阿拉善戈壁区碎石覆盖度对风蚀强度的影响

阿拉善戈壁区碎石覆盖度对风蚀强度的影响

1砾石覆盖度与空气动力学特征的关系沙机运动是形成沙机地形的先决条件，是沙机分布和沉降的主要过程。中国西北地区和蒙古南部是北半球沙尘释放的主要源地之一,该区域的沙尘颗粒在大气环流控制下,经由近地层风和高空西风带的传输,成为黄土沉积和深海沉积的一部分,部分甚至被搬运至美洲和北极地区。其中的一些元素(例如铁)对海洋生物的光合作用有重要的影响,影响海洋生物量,进而影响全球CO2循环。中国西北地区和蒙古南部戈壁广布,表层砾石覆盖下伏物为黏土层或黏土含量较高的沙质层,其形成时代可以追溯至上更新世或者第四纪中晚期。在现代环境下,中蒙戈壁区被认为是中亚主要沙尘释放源地之一,砾石覆盖度对下垫面动力学特征尤其是对沙尘释放的影响受到密切的关注。例如,一些学者发现,中国西北戈壁区的砾石覆盖度大多在60%以上,甚至达80%~90%或更高;戈壁面空气动力学特征稳定但沙尘释放微弱,摩阻效应随戈壁砾石粒径与覆盖度的增大而增高,从而相应削弱了粉尘释放强度等。但最近的研究却表明,在阿拉善戈壁区,历经较长的风沙间歇期之后,一次沙尘暴中PM50(粒径<50μm的物质)的释放率就达到26g·m-2。此外,在砾石覆盖度对风沙运动影响的目前研究中,主要是直接在风洞床面上铺设砾石或者人工合成材料来模拟野外的砾石覆盖度,并讨论其动力学意义和对风蚀强度的影响。在野外风沙观测研究中,虽可以得到风蚀强度等直接观测结果,但由于条件的限制,不能模拟出砾石覆盖度变化及其对风沙运动的影响。由于目前的野外和室内研究中,对砾石覆盖度与空气动力学性质的关系研究有太多的假设和材料替代等因素,造成了在中蒙戈壁区,砾石覆盖度对风蚀强度和粉尘释放贡献率的影响仍不明朗,其风沙动力学特征也没有得到明确的阐释。尽管在已有条件下,仍不能彻底解决风洞实验的相似性问题,但近年来,随技术条件和野外作业环境的改善,使直接利用原状戈壁面进行风洞实验成为可能。笔者根据野外调查和风洞模拟实验,探讨阿拉善高原戈壁区砾石覆盖度对风蚀强度的影响,目的在于加深对戈壁区风沙运动机制的理解,为采用砾石覆盖手段进行防沙治沙提供理论基础,为提高对粉尘释放过程模拟的精确度提供理论依据。2学习方法2.1地表地貌特征研究区位于阿拉善高原戈壁,与蒙古国西南部戈壁区毗邻。这一地区多年平均降水量为35.7mm,年蒸发量3481mm,年平均气温和年平均风速分别为8.7℃和3.3m·s-1。对区域环境、沙尘释放强度及风沙地貌学等特征已有详细的描述。总体上以戈壁为主,但也夹杂一些其他地貌类型,如低矮的灌丛沙丘、流动沙片、新月形沙丘、剥蚀残丘等。戈壁面主要是在洪积扇、干河床等地貌类型基础上由风沙活动改造而成的。取样方法在最近的研究中已有详细描述。根据野外考察、遥感分析以及对砾石覆盖度的目视解译,在41°40′—42°20′N,100°50′—101°10′E之间选取了3个取样点,采集了15个(每个取样点5个)原状戈壁面。在取样点及周边约1km2的区域内,地势平坦,地表无任何植被发育,仅远在1km外有稀疏的胡杨(PopuluseuphraticaOliv.)分布。3个取样点之间间隔20~40km,在每一取样点,取样间隔为100~200m,规格为120cm×30cm×30cm。然而,当样品运输回实验室后,我们发现其中有3个样品不适合作进一步的覆盖度相关分析,因此,仅使用12个样品的数据及分析结果。2.2风蚀物的提取风洞实验在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室进行,对风洞实验段及其性能已有大量的描述,实验布置如图1所示。样品被放置于风洞的实验段中间位置,在其下风向大约30cm处,设置一宽30cm、高30cm的捕沙器进行风沙运移物质的收集。实验中,起始风速为8m·s-1,然后以2m·s-1为间隔增加,直至22m·s-1。每一风速段的吹蚀时间取决于样品表面是否仍有颗粒运动,当目视到样品表面没有颗粒运动,这一风速段实验停止,风蚀物被收集作进一步分析。对每一样品,首先进行风洞实验以移除戈壁表面的松散颗粒物,再进行砾石覆盖度与风蚀强度关系实验。首轮实验完成后,表层砾石被依次移除以模拟戈壁面砾石覆盖度减小的情况,并进行下一轮实验。由于在野外作业中发现,对绝大部分戈壁面来说,砾石是附着于黏土层上的,因此,在移除戈壁面砾石后,其裸露的成份与其他无砾石覆盖的表层相似,因而不会对戈壁面结构产生明显的影响。但我们也注意到,当砾石被清除后,戈壁面会有一些细微的改变(例如,不再完全保持平滑),可能对戈壁面的粗糙度等产生一些影响。对每一样品,分3次减小戈壁面的砾石覆盖度,并进行相应的风洞实验。在样品下风向中间边缘,设置风速廓线仪分别采集0.3,0.6,1.2,2.4,4.0,8.0,12.0,16.0,20.0cm和25.0cm高度风速,以获得风速廓线和戈壁表面的粗糙度长度。为获得较为精确的砾石覆盖度,在每一轮风洞实验结束后,从透明的风洞实验段顶部对戈壁面进行拍摄以获得戈壁面图像,并采用AdobePhotoshop(AdobeSystems,SanJose,CA)CS8软件分析直径大于2mm的砾石覆盖面积,从而获得戈壁面的砾石覆盖度。此外,由于低风速段下获得的风蚀物必然被包含于高风速段中,因此,在风洞实验完成之后,对风蚀量进行累积,使其更符合实际风沙运动情况。粗糙度长度根据Bagnold公式计算获得。3不同覆盖度对风蚀强度的影响风洞实验中风速廓线基本上遵循对数定律。但随砾石覆盖度的减小,表观空气动力学粗糙度并没有明显的变化规律(表1):在一些样品中,当砾石覆盖度减小时,粗糙度长度不但没有减小反而增大。这主要是因为,在风沙运动中,粗糙度长度受到砾石覆盖和风沙流的共同影响,因而造成较大的表观粗糙度;此外,地表气流湍流结构和强度的变化对粗糙度长度也有明显的影响。这些结果表明,在风沙运动过程中,砾石覆盖度并非是戈壁面的粗糙度长度的决定性因素,戈壁面的其他结构如砾石的排列方式,以及风沙流中的沙粒相浓度等可能与粗糙度长度有非常复杂的关系,进而影响风蚀强度的大小。在首轮风洞实验中除去戈壁表面松散颗粒物后,戈壁面平均风蚀强度为46.41g·m-2(标准差为20.81g·m-2),不同砾石覆盖度下,风蚀强度没有非常明显的变化(图2)。在不同风速情况下,随砾石覆盖度的改变风蚀强度的平均变异系数在21.16%~55.28%之间(表2),风蚀强度的变化量在10%~30%之间。这表明砾石覆盖度的变化确实对风沙运动中的物质输移有一定的影响。实验结果也表明,当砾石覆盖度在5%~40%之间,即使是在同一取样点,不同的样品之间风蚀强度也不相同,其与砾石覆盖度之间也没有明显的相关关系(图3A),这说明在戈壁区的风沙运动中,除砾石覆盖度外,地表物质组成如黏土含量、粒级级配等的变化也与风蚀强度密切相关,进而影响风蚀量的大小。但将数据进行标准化处理之后,风蚀强度随覆盖度的增大而增大(图3B)。这一结果说明,在低砾石覆盖度的戈壁区,砾石覆盖增加不仅不能保护地表被风蚀,反而有加速风蚀的效应。4砾石覆盖度对风蚀强度的影响戈壁表面砾石覆盖度之所以得到广泛的讨论,不仅在于其对文物保护有非常重要的意义,而且在于其影响风蚀强度和地表起尘量,在极端干旱区,砾石覆盖被广泛应用于风沙灾害的防治。在以往的各种实验中,主要采用在风洞实验段人工铺设砾石或辅以流沙来模拟净风和挟沙风情况下戈壁表面的风沙动力学特征和防风治沙效应。但戈壁面上的砾石附着于黏土层上,当表层松散颗粒物被风力移除之后,其没有被砾石覆盖的表层不是松散沙物质或其至少有一定的黏结性。这些条件和方法决定了在以往的实验中,得到的区域风蚀强度远高于实际情况,并可能得到风蚀强度随砾石覆盖度减小而增加的结论。在野外实际观测中,则不能判定砾石覆盖度变化对风沙物质输移的影响。而实际中,戈壁表层的黏结性决定了其有高强度的抗风蚀性,因而在表层松散颗粒物被风力移除之后,风蚀强度较低。例如,我们最近的研究显示,当戈壁表面黏土含量增加时,风蚀量有减小的趋势。此外,其他一些学者的研究结果也表明,戈壁地区砾石覆盖度在40%以下时,一定风速条件下,湍流动量通量随砾石覆盖度的增大而增大,因此,高砾石覆盖度增加了表面气流湍性并增强了风蚀的强度。戈壁表层松散颗粒物被风力移除之后,影响风蚀强度的主要因素是砾石覆盖度变化和风力大小。但本文的实验结果表明,在砾石覆盖度变化的条件下,风蚀强度的变异系数在21.16%~55.28%之间,平均变异系数为38.93%。而在风速变化的条件下,风蚀强度的变异系数在92.21%~133.57%之间,平均变异系数为116.26%(表3)。这一结果表明,戈壁区风沙运动中风速变化比砾石覆盖度变化对风蚀强度有更大的影响,而仅当砾石覆盖度超过30%时,砾石覆盖才会对风沙运动中的沙物质输移有明显的抑制作用。因此,在阿拉善高原部分戈壁地区,砾石覆盖的增加不仅不能对风蚀进行抑制,反而有增强风蚀能力的效应。在极端干旱区,地表松散颗粒物主要由各种物理风化和化学风化作用产生。在中蒙戈壁区,尤其是高粉尘释放区,如阿拉善高原,风沙运动中的粉尘释放量主要取决于地表松散颗粒物的丰富度。最近的研究表明,在经历较长时间的风沙间歇期之后,丰富的地表松散颗粒物使在一次风沙运动过程中,阿拉善高原戈壁地表的风蚀强度达到700g·m-2。而当地表松散颗粒物被基本释放完毕之后,风沙运动中颗粒碰撞、磨蚀和风力对地表的侵蚀则成为沙尘释放的主要原因;而在这一阶段,在砾石覆盖和风速控制下,风蚀强度则下降至前一阶段的7%左右。这也是在经历较长风沙间歇期之后,中蒙戈壁区往往有强沙尘暴过程发生,而在短暂风沙间歇期条件下,风力增强也不能形成强沙尘暴的主要原因。5不同覆盖度对风蚀强度的影响实验结果表明,在中蒙戈壁区,砾石覆盖度变化虽对风蚀强度有影响,但其并不是关键因