烏蘭布和沙漠東北緣起沙風(fēng)風(fēng)況及輸沙特征

羅鳳敏，高君亮，辛智鳴，邊 凱，郝玉光，劉 芳

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烏蘭布和沙漠東北緣起沙風(fēng)風(fēng)況及輸沙特征

羅鳳敏，高君亮，辛智鳴，邊 凱，郝玉光※，劉 芳

（內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站/中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，磴口 015200）

輸沙勢(shì)（DP）是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，為探明烏蘭布和沙漠東北緣風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度特征，評(píng)估區(qū)域風(fēng)能狀況，該論文基于“內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站”2013－2017年監(jiān)測(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向及輸沙量數(shù)據(jù)，對(duì)烏蘭布和沙漠東北緣的起沙風(fēng)風(fēng)況、輸沙勢(shì)及輸沙率特征進(jìn)行深入研究。研究結(jié)果如下：1）研究區(qū)年均起沙風(fēng)風(fēng)速為6.77 m/s，年均起沙風(fēng)頻率為19.74%，最大風(fēng)速為20.76 m/s，三者均以春季最高，是主要的風(fēng)沙活動(dòng)期，秋季次之，夏季與秋季較為接近，冬季最小；2）研究區(qū)四季起沙風(fēng)風(fēng)向與全年起沙風(fēng)風(fēng)向一致，均以偏東風(fēng)（NNE，NE，ENE，E）和偏西風(fēng)（SW，WSW，W，WNW）為主；3）研究區(qū)年輸沙勢(shì)（DP）和年合成輸沙勢(shì)（RDP）分別為183.38和73.41 VU，屬于低風(fēng)能環(huán)境，年方向變率指數(shù)（RDP/DP）為0.40，屬于中比率，年合成輸沙勢(shì)方向（RDD）111.15°，為ESE方向，表明烏蘭布和沙漠東北緣沙物質(zhì)主要朝東南偏東方向輸移；年輸沙勢(shì)和年合成輸沙勢(shì)的季節(jié)變化特征和月變化特征均為春季顯著高于其他季節(jié)；（4）16方位實(shí)測(cè)輸沙率為35.11 kg/m·d，WNW方向的輸沙率最大，春季輸沙率顯著高于其他季節(jié)。

風(fēng)；侵蝕；起沙風(fēng)；輸沙勢(shì)；輸沙量；輸沙率；烏蘭布和沙漠

0 引 言

風(fēng)沙活動(dòng)對(duì)土地沙漠化和沙塵天氣趨勢(shì)有重要的影響[1]，風(fēng)是近地層風(fēng)沙活動(dòng)和風(fēng)沙地貌形成的動(dòng)力因子[1-3]。查明區(qū)域近地層風(fēng)況特征，系統(tǒng)評(píng)估區(qū)域風(fēng)能環(huán)境，不僅是研究區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)特征及風(fēng)沙地貌形成與演化過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而且是制訂區(qū)域風(fēng)沙災(zāi)害防治體系的重要依據(jù)[2-5]。

風(fēng)沙流研究中，常用輸沙勢(shì)（DP）衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度及風(fēng)沙地貌演變趨勢(shì)的重要指標(biāo)[6-8]，已被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者廣泛使用。國(guó)外關(guān)于輸沙勢(shì)的研究主要在尼羅河河谷和三角洲?科威特沙漠以及埃及El-Khanka等地區(qū)展開[9-11]；國(guó)內(nèi)關(guān)于輸沙勢(shì)的研究主要在呼倫貝爾沙地[12]、科爾沁沙地[13]、毛烏素沙地[14]、柴達(dá)木盆地[15]、騰格里沙漠[16]、古爾班通古特沙漠[17]、庫姆塔格沙漠[3,18]、塔克拉瑪干沙漠[19]?巴丹吉林沙漠[2]以及中國(guó)北方等地區(qū)[8,20]展開，而關(guān)于烏蘭布和沙漠輸沙勢(shì)方面的研究目前未見報(bào)道。

烏蘭布和沙漠總面積約1.0×104km2，是中國(guó)干旱區(qū)沙漠化發(fā)展嚴(yán)重地區(qū)之一，同時(shí)又是中國(guó)沙塵發(fā)生源區(qū)，西沙東移的主通道和中轉(zhuǎn)區(qū)[21-22]。烏蘭布和沙漠的流沙以每年約8～10 m的速度東侵南擴(kuò)，嚴(yán)重地影響了黃河在河套平原地區(qū)的正常通流，給當(dāng)?shù)胤懒璺姥慈蝿?wù)形成了巨大壓力；對(duì)包蘭鐵路、京藏高速、110國(guó)道以及黃河三盛公水利樞紐等國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施也造成了嚴(yán)重威脅。研究結(jié)果顯示，烏蘭布和沙漠前沿流動(dòng)沙丘直接進(jìn)入黃河河道的長(zhǎng)度己從1985年的36 km增加到目前的46 km左右，在西北風(fēng)的作用下，每年向黃河侵泄的流沙，己從20世紀(jì)的6000多萬噸增加到現(xiàn)在的近億噸，使磴口段黃河干流河床高出地面2 m，部分河床已高出河床平原地區(qū)10 m左右，形成了名副其實(shí)的地上“懸河”[23-24]。面對(duì)如此嚴(yán)重的沙害現(xiàn)狀，眾多研究者在烏蘭布和沙漠已開展了大量風(fēng)沙方面的研究，如：風(fēng)沙運(yùn)移特征[25]、沿黃區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)[26]、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)[27]、近地層風(fēng)速特征[28]、土壤風(fēng)蝕特征[29]等，但由于野外監(jiān)測(cè)條件等因素制約，目前這些研究大多都是針對(duì)短期、甚至是一次風(fēng)沙活動(dòng)的研究，缺少長(zhǎng)期、連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)進(jìn)行研究，特別是關(guān)于輸沙勢(shì)方面的研究目前未見報(bào)道。因此，基于長(zhǎng)期定位的風(fēng)沙數(shù)據(jù)來分析研究烏蘭布和沙漠東北緣的風(fēng)況及輸沙勢(shì)特征，可以為區(qū)域內(nèi)開展防沙治沙工作提供數(shù)據(jù)支撐。

鑒于此，本研究基于“內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站”（簡(jiǎn)稱磴口站）近5 a（2013－2017年）監(jiān)測(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向及輸沙量數(shù)據(jù)，對(duì)烏蘭布和沙漠東北緣起沙風(fēng)風(fēng)況及輸沙勢(shì)特征進(jìn)行了分析，深入探究研究區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)狀況，評(píng)價(jià)了該地區(qū)風(fēng)沙強(qiáng)度特征。該研究結(jié)果對(duì)烏蘭布和沙漠東北緣地帶制定科學(xué)的防沙治沙對(duì)策與方法，及維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的定位監(jiān)測(cè)站位于烏蘭布和沙漠東北緣，行政區(qū)劃隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市磴口縣（圖1）。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，干旱少雨，降水分配不均，季節(jié)溫差大；溫濕同期，日照充足；風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，土壤以風(fēng)沙土為主。磴口站多年氣象資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：平均氣溫7.8 ℃，最高氣溫39 ℃，最低氣溫?29.6 ℃，年均降水量140.3 mm，年均蒸發(fā)量2 380.6 mm，年均風(fēng)速3.7 m/s，瞬時(shí)風(fēng)速最高可達(dá)24 m/s，年均大風(fēng)日數(shù)12.5 d，風(fēng)沙是主要自然災(zāi)害。天然植被以旱生和超旱生的荒漠植被為主，如：白刺（Bobr.）、油蒿（Krasch.）等；人工植被以楊樹（）、梭梭（(C.A.Mey.) Bge.）等沙旱生灌木為主[28]。

圖1 烏蘭布和沙漠東北緣風(fēng)沙觀測(cè)場(chǎng)位置

1.2 數(shù)據(jù)來源及分析

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用2013－2017年的風(fēng)速、風(fēng)向原始數(shù)據(jù)均取自于磴口站（40°19′36.12"N，106°47′32.28"E，海拔1 045 m）風(fēng)沙監(jiān)測(cè)塔上安裝的Windsonic二維超聲風(fēng)速風(fēng)向傳感器，啟動(dòng)風(fēng)速0.01 m/s，精度12 m/s時(shí)，量程（0～60 m/s，0～359°），分辨率（0.01 m/s，1°）。數(shù)據(jù)采集頻率為10 min，觀測(cè)高度為12 m。由于觀測(cè)儀器故障，因此出現(xiàn)個(gè)別月份的觀測(cè)數(shù)據(jù)不夠完整，因此起沙風(fēng)頻數(shù)的計(jì)算采用起沙風(fēng)出現(xiàn)時(shí)數(shù)與風(fēng)速風(fēng)向總統(tǒng)計(jì)時(shí)數(shù)的百分比表示。

1.2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算分析方法

1）輸沙勢(shì)計(jì)算

將2013－2017年的原始風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)以10 min為統(tǒng)計(jì)單位，參考相關(guān)研究[30]，計(jì)算每月風(fēng)速≥5 m/s的起沙風(fēng)的平均風(fēng)速、最大風(fēng)速及起沙風(fēng)頻率。統(tǒng)計(jì)計(jì)算N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SW、SSW、WSW、W、WNW、NW和NNW 16個(gè)方位起沙風(fēng)頻率，為了更好地表述風(fēng)速風(fēng)向分布特征，每個(gè)方位的起沙風(fēng)均按照5 m/s≤＜7 m/s，7 m/s≤＜9 m/s，9 m/s≤＜11 m/s，≥11 m/s 4個(gè)風(fēng)速段進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)繪制起沙風(fēng)玫瑰圖。輸沙勢(shì)計(jì)算公式[31-32]如下

式中DP為輸沙勢(shì)，以矢量單位VU表示；和V分別為起沙風(fēng)風(fēng)速和臨界起沙風(fēng)風(fēng)速，單位為節(jié)（1節(jié)≈0.5 m/s）；為起沙風(fēng)時(shí)間，用觀測(cè)時(shí)段內(nèi)所觀測(cè)的起沙風(fēng)時(shí)間數(shù)與總觀測(cè)時(shí)間數(shù)的百分比表示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的16個(gè)方位的起沙風(fēng)頻率，計(jì)算每個(gè)方位的輸沙勢(shì)，然后根據(jù)矢量合成法則合成16個(gè)方位的輸沙勢(shì)，得到合成輸沙勢(shì)（RDP）和合成輸沙勢(shì)方向，合成輸沙勢(shì)與輸沙勢(shì)的比值為方向變率指數(shù)（RDP/DP）。依據(jù)合成輸沙勢(shì)將區(qū)域風(fēng)能環(huán)境可劃分為高?中?低3個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)的合成輸沙勢(shì)范圍分別為>400、200～400和<200 VU，方向變率指數(shù)劃分為大（≥0.8）、中（0.3～0.8）、小（≤0.3）3個(gè)級(jí)別[33]。本文采用中國(guó)氣象學(xué)上四季劃分方法[34]，即3－5月為春季，6－8月為夏季，9－11月為秋季，12月－翌年2月為冬季。

2）輸沙率計(jì)算

為了解決傳統(tǒng)的單方向積沙儀不能全方位連續(xù)觀測(cè)的問題，本文采用全方位定點(diǎn)積沙儀觀測(cè)輸沙量，研究區(qū)內(nèi)放置一臺(tái)多向積沙儀，該積沙儀地上部分為為圓柱狀集沙筒（直徑10 cm，高50 cm），每隔22.5°有一個(gè)積沙盒（共16個(gè)積沙盒），積沙儀集沙口面積為2 cm×2 cm，通過導(dǎo)管與地下部分的收集器相接。積沙儀在2013－2017年期間連續(xù)觀測(cè)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，每個(gè)完整年度內(nèi)獲取12次輸沙量數(shù)據(jù)，本文試驗(yàn)階段共獲取60次輸沙量數(shù)據(jù)。采集的沙物質(zhì)樣品采用電子天平稱質(zhì)量（精度為0.01 g），從而獲得輸沙量數(shù)據(jù)。輸沙率（單寬輸沙率）計(jì)算公式如下

式中為輸沙率，kg/m·d；為集沙量，kg；為積沙儀進(jìn)沙口寬度，m；?為時(shí)間，d。

采用Exce1 2016軟件整理分析風(fēng)速、風(fēng)向及輸沙量數(shù)據(jù)，利用Origin 8軟件繪制風(fēng)向玫瑰圖、輸沙勢(shì)玫瑰圖及輸沙率圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 烏蘭布和沙漠東北緣風(fēng)況特征

2.1.1 起沙風(fēng)年內(nèi)分布及風(fēng)速變化特征

2013－2017年期間，研究區(qū)各月起沙風(fēng)頻率及風(fēng)速變化特征存在差異（圖2）。平均風(fēng)速是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)之一，可用年平均和月平均風(fēng)速等表示不同時(shí)間尺度的風(fēng)速變化。研究區(qū)年均起沙風(fēng)風(fēng)速為6.77 m/s，起沙風(fēng)的月均風(fēng)速變化較小，在6.27～7.30 m/s之間波動(dòng)，最大值出現(xiàn)在5月份（7.30 m/s），最小值出現(xiàn)在1月份（6.27 m/s）；春季平均風(fēng)速最高（7.10 m/s），秋季次之（6.81 m/s）；夏季與秋季平均風(fēng)速較為接近（6.64 m/s），冬季最?。?.53 m/s）。年均起沙風(fēng)頻率為19.74%，1－5月起沙風(fēng)頻率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，5－9月呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，9－11月又呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，5月最高（28.40%），11月次之（27.90%），9月最?。?2.46%）；就季節(jié)而言，春季最高（24.63%），秋季次之（18.65%），夏季（18.06%）與秋季較為接近，冬季最小（17.61%）。起沙風(fēng)最大風(fēng)速與起沙風(fēng)頻率變化趨勢(shì)一致，1－5月呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，5－9月呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，9－11月又呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在5月（20.76 m/s），4月次之（19.38 m/s），1月最小（11.86 m/s）；就季節(jié)而言，春季最高（18.43 m/s），夏季次之（16.06 m/s），秋季與夏季較為接近（15.84 m/s），冬季最?。?3.60 m/s）。在春季，氣壓活動(dòng)中心位置不穩(wěn)定，天氣系統(tǒng)頻繁過境，因此導(dǎo)致大風(fēng)天氣較其他季節(jié)增多。

圖2 起沙風(fēng)月際變化（2013－2017）

2.1.2 年起沙風(fēng)風(fēng)向玫瑰圖

風(fēng)速?zèng)Q定近地層風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)，但風(fēng)向決定風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的方向，對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)而言具有同樣至關(guān)重要的作用。通過對(duì)烏蘭布和沙漠東北緣風(fēng)向資料的統(tǒng)計(jì)分析可知（圖3），2013－2017年期間，研究區(qū)主要以偏東風(fēng)（NNE，NE，ENE，E）和偏西風(fēng)（SW，WSW，W，WNW）為主，這2組風(fēng)向占全年風(fēng)向的79.50%，其中偏東風(fēng)占28.90%，偏西風(fēng)占50.60%。偏東風(fēng)中以NE為主，而偏西風(fēng)中的四個(gè)風(fēng)向分布較為均勻，所占比例相近。

圖3 烏蘭布和沙漠東北緣全年起沙風(fēng)玫瑰圖（2013－2017）

2.1.3 季節(jié)起沙風(fēng)風(fēng)向玫瑰圖

2013－2017年期間，研究區(qū)四季起沙風(fēng)風(fēng)向與全年起沙風(fēng)風(fēng)向一致，均以偏東風(fēng)（NNE，NE，ENE，E）和偏西風(fēng)（SW，WSW，W，WNW）為主（圖4），這2組風(fēng)向累計(jì)占春、夏、秋、冬起沙風(fēng)頻率的75.51%，70.56%，84.63%，86.37%，其中偏東風(fēng)占春、夏、秋、冬起沙風(fēng)頻率的31.24%，43.12%，22.90%，20.55%，偏西風(fēng)占春、夏、秋、冬起沙風(fēng)頻率的44.27%，27.44%，61.72%，65.83%。

圖4 烏蘭布和沙漠東北緣各季節(jié)起沙風(fēng)玫瑰圖（2013－2017）

起沙風(fēng)風(fēng)向在春、夏季具有較高的相似性，均表現(xiàn)為風(fēng)向多變，而秋、冬季相對(duì)而言則起沙風(fēng)風(fēng)向相對(duì)集中，季節(jié)差異性主要表現(xiàn)在起沙風(fēng)頻率與主風(fēng)向組成結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，由此導(dǎo)致了研究區(qū)起沙風(fēng)的季節(jié)性變化特征。春季起沙風(fēng)占全年起沙風(fēng)頻率的29.49%，偏西風(fēng)占主導(dǎo)地位，其中NE方向所占比例最高（17.74%），其次為WNW方向（14.03%）；夏季起沙風(fēng)占全年起沙風(fēng)頻率的20.22%，偏東風(fēng)占主導(dǎo)地位，其中NE方向所占比例最高（24.49%），其次為WNW方向（9.52%）；秋季起沙風(fēng)占全年起沙風(fēng)頻率的26.88%，偏西風(fēng)占主導(dǎo)地位，其中W方向所占比例最高（16.76%），其次為SW方向（16.23%）；冬季起沙風(fēng)占全年起沙風(fēng)頻率的23.40%，偏西風(fēng)占主導(dǎo)地位，其中SW方向所占比例最高（20.80%），其次為WSW方向（18.26%）。

2.2 烏蘭布和沙漠東北緣風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度

2.2.1 烏蘭布和沙漠東北緣年輸沙勢(shì)

輸沙勢(shì)對(duì)區(qū)域內(nèi)風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度以及風(fēng)沙地貌形成的研究起著至關(guān)重要的作用，而輸沙勢(shì)則是通過分析年輸沙勢(shì)?月輸沙勢(shì)?合成輸沙勢(shì)?合成輸沙勢(shì)方向以及風(fēng)向變率等具體指標(biāo)進(jìn)而對(duì)研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)[35]。合成輸沙勢(shì)是輸沙勢(shì)玫瑰圖中各個(gè)方向輸沙勢(shì)的矢量合成，反映一個(gè)地區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度，合成輸沙勢(shì)方向表示輸沙的凈走向，反映區(qū)域的沙物質(zhì)搬運(yùn)方向[1]。

2013－2017年期間，研究區(qū)年輸沙勢(shì)和合成輸沙勢(shì)分別為183.38VU和73.41VU，根據(jù)區(qū)域風(fēng)能分類標(biāo)準(zhǔn)[33]，研究區(qū)全年整體上處于低風(fēng)能環(huán)境（圖5），其中以W方向的輸沙勢(shì)最大（36.87 VU），WNW方向與W方向輸沙勢(shì)相近，其值為（36.79 VU），其次為NE方向（27.88 VU）；年方向變率指數(shù)（RDP/DP）為0.40，屬于中比率，風(fēng)況屬于鈍雙峰或銳雙峰；年合成輸沙勢(shì)方向（RDD）為111.15°，為ESE方向，表明全年沙物質(zhì)整體朝東南偏東方向輸移。

注：DP為輸沙勢(shì)，RDP為合成輸沙勢(shì)，RDP/DP為方向變率指數(shù)。下同。

2.2.2 烏蘭布和沙漠東北緣季節(jié)輸沙勢(shì)

2013－2017年期間，研究區(qū)輸沙勢(shì)呈現(xiàn)出季節(jié)變化特征，年輸沙勢(shì)和年合成輸沙勢(shì)季節(jié)變化特征與起沙風(fēng)頻率和平均風(fēng)速的季節(jié)變化趨勢(shì)一致，春季輸沙勢(shì)和合成輸沙勢(shì)顯著高于其他季節(jié)（圖6）。春季DP、RDP最大，分別為66.25、32.85 VU，RDD值為116.35°，為ESE方向，方向變率指數(shù)為0.50，屬于中比率；其次為秋季，DP、RDP分別為50.78、25.91 VU，RDD值為98.26°，為ESE方向，方向變率指數(shù)為0.51，屬于中比率；再次為冬季，DP、RDP分別為34.14、12.09 VU，RDD值為99.21°，為E方向，方向變率指數(shù)為0.35，屬于中比率；夏季DP、RDP最小，分別為32.22、6.42 VU，RDD值為166.87°，為SSE方向，方向變率指數(shù)為0.20，屬于低比率。結(jié)合圖2分析，研究區(qū)春季起沙風(fēng)頻率較高，加之降水少、地表凍土開始融化、地表裸露，在多種因素共同作用為地表風(fēng)沙運(yùn)移提供了有利的動(dòng)力條件以及豐富的沙源，因此春季為研究區(qū)最主要的風(fēng)沙活動(dòng)期。

圖6 烏蘭布和沙漠東北緣季節(jié)輸沙勢(shì)（2013－2017）

2.2.3 烏蘭布和沙漠東北緣月輸沙勢(shì)

由圖7可知，2013－2017年期間，研究區(qū)DP和RDP月變化特征與起沙風(fēng)頻率和平均風(fēng)速的月變化趨勢(shì)一致。5月DP、RDP最大，分別為27.75、13.66 VU，RDD值為109.97°，為ESE方向，方向變率指數(shù)為0.49，屬于中比率；其次為11月，DP、RDP分別為24.96、13.57 VU，RDD值為83.83°，為E方向，方向變率指數(shù)為0.54，屬于中比率；4月與11月較為接近，DP、RDP分別為23.79、13.27 VU，RDD值為120.40°，為ESE方向，方向變率指數(shù)為0.56，屬于中比率；1月DP、RDP最小，分別為6.99、4.04 VU，RDD值為78.86°，為E方向，方向變率指數(shù)為0.58，屬于中比率。從整體變化趨勢(shì)上分析，RDD的年內(nèi)變化趨勢(shì)較穩(wěn)定，主要為偏東方向（ESE、E、ENE），其中ESE方向所占比例較大。

2.2.4 實(shí)測(cè)輸沙量

由圖8可知，2013－2017年期間，研究區(qū)16方位輸沙率為35.11 kg/m·d，以偏北方向（NW，NNW，N，NNE）和偏西方向（SW，WSW，W，WNW）為主，這2組方向分別占總輸沙率的32.87%和30.65%。其中偏西方向以WNW方向的輸沙率最大（3.21 kg/m·d），偏北方向以NW方向的輸沙率最大（3.08 kg/m·d）。在研究階段，輸沙率的計(jì)算結(jié)果與輸沙勢(shì)一致，但是與合成輸沙勢(shì)方向不一致，這與謝勝波等人在青藏高原紅梁河地區(qū)的研究結(jié)果一致[36]。主要是因?yàn)閷?shí)測(cè)輸沙率不僅受風(fēng)速和風(fēng)向的影響，當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件與沙源狀況也與之密切相關(guān)。

圖7 烏蘭布和沙漠東北緣月輸沙勢(shì)（2013－2017）

圖8 烏蘭布和沙漠東北緣年輸沙率和季節(jié)輸沙率（2013－2017）

2013－2017年期間，研究區(qū)四季輸沙率與年輸沙率一致（圖8），均以偏北方向（NW，NNW，N，NNE）和偏西方向（SW，WSW，W，WNW）為主，這2組方向累計(jì)占春、夏、秋、冬總輸沙率的60.12%，76.87%，65.08%，62.27%，其中偏北方向占春、夏、秋、冬總輸沙率的31.59%，30.88%，29.32%，29.68%，偏西方向占春、夏、秋、冬總輸沙率的28.54%，45.98%，35.75%，32.59%。

輸沙率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，春季輸沙率顯著高于其他季節(jié)。春季輸沙率最大，為16.50 kg/m·d，占總輸沙率的47.15%，其中NW和NNW方向的輸沙率最大，分別為1.47和1.46 kg/m·d；其次為冬季（8.03 kg/m·d），其中SW方向的輸沙率最大（0.70 kg/m·d）；夏季最?。?.34 kg/m·d），其中WNW方向輸沙率最大（0.62 kg/m·d）。

3 討 論

風(fēng)場(chǎng)和沙源供給對(duì)于沙丘形態(tài)的形成起著至關(guān)重要的作用。烏蘭布和沙漠東北部沙丘形態(tài)主要是半固定沙丘與梁窩狀沙丘或沙壟相間分布，北部及邊緣地帶有新月形沙丘及沙丘鏈零星分布，流沙集中分布區(qū)有復(fù)合型縱向沙壟鑲嵌其中，沙壟走向?yàn)槲鞅狈较騕37]，沙壟走向與本研究的輸沙勢(shì)方向一致。由于受到大氣環(huán)流、下墊面類型和地形地貌等因素的影響，導(dǎo)致不同區(qū)域之間的風(fēng)況存在顯著差異，而風(fēng)況又是區(qū)域風(fēng)沙地貌特征形成的動(dòng)力因子[38]，是開展風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度及規(guī)律研究的基礎(chǔ)，而且是制定沙害防治措施的理論依據(jù)。2013－2017年期間，烏蘭布和沙漠東北緣春季起沙風(fēng)的發(fā)生頻率最高，風(fēng)速最大，春季起沙風(fēng)主要有偏東風(fēng)（NNE，NE，ENE，E）和偏西風(fēng)（SW，WSW，W，WNW）2組優(yōu)勢(shì)風(fēng)向，其中偏西風(fēng)發(fā)生頻次高，風(fēng)力強(qiáng)勁，是造成該區(qū)沙物質(zhì)向東南方向移動(dòng)的主導(dǎo)風(fēng)。而這個(gè)方向也正是流沙入侵黃河、鐵路、和公路的方向。因此，建議今后該區(qū)域內(nèi)建設(shè)防風(fēng)固沙體系時(shí)應(yīng)考慮沙障、沿黃防護(hù)林等工程措施的走向應(yīng)該與輸沙凈走向垂直。

輸沙勢(shì)是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度以及風(fēng)沙地貌演變的重要因子?風(fēng)沙活動(dòng)特征與區(qū)域下墊面特征相互影響，互為因果[35]，因此不同區(qū)域之間的風(fēng)沙活動(dòng)特征存在顯著差異。烏蘭布和沙漠東北緣DP和RDP分別為183.38和73.41 VU，屬于低風(fēng)能環(huán)境，RDP/DP為0.40，屬中比率，風(fēng)況屬于鈍雙峰或銳雙峰。與中國(guó)北方其他沙區(qū)相比，烏蘭布和沙漠風(fēng)能環(huán)境與科爾沁沙地（DP=180.32 VU）[13]較為接近；高于古爾班通古特沙漠（DP=48.25 VU）[17]、毛烏素沙地（DP=66.75 VU）[14]；低于呼倫貝爾沙地（DP=279.10 VU）[12]、庫姆塔格沙漠（DP=150.01-285.67 VU）[18,39]、柴達(dá)木盆地（DP= 284.40 VU）[15]、騰格里沙漠（DP=33.42?358.70 VU）[16]、塔克拉瑪干沙漠（DP=5.40?399.00 VU）[19,40]、巴丹吉林沙漠（DP=34?733.40 VU）[2]。從起沙風(fēng)頻率、平均風(fēng)速和輸沙勢(shì)來分析，烏蘭布和沙漠年均降水量140.30 mm，年均蒸發(fā)量2 380.6 mm，春季風(fēng)力強(qiáng)勁[41]，天然植被以旱生和超旱生的荒漠植被為主，風(fēng)動(dòng)力與降水不同期以及較低的植被蓋度，均會(huì)加劇烏蘭布和沙漠風(fēng)沙災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度。

評(píng)價(jià)中國(guó)北方不同沙區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)特征，并分析其與風(fēng)沙地貌發(fā)育的關(guān)系，能夠進(jìn)一步認(rèn)識(shí)各沙區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)規(guī)律以及風(fēng)沙地貌區(qū)域特征，以期為今后風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)，并為不同沙區(qū)風(fēng)沙危害的治理措施的提出提供參考，豐富風(fēng)沙地貌研究的內(nèi)容。評(píng)價(jià)區(qū)域地表風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度，不僅要對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還需要在野外實(shí)地觀測(cè)風(fēng)沙流，同時(shí)分析區(qū)域地形、植被（蓋度季相變化、類型及其排列方式）、土壤（粒徑、含水量）等因素對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的影響，但是已有的研究表明，沙漠地區(qū)關(guān)于地表風(fēng)沙活動(dòng)特征的研究多集中于風(fēng)況、輸沙勢(shì)、輸沙方向及輸沙量的研究，相關(guān)影響因素的研究相對(duì)較少，因此，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)其影響因素進(jìn)行深入的探索研究，以期為區(qū)域風(fēng)沙危害的防治與生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和保護(hù)提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）烏蘭布和沙漠東北緣年均（2013－2017年）起沙風(fēng)風(fēng)速為6.77 m/s，年均起沙風(fēng)頻率為19.74%，最大風(fēng)速20.76 m/s，三者均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化趨勢(shì)，且趨勢(shì)一致，春季最高，秋季次之，夏季與秋季較為接近，冬季最?。凰募酒鹕筹L(fēng)風(fēng)向與全年起沙風(fēng)風(fēng)向一致，均以偏東風(fēng)（NNE，NE，ENE，E）和偏西風(fēng)（SW，WSW，W，WNW）為主。

2），烏蘭布和沙漠東北緣全年（2013－2017年）的，輸沙勢(shì)DP和合成輸沙勢(shì)RDP分別為183.38 VU和73.41 VU，屬于低風(fēng)能環(huán)境，方向變率指數(shù)RDP/DP為0.40，屬于中比率，RDD為111.15°，為ESE方向，表明區(qū)域沙物質(zhì)全年朝東南偏東方向輸移；DP和RDP季節(jié)變化特征和月變化特征均與起沙風(fēng)頻率和平均風(fēng)速的季節(jié)變化特征及月變化特征一致，均為春季DP和RDP顯著高于其他季節(jié)，5月最大。

3）烏蘭布和沙漠東北緣16方位輸沙率為35.11 kg/m·d，以WNW方向的輸沙率最大（3.21 kg/m·d）；輸沙率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，春季輸沙率顯著高于其他季節(jié)。

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Characteristics of sand-driving wind regime and sediment transport in northeast edge of Ulan Buh Desert

Luo Fengmin, Gao Junliang, Xin Zhiming, Bian Kai, Hao Yuguang※, Liu Fang

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The current researches of near surface sand movement pay more attention to the short period and single direction of the blowing sand structure characteristics, but the results were difficult to combine with the long-term geomorphological processes. The sand drift potential (DP) and sediment transport are two important index to reflect windblown sand activity intensity. In order to prove the characteristic of sand-drift activities of the blown-sand movement in the northeast edge of Ulan Buh Desert, we studied the variations of sand-driving wind regime, drift potential and sediment transport rate in the northeast edge of Ulan Buh Desert, and the dates of the annual wind speed, direction and sediment transport data were collected from the “Inner Mongolia Dengkou Desert Ecosystem National Observation Research Station” during 2013-2017. We analyzed the dates by the methods of field observation, laboratory analysis and calculation. The results showed that: 1) the mean speed, frequency and maximum speed of sand-driving wind in the northeast edge of Ulan Buh Desert were 6.77 m/s, 19.74% and 20.76 m/s, respectively. These indexes were all largest in spring, the value were respectively 7.10 m/s, 24.63% and 18.43 m/s, which was main sandstorm activity period, followed by autumn, and were all smallest in winter, the value were6.53 m/s, 17.61% and 13.60 m/s, respectively. 2) The sand-driving wind direction of four seasons and the whole year were consistent with each other in the northeast edge of Ulan Buh Desert, and the main directions these were the easterly winds (NNE, NE, ENE, E) and the westerly winds (SW, WSW, W, WNW. 3) The yearly sand drift potential and the resultant drift potential(RDP) were respectively 183.38 VU and 73.41 VU, which belongs to an intermediate wind energy environment, and the yearly index of directional wind variability (RDP/DP) was 0.40, which belongs to a intermediate ratio. The yearly resultant drift direction (RDD) was 111.15°, which indicated the southeast by east direction. The sand material of the northeast edge of Ulan Buh Desert move to southeast by east direction. The seasonal variation characteristics and monthly variation characteristics in spring of the sand drift potential and the resultant drift potential, the sand drift potential and the resultant drift potential were largest in May, followed by November, and the smallest in January. 4) The sand transport quantity of the sixteen directions of northeast edge of Ulan Buh Desert was 35.11 kg/m·d, the sediment transport quantity of the WNW direction reached the maximum and the value was 3.21 kg/m·d, and the sediment transport rate showed obvious seasonal variation characteristics, while the sand transport quantity of spring was significantly higher than other seasons. The research results provide a basis for the ecological environment assessment of the northeast edge of Ulan Buh Desert, and provide a theoretical basis for regional desertification prevention and control measures.

wind; erosion; sand-driving wind; drift potential; sediment transport; sediment transport rate; Ulan Buh Desert

羅鳳敏，高君亮，辛智鳴，邊 凱，郝玉光，劉 芳. 烏蘭布和沙漠東北緣起沙風(fēng)風(fēng)況及輸沙特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(4)：145－152. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.018 http://www.tcsae.org

Luo Fengmin, Gao Junliang, Xin Zhiming, Bian Kai, Hao Yuguang, Liu Fang. Characteristics of sand-driving wind regime and sediment transport in northeast edge of Ulan Buh Desert[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 145－152. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.018 http://www.tcsae.org

2018-08-16

2019-02-18

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（CAFYBB2017MB026）；中國(guó)科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題（KLDD-2018-004）；內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站運(yùn)行補(bǔ)助（2018-LYPT-DW-140）；國(guó)家林業(yè)局防沙治沙專題“烏蘭布和沙漠東北部荒漠化定位監(jiān)測(cè)”共同資助

羅鳳敏，工程師，主要從事荒漠生態(tài)監(jiān)測(cè)研究。 Email：lfm359541965@126.com

郝玉光，博士，研究員，主要從事荒漠化防治研究。 Email：hyuguang@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.018

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1002-6819(2019)-04-0145-08