黄河乌兰布和沙漠段沿岸不同高度典型沙丘风沙特征

尹瑞平, 郭建英, 董 智, 何京丽, 李锦荣, 田世民, 代豫杰

(1.水利部牧区水利科学研究所, 呼和浩特 010020; 2.山东农业大学 林学院,山东 泰安271018; 3.黄河水利科学研究院, 郑州 450003)

黄河乌兰布和沙漠段沿岸不同高度典型沙丘风沙特征

尹瑞平1, 郭建英1, 董 智2, 何京丽1, 李锦荣1, 田世民3, 代豫杰2

(1.水利部牧区水利科学研究所, 呼和浩特 010020; 2.山东农业大学 林学院,山东 泰安271018; 3.黄河水利科学研究院, 郑州 450003)

为探究乌兰布和沙漠沿黄段典型沙丘的风速流场与风沙运移特征，以3座不同高度的典型沙丘为研究对象，对沙丘不同部位5个高度的风速流场、风速廓线、风速加速率及输沙量进行了测定。结果表明：(1) 风速从沙丘迎风坡脚至背风坡坡脚呈现先增大后减小再增大的“S”型趋势，沙丘顶部风速最大，背风坡中部最小。(2) 沙丘各部位风速的垂直变化与高度的对数值呈V=aln(z)+b线性变化规律，风速廓线斜率a由沙丘顶部向迎风坡脚与背风坡脚逐渐增大。不同高度沙丘的摩阻流速与粗糙度变化趋势不一。(3) 沙丘发育尺度对沙丘迎风坡风速加速率影响明显，其沙丘发育尺度越大，对气流的反馈作用越强，迎风坡低层20 cm风速加速率明显高于高层风速加速率；(4) 沙丘不同部位0～100 cm的输沙率随高度呈幂函数规律递减，输沙量主要集中在0～10 cm内，但不均匀，大部分集中在0～4 cm，且在距地高度约4～5 cm处是相对输沙量不随高程变化的不变层。

风速流场; 风速廓线; 风沙流; 乌兰布和沙漠

风沙运移是指沙物质在风力搬运中的物理运动过程，掌握风沙运移规律可为防沙治沙体系的建设提供理论指导，并可推演沙丘的演变过程[1]。已有的风沙运移规律涉及区域风能环境及其变化[2-4]，风沙流结构特征与风沙通量模型构建等[5-9]。从风沙流的形成与运动来看，风力、沙量和下垫面是影响流沙运移的三个要素，其中风力是促进或制约风沙流流动的动力，沙量的多少直接影响着风沙流的运移，而下垫面对风沙流的影响就变得十分复杂[10]。特别地，风速流场在空间上的分布，将改变近地表的粗糙度、涡旋尺度和沙物质运移特征，但关于沙丘形态特别是沙丘高度对风速流场及风速廓线的影响研究尚未见报道。黄河乌兰布和沙漠段毗邻黄河，地理位置独特，沙丘形态及表面粒度特征较沙漠腹地有较大区别[11]。该段直接危害黄河的流沙段超过20 km，每年向黄河输沙约7.72×107kg，占该区域黄河含沙量的37%[12]，风沙流传输与沙丘前移是沿岸风成沙入黄的主要途径[13]。该段沙丘形态以新月形沙丘及沙丘链为主，沙丘高度明显不同，以往的研究主要集中于沙丘固定程度与风速和风沙流的研究[5-6,14]，关于沙丘高度与风速流场的关系研究不够重视。沙丘高度的差异直接影响沙丘运动的速度，而其实质就是风速在沙丘表面的分布状况的差异。基于此，本研究以乌兰布和沙漠沿黄段的刘拐沙头为试验区域，选择3种不同高度的沙丘，开展沙丘不同部位的风速与风沙流结构的测定，旨在阐明不同高度沙丘上的风速流场与风速廓线分布，揭示沙丘不同部位风沙流运移与沙丘运动的本质，为黄河沿岸入黄风积沙综合治理工程提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄河乌兰布和沙漠刘拐沙头风蚀观测场内，距离黄河500～1 000 m，地理坐标40°09′52.28″N，106°50′37.60″E。该区属于典型的中温带大陆性干旱季风气候，气候干旱，大风天气频繁，易发沙尘暴。年平均气温8.0℃，降水量为142.7 mm，蒸发量高达2 372 mm[15]。研究区多年≥5 m/s的主风向为SW—W，占61.69%，次主风方向为WNW—NW和NE—ENE，分别占13.73%和12.32%，年平均风速3.7 m/s，大风和风沙一年四季均有出现，多集中于3—5月份；年均大风日数10～32 d，平均扬沙日数75～79 d，沙尘暴日数19～22 d。研究区流动沙丘广布，沙丘高度4～10 m，土壤为典型风沙土，植被主要有白刺(NitrariatangutorumBobr.)、霸王(ZygophyllumxanthoxylonMaxim)、梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bunge)、沙蓬(AgriophyllumsquarrosumVahl.)、沙旋覆花(Inulasalsoloides(Turcz.)Ostenf.)、沙竹(PsammochloaillosaTrin.)等[15]。

1.2 沙丘不同部位风速分布与风速流场的测定

于2014年、2015年的4—6月份在黄河乌兰布和沙漠刘拐沙头风蚀监测场内，选取3座规格不同的新月形沙丘，沙丘高度分别为2.3 m，5.2 m和10.1 m，宽度为37.8 m，58.4 m和109.2 m，将沙丘按高度变化分别编号为A，B，C沙丘。选择典型大风日，分别在3座沙丘的迎风坡坡脚(1#测点)、迎风坡中部(2#测点)、沙丘顶部(3#测点)、背风坡中部(4#测点)与背风坡坡脚(5#测点)5个测点同时布设HOBO气象站风速仪(图1)，测定沙丘不同部位的风速垂直梯度变化，测定高度分别为20 cm，50 cm，100 cm，150 cm和200 cm，风向架设高度为250 cm；风速仪每隔5 min自动记录各高度观测数据的平均值与最大值。根据测定的风速平均值，利用Furfer 10.0绘制各沙丘的风速流场等值线图。

图1 沙丘表面风速观测示意图

1.3 沙丘不同部位风速廓线与粗糙度计算

采用各沙丘HOBO气象站5个高度的风速测定值，采用的最小二乘逼近实测风速廓线法(简称对数廓线法)[16]，拟合各部位的风速廓线方程，计算摩阻流速与粗糙度，各公式为：

uz=b+a×lnz

(1)

式中：uz为z高度处风速；a，b为回归系数。

令式(1)中uz=0可求出粗糙度：

(2)

将公式(1)代入普朗特—冯卡曼的速度对数分布规律公式：

uz=(u*/k)ln(z/z0)

(3)

式中：uz同公式(1)；u*为摩阻速度；k为冯卡曼常数(0.4)；z0为空气动力学粗糙度。

1.4 沙丘不同部位输沙量的测定

与风速测定同步，在3座沙丘的迎风坡坡脚、迎风坡坡中和迎风坡坡顶(1#、2#和3#测点)布设旋转式集沙仪测定输沙量。集沙仪进沙口50层，每层进沙口的宽、高为2 cm×2 cm。观测时将集沙仪最下部的进沙口与沙面平齐并垂直放置，即可观测0～100 cm风沙流的输沙量。在不同风速条件下，共进行30次野外观测，每次测定时间为3～30 min，采集时将沙样倒入自封袋，按层次编号，带回室内烘干后用百分之一的电子天平进行称量。分层统计各层次输沙量，获得不同沙丘不同部位的风沙流结构，并进而对相对输沙率与高度的关系进行拟合分析，揭示输沙量沿高度梯度的垂直分布规律。

2 结果与分析

2.1 沙丘不同部位风速变化与风速流场

对沙丘表面风场流场变化的研究，是建立合理风沙防护体系的根本。3个沙丘不同部位的风速变化与风速流场见图2。由图可知，3个不同高度沙丘的风速流场变化趋势一致，即迎风坡风速由坡脚向沙丘顶部呈逐渐增强的趋势，风速流场流线加密，并在丘顶风速达到最大；在背风坡风速由丘顶向背风坡脚迅速下降，在背风坡中部形成涡旋，风速降至最低，在背风坡坡脚形成次低区。3个沙丘的风速为同步测定，但在不同部位风速的变化各不相同。3个沙丘迎风坡脚的近地表20 cm风速基本一致，为6.5 m/s，但因沙丘高度不同，使得风速在各部位的分布与变化随着沙丘高度的增加而迅速增大。沙丘A迎风坡中部与丘顶20 cm处的风速分别较迎风坡脚同一高度风速增大9.6%与27.7%，而沙丘B与沙丘C迎风坡中部和丘顶20 cm处风速较迎风坡脚同高度风速增大24.8%，90.0%与56.1%，126.3%。而在背风坡中部与坡脚，沙丘A，B，C近地表20 cm处风速分别较各沙丘迎风坡脚近地表风速下降33.9%，12.8%，34.8%，26.9%和58.1%，40.3%，显然，随着各沙丘高度的增加，背风坡风速受到沙丘自身高度遮挡作用的影响，风速明显下降，且沙丘背风坡中部下降幅度大于背风坡坡脚。由风速流场可知，沙丘表面的风场变化与沙丘形态有着密切的关系。由迎风坡坡脚至沙丘顶部，气流受沙丘阻挡作用，随地形抬升风速逐渐增大，到沙丘顶部时达到最大。气流越过沙丘顶部后，地形陡降，气流扩散，在背风坡产生回流涡旋低速区，因此风速得到大幅度减小。自背风坡以下，气流扩散缓慢，并叠加背风坡二次流，其风速逐渐增大。

2.2 沙丘不同部位风速廓线与粗糙度变化

风速廓线表征风速随高度的垂直分布规律，是研究近地表气流特征的重要指标之一。对不同高度沙丘各部位的风速与测定高度的对数值进行拟合，获得沙丘各部位的风速廓线图(图2)。由图可知，沙丘各部位风速的垂直分布遵循对数线性定律，即风速的垂直变化与高度的对数值呈V=aln(z)+b线性变化规律(图3，表1)。

风速廓线方程V=aln(z)+b的斜率a反映了风速垂直变化梯度的大小，因沙丘高度不同，使得不同高度沙丘迎风坡、丘顶与背风坡各部位风速的垂直分布变化并不一致，由表1可知，不同沙丘各部位风速廓线斜率a的变化均表现为由迎风坡坡脚向沙丘顶部风速垂直梯度迅速增加的趋势，表现在风速廓线的斜率由迎风坡脚向沙丘顶部呈减小趋势，而在背风坡又表现为由沙丘顶部向沙丘背风坡坡脚迅速增大的趋势，说明在背风坡由于气流的分离与涡旋作用，使得风速垂直变化梯度增大，斜率变大。

图2不同高度沙丘的风速流场

由表1可知，沙丘A，B，C不同部位的摩阻流速与粗糙度也存在差异。对于同一沙丘而言，摩阻流速呈现由迎风坡脚向沙丘顶部逐渐减小的趋势，而在背风坡则又表现为由沙丘顶部向沙丘背风坡脚逐渐减小的趋势；对于不同高度的沙丘而言，摩阻流速在迎风坡的同一部位均呈现随着沙丘高度的增加而增加的趋势，而在背风坡的摩阻流速则均表现为沙丘B>沙丘C>沙丘A。对于同一沙丘的粗糙度变化而言，粗糙度以沙丘顶部最小，分别向迎风坡脚和背风坡脚增大，且以背风坡中部或坡脚位置最大；而不同高度沙丘同一部位的粗糙度则表现不同，迎风坡脚、背风坡中部和坡脚，粗糙度表现为沙丘C>沙丘B>沙丘A，迎风坡中部和沙丘顶部的粗糙度急剧降低，3个沙丘的粗糙度表现为沙丘A>沙丘B>沙丘C。

图3 沙丘表面不同部位风速变化表1 风速廓线拟合方程

注：u*为摩阻流速(m/s)，z0为近地表粗糙度(cm)。

2.3 沙丘迎风坡不同部位风速加速率变化

在对新月形沙丘表面气流研究过程中，经常引入风速加速率，其表示形式为S=uc/uf，其中S为风速加速率，uc与uf分别为沙丘丘顶与迎风坡坡脚处同一高度的风速。由观测结果可得，迎风坡表面风速在不同高度均有增大趋势(表2)。不同高度风速加速率不尽相同，低层20 cm风速加速率明显高于高层风速加速率。其主要原因是由于受沙丘地形的影响所致。通过对不同高度沙丘间风速加速率的对比发现，沙丘A的风速加速率均较小。由于沙丘A较为低矮，气流受地形扰动较小，故迎风坡坡脚处风速与沙丘顶部风速差异较小。3个不同发育尺度沙丘的风速加速率差异显著，风速加速率也呈加速趋势，其大小依次为沙丘C>沙丘B>沙丘A。说明沙丘发育尺度对风速加速率影响显著，即沙丘发育尺度越大，对气流的反馈作用越强，其风速加速率越大。

表2 新月形沙丘迎风坡不同高度风速加速率

2.4 风沙流结构的基本特征

在沙丘迎风坡坡脚、坡中、丘顶部位，不同风速条件下0～100 cm相对输沙量与高度之间有着良好的幂函数关系，在0.01显著性水平上决定系数R2均达到0.95以上。0～100 cm高度的输沙量的81.75%集中在0～10 cm内，30 cm以上高程的输沙量平均不足7%，该结果与吴正等的观测结果基本一致。在0～10 cm内输沙率并非均匀分布，其主要集中在0～4 cm内，平均占60.37%(图4)。在距地高度约4～5 cm处，沙丘不同部位的相对输沙量有一个交点，即该处为相对输沙量不随高程变化的不变层。

图4沙丘不同部位近地表风沙流结构变化

3 结 论

(1) 3个沙丘迎风坡风速由坡脚向沙丘顶部呈逐渐增强的趋势，背风坡则由丘顶向坡脚呈减小趋势，但风速以背风坡中部最小。因沙丘高度不同，各部位风速变化并不一致，但均以丘顶风速变化幅度最大。

(2) 沙丘各部位风速的垂直变化与高度的对数值呈V=aln(z)+b线性变化规律，风速廓线斜率a由沙丘顶部向迎风坡脚与背风坡脚逐渐增大。不同高度沙丘的摩阻流速呈由迎风坡脚和背风坡脚向沙丘顶部逐渐减小的趋势；而粗糙度在迎风坡中部和沙丘顶部的粗糙度表现为沙丘A>沙丘B>沙丘C，其他部位呈现沙丘C>沙丘B>沙丘A的趋势。

(3) 迎风坡风速加速率与沙丘发育尺度有明显关系，沙丘发育尺度越大，对气流的反馈作用越强，其风速加速率越大，且以近地表20 cm的风速加速更加明显。

(4) 在沙丘迎风坡坡脚、坡中、丘顶部位，0～100 cm高程内风沙流的输沙率随高度呈幂函数规律递减，且输沙量81.75%集中在0～10 cm内，其主要集中在0～4 cm内，平均占60.37%；在距地高度约4～

5 cm处，相对输沙量不随高程变化而变化；30 cm以上的输沙量平均不足7%。

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WindVelocityandSandFlowTransportCharacteristicsofDifferentHeightTypicalDunesinUlanBuhDesertAlongtheYellowRiver

YIN Ruiping1, GUO Jianying1, DONG Zhi2, HE Jingli1, LI Jinrong1, TIAN Shimin3, DAI Yujie2

(1.InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,MinistryofWaterResources,Hohhot010010,China; 2.CollegeofForestry,ShandongAgriculturalUniversity,Taian,Shandong271018,China; 3.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou450003,China)

Flow fields of wind speed and aeolian transport are concerned by scientists because of its basic position in desert research. We took 3 typical dunes with different heights as samples and measured flow fields of wind， wind profiles， velocity accelerations， sediment discharges of 5 heights of different parts. Results show that: (1) wind velocity is greater over the top of dune but lowest at central leeward and appeares to increase firstly and decrease later and increase eventually from dune windward slope foot to leeward slope foot, showing the tendency of ‘S’ shape; (2) vertical changes of wind at different parts of dune and height changes of logarithmic follows the linear regression equation [V=aln(z)+b], slope of wind profile increases gradually from top of dune to slope foot of windward and leeward, friction velocity and roughness changes appear inconsistently; (3) wind velocity acceleration of low-rise (20 cm) is higher than high-rice; dune development scale impacts wind velocity acceleration of windward obviously, and feedback is significant with its growth; (4) sediment discharges of different dune parts within 0～100 cm show a uneven law of diminishing power function and concentrate in 0～10 cm, and distribute in 0～4 cm mostly. Relative sediment discharges are stable and do not transform with height changes.

wind velocity flow field; sand flow; wind profile; Ulan Buh Desert

2016-06-23

：2016-07-13

水利部公益性行业科研专项经费(201401084);国家自然科学基金(41301303,51409114);中国水利水电科学研究院科研专项(MK2016J03)

尹瑞平(1964—),男,内蒙古呼和浩特人,硕士,高级工程师,主要从事草地土壤侵蚀过程研究。E-mail:yinrp@iwrh.com

董智(1971—),男,内蒙古乌兰察布市人,博士,副教授,主要从事荒漠化防治与生态修复。E-mail:nmgdz@163.com

P931.3

：A

：1005-3409(2017)05-0157-05