腾格里沙漠东南缘春季降尘量和粒度特征

张正偲,董治宝 (中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃 兰州730000)

腾格里沙漠东南缘春季降尘量和粒度特征

张正偲*,董治宝 (中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃 兰州730000)

根据腾格里沙漠东南缘风沙科学观测场实测的降尘资料,对该地区春季(3～5月)降尘量和降尘粒度特征进行了研究.结果表明:该地区5月的降尘量最大,其次为4月和3月.春季降尘量的平均值为1053.3kg/hm2.研究区降尘平均粒径较粗,以沙物质为主.分选性较差至很好.偏度近对称至极正偏.峰度中等至很窄.受风速、地表粗糙度和沙源的影响,降尘粒级分布既有单峰,又有双峰和三峰,主要以双峰为主,同时,所有粒径中跃移颗粒约占90%,近距离输送的悬移颗粒占7%左右,而远距离输送的悬移颗粒仅占不到4%.因此可以认为,该地区跃移颗粒的跳跃高度高于前人的研究结果.同时,在腾格里沙漠东南缘的沙漠地区,大气降尘主要以局地的沙粒为主,远源沙尘贡献并不多.

腾格里沙漠东南缘；降尘量；粒度

降尘是指在重力作用下,沉降在地表的直径大于 10μm的尘埃物质.目前,在降尘量[1-2],降尘的粒度特征[3-4]和化学组成[5],影响沙尘释放和沉降的机理[6-7]以及降尘对环境的影响[8]等方面,开展了大量研究.结果表明,沉降过程与常规气象要素之间关系密切,其中降尘量与气压、月平均风速呈正相关,而与月平均温度、湿度、降水和蒸发量呈负相关[6].大气降尘与风向和下垫面微地貌之间也有一定关系,如局地微地貌会导致沙尘物质的重新分配[3].然而,目前对降尘粒度时空分布特征的研究还相对比较薄弱.已有研究表明,沙粒在运动过程中,沙物质的粒度组成在时空上存在差异[9],不同粒径的沙粒输送高度和距离不同.

大气中的沙尘主要来源于沙漠和干旱地区的风蚀产物,这些物质一般能够随风飘移到较远的距离[10].腾格里沙漠被认为是我国沙尘暴的源区及沙尘输移通道之一,同时其西北部的巴丹吉林沙漠所释放的沙尘也会经过腾格里沙漠向下风向运移.此外,腾格里沙漠内部具有众多干湖盆,其沉积物质也可成为重要沙尘源区. 由于我国北方沙尘事件多发生在春季,因而该季节也是腾格里沙漠东南缘降尘最多的时期[1].根据沙坡头地区的降尘监测结果,源于腾格里沙漠的物质贡献较大[11].樊恒文等[2]认为,在腾格里沙漠东南缘的沙坡头地区,较高的风速、频繁的风向变化、稀疏的植被覆盖和严重的土地滥垦,也导致了春末夏初沙尘暴频发和降尘量增加.因此,对该地区降尘量和粒度特征进行研究,有助于进一步了解沙尘的释放过程,传输形式以及沉降机理.本文根据腾格里沙漠东南缘中国科学院风沙科学观测场采集的降尘资料,对该地区的降尘量和降尘粒度特征进行分析,旨在说明其时空差异性,为探讨沙尘输送机理提供基本依据.

1 研究区概况

研究区位于在腾格里沙漠东南缘,中卫市西北约 13km处(37°33′N,105°01′E).该区既是沙尘物质的源区,也是巴丹吉林沙漠和河西走廊沙地所释放沙尘东移南下的输移通道.研究区流动沙丘表面沙粒的平均粒径为 0.22～0.26mm;研究区内2005～2008年的常规气象观测表明,年平均风速为 2.48～2.79m/s;风向以西北风为主,其次为东北风;年均相对湿度为36.51%～45.40%;年均温度为11.21～12.65℃;年降水量为71.44～116.60mm.

2 方法

根据 GB/T 15265-94[12],本实验所用降尘缸为直径150mm,高300mm的圆柱形平底玻璃容器.降尘收集采用干取法,集尘效率约 0.7.降尘缸均匀布置在人工模拟戈壁之上2m高度,4个降尘缸之间间距分别为 25m(图 1).观测时间为 2010年春季(3～5月),采样频率为1个月,即在每月的1日安装降尘缸并称重,在月底(30日或31日)取下降尘缸并称重,两次重量之差为降尘量.粒度分析采用Malvern 2000进行.布设降尘缸的戈壁规格为 80×80m,表面的砾石直径小于 0.05m,戈壁周围为流动沙丘(图1).整个实验区是在推平沙地上铺设砾石而成,观测期间,戈壁外围沙丘较小,观测区的西北,西南和东南为＜2m的沙丘,东北面5m以外有一个＞10m的沙丘.

颗粒大小或粒级的表示方法一般有两种,一种是采用真数,即以mm或m为单位表示颗粒的直径,这种表示方法比较直观但不便于作图和运算.另一种方法是在Udden-Wentworth粒度分级标准(以2为基数)的基础上,根据 Krumbein(1938)[13]公式[式(1)]进行对数转化,将粒径表示为Ф值:

图1 实验布置Fig.1 Plot of experiment

式中:d为颗粒直径.这种方法一个明显的优点是分界为等间距,可以在较粗或较细的两端任意延伸至极限,这给作图和引入数学统计方法带来极大便利,因此粒度分析资料大多以Ф值进行计算和讨论.本文即采用这种方法.根据累积曲线以及Folk和Ward 提出的公式[14],图解计算粒度参数(平均值Mz、分选系数σI、偏度SkI和峰度KG);同时,根据Folk和Ward(1957)提出的粒度参数分级标准[14](表1),探讨降尘的粒度参数特征.

表1 Folk和Wald(1957)粒度参数分级标准Table 1 The grading standard of particle size parameters in Folk and Wald (1957)

3 结果分析

3.1 降尘量的时空分布

由表1可见,5月份的降尘量最大,为1200.48kg/hm2; 3月份最小,为 914.91kg/hm2.该结果与沙坡头地区多年平均降尘量变化规律相似,但对降尘量而言,不同学者的观测得到结果有所不同[1-3].本研究的结果在李晋昌等[1]和樊恒文等[2]的结果之间.在空间上,降尘量变化无规律.

在研究区,风速是降尘量时空分布差异的主导因子,5月份是月平均风速最大的季节,大风不仅导致局地沙尘释放量增大,而且远距离输送的沙尘物质也较多,因此,5月份的降尘量最大.微地貌形态对降尘分布也有较大的影响,在戈壁表面不同的测点,降尘量不同且分布无规律.

表2 降尘沉降通量时空分布(kg/hm2)Table 2 Spatial and temporal variations in dust deposition flux (kg/hm2)

3.2 粒度参数及其关系

3.2.1 粒度参数 不同粒径沙粒的空气动力学特性不同,沙粒越细,运动高度越高,输送距离也越远.平均粒径、分选系数、偏度和峰度是沙粒的最基本参数特征.平均粒径代表粒度分布的集中趋势,因此也是沉积物搬运介质平均动能的体现.分选系数反映了沙粒粒径的分散程度.偏度可判别分布的对称性,并表明平均值与中位数的相对位置.峰度度量的是粒度分布的中部和尾部展形之比.由表3可见,3月份降尘平均粒径最细,其次为5和4月份.分选性在4月份为很好和较好,5月份为中等和较差,3月份为较差(随着平均粒径变细,分选性变差).偏度在4月份为近对称,在3和5月份为正偏和极正偏.峰态在4月份为中等,在3月份为窄,5月份为很窄峰态.粒度参数的时间变化特征反映了沙粒运动随时间的变化特征:3月份风速相对较小,大气降尘收集的多是较远距离的沙尘物质,这些远源沙尘的平均粒径较细,随着风速的增加,大气降尘中混合了部分局地的粗颗粒物质,所以平均值增加,分选变好.分选系数,偏度和峰度具有很大的时空差异性.总体来看,沙漠地区的降尘粒度比较大(2.50～3.35Φ),以沙为主,这与樊恒文等[2]对沙漠地区的降尘研究结果相似,但要比城市的降尘粗的多[15].分选性在较差和很好之间.偏度在近对称和极正偏之间.峰度在中等和很窄峰态之间.

表3 粒度参数时空变化Table 3 Change of particle size parameters in spatial and temporal

3.2.2 平均粒径,分选系数,偏度和峰度之间的关系 分选系数越小,粒径分布越集中,反之就越分散.偏度表明平均值与中位数的相对位置,如为负偏,频率曲线将出现粗尾,平均值位于大于中位数的位置;如为正偏,频率曲线将出现细尾,平均值位于小于中位数的位置.峰度为正值时,是窄峰态;峰度为负值时,是宽峰态;正态曲线的峰度为零.

图2为平均粒径与分选系数和偏度之间的关系.总的来看,分选系数,偏度随平均粒径增加而降低.具体为以 3Φ为界,可以划分为两部分.＜3Φ时,分选系数和偏度均随平均粒径增大整体减小;＞3Φ时,分选系数和偏度随平均粒径增大而减小.峰度随平均粒径的增大先增大后减小(图2).

整体上,偏度随分选系数的增大而增大(图 2).在分选系数＜0.65时,偏度为近对称,0.65～0.85之间为正偏,＞0.85为极正偏.峰度和分选系数的关系以0.75为界,可以划分为两部分(图2),＜0.75时,峰度随分选系数的增大而增大,＞0.75时,峰度与分选系数不相关,在分选系数＜0.65时,峰度属于中等,＞0.65时,属于窄和很窄.峰度随偏度的增大总体增大,在偏度＜0.15时,增加明显,但在偏度＞0.27时,偏度和峰度不相关.在偏度＜0.1时,峰度属于中等,在＞0.1时,峰度属于窄和很窄.

图2 粒径与分选系数和偏度的关系Fig.2 Relationships between mean particle size and sorting, skewness, kurtosis

3.3 粒度分布形式

3.3.1 粒级含量 粒径对沙尘输送起着重要作用,不同粒径的风蚀物在空气中的输送方式及输送距离不同,＞500μm主要以蠕移的方式在地表输送,70～500μm主要以跃移的方式在近地层一定距离范围内输送,而＜70μm的主要以悬移的方式在空气中输送,输送距离较远,其中 20～70μm的以悬移的方式输送,但输送距离较近,小于20μm的以悬移的方式输送,但输送距离较远,可达几千 km[16].在野外环境下,所有运动的沙粒均为混合沙,因此,有必要统计采集样品中不同粒径沙粒的含量,寻找占主导作用的沙粒粒径范围.根据Udden-Wentworth粒级划分方法[17],统计了不同测点不同时间降尘的沙粒级配,结果如表4所示.在所有的降尘中,细沙含量最多,其次为极细沙,黏土和粗黏土的平均含量仅占10%左右.研究表明,风蚀物的粒度可以反推风蚀物的来源[16],＜20μm的悬移物属于远源物质,20～70μm的属于区域物质,大于70μm的局地物质.由表3可以看出,腾格里沙漠东南缘降尘的来源绝大部分属于局地物质,远源物质很少.

为了便于分析,将所有的沙粒粒级划分为黏土(悬移沙粒:粒径＜31μm)和沙(跃移颗粒:粒径＞31μm)两种.对于黏土的含量,在时间上,4月份黏土含量最多,其次为5和3月份.在空间上,随下风向距离的增加(观测期间的主风向为西北风),黏土含量有增加的趋势.对于沙的含量,在时间上,3月份黏土含量最多,其次为5和4月份.在空间上,随下风向距离的增加而降低(观测期间的主风向为西北风).

Stout等[18]的研究表明,近地层的沙粒运动主要受地表粗糙度的控制,地表粗糙度影响跃移沙粒的运动与否,而悬移沙粒几乎与样品采集点的地表状况无关,其反映的是上风向地表的特征.以跃移为主导的沙尘高度小于1m[18-19],在研究区,降尘缸的上风向为流沙,受风速,地表粗糙度和沙源的影响,悬移沙粒和跃移沙粒的含量不同.对于悬移沙粒,随下风向距离的增加,风速降低,沙源增加(有部分远距离的悬移沙粒),导致悬移颗粒的含量增加.对于跃移沙粒,风速降低,沙源减少,所以随着距离的增加跃移沙粒的含量降低,但由于沙粒与地表砾石之间的碰撞作用,导致部分沙粒跃移至更好的位置.所以,戈壁风沙流的高度较大,部分跃移颗粒进入 2m高度的位置,在收集的降尘中,跃移颗粒平均占90%左右,近距离输送的悬移颗粒仅占 7%左右,而远距离输送的悬移颗粒不到4%左右.因此,跃移颗粒的主导高度应该高于前人所研究的结果.同时,由于以跃移颗粒为主,因此可以认为,在腾格里沙漠东南缘的沙漠地区,大气降尘主要以局地的沙粒为主,远缘沙尘贡献并不多,这个结果与刘立超等[11]的结果相似.

表4 沙粒级配时空变化 (%)Table 4 Change of grain size frequency in spatial and temporal (%)

3.3.2 粒径分布 由图3可见,降尘粒径主要为双峰,但只有极个别情况有单峰和三峰.在空间上,单峰主要分布在第2和3点,双峰在各点都有分布,三峰在1点和2点.在时间上,3月份既有单峰也有双峰,4月份主要为双峰,5月份既有双峰也有三峰.峰值粒径在时空上变化很小,第一峰值粒径分别在 126～159µm,第二峰值粒径分别在 20～25µm,第三峰值粒径在4～5µm.已有研究表明,沙子的峰度一般为单峰,尘埃的峰度为双峰或三峰[17].降尘的粒径频率曲线中有单峰存在,可能原因是受风速,地表粗糙度和沙源两方面的控制,沙子与地表砾石发生碰撞,导致粗颗粒沙粒进入更高的位置,随着距离沙源越远,风速降低,沙源越少,沙粒与砾石的碰撞减少.

4 结论

4.1 沙漠地区降尘的平均粒径比较粗,并以跃移运动的沙粒为主,悬移运动的尘埃的含量不足10%.降尘的来源绝大部分属于局地来源,远源物质较少.

4.2 5月份是春季降尘量最大的月份,其次为 4月和3月.降尘量的平均值为1053.3kg/hm2.

4.3 粒径参数之间的关系表现为,分选系数,偏度随平均粒径增大而减小,峰度随平均粒径的增大先增加后降低;偏度随分选系数的增加,总体增加;峰度随分选系数的关系以0.75为界,可以划分为两部分,＜0.75时,峰度随分选系数的增大而增大,＞0.75时,峰度与分选系数不相关;峰度随偏度的增大总体增大.

[1] 李晋昌,董治宝,王训明.中国北方东部地区春季降尘量及其环境意义 [J]. 中国沙漠, 2008,28(2):195-201.

[2] 樊恒文,肖洪浪,段争虎,等.中国沙漠地区降尘特征与影响因素分析 [J]. 中国沙漠, 2002,22(6):559-565.

[3] 肖洪浪,张继贤,李金贵.腾格里沙漠东南缘降尘粒度特征和沉积速率 [J]. 中国沙漠, 1997,17(2):127-132.

[4] 张锦春,赵 明,方峨天,等.民勤沙尘源区近地面降尘特征研究[J]. 环境科学研究, 2008,21(3):17-21.

[5] 徐 虹,林丰妹,毕晓辉,等.杭州市大气降尘与PM10化学组成特征的研究 [J]. 中国环境科学, 2011,31(1):1-7.

[6] 关 欣,李巧云,文 倩,等.和田降尘与浮尘,扬沙,沙尘暴关系的研究 [J]. 环境科学研究, 2000,13(6):1-7.

[7] 林官明.近壁面猝发湍流对颗粒物起尘机理的探讨 [J]. 中国环境科学, 2008,28(7):599-602.

[8] 韩永翔,陈勇航,方小敏,等.沙尘气溶胶对塔里木盆地降水的可能影响 [J]. 中国环境科学, 2008,28(2):102-106.

[9] Arens S M, Van Boxel J H, Abuodha J O Z. Changes in grain size of sand in transport over foredune [J]. Earth Surface Process and Landforms, 2002,27:1163-1175.

[10] Okin G S. Dependence of wind erosion and dust emission on surface heterogeneity: Stochastic modeling [J]. Journal of Geophysical Research, 2005,110,D11208, doi:10.1029/ 2004JD005288.

[11] 刘立超,王 涛,周茅先,等.沙坡头地区沙尘气溶胶质量浓度的试验观测研究 [J]. 中国沙漠, 2005,25(3):336-341.

[12] GB/T 15265-94 环境空气降尘的测定重量法 [S].

[13] Krumbein W C. Size frequency distribution of sediments and the normal phi curve [J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1938, 8:84-90.

[14] Folk R L, Ward W C. Brazos River bar: a study in the significance of grain size parameters [J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1957,27:3-26.

[15] 王赞红,夏正楷.北京2002年3月20～21日尘暴过程的降尘量与降尘粒度特征 [J]. 第四纪研究, 2004,24(1):95-99.

[16] Pye K. Aeolian dust and dust depositions [M]. London: Academic Press, 1987,49.

[17] 吴 正.风沙地貌与治沙工程学 [M]. 北京:科学出版社, 2003: 448.

[18] Stout J E, Zobeck T M. The Wolfforth field experiment: a wind erosion study [J]. Soil Science, 1996,161:616-632.

[19] Sterk G, Herrmann A H. Wind blown nutrient and soil productivity changes in Southwest Niger [J]. Land Degradation and Development, 1996,7:325-335.

Characteristics of dust deposition and particle size in spring in the southeastern Tengger Desert.

ZHANG Zheng-cai*, DONG Zhi-bao (Key Laboratory of Desert and Desertification, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China). China Environmental Science, 2011,31(11)：1789～1794

Detailed data acquired on shifting dune field in the southeast of Tengger Desert was used to analyze the amount of dust deposition and particle size distribution. Results indicated that dust deposition was the greatest in May, and followed by April and March, and mean dust deposition amount being 1053. 3kg/hm2in spring. Mean particle size was greater and mainly of sand, and belonged to the poor and well sorted, skewness belonged to the nearly symmetrical and very positive, and kurtosis belonged to the platy-kurtic and very leptokurtic. Due to the wind speed, surface roughness and sand supply, the particle size distribution mode was mainly of bi-mode. Saltation was dominant, accounting for about 90%, shorter distance suspension accounting for about 7%, and long distance suspension accounting for about 4%. Thus, the sediment deposition was mainly of local origin.

southeastern Tengger Desert；dust deposition；particle size

X831

A

1000-6923(2011)11-1789-06

2011-02-16

国家自然科学基金资助项目(41101007,41130533, 41171010)

∗ 责任作者, 博士, zhangzhsi@sina.com

张正偲(1979－),男,甘肃靖远人,助理研究员,博士,主要从事风沙物理和风沙仪器研究.发表论文20余篇.