內(nèi)蒙古沙坡頭鐵路防護(hù)體系的風(fēng)沙效應(yīng)

1沙坡頭沙粒及地表沉降特征建立沙頭鐵路保護(hù)體系，是保護(hù)包蘭鐵路不受騰格里沙漠沙漠活動(dòng)的重要任務(wù)。防護(hù)體系固定了流動(dòng)沙丘［１］,改變了地表形態(tài)［２］、近地表流場分布［３］和地表沉積物特性［４－５］,促進(jìn)了荒漠植被演替和結(jié)皮發(fā)育［６－８］,改善了生態(tài)環(huán)境功能［９］,風(fēng)沙活動(dòng)方式和強(qiáng)度都發(fā)生了很大變化［１０］。沙坡頭防護(hù)體系建立以后,風(fēng)沙活動(dòng)的主要方式逐漸由強(qiáng)烈的風(fēng)蝕、沉積轉(zhuǎn)變成為風(fēng)沙沉降主導(dǎo)。根據(jù)距地面35cm高的降塵樣品數(shù)據(jù),估算得到防護(hù)體系植被帶內(nèi)年降塵量為4240kg·hm－２(1991年)和4866kg·hm－２(1991—1998平均值),該區(qū)在25%~40%的植被蓋度下,約30%的降塵可以被攔截［１１－１２］。更深入的研究包括防護(hù)體系內(nèi)的降塵量、沉積速率、粒度特征、元素和礦物含量、主要影響因素和塵源等［１３－１４］。然而我們的調(diào)查表明,降塵只是沙坡頭鐵路防護(hù)體系內(nèi)風(fēng)沙沉降活動(dòng)的一部分,特別是防護(hù)距離小于150m以內(nèi)的區(qū)域,地表性質(zhì)仍屬于流沙,近地面風(fēng)沙活動(dòng)活躍,躍移沙粒的沉降是地表沉積物的主體,其沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣降塵。鑒于此,我們選擇了與當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向平行、穿越鐵路防護(hù)體系的觀測斷面,沿?cái)嗝娌荚O(shè)了近地面沙塵沉降缸,對(duì)防護(hù)體系內(nèi)的風(fēng)沙沉降活動(dòng)進(jìn)行了為期1年的連續(xù)觀測,以期分析防護(hù)體系內(nèi)風(fēng)沙沉降速率和沉降物源的時(shí)空分布規(guī)律。2學(xué)習(xí)方法2.1鐵路沙區(qū)沙坡頭鐵路防護(hù)體系位于騰格里沙漠東南緣(37°27′N,104°59′E),地勢西北高東南低,主要的沙丘類型是格狀沙丘,常見新月形沙丘和沙丘鏈。受蒙古高壓和地形影響,該區(qū)主風(fēng)向?yàn)镹W和WNW,次主風(fēng)向?yàn)镋NE。氣候干旱,年均降水量186.2mm,主要集中在5—9月;年均蒸發(fā)量>3000mm。年均氣溫9.6℃,氣溫季節(jié)變化劇烈,7月平均氣溫24.3℃,1月平均氣溫-6.9℃。年均風(fēng)速3.5m·s－１,春季大風(fēng)頻繁,風(fēng)沙活動(dòng)活躍。鐵路防護(hù)體系由4個(gè)工程帶組成,距離鐵路由近及遠(yuǎn)分別為礫石平臺(tái)、灌溉植被帶、草方格沙障和無灌溉植被帶、阻沙柵欄。草方格沙障和無灌溉植被帶是防護(hù)體系的主體,帶內(nèi)灌木樹種主要有檸條(Caraganakorshinskii)、花棒(Hedysarumscopa-rium)、沙棗(Elaeagnaceaeangustifolia)和沙拐棗(Calligonumarborescens)。礫石平臺(tái)區(qū)域也有零星植被分布。阻沙柵欄為高1.2m、由水泥柱固定的孔隙度約30%的尼龍網(wǎng)。2.2沙區(qū)沉降缸的設(shè)置在防護(hù)體系內(nèi)選取與主風(fēng)向(NW)大致平行的風(fēng)沙沉降觀測斷面(圖1)。斷面起于前沿阻沙柵欄所在沙丘的迎風(fēng)坡腳,止于鐵路路基以北的礫石平臺(tái),走向?yàn)镹WSE,長約900m。其中,阻沙柵欄所在沙丘為前沿流沙區(qū),前沿沙丘下風(fēng)向至鐵路路基以北大部分為草方格和無灌溉植被區(qū)。風(fēng)沙沉降缸為內(nèi)徑17.5cm、高35cm的圓柱形玻璃缸。沉降缸與地面接觸式放置,地面以下深度5cm,地面以上高度為30cm。沿?cái)嗝婀膊荚O(shè)12個(gè)沉降缸,其中1~3號(hào)缸分別位于前沿沙丘迎風(fēng)坡腳、丘頂和背風(fēng)坡丘間地,11號(hào)缸位于灌溉林地,12號(hào)缸位于礫石平臺(tái),其余7個(gè)沉降缸位于草方格和無灌溉植被帶內(nèi)。2009年4月1日至2010年3月31日期間,采用干法按月收集風(fēng)沙沉降樣品。使用S-4800冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日立高新科技有限公司)拍攝沙塵沉降樣品照片,每個(gè)樣品取樣拍攝8次。使用MiVnt圖像分析系統(tǒng)計(jì)算樣品的粒度組成和組分含量,最終結(jié)果為8次分析結(jié)果的平均值。3結(jié)果分析3.1風(fēng)沉降速率風(fēng)沙沉降速率隨防護(hù)距離增大逐漸降低,這種遞減趨勢在防護(hù)體系前段尤為劇烈(圖2)。前沿流沙區(qū)風(fēng)沙沉降的平均速率為108.6kg·m－２·a－１,遠(yuǎn)大于植被帶內(nèi)(0.6~9.5kg·m－２·a－１)。在距離前沿阻沙柵欄50~300m的草方格和無灌溉植被帶前段,風(fēng)沙沉降的平均速率為17.1kg·m－２·a－１,其中200~300m距離區(qū)域平均沉降速率為8.4kg·m－２·a－１。300m以外的下風(fēng)向區(qū)域風(fēng)沙沉降速率隨防護(hù)距離增大而呈微弱的減少趨勢,平均沉降速率為1.5kg·m－２·a－１。風(fēng)沙沉降速率的空間變化趨勢表明,隨防護(hù)距離增大,風(fēng)沙沉降活動(dòng)逐漸減弱。在前沿流沙區(qū),巨大的風(fēng)沙沉降速率反映了流沙區(qū)強(qiáng)烈的風(fēng)沙活動(dòng),草方格和無灌溉植被區(qū)前段風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度已得到有效控制,風(fēng)沙沉降速率急劇降低;防護(hù)距離>300m的區(qū)域風(fēng)沙沉降量及其差異都很小,表明風(fēng)沙環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。3.2沙區(qū)的沙細(xì)及沙沉顆粒形態(tài)特征由防護(hù)體系前沿流沙區(qū)至鐵路路基,風(fēng)沙沉降平均粒徑逐漸變細(xì),分選性變差(圖2)。前沿流沙區(qū)風(fēng)沙沉降物質(zhì)的粒徑組成和組分含量與其下風(fēng)向草方格和無灌溉植被帶、灌溉植被帶、礫石平臺(tái)的風(fēng)沙沉降物質(zhì)存在明顯差別。前沿流沙區(qū)風(fēng)沙沉降物質(zhì)顆粒較粗,分選好(標(biāo)準(zhǔn)偏差0.36Ф),細(xì)偏,常峰態(tài)。植被帶內(nèi)風(fēng)沙沉降物平均粒徑較細(xì),分選普遍為中度偏好(標(biāo)準(zhǔn)偏差0.59Ф),細(xì)偏程度稍大,偏度變化范圍較小,常峰態(tài)。沉降顆粒平均粒徑沿?cái)嗝娴淖兓厔菡f明,隨防護(hù)距離增大較粗顆粒迅速沉降,細(xì)顆粒含量相對(duì)逐漸增多。顆粒分選性逐漸變差,表明防護(hù)體系下風(fēng)向區(qū)域沙塵沉降受風(fēng)力的分選作用逐漸減弱。細(xì)沙是研究區(qū)風(fēng)沙沉降的主體成分,平均占72.5%,尤其是在前沿流沙區(qū),細(xì)沙含量>90.6%。粉沙是植被帶內(nèi)風(fēng)沙沉降的重要組分,其含量高達(dá)32.9%,遠(yuǎn)大于前沿流沙區(qū)(3.3%)。粘粒含量普遍較低,植被帶內(nèi)的風(fēng)沙沉降中,粘粒含量高于前沿流沙區(qū)。沿主風(fēng)向風(fēng)沙沉降中的細(xì)組分(粘粒和粉沙)含量表現(xiàn)出增大趨勢,粗組分(細(xì)沙和中沙)逐漸減少。植被帶風(fēng)沙沉降中粘粒和粉沙含量與流沙區(qū)風(fēng)沙沉降的顯著差異表明這些細(xì)組分的主要來源是遠(yuǎn)距離輸移的大氣降塵。風(fēng)沙沉降由懸移顆粒(<0.1mm)和躍移顆粒(0.1~0.5mm)組成。懸移顆粒是主要組分,在植被帶內(nèi)的含量顯著大于前沿流沙區(qū)(p<0.05),隨防護(hù)距離的增大而呈現(xiàn)先迅速增大、后逐漸穩(wěn)定的變化趨勢(圖3),但也具有一定的波動(dòng)性,明顯的例子是9號(hào)沉降缸懸移顆粒含量明顯低于鄰近區(qū)域,這是由于該沉降缸位于丘頂植被稀少的沙丘背風(fēng)坡,沙塵沉降缸不僅接受了大氣降塵,還接受到丘頂風(fēng)蝕物的沉降。懸移組分含量的斷面分布特征表明在防護(hù)距離大于200m的區(qū)域內(nèi)風(fēng)沙環(huán)境較穩(wěn)定,但也存在一定波動(dòng)性,風(fēng)沙活動(dòng)以懸移的大氣沉降為主,地面侵蝕和躍移搬運(yùn)過程較弱,沙丘地形起伏對(duì)風(fēng)沙沉降具有一定影響。個(gè)別沙丘頂部由于水分條件較差,植被過于稀疏,在大風(fēng)條件下仍會(huì)產(chǎn)生風(fēng)蝕,但風(fēng)沙流的沉降距離非常有限,不足于對(duì)下風(fēng)向鄰近沙丘的風(fēng)沙沉降產(chǎn)生影響。風(fēng)沙沉降顆粒的形狀隨防護(hù)距離的變化也一定程度反映了防護(hù)體系內(nèi)風(fēng)沙環(huán)境的變化。前沿流沙區(qū)1~3號(hào)沉降缸的風(fēng)沙沉降顆粒粒徑差別較小,電鏡下可見細(xì)小碎片,顆粒形狀有橢圓形、圓形、菱形、長條形、不規(guī)則形狀等,表面多見蝶形坑、麻坑、斷口和裂紋,顆粒磨圓度較好(圖4)。這說明前沿沙壟風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈,撞擊和摩擦作用促使顆粒破裂、剝落,從而產(chǎn)生細(xì)小碎片。植被帶內(nèi)風(fēng)沙沉降樣品中細(xì)小顆粒比例增加,顆粒形狀除上述外還存在磨圓度極差的剝離破碎狀顆粒,剝離破碎狀顆粒能保存而未在風(fēng)沙活動(dòng)中被撞擊和摩擦作用破壞,表明植被帶內(nèi)侵蝕活動(dòng)較弱。3.3沙區(qū)的沙區(qū)沉降量風(fēng)沙沉降量具有明顯的月際變化(圖5)。3—5月風(fēng)沙沉降集中,期間前沿流沙區(qū)和植被帶內(nèi)單位面積風(fēng)沙沉降總量分別為13.67kg·m－２和1.76kg·m－２,月均沉降量分別為4.56kg·m－２和0.59kg·m－２。4月沉降最強(qiáng)烈,前沿流沙區(qū)和植被帶內(nèi)的沉降量分別占全年沉降量的52.6%和32.8%。6—8月是較弱沉降期,期間前沿流沙區(qū)和植被帶內(nèi)風(fēng)沙沉降總量分別為2.05kg·m－２和0.3kg·m－２,月均沉降量分別為0.68kg·m－２和0.1kg·m－２。9月至次年2月是最弱沉降期,期間前沿流沙區(qū)和植被帶內(nèi)的風(fēng)沙沉降總量分別為1.48kg·m－２和0.24kg·m－２,月均沉降量分別為0.25kg·m－２和0.04kg·m－２。沉降量最少的月份是12月和1月,合計(jì)僅占全年沉降量的2.6%。無論流沙區(qū)還是防護(hù)體系內(nèi),風(fēng)沙沉降顆粒組成中,躍移組分含量最高的月份都是風(fēng)沙沉降最活躍的3—4月,期間前沿流沙區(qū)風(fēng)沙沉降中的躍移顆粒含量高達(dá)40.9%,同期植被帶風(fēng)沙沉降中躍移顆粒的含量約占8.5%(圖6)。9月并不是風(fēng)沙沉降的活躍期,該月的風(fēng)沙沉降量分別僅占前沿流沙區(qū)和植被帶內(nèi)全年總沉降量的1.2%和2.1%,但9月出現(xiàn)了風(fēng)沙沉降中躍移顆粒含量的另一個(gè)峰值。4近地面風(fēng)速影響風(fēng)沙活動(dòng)的兩個(gè)必要條件是風(fēng)動(dòng)力和物質(zhì)來源,因此動(dòng)力環(huán)境的變化和物源性質(zhì)的差異是風(fēng)沙沉降量以及沉降性質(zhì)變化的根本原因。近地面風(fēng)力觀測表明,沙丘地形和防護(hù)體系前沿阻沙柵欄改變了局部流場分布［３，１５］,防護(hù)體系內(nèi)的草方格和植被覆蓋則顯著增大了近地面氣流阻力,不僅削弱了氣流的侵蝕能力和挾沙能力,還由于直接覆蓋地表而極大制約了就地起沙。關(guān)于阻沙柵欄的防風(fēng)阻沙作用及其原理已有大量研究［１６－２０］,本文不再贅述,無論柵欄處于沙丘表面何種部位,對(duì)局部流場和風(fēng)沙流的影響都是顯而易見的。值得一提的是,柵欄前后的持續(xù)積沙使得柵欄所在沙丘不斷增高、變大,并形成沿柵欄延伸、與主風(fēng)向大致垂直的帶狀沙壟,這一橫亙在防護(hù)體系前沿的巨大沙壟不僅導(dǎo)致風(fēng)沙地貌形態(tài)的明顯變異,還對(duì)下風(fēng)向區(qū)域的近地面流場產(chǎn)生了很大影響,有效抬升了進(jìn)入防護(hù)體系的氣流,降低了近地面風(fēng)速,對(duì)削弱防護(hù)體系內(nèi)尤其是防護(hù)體系前段的氣流侵蝕力具有重要作用。我們將這一特殊成因機(jī)制和形態(tài)特征的沙丘地貌稱為“柵欄沙壟”,其地貌學(xué)意義和對(duì)防護(hù)體系的工程影響機(jī)制有待開展更深入的研究。在“柵欄沙壟”影響減弱的較遠(yuǎn)區(qū)域,沙丘地形是造成氣流波動(dòng)的主要原因,而草方格和無灌溉人工植被是普遍增大地表粗糙程度、削弱近地面風(fēng)力的關(guān)鍵因素［３］。防護(hù)體系內(nèi)外近地面流場格局和風(fēng)力環(huán)境不僅決定了風(fēng)沙活動(dòng)方式和強(qiáng)度,還影響到風(fēng)沙沉降物質(zhì)的來源和性質(zhì)。隨風(fēng)力的逐漸削弱,由上風(fēng)向流沙區(qū)搬運(yùn)來的近地面運(yùn)動(dòng)顆粒在進(jìn)入防護(hù)體系后不斷沉降,氣流攜帶的沙物質(zhì)濃度逐漸降低,因而隨防護(hù)距離的增大,風(fēng)沙沉降的來源逐漸由前沿流沙區(qū)近地面風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)顆粒,轉(zhuǎn)變?yōu)橐源髿饨祲m為主的懸移顆粒。風(fēng)沙沉降顆粒的粒度特征證實(shí)了這一點(diǎn)。在防護(hù)體系前沿流沙區(qū),風(fēng)沙沉降量遠(yuǎn)高于下風(fēng)向區(qū)域,其中近地面躍移顆粒含量相對(duì)較高,顆粒較粗,磨圓度較好;防護(hù)體系以內(nèi)風(fēng)沙沉降急劇減少,粉沙和粘粒含量相對(duì)增加。在防護(hù)距離大于300m的區(qū)域,風(fēng)沙沉降量變化小,懸移顆粒含量較高。此外,草方格和植被固定地表,沙丘表面逐漸發(fā)育結(jié)皮,地表穩(wěn)定性增強(qiáng),也有效控制了就地物源。沙坡頭鐵路防護(hù)體系內(nèi)風(fēng)沙沉降的月際變化也是風(fēng)動(dòng)力月際變化和物源性質(zhì)改變的結(jié)果,并受到降水的影響［２１］。根據(jù)中國科學(xué)院沙坡頭沙漠試驗(yàn)研究站氣象站記錄的風(fēng)速資料(表1),本文的風(fēng)沙沉降觀測期間內(nèi),3—5月是平均風(fēng)速最高、起沙風(fēng)發(fā)生頻率最大的時(shí)期,6—8月平均風(fēng)速和起沙風(fēng)頻率有所降低,9月至次年2月風(fēng)速最小,起沙風(fēng)比例最低。研究區(qū)風(fēng)沙沉降強(qiáng)度的月際變化規(guī)律與的同期風(fēng)速變化規(guī)律完全一致。觀測周期內(nèi)的風(fēng)速變化情況與該區(qū)多年平均風(fēng)況基本相同［２２］,表明該區(qū)風(fēng)沙沉降的月變化具有良好的代表性。物源方面,研究區(qū)冬春季地表干燥,防護(hù)體系內(nèi)的植被覆蓋差,3—5月頻繁發(fā)生的起沙風(fēng),導(dǎo)致強(qiáng)烈的地面風(fēng)沙活動(dòng)和大范圍系統(tǒng)大風(fēng)天氣條件下的沙塵天氣過程,尤其是流沙區(qū)地表風(fēng)沙活動(dòng)非常活躍。此期間的風(fēng)沙沉降以上風(fēng)向鄰近區(qū)域的風(fēng)蝕起沙為主,特別是防護(hù)體系前沿地帶。6月降水逐漸增多,7、8月達(dá)到當(dāng)?shù)亟邓逯?因此盡管起沙風(fēng)發(fā)生頻率較高,但地表濕度增大有效削弱了風(fēng)沙活動(dòng),風(fēng)沙沉降迅速減弱(圖5)。肖洪浪等［１１］的觀測表明該區(qū)6—8月的大氣降塵量與3—5月的降塵量相比并沒有明顯降低,因此我們認(rèn)為這一期間的風(fēng)沙沉降物源中,較遠(yuǎn)源的大氣降塵相對(duì)增加而上風(fēng)向鄰近區(qū)域的風(fēng)蝕起沙相對(duì)減少。9月至次年2月份地表水分狀況和植被狀況都比較差,但起沙風(fēng)發(fā)生頻率低,同樣不利于地表風(fēng)蝕起沙。這一期間的風(fēng)沙沉降物源應(yīng)以大氣降塵為主。5沙區(qū)顆粒組成沙坡頭鐵路防護(hù)體系內(nèi)風(fēng)沙沉降速率隨防護(hù)距離增大逐漸降低,這種遞減趨勢在防護(hù)體系前段尤為劇烈。前沿流沙區(qū)、防護(hù)距離50~300m的植被區(qū)和300m以外的植被區(qū)風(fēng)沙沉降速率分別為108.6、17.1kg·m－２·a－１和1.5kg·m－２·a－１。風(fēng)沙沉降顆粒平均粒徑逐漸變細(xì),分選變差,以細(xì)沙為主的躍移組分含量逐漸減少,以粉沙和粘粒為主的懸移組分含量逐漸增大。防護(hù)體系前沿流沙區(qū)和植被帶內(nèi)的風(fēng)沙沉降高峰期均為3—