呼伦贝尔沙质草原槽形风蚀坑表面气流特征 8页

http://www.paper.edu.cn1呼伦贝尔沙质草原槽形风蚀坑表面气流特征1,22王帅，哈斯1.浙江省水利河口研究院，杭州（310020）2.北京师范大学资源学院，北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京（100875)E-mail：shuaiwang@ires.cn摘要：对呼伦贝尔沙质草原地区槽形风蚀坑表面气流的观测结果显示，当气流进入风蚀坑，速度明显降低，坑内的前1/2的距离内，风速较低，然后逐渐加速，在坑长3/4处，速度达到最高，但在坑后积沙坡脚处，由于气流遇阻且辐散的原因，速度再次降低，出现停滞现象，直至积沙坡顶才逐渐恢复。风蚀坑侧壁是由气流被吸入的过程中侵蚀的，气流在坑内聚集加速从而侵蚀坑底。当气流斜向经过风蚀坑时，气流一般是从风向方的侧壁被吸入风蚀坑的，由于侧壁坡度较陡，气流在进入过程中形成分离流，到达对面侧壁后形成反向回流造成进入侧的侧壁被侵蚀，而对面侧壁上有沙物质沉积的现象。气流在坑内前部形成螺旋流，在坑底后部形成高速流，积沙坡脚减速后又逐步恢复溢出风蚀坑。关键词：呼伦贝尔草原；槽形风蚀坑；表面气流风蚀坑（Blowout）通常指植被覆盖的固定沙丘或者平坦草地受风吹蚀而形成的凹地、[1]槽和洼地，是沙漠和沙漠化地区常见的一种风蚀地貌类型。按风蚀坑的几何形状一般将风蚀坑分为碟形坑和槽形坑两大类，前者具有宽平的坑底，呈浅碟形椭圆状，深度较浅；后者[2][3][4]则具有较深的长廊道，呈狭长形扩展。在过去的近10年中，Fraster等（1998）在密西根湖南岸对风蚀坑内气流进行了观测，发现气流进入风蚀坑后辐散并形成螺旋流，在坑后积[5]沙坡前停滞后在坡顶加速。Hesp和Hyde（1996）在澳大利亚海岸地区对槽形坑内气流进行了首次定量观测，并利用概括模型显示气流在坑内形成急流且呈螺旋状前进。但沙质草原地区风蚀坑表面气流及其地貌学意义至今没有系统观测和分析，本文根据野外对呼伦贝尔沙质草原槽形风蚀坑表面二次流的观测结果，分析了其地貌学意义，探讨了这种灾害性地貌的发育过程。1.方法我们选取一大型槽状风蚀坑进行研究，走向西北东南向（约310°-130°），长约130m，宽25m，深8m。西北入风口处沉积物和崩落物混杂，坡度较陡（18-21°），东南出风口积沙坡长而缓（4-6°），东北坡和西南坡坡度较陡（都约24-26°），但东北坡侵蚀强烈，出露河流相沉积物并有崩塌现象，西南坡有大量沙物质沉积且有沙粒滑落到坡脚,坑底出露地下水，不可再侵蚀。沿风蚀坑的纵轴线（与走向一致）在入风口坡中，坡脚，坑底，坑后缘、积沙坡顶和积沙区等地共设7个观测点（L1—L7），每个观测点同时观测10cm、30cm、60cm、100cm、150cm、200cm和400cm等7个高度的1min平均风速。并分别在坑长的1/4、1/2和3/4等三个横截面上（H1-H3）设立观测点,每个截面包括5个或3个点，每个点也作同样的观测。另外，在风蚀坑上风向的草地上设一固定观测点（参考点）进行同步观测，7个风速观测高度的设置与坑内风速观测高度相同。同时利用阶梯式积沙仪在各部位进行了观测。1本课题得到国家自然科学基金(40471013)的资助。-1- http://www.paper.edu.cn图1研究风蚀坑Fig.1Thephotoofthestudiedblowout.图2研究风蚀坑示意图Fig.2Theschematicdiagramsofthestudiedblowout.2.结果与分析当风向和风蚀坑的延伸方向一致（约320°-120°），即平行进入风蚀坑时的表面气流特征如下：-2- http://www.paper.edu.cn1.00.90.80.70.64m0.53m2mWindSpeedRatio(V/Vr400)0.41m0.1m0.3020406080100120140Distance图3风蚀坑纵轴线各点相对风速折线图Fig.3ThewindspeedexpressedaspercentageofVr400alonghecentrallineoftheblowout.从图中可以看出（图2），气流进入风蚀坑，速度显著降低，在坑长1/4处，近地表10cm高度和4m高度的风速都降至参考点风速的75%，但风速廓线基本符合对数规律（图3），拟合相关系数达0.95，然后风速逐渐升高，在坑长1/2出坑底，风速已基本恢复到参考点水平，但随高度不符合对数关系，在3/4坑底处，速度达到最大，10cm高度风速达到参考点的1.45倍，在积沙坡脚处，气流再次减速，各高度风速差异变得不明显，也就是Fraster观测到的停滞现象，在坑后积沙坡顶部，风速再次恢复到接近参考点水平，在顶后的沙地上，近地表风速略有降低，而3m和4m高度的风速略有增加。43L1L2L32L4L5Height(m)L6L710.40.60.81.0WindSpeed(m/s)图4风蚀坑纵轴线各点实测风速廓线图Fig.4Thewindspeedprofilesalongthecentrallineoftheblowout.-3- http://www.paper.edu.cn0.90.80.70.60.50.44m3m0.32mWindSpeedRatio(V/Vr400)1m0.20.1mH11H12H13H14H15Site图5坑长1/4处横截面各点相对风速Fig.5ThewindspeedexpressedaspercentageofVr400alongthefirstcrosssection在坑长1/4处的横截面上，共设置了5个观测点，即坑底加西南坡的坡中和坡脚，东北坡的坡中和坡脚，各点的风速在不同高度呈现明显不同趋势，在2m高度，坑底风速最高，两侧坡脚、坡上依次降低，西南坡略高于东北坡；而在以上高度，坡上的风速要大于坡脚风速，西南坡上最大；在近地表，两侧坡上风速最小，其次是坑底，坡脚风速较高，且西南坡略高于东北坡。0.820.804m3m0.782m1m0.760.3m0.740.1m0.720.700.680.660.64WindSpeedRatio(V/Vr400)0.620.60H21H22H23Site图6坑长1/2处横截面各点相对风速Fig.6ThewindspeedexpressedaspercentageofVr400alongthesecondcrosssection.在坑长1/2处的横截面上，共设了3个观测点，即坑底和两侧坡上，并且趋势明显，坑-4- http://www.paper.edu.cn底最高，坡上较低，在1m高度以上，西南坡略高于东北坡，以下则反，不过近地表10cm高度时西南坡最高，然后依次为坑底和东北坡。1.00.80.64m3m2m0.41mWindSpeedRatio(V/Vr400)0.3m0.1m0.2H31H32H33Site图7坑长3/4处横截面各点相对风速Fig.7ThewindspeedexpressedaspercentageofVr400alongthethirdcrosssection.在坑长的3/4处横截面上，也设了三个观测点，趋势特别明显，坑底最高，两侧坡上较低，西南坡高于东北坡。当气流斜向进入风蚀坑时（风向约350°-170°），表面气流的特点如下：1.04m3m0.92m1m0.80.1m0.70.60.5WindSpeedRatioV/Vr4000.40.3020406080100120140Distance(m)图8风蚀坑纵轴线各点相对风速Fig.8ThewindspeedexpressedaspercentageofVr400alongthecentrallineoftheblowout.气流速度总体上是先降低，然后在3/4处升高到最大，积沙坡脚前急剧降低至最小，然-5- http://www.paper.edu.cn后又逐渐加速。但是在3/4点之前，气流比较紊乱，1m高度的风速最高，3m和4m高度的风速较低，低于近地表风速，在1/4点处到1/2点处的过程中，除3m高度风速外别的高度都有降低趋势。0.90.80.70.60.54m0.43m2m0.31mWindSpeedRatioV/Vr4000.1m0.2H11H12H13H14H15Site图9坑长1/4处横截面各点相对风速Fig.9ThewindspeedexpressedaspercentageofVr400alongthefirstcrosssection.在坑长1/4处的横截面上，东北侧坡上除4m高度外，各高度风速都小于坡脚，坡脚的风速也大于坑底，西南坡上风速依次大于坡脚和坑底，但在坡脚处，1m高度风速较高。4m3m0.72m1m0.3m0.1m0.60.5WindSpeedRatioV/Vr4000.4H21H22H23Site图10坑长1/2处横截面各点相对风速Fig.10ThewindspeedexpressedaspercentageofVr400alongthefirstcrosssection.在坑长1/2处的横截面上，1m高度以上风速，坑底最低，西南坡最高，近地表风速则-6- http://www.paper.edu.cn是坑底较高，两侧坡上较低。1.00.80.64m3m)2m0.41mWindSpeedRatioV/Vr4000.3m0.1m0.2H31H32H33Site图11坑长3/4处横截面各点相对风速Fig.11ThewindspeedexpressedaspercentageofVr400alongthefirstcrosssection.在坑长的3/4处横截面上，总体上各个高度都是坑底风速较高，而西南坡又高于东北坡，但2m高度的风速在坑底时低于其他高度，而在西南坡仅次于4m高度风速，并且4m高度的风速在坑底低于1m高度风速。3.讨论与结论在沙质草原上，槽形坑是在碟形坑的基础上，沿强风能方向延伸扩展，三个出风口最终合并而形成的大型风蚀地貌形态，在大部分风蚀坑的东北侧，仍然留有出风口之间没有被侵蚀掉的风蚀残墩，这也可以指示风蚀坑的发育阶段，处在同一发育阶段的坑往往具有高度一致的形态和大小。[5]当气流平行经过风蚀坑时，由于坑内气压较低，被“吸”入风蚀坑，所以在坑内的前1/2的距离内，风速较低，然后逐渐加速，在坑长3/4处，速度达到最高，但在坑后积沙坡脚处，由于气流遇阻且辐散的原因，速度再次降低，直至积沙坡顶逐渐恢复。这与Hesp在海岸的观测结果基本相同，但草原风蚀坑由于发育在平地上，有很多方面不同于海岸低沙丘上的槽形坑，气流进入海岸沙丘槽形坑是在经过沙丘时被聚集到窄而深的“风口”内，所以在坑内没[3]有减速的过程，并且在侧壁也形成高速气流从而造成大量侵蚀，同时，气流会从侧壁溢出，在坑的边缘形成边缘沙丘。而沙质草原风蚀坑则相反，气流不只在前端入风口处被吸入坑内，在两个侧壁，气流不仅不是溢出，而是也被不断吸进坑内，所以侧壁的侵蚀一定程度上是由这个过程造成的，气流的不断聚集才能使得坑底气流逐渐加速，从而使坑底不断被侵蚀加深，直至出露地下水。气流在坑前遇阻并减速，造成沙物质沉积，从而形成坑后积沙坡，但由于坑底可侵蚀物质越来越少，风沙流含沙量较少，也会促使坑后积沙坡不断后退，风蚀坑继续沿风向延伸扩展。当气流斜向经过风蚀坑时，和发育在海岸低沙丘上的槽形坑不同的是，海岸风蚀坑内大部分气流是由坑前入风口进入的，但沙质草原上的槽形坑，由于其发育在平地上，所以气流-7- http://www.paper.edu.cn一般是从风向方的侧壁被“吸”入风蚀坑的，由于侧壁坡度较陡，气流在进入过程中形成分离[6]流，到达对面侧壁后形成反向回流，这样的话，就会造成进入侧的侧壁被侵蚀，而对面侧壁上有沙物质沉积的现象。由于研究区西北风要多于西南风，久而久之，就会造成风蚀坑东[7]北侧凹，西南侧凸的现象。整体来看，气流在坑内前部形成螺旋流，在坑底后部形成高速流，积沙坡脚减速后又逐步恢复溢出风蚀坑。参考文献[1]庄燕美,哈斯.沙丘风蚀坑的形态及动力过程的研究进展[J].干旱区地理,2005,28(5):632-637.[2]CooperW.S.CoastalSandDunesofCalifornia[C].GeologicalSocietyofAmerica–Memoir101,1967.[3]Hesp,P.A.Foredunesandblowouts:initiation,geomorphologyanddynamics[J].Geomorphology,2002,48;245-268[4]Fraser,G.S.,Bennett,S.W.,Olyphant,etal.Windflowcirculationpatternsinacoastalduneblowout[J].JournalofCoastalResearch.1998,14(2):451-460[5]Hesp,P.A.Flowdynamicsinatroughblowout.JournalofBoundary-LayerMeteorology[J].1996,77:305-330.[6]哈斯,王贵勇.沙丘背风侧气流的变化特征及其意义[J].地理科学,2001,20(6):573-577.[7]庄燕美.沙质草原风蚀坑形态及其土壤与植被变化[D].2006,北京师范大学硕士毕业论文.[8]王帅,哈斯,张军等.呼伦贝尔沙质草原碟形风蚀坑表面气流及其意义.中国沙漠,2007,27(5):745-749.FlowdynamicsofatroughblowoutintheHulunBuirsandygrassland1,22WangShuai，HasiErdun1.ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary，Hangzhou（310020）2.CollegeofResourcesScienceandTechnology，KeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandNaturalDisaster，theMinistryofEducationofChina，BeijingNormalUniversity，Beijing（100875）AbstractBlowoutsarethebestsurfaceexpressionsoftheaeolianprocessesrespondingtoregionalclimaticchangesandhumanactivities;itisalsothedrivingforceofgrasslandlandscapeheterogeneity.Whenthewindapproachesthetroughblowoutparalleltothethroatorientation,thevelocityisbecomeslowbecauseoftheexpansion,anduntiljetusuallyoccurinthe3/4ofthecentrallineofthedeflationbasin,thisistheresultofthefactthatmoreandmoreflowwassuckedintotheblowout,andtherimoftheblowoutisusuallyerodedbythisprocess,thereforflowdecelerationandexpansionoccursupthedepositionallobe,andcometopreviousconditionwhentothecrest.Whenthewindapproachestheblowoutobliquely,theflowisusuallyextremelyturbulentandlargecorkscrewvorticesarecommon,flowwassuckedintotheblowoutfromtherimwhichwindcome,becausetheerosionalwallisverysteep,sotheflowissteeredasreturnflow,erodethecomingwallandsedimentateontheoppositewall.Troughblowoutmorphologiesareexplainedasafunctionoftheseflowpatterns.Keywords：Blowout；HulunBuirsandygrassland；Surfaceairflow；Dynamic作者简介：王帅（1982-），男，内蒙古鄂尔多斯人，研究方向为荒漠化过程与防治。-8-