié)果] 在特定風速下落沙坡隨著起沙風速變化其積沙深度由1 cm逐漸增加到12 cm，并在起沙風速下降時形成一個強烈的積沙過程；迎風坡在起沙風速時處于最大的風蝕狀態(tài)，并隨風速變化形成一個由強風蝕到弱風蝕的轉(zhuǎn)變過程；沙丘頂部在臨近起沙風速時處于風蝕過程，并隨起沙風速的逐漸增加又處于積沙過程。此外，流動沙丘迎風坡在12月至翌年5月間凈風蝕深度月均值約為29.85 cm；落沙坡在12月至翌6月間積沙深度月均值凈增加139.5 cm；而沙丘頂部在3—11月為風蝕發(fā)生期，平均風蝕深度變化值為27.3 cm，12月至翌年3月為積沙發(fā)生期，平均積沙深度變化值為29.47 cm。 [結(jié)論] 風速對流動沙丘不同部位風蝕積沙特征變化具有重要影響，而且不同部位風蝕積沙程度存在明顯差異。

關(guān)鍵詞：流動沙丘; 風蝕積沙特征; 起沙風速; 動態(tài)變化

風蝕積沙是風沙流作用流動沙地表面的一種自然過程，通常包括風蝕、堆積和搬運3種狀態(tài)。其中，風蝕是搬運的開始，堆積是搬運的結(jié)束，而搬運則是風蝕和積沙的轉(zhuǎn)化。所以，風蝕積沙規(guī)律在沙漠治理中具有非常重要的應(yīng)用價值[1]。通常情況，風沙流在移動過程中其含沙量由不飽和到飽和狀態(tài)是一個漸變的過程，因此，流動沙丘不同部位其風蝕積沙過程也不同，即使是同一部位由于風速的變化也會存在著風蝕或積沙過程。為定量觀測流動沙丘各部位風蝕積沙規(guī)律，采用光電子式積雪深度測定儀開展本項研究，科學(xué)利用流動沙丘表面的風蝕積沙規(guī)律，為有效控制流動沙丘風蝕積沙過程而制定采取科學(xué)的固沙技術(shù)措施提供依據(jù)，提高固沙的技術(shù)效果。

1研究方法

為定量觀測流動沙丘各部位風蝕積沙特征及其與特定風速的變化規(guī)律，選擇1個典型新月型沙丘，并在其流動沙丘的主軸上設(shè)置3臺(迎風坡中部C，沙丘頂部A，落沙坡中部B)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(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中國)，觀測流動沙丘不同部位的風蝕和積沙規(guī)律。該儀器能夠測定從探頭到被測目標表面的距離并智能推算出深度變化，進行自動記錄，并將不同時間記錄的數(shù)據(jù)和初始距離的差值作為風蝕積沙深度變化值，分析流動沙丘不同部位的風蝕和積沙變化規(guī)律。

2結(jié)果與分析

2.1　風速對流動沙丘風蝕積沙特征變化的影響

流動沙丘各部位風蝕積沙深度的動態(tài)變化與風沙流特征有直接的關(guān)系。因此，在短時間內(nèi)，風速與流動沙丘各部位的風蝕積沙過程表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。在特定的風速下，流動沙丘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[2]。從圖1可以看出,一天之內(nèi)流動沙丘落沙坡積沙過程和風速變化的動態(tài)關(guān)系。當風速由6.5 m/s增加到14～

15 m/s(13：00—14：00時)時，落沙坡表現(xiàn)出一定的積沙過程，積沙厚度在1 cm左右，并且基本處于一個較平穩(wěn)的積沙過程，而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2 cm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(chǎn)生巨大影響，導(dǎo)致沙粒集聚下落，形成一個強烈的積沙時段，積沙厚度從2 cm劇增到12 cm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度的影響，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，風沙流處于不飽和狀態(tài)，攜沙量降低，導(dǎo)致落沙坡的積沙過程加強。

圖1　研究區(qū)落沙坡積沙過程和風速變化關(guān)系

從流動沙丘迎風坡風蝕過程的動態(tài)變化看(表1)，當風速達到起沙風速時，迎風坡處于最大的風蝕狀態(tài)，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，形成一個由強風蝕到弱風蝕的過程，導(dǎo)致整個結(jié)果有所減弱，掩蓋了風蝕作用的強度，即表1中的13：00時到16：00時這段時間的迎風坡的風蝕深度變化特征。

表1　研究區(qū)迎風坡風蝕過程和風速變化關(guān)系

而當風速由最大逐漸降低時，流動沙丘迎風坡處于一個比較平穩(wěn)的風蝕過程。從圖1和表1可以看出，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，在同一時段中，流動沙丘迎風坡的強烈風蝕時間是13：00—14：00時，是起沙風速的初始時間，而不是最大風速時間段，更不是落沙坡的積沙時段。但是，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，并形成一個由強風蝕到弱風蝕的轉(zhuǎn)變過程，并以風蝕過程為主，而此時更有利于落沙坡的積沙過程，即當風速由最大逐漸下降時，攜沙量降低，并因落沙坡的渦流作用使沙粒集聚下落，導(dǎo)致落沙坡的積沙過程加強。

流動沙丘頂部是連接落沙坡和迎風坡的一個中間部位。從表2中看出，流動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，而隨著風速的逐漸加大，風沙流經(jīng)過迎風坡時攜沙量增加，并由于落沙坡的渦流作用在沙丘頂部沉積沙粒，沙丘頂部也隨之處于積沙過程，當風速(15：00)達到最大時，沙丘頂部的積沙厚度達3 cm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8 cm左右，而當風速繼續(xù)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，并在落沙坡堆積(圖1)?？梢?，流動沙丘頂部隨風速的變化同時進行著風蝕和積沙過程，但這一過程與風速的變化有密切的關(guān)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，當一個大型流動沙丘形成以后，沙丘的高度是相對穩(wěn)定的，盡管在短期內(nèi)有增高的過程，但增高的部位會因風蝕作用而逐漸被削弱。

表2　研究區(qū)沙丘頂部風蝕積沙過程和風速變化關(guān)系

總之，從特定觀測日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，并且風速變化過程是決定沙丘頂部風蝕或積沙的主要因素。這和齊之堯[1]的研究結(jié)果基本一致，均表明沙丘頂部風速最大，風沙流的流線遇到沙丘的阻擋而發(fā)生變化，流線向上和兩翼密集的沙丘部位風速較大，落沙坡因旋渦作用，風速急劇下降。從風蝕和堆積看，迎風坡為風蝕區(qū)，其它部位是堆積或以風沙流的形式將沙粒輸移。

2.2　流動沙丘風蝕積沙特征的動態(tài)變化

從年際間流動沙丘不同部位風蝕和積沙情況與風速的關(guān)系看，隨著時間的延長，迎風坡基本是處于一種持續(xù)的風蝕狀態(tài)，年平均風蝕深度30 cm左右。

從圖2可以看出，儀器設(shè)置后20個月內(nèi)，流動沙丘迎風坡始終處于持續(xù)的風蝕過程，其變化曲線明顯呈下降趨勢，并在翌年6月風蝕深度達到最大值，以后進入植物生長季，并在反向風的影響下迎風坡風蝕過程變緩。

從迎風坡風蝕深度變化來看(圖2)，4—11月迎風坡處于風蝕期，風蝕深度從儀器設(shè)置初期(4月)月均值的4.37 cm發(fā)展到月均值22.92 cm(11月)，期間平均風蝕深度月均值為15.72 cm。如果以5月風蝕深度月均值(-10.78 cm)為基礎(chǔ)，到冬季12月，累計風蝕深度月均值凈增加值為15.5 cm。而12月至翌年5月間是迎風坡最嚴重的風蝕時期，風蝕深度從月均值(12月)26.3 cm發(fā)展到月均值74.48 cm，期間平均風蝕深度月均值為52.77 cm。如果減去以前(11月)的風蝕深度月均值變化值，12月至翌年5月間流動沙丘迎風坡凈風蝕深度月均值約為29.85 cm。因此，在流動沙丘迎風坡如果不采取控制沙丘表面風蝕的沙障固沙措施，很難保證生物固沙技術(shù)的實施效果，或者說，如果進行無沙障措施造林(栽植深度55～60 cm)后，經(jīng)過1個冬季的風蝕過程，成活的苗木根系基本裸露在地表，很難繼續(xù)保持成活生長狀態(tài)，說明在流動沙丘迎風坡進行固沙造林時沙障是必需的技術(shù)措施。

圖2　研究區(qū)迎風坡風蝕深度月均值的變化

從落沙坡積沙深度月均值變化曲線看(圖3)，年季間流動沙丘落沙坡基本是處于長期的積沙狀態(tài)，并隨著年際間時間的延長，落沙坡的積沙厚度也在持續(xù)的增加。也正是由于落沙坡的持續(xù)積沙，最終導(dǎo)致了沙丘的前移堆積。

儀器設(shè)置初期(11月)落沙坡積沙深度月均值為43.1 cm，到翌年1月份積沙深度月均值迅速增加到107.22 cm，以后積沙深度月均值緩慢增加，4月份月均值增加到129.84 cm，而后5—10月間，積沙深度月均值基本保持在171～185 cm之間，相對變化值14 cm左右，而此時段(5—10月)迎風坡風蝕深度變化在-10.78～-20.01 cm之間(圖2)，也相對平穩(wěn)，相對變化值10 cm左右。說明此時段內(nèi)由于反向風的影響，流動沙丘迎風坡風蝕、落沙坡積沙過程較弱。但是，進入翌年12月份以后，落沙坡積沙深度月均值急劇增加到210 cm以上，并持續(xù)保持到下年度的5—6月，其積沙深度月均值達到了420 cm左右。如果以翌年12月積沙深度月均值(246.84 cm)為基礎(chǔ)，期間(翌年12月至下年6月)積沙深度月均值凈增加了139.5 cm，說明冬春季是落沙坡積沙強烈發(fā)生期，也是沙丘前移的主要時期[2]。進入下年度的6月份以后，由于反向風的作用或和因為落沙坡積沙堆積下移，觀測點位置積沙深度從7月的400.82 cm降低到10月的317.07 cm，這個過程也將導(dǎo)致沙丘腳前移。而后11月積沙深度又一次增加到375.06 cm，進入新一輪的周期變化。

圖3　研究區(qū)落沙坡積沙深度月均值的變化

從流動沙丘頂部的積沙和風蝕過程看(圖4)，儀器設(shè)置初期(11月至翌年4月)，流動沙丘頂部基本處于積沙狀態(tài)，以后(翌年11月)則處于持續(xù)風蝕過程，但是，到翌年11月后，在前期風蝕基本上，流動沙丘頂部又在進行著積沙過程，并持續(xù)到第3年的4月份，以后再次持續(xù)進行著風蝕過程。所以，流動沙丘頂部的積沙風蝕基本特征是：每年11月至翌年4月流動沙丘頂部進行著積沙過程，每年4—11月流動沙丘頂部則進行著風蝕過程。

圖4　研究區(qū)沙丘頂部風蝕積沙深度月均值的變化

儀器設(shè)置初期(11月至翌年3月間)流動沙丘頂平均積沙厚度變化值為17.79 cm，其中，最大值發(fā)生在翌年1—2月，平均積沙厚度變化值為27.4 cm。而翌年4月份以后，流動沙丘頂持續(xù)發(fā)生著風蝕過程，平均風蝕深度變化值為27.3 cm，其中，最大值發(fā)生在翌年11月，風蝕深度變化值為60.37 cm。此后，流動沙丘頂再次進入積沙過程，并形成新的變化周期。如果以翌年11月風蝕深度變化值(60.37 cm)為基礎(chǔ)，翌年12月流動沙丘頂積沙厚度變化值為9.81 cm，到第3年3月份流動沙丘頂積沙厚度變化值增加到42.2 cm，期間的平均變化值為29.47 cm，這個變化值上年度變化周期(翌年4—11月)流動沙丘頂平均風蝕深度變化值(27.3 cm)非常接近，說明流動沙丘頂部的積沙和風蝕過程具有周期性變化特征，并能夠保持流動沙丘頂部高度的變化基本穩(wěn)定。

3討 論

風蝕積沙是風沙流作用流動沙地表面的一種自然過程。因此，研究探討風沙流運移規(guī)律不僅是防沙治沙的理論基礎(chǔ)，也是科學(xué)制定固沙技術(shù)措施的保證。而風力、沙量和下墊面是影響風沙流運移的3個要素，其中，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程度；而下墊面對風沙流的影響則變得十分復(fù)雜。所以，多數(shù)研究者側(cè)重在風沙流結(jié)構(gòu)及其下墊面的影響方面[3-6]，而很少定量定位開展流動沙丘風蝕積沙變化特征方面的研究。周曉斯等[7]利用大渦模擬(LES)方法研究了新月形沙丘背風側(cè)流場特性，結(jié)果表明，背風側(cè)回流區(qū)內(nèi)湍流強度總體上比回流區(qū)外大，回流區(qū)內(nèi)沙丘坡腳位置及重附點位置處湍流強度最大值出現(xiàn)在貼近地表附近；回流區(qū)中部湍流強度最大值出現(xiàn)在回流區(qū)頂部，隨沙丘高度的增加先增大后基本不變。而本研究測定結(jié)果表明，流動沙丘落沙坡(即背風側(cè))由于因旋渦作用，風速急劇下降，并隨著起沙風速逐漸增加其積沙過程顯著加強；同時，在沙丘頂部隨起沙風速的變化進行的積沙和風蝕過程具有周期性變化，并保持沙丘高度的基本穩(wěn)定，即風蝕發(fā)生期平均風蝕深度變化值為27.3 cm，積沙發(fā)生期平均變化值為29.47 cm。此外，從流動沙丘不同部位風蝕積沙定量觀測數(shù)據(jù)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(jié)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(xù)的增加或降低。流動沙丘迎風坡多年風蝕深度的變化數(shù)據(jù)表明，迎風坡表面在不斷的進行著風蝕，盡管每年都有一個較平穩(wěn)的時期，但第二年在此基礎(chǔ)上又進一步風蝕。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，流動沙丘迎風坡年平均風蝕深度30 cm左右，因此，在流動沙丘迎風坡如果進行無沙障措施造林(栽植深度55～60 cm)后，經(jīng)過1個冬季的風蝕過程，成活的苗木根系基本裸露在地表，很難繼續(xù)保持成活生長狀態(tài)。如果采用80～100 cm沙柳插條[8]，甚至120 cm沙柳插條[9]的深栽造林技術(shù)則能夠取得非常好的固沙造林效果。同樣，在落沙坡則每年都在前一年積沙的基礎(chǔ)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(dǎo)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)，另一原因是在落沙坡中的積沙不斷進行著下移的堆積過程，導(dǎo)致儀器被沙埋，同時促進沙丘腳的前移，表現(xiàn)為沙丘的整體前移。從多年的積沙結(jié)果來看落沙坡主要是進行著持續(xù)的積沙過程。

4結(jié) 論

(1) 風速對流動沙丘不同部位風蝕積沙特征變化具有重要影響。在落沙坡隨著起沙風速逐漸增加其積沙過程顯著加強，并在起沙風速下降時形成一個強烈的積沙時段。而迎風坡在起沙風速時處于最大的風蝕狀態(tài)，并形成一個由強風蝕到弱風蝕的轉(zhuǎn)變過程，但仍以風蝕過程為主。流動沙丘頂部在臨近起沙風速時處于風蝕過程，而當風速超過起沙風速并逐漸增大時，沙丘頂部是處于積沙過程，當風速由最大到逐漸降低，沙丘頂部進行著強烈的積沙過程，而當風速繼續(xù)下降到臨近起沙風速時，沙丘頂部又處在一個風蝕過程。

(2) 流動沙丘不同部位風蝕積沙程度存在明顯差異。流動沙丘迎風坡始終處于持續(xù)的風蝕過程，其中，12月至翌年5月間凈風蝕深度月均值約為29.85 cm。落沙坡基本是處于長期的積沙狀態(tài)，并且在12月至翌6月間積沙深度月均值凈增加139.5 cm，說明冬春季是落沙坡積沙強烈發(fā)生期，也是沙丘前移的主要時期。

(3) 流動沙丘頂部的積沙和風蝕過程具有周期性變化特征，即每年3—11月為風蝕發(fā)生期，平均風蝕深度變化值為27.3 cm；12月至翌年3月為積沙發(fā)生期，平均變化值為29.47 cm。

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Characteristics of Wind Erosion and Accumulated Sand in Different Positions of Mobile Dune

YAN Deren, YAO Honglin, HU Xiaolong

(InnerMongoliaAcademyofForestryScience,Hohhot,InnerMongolia010010,China)

Abstract：[Objective] Exploration and utilizaton Study on the law of wind erosion and accumulated sand in different parts of mobile dune can provide the support for sand fixation technical measures on the desert combat.[Methods] Three instruments of photoelectron snow retention depth-sounder were set up in the typical crescent dune to determinate the wind erosion and accumulated sand process in different positions of mobile dune.[Results] The accumulated sand depth ranged form 1 cm to 12 cm gradually on sand falling slopes with the change of sand-driving wind velocity under the certain wind velocity scope. And the strong sand deposition process was observed when sand-driving wind velocity declined. Windward slope erosion was in the largest state at the sand-driving wind velocity. And the transition process from strong to weak wind erosion formed with the change of sand-driving wind velocity. The top of the dune was erosion process at the near sand-driving wind velocity. And accumulated sand process was found at the top of the dune with the gradual increase of sand-driving wind velocity. In addition， the monthly mean of net wind erosion depth on windward slope of mobile dune was 29.85 cm from December to next May. The monthly mean net increase of accumulated sand depth on the sand falling slope of mobile dune was 139.5 cm from December to next June. But the erosion occurrence at the top of the dune was found from March to November， and the change value of the average erosion depth was 27.3 cm. The accumulated sand occurrence was found at the top of dune from November to next March， and the change value of the average accumulated sand depth was 29.47 cm.[Conclusion] Wind velocity has the important influence on wind erosion and deposition characteristic change in different positions of mobile dune， and wind erosion and accumulating sand were obvious difference in different parts of mobile dune.

Keywords:mobile dune; wind erosion and accumulated sand; sand-driving wind velocity; dynamic changes

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0288-05

中圖分類號：P931.3， S157.1

收稿日期：2014-05-19修回日期：2014-06-12

資助項目：國家“十二五”科技支撐課題“渾善達克沙地治理與近自然植被修復(fù)技術(shù)集成與示范”(2012BAD16B0204)

第一作者：閆德仁(1962—),男(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市人,博士,研究員,主要從事沙漠治理研究。E-mail:nmglkyydr@163.com。