敦煌莫高窟頂灌木林帶和草方劑沙障固沙效應(yīng)研究

敦煌是中國乃至世界古代文化藝術(shù)的瑰寶。但由于地處我國西北干旱荒漠地帶,氣候干旱少雨,這一方面為石窟長期完整保存創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的自然環(huán)境條件,另一方面,莫高窟窟頂以西約1km處即是高大鳴沙山的東段,沙源豐富,在西北、東北以及西南風(fēng)的作用下,洞窟長期受到風(fēng)沙的危害。據(jù)統(tǒng)計(jì),上世紀(jì)90年代以前,每年要從窟區(qū)清除3000～4000m3積沙。1987年,莫高窟被列入世界文化遺產(chǎn)清單,隨后,對莫高窟的保護(hù)工作得到國際社會(huì)的廣泛關(guān)注,從多學(xué)科的角度對其保存狀況進(jìn)行了較為深入系統(tǒng)的研究,特別是在遺存環(huán)境方面取得了歷史性突破。凌裕泉等、屈建軍等和汪萬福等在分析莫高窟風(fēng)沙危害的來源、類型及其風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對崖頂?shù)娘L(fēng)沙防治問題進(jìn)行了一系列研究。凌裕泉等對尼龍網(wǎng)柵欄防沙工程的效益問題進(jìn)行了初步分析。李最雄等開展了莫高窟化學(xué)固沙實(shí)驗(yàn),并提出采用高摩數(shù)硅酸鉀(簡稱PS)可進(jìn)行崖面防風(fēng)蝕加固。薛嫻等根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)和野外觀測的結(jié)果,研究了礫石覆蓋對風(fēng)蝕的抑制效應(yīng)。汪萬福等對崖頂生物固沙進(jìn)行了初步研究,并對灌木帶的防護(hù)效應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞模擬和野外監(jiān)測對比實(shí)驗(yàn)。朱震達(dá)、王濤等和張偉民等對莫高窟風(fēng)沙危害綜合防護(hù)體系建立的基本原理進(jìn)行了探討。隨著敦煌莫高窟風(fēng)沙危害防治研究工作的不斷深入,一個(gè)以“固”為主,“固”、“阻”、“輸”、“導(dǎo)”相結(jié)合,由工程、生物和化學(xué)措施組成的多層次、多功能的風(fēng)沙危害綜合防護(hù)體系方案已通過專家論證。其中核心內(nèi)容是在流動(dòng)沙丘區(qū)實(shí)施較大規(guī)模的草方格沙障固沙和在草方格沙障后方建立一定規(guī)模的灌木固沙帶,固定流沙,切斷沙源,達(dá)到根本治理的目的。為了對項(xiàng)目實(shí)施后的固沙效應(yīng)做出科學(xué)預(yù)測,依據(jù)試驗(yàn)階段已建立的灌木帶和草方格沙障的實(shí)測參數(shù),結(jié)合中尺度大氣數(shù)值模式MM5和Shao的風(fēng)蝕起沙方案,計(jì)算模擬了2002年4月12日0時(shí)到14日0時(shí)(UTC)莫高窟頂種植灌木林帶和設(shè)置草方格沙障前后地表臨界摩擦速度、順風(fēng)向沙粒通量和垂直塵粒通量等風(fēng)蝕起沙參量的變化。通過兩組結(jié)果比較,說明灌木林帶和草方格沙障的固沙效應(yīng)。研究結(jié)果為莫高窟風(fēng)沙防治綜合體系的建立提供必要的理論依據(jù),并為防沙工程綜合防護(hù)效應(yīng)的評價(jià)體系提供借鑒。1研究區(qū)植被分布研究區(qū)位于莫高窟頂,根據(jù)窟頂?shù)孛残螒B(tài)及地表組成物質(zhì)等因素,從東到西劃分為:固定戈壁、砂礫質(zhì)戈壁、平沙地和沙山4種類型,地表物質(zhì)粒級含量分別為:礫石依次為40.13%,23.92%,2.70%,0%,細(xì)砂為19.23%,19.82%,19.97%,90.60%,微砂為24.60%,29.09%,42.33%,5.27%。研究區(qū)植被稀少,戈壁區(qū)主要有零星分布的白刺等,蓋度不到1%;平沙地和流動(dòng)沙丘區(qū)植被種類相對較多,主要有梭梭、沙拐棗、羽毛三芒草、泡泡刺及一些短命植物等,蓋度在1%左右,隨著不同季節(jié)及年降水量的變化有所波動(dòng)。在戈壁平坦開闊的地方設(shè)有為中日合作“風(fēng)送沙塵的形成、輸送機(jī)制及其對氣候與環(huán)境影響(ADEC)的研究”項(xiàng)目服務(wù)的自動(dòng)氣象站(40.04°N,94.80°E),其主要觀測項(xiàng)目見表1。自動(dòng)氣象站西南約800m的平沙地上是已種植的灌木固沙試驗(yàn)林帶,密度為1株(叢)/4m2,平均高度約1.5m,平均冠幅(迎風(fēng)面寬度)約1m,平均覆蓋度約40%。灌木帶以西的中小沙丘上是已設(shè)置的草方格沙障,方格規(guī)格為1m×1m,露頭高度10～15cm,地表麥草覆蓋度約40%。實(shí)測結(jié)果表明,4月份戈壁(氣象站附近)、灌木固沙試驗(yàn)林帶及草方格沙障(坡底)地表(0～5cm)平均含水量分別為0.063,0.070,0.010m3/m3。2地表土壤水分含量及臨界沙粒通量的確定大氣數(shù)值模式是由PSU/NCAR發(fā)展的最新一代非靜力中尺度模式MM5v3.6,可對不同區(qū)域不同尺度的大氣狀況進(jìn)行模擬和預(yù)報(bào)。模式對于各物理過程提供許多不同的方案,包括降水的物理過程、地表能量的收支、地表邊界層的處理和大氣輻射的物理過程等,使用者可根據(jù)不同要求去選擇。其中,增加的陸面過程模式(OSU/EtaLSM)可以為風(fēng)蝕起沙方案的計(jì)算提供地表(0～10cm)土壤水分含量。風(fēng)蝕起沙方案采用Shao的模型,該模型在充分考慮地表土壤風(fēng)蝕起沙物理機(jī)制的基礎(chǔ)上提出,并得到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和野外觀測的驗(yàn)證,是一種計(jì)算地面風(fēng)蝕起沙量的有效方法。在土壤類型(粒度分布)、土壤表面覆蓋因子、地表土壤水分含量和摩擦速度等4個(gè)基本參量已知的條件下,通過計(jì)算可得到地表土壤風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度、順風(fēng)向沙粒通量以及垂直沙塵通量等。本文將MM5和Shao的方案相結(jié)合,把實(shí)測的模擬區(qū)域(照片1)下墊面特征參數(shù)(土壤類型、植被覆蓋和類型等)在MM5的地形模塊中進(jìn)行替換,從MM5的后處理部分輸出地表土壤水分含量和摩擦速度。將獲得的參數(shù)代入Shao的方案中求解,得到模擬區(qū)域內(nèi)的臨界摩擦速度、順風(fēng)向沙粒通量和垂直塵粒通量。MM5的大尺度資料采用NCEP提供的再分析資料,取2002年4月12日00:00(UTC)作為初值,采用張弛逼近邊界條件,積分時(shí)間2d,積分時(shí)間步長3s,每1h輸出一次結(jié)果,區(qū)域中心經(jīng)緯度(94.77°E,40.08°N),東西向和南北向的格點(diǎn)數(shù)分別為29和21,水平格距1km,垂直方向分23層,模式大氣頂層氣壓100hpa。3結(jié)果與分析3.1風(fēng)速及溫度的計(jì)算圖1是莫高窟頂ADEC自動(dòng)氣象站附近MM5模擬的摩擦速度u*和利用該站的觀測資料(1m和2m的風(fēng)速及溫度)計(jì)算得到的u*的比較。從圖1可以看出,觀測結(jié)果和模擬結(jié)果在6:00時(shí)均達(dá)到了峰值,兩者的變化趨勢基本一致,模擬值與觀測的每小時(shí)的平均值和最大值呈較好的線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)(R)分別為0.88和0.80,說明MM5對該區(qū)域u*的模擬結(jié)果是比較可靠的。3.2不同地表土壤水分含量和級聯(lián)反應(yīng)表及強(qiáng)度因子地面風(fēng)蝕起沙的u*t根據(jù)Shao等給出的方法計(jì)算:u*t=Η(w)R(λ)√AΝ(σρgd+ε/ρd)(1)u*t=H(w)R(λ)AN(σρgd+ε/ρd)??????????????√(1)式中:d——土壤微粒的直徑;g——重力加速度,取9.81m/s2;AN,ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù),分別近似取0.0123,0.0003kg/s2;σρ——土壤微粒密度(2650kg/m3)和空氣密度的比值;ρ——空氣密度,對敦煌取1.1kg/m3;H(w)——表征地表土壤水分含量w對風(fēng)蝕起沙的阻礙作用,其表達(dá)式分別根據(jù)Fecan的研究得到,對w的取值由于MM5的模擬結(jié)果與實(shí)際值出入較大,這里的計(jì)算以觀測值為準(zhǔn),對草方格以西(主要是沙山)近似取0.010m3/m3,對灌木林帶以東的戈壁地表近似取0.063m3/m3,對設(shè)置草方格前后的地表分別取0.010,0.011m3/m3,對種植林帶前后的地表分別取0.010,0.070m3/m3;R(λ)——表征粗糙元密集度λ對風(fēng)蝕起沙的阻礙作用,其表達(dá)式根據(jù)Raupach的研究得到,灌木林帶和草方格因其高度、冠幅及密度的不同而對風(fēng)蝕起沙的影響也不同,其R(λ)的大小也有較大差別。根據(jù)(1)式可得,灌木林帶種植前后該區(qū)平均的u*t分別為0.28m/s和1.15m/s,后者是前者的4.1倍。通常情況下,u*不會(huì)大于1m/s。因此,灌木林帶的種植使地表流動(dòng)沙粒幾乎不會(huì)因風(fēng)吹而脫離地表,從而起到完全固沙的作用;草方格設(shè)置前后該區(qū)平均的u*t分別為0.28m/s和0.53m/s,后者是前者的1.9倍,說明草方格沙障的設(shè)置可明顯地減少起沙量,但其阻滯效果不如灌木林帶明顯。3.3地表細(xì)度的計(jì)算風(fēng)沙物理學(xué)中,順風(fēng)向沙粒通量Q和垂直塵粒通量F用來表征地表的風(fēng)蝕起沙量。Q反映的是進(jìn)行跳躍運(yùn)動(dòng)的沙粒量,其物理意義是指單位時(shí)間內(nèi)單位寬度從地表到積分高度處所形成的垂直平面(與水平風(fēng)向垂直)內(nèi)通過的沙粒質(zhì)量,量綱為g/(m·s)。但具體計(jì)算時(shí)常用Owen方程:Q={csρu3*/g[1-(u*t/u*)2]u*>u*t0u*<u*t(2)Q={csρu3?/g[1?(u*t/u?)2]0u?>u*tu?<u*t(2)式中:cs——Owen系數(shù),在較典型的情況下(d≈150μm,u*≈0.8m/s),cs≈0.8,具體應(yīng)用時(shí),可通過Owen的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式確定。F表征的是風(fēng)蝕過程中地表塵粒的排放量,其物理意義是指單位時(shí)間內(nèi)某一高度處與地表面平行的單位面積內(nèi)通過的塵粒的質(zhì)量,量綱為g/(m2·s)。本文采用Shao的方案進(jìn)行計(jì)算:F(di?ds)=cY[(1-γ)+γpm(di)pf(di)]Qgu*2m(ρbηfiΩ+ηcim)(3)式中:cY=17cs;di是第i個(gè)塵粒的直徑;pm(di)是地表土壤遭受最小程度破壞時(shí)粒子尺度分布的概率密度函數(shù);pf(di)是地表土壤遭受最大程度破壞時(shí)粒子尺度分布的概率密度函數(shù);pm(d),pf(d)是表征地表土壤兩種理想的粒子尺度分布狀態(tài),對不同類型的地表土壤其分布特征也不同,具體計(jì)算時(shí)可通過3到4種高斯對數(shù)分布擬合;γ,(1-γ)分別是pm(d)和pf(d)在風(fēng)蝕起沙時(shí)所占的權(quán)重,γ=e-t(u*-u*t)n,t和n是兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù),近似取27.3和3;m是直徑為ds的沙粒質(zhì)量,具體計(jì)算時(shí)將沙粒近似作為球形;ηf指地表土壤中能夠排放到大氣中塵粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù);ηc指覆蓋于集合體表面的塵粒質(zhì)量分?jǐn)?shù),二者均決定于地表土壤的粒子尺度分布;Ω是沙粒碰撞土壤表面時(shí)所產(chǎn)生凹坑的體積,根據(jù)Lu等的計(jì)算方法確定。圖2是結(jié)合MM5和Shao的方案得到的2002年4月13日06時(shí)(UTC)模擬區(qū)域內(nèi)F的空間分布情況。從圖2中可以看出,種植灌木林帶和設(shè)置草方格沙障前后地表垂直塵粒通量有明顯的變化。分別對灌木林帶區(qū)和草方格區(qū)的Q和F求平均值(表2)后可以看出,設(shè)置草方格前后的Q分別為1.25×10-2kg/(m·s)和4.95×10-3kg/(m·s),后者約為前者的2/5,F分別為6.36×10-7kg/(m2·s)和8.54×10-8kg/(m2·s),后者約為前者的1/8,說明草方格的設(shè)置使其地表的風(fēng)蝕起沙量有了明顯減少;灌木林帶建立前后Q與F的變化更為顯著,林帶建立前Q與F分別為1.12×10-2kg/(m·s)和5.91×10-7kg/(m2·s),林帶建立后則Q與F均減小為0,充分說明灌木林帶的建立完全抑制了其地表的風(fēng)蝕起沙,達(dá)到了阻固流沙的良好效果。4地表風(fēng)蝕起沙的臨界速度mm5本文結(jié)合中尺度大氣模式MM5和Shao的風(fēng)蝕起沙方案,對敦煌莫高窟頂風(fēng)沙危害綜合防護(hù)試驗(yàn)研究中的灌木林帶和草方格沙障的固沙效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,得到以下結(jié)論:(1)MM5模擬的摩擦速度和觀測的摩擦速度在變化趨勢上呈較好的線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)(R)達(dá)0.8以上,說明MM5對該區(qū)域摩擦速度的模擬結(jié)果是可靠的。(2)研究結(jié)果表明,灌木林帶的建立,使其地表風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度(u*t)達(dá)到1.15m/s,是林帶建立前的4.1倍,地表的順風(fēng)向沙粒通量