青土湖水面形成对风速的影响＊

李菁菁，袁宏波，刘淑娟，刘世增，郭树江，马剑平

(甘肃省治沙研究所&甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃 兰州 730070)

自然状态下，通常认为生态逆转过程是一个长期的动态变化过程[1,2]。青土湖面积曾经超过400 km2，但在1959年完全干涸，大部分已被流沙覆盖[3]。为了改善区域生态环境，2010年9月开始，向青土湖注入生态用水，到2015年11月，形成了22.28 km2水面[4]。青土湖水面的形成必然会对周边生态系统产生影响[5,6]。依靠生态注水改变区域水文环境，提高青土湖生态功能，是石羊河下游生态输水工程的主要目标。因此青土湖注水能否起到改变该区域生态因子，增强区域生态功能，是社会各界所关注的一个热点问题。应急输水恢复退化生态已经在塔里木河实施[7]，且研究了输水对地下水位、植被、植物种以及区域生态影响，说明应急输水可以提升地下水位，促进植被盖度增加，是区域退化生态恢复的有效方法[8-12]。但塔里木河生态输水影响沿河生态，是一种线型水文生态影响。青土湖生态输水则是形成面状水域，对于区域气候形成影响[13,14]。本研究分析青土湖水面形成后的区域地下水位、空气温度和空气湿度、风速，旨在阐明水面形成区生态因子的变化规律，揭示水面形成的生态因子响应程度、方式和关系，为定量评价水面形成对区域生态环造成的影响提供依据。

1 研究区概况

1.1 研究区自然概况

该研究区地处甘肃省民勤县东北的腾格里沙漠西缘（39°07′7.3〞-39°08′3.2〞N，103°37′53.0〞-103°38′40.6〞E），海拔高度约为1292～1310m。该区年平均气温7.8 ℃；年降水量110 mm左右，7月，8月,9月三个月的降水占全年降水量73%，蒸发量达2600 mm以上；全年盛行西北、西北偏西风，夏秋季东风也比较盛行。年均风速4.1m/s；属典型温带大陆性干旱荒漠气候。

1.2 青土湖的人工水面

根据卫星影像分析（如图1所示），随着连续几年的不断输水，水面急剧扩大。2013年，水面面积607.126 hm2，大概比2010-2012年两年的总面积还多。到2014年，水面面积大概是2010-2013年水面面积之和。水面面积随着连续注水的时间延长，形成水面积成直线增加，输水量与水面面积呈正相关系数为0.894，保留水面积与地下水位的相关系数达0.909。2010-2013年，入湖水量的增加率始终小于水面面积的增长率。连续输水对于水域面积扩大具有叠加效应，有利于水域面积的扩大，增强了输水效应。

2 研究方法

2.1 观测样地设置

调查以人工湖为中心，分别在较大面积水域设置样带3条（如图1所示）。在每个样带以水面为中心点，在水面两侧设置观测点。15号样地（地理坐标为：39 °08′3.2〞-39 °08 ′3.2 〞N，103 °37 ′53〞-103°38′8.8〞 E）样带长约为350 m，16号样地（39 °07′13.2〞-39 °07 ′30.1 〞N，103 °38 ′0.3〞-103°38′21.09〞E）和17号（39°07′7.3〞-39°07′14.3〞N，103°38 ′12.1〞-103°38′40.6〞 E）样带长500 m。在水面迎风侧和背风侧分别是设置样点测定风速。

图1 观测区地理位置及观测样点位置图

2.2 风速测定方法

风速观测：使用野外便携式防沙风速廓线测量仪（ZL 02261931.3）测量，测定使用8个风杯，数据采集器每10 s自动记录一次，每组观测记录100～300次。

1）垂直方向风速的测定：在距水面0m，分别水面的迎风侧和背风侧，将5个风杯按照15cm、50cm、100cm、150cm和200cm的高度固定于同一根固定杆上测定200cm高度范围的风速梯度值，同时在距水面500旷野设置对照。

2）测定同一高度的水平方向风速变化：在水面的背风侧，距水面0 m、50 m、100 m、150 m、200 m、500 m设置测杆，每杆上固定1个风杯，测定在同一风况下50 cm高度的相同高度风速，确定不同距离水面的风速变化值。

2.3 计算分析

1）空气动力学粗糙度

计算粗糙度[15]公式如下：

式中：Z0为地表粗糙度，U1、U2分别为高度Z1、Z2处的风速。

（2）变异系数：单位（%）

式中：CV（%）变异系数（Coefficient of Variation）：是标准差与其平均数的比，是反映数据离散程度的绝对值。S为统计数据的标准差，为统计数据的平均数。

风速观测数据在EXCEL中作计算分析，包括方差分析、差异性比较、图表制作等。

3 结果分析

3.1 水面前后的风速廓线

当风通过青土湖水面前后，随着高度增大，风速呈指数增加（如图2所示）。水前15cm高度的风速与200cm相差0.81m/s，水后0m的风速梯度相差0.57m/s，水后500m的风速梯度相差0.57m/s则相差0.90m/s。距水面0m前后的风速变率都小于水后500m的风速，其变异系数分别是13.33%、13.95%和17.73%。

图2 青土湖岸的水面前后的风速廓线

3.2 空气动力学粗糙度

输水形成人工湖后，在高度15cm、50cm、100 cm、150cm处的水面前后风速差异显著（P＜0.05），200cm处的差异不显著（P＜0.05）。但是，但当气温较高的中午，风速大于5 ms-1时，风经过水面递减。

水面前的空气动力粗糙度小于水面后（见表1），在高度200cm处的水面前后风速变化差异不显著，应用50cm高度和200cm处的风速计算空气动力粗糙度，水面前的粗糙度小于水面后，水面有改变空气动力粗糙度作用，影响风速变化。

表1 青土湖岸迎风向和背风向50cm和200cm高度的风速平均值及其粗糙度

3.2 不同时间的风速

当风经过水面前后时，背风面的平均风速大于迎风面（如图3所示），但其变化率与气温相关。气温较高时，风速变化率较小，晚上0：00至早上7点之前风速变化率较大，0：00-2：00风速变化率达到136.54%（见表2）。在风速较大的中午，风速大于5 ms-1时，风经过水面递减。风速的变化与空气温度变化相一致，随空气温度增加而增大。

表2 青土湖岸不同时间向风面和背风面的风速

图3 青土湖岸的水面前后风速随时间的变化

3.3 距水面不同距离的风速

当风通过青土湖水面前后时，随着距水面距离增大，风速呈指数增加，变异系数为33.82%。0～500范围的风速相差距3.34倍，变异系数为33.82%。水面50 m的风速是0m风速的2.20倍，变异系数达53.03%，风速增加了1.91m/s。距水面50～200m，风速只增加0.15 m/s，200 m风速是50 m风速的1.04倍，变异系数为3.03%。距水面50m之外，风速发生较大变化，50～200m范围的风速变化较小。在距水面在距水面0～50m，风速相对较小。这于空气温湿度变化相关（如图4所示）。在距水面0～150m，空气温度相对较低，风速也小。在距水面0～200m，空气湿度相对较大，风速反而较小。

图4 青土湖岸距水面0-500m范围的温度、湿度和风速变化值

4 讨论与结论

1）风通过水面附近，其风速廓线的变化率小于沙漠，200 cm以下的梯度变化差异显著，200 cm处的风速梯度变化差异不显著；背风面的平均风速大于迎风面。但当气温较高的中午，风速大于5 ms-1时，风经过水面递减。

2）青土湖输水形成水面后，距水面150m范围的风速和温度降低，湿度增加。青土湖水面影响风速的空间小于其作用温度和湿度的。0～50 m范围的风速受水面影响较大。风经过开阔的水面产生强劲的向岸风，但也受湖岸环境影响[18]。青土湖水面生长芦苇，岸边0～50m范围是植被相对较高和较密区域，因此降低了风速。距青土湖水面0～150m范围的温度降低了55.67%，湿度增加了3倍。一定面积水体及植被都会产生“冷岛效应”[19-23]，青土湖水体对周围气温和湿度效应显著，而且也可能影响当地气候。据报道[14]：2014年的青土湖年降水量较多年平均值增长15.5mm。但青土湖水面影响区域气候是否与全球气候变暖有关，而且青土湖水面积及深度应该保持多大才明显影响区域气候还有待研究。

3）水面附近的空气动力粗糙度和风速的变化率均小于沙漠区，风速的变化与空气温度变化相一致，随空气温度增加而增大。水面前的粗糙度小于水面后，水面有改变空气动力粗糙度作用，影响风速变化。