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干旱区研究 >

2025 , Vol. 42 >Issue 3: 568 - 576

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2025.03.16

生态与环境

洪积扇末端泥漠近地表风沙流结构特征

  • 江艳冰 , 1, 2, 3 ,
  • 周倩 1, 2, 3 ,
  • 王洪涛 1, 2 ,
  • 谭立海 , 1, 2
展开
  • 1.中国科学院西北生态环境资源研究院，干旱区生态安全与可持续发展重点实验室，甘肃 兰州 730000
  • 2.中国科学院西北生态环境资源研究院，敦煌戈壁荒漠生态与环境研究站，甘肃 敦煌 736200
  • 3.中国科学院大学，北京 100049
谭立海. E-mail:

江艳冰（2001-），女，硕士研究生，主要从事风沙物理与风沙工程学研究. E-mail:

收稿日期: 2024-08-17

  修回日期: 2024-10-20

  网络出版日期: 2025-08-13

基金资助

国家自然科学基金(42171015)

第三次新疆综合科学考察项目(2021xjkk0305)

甘肃省自然科学基金(24JRRA088)

收起

Structure of near-surface wind-blown sand over dry playa at the end of an alluvial fan

  • JIANG Yanbing , 1, 2, 3 ,
  • ZHOU Qian 1, 2, 3 ,
  • WANG Hongtao 1, 2 ,
  • TAN Lihai , 1, 2
Expand
  • 1. Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China
  • 2. Dunhuang Research Station of Gobi Desert Ecology and Environment, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Dunhuang 736200, Gansu, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received date: 2024-08-17

  Revised date: 2024-10-20

  Online published: 2025-08-13

Fold

摘要

泥漠风沙流结构是泥漠微观风沙运动的宏观表征，开展泥漠地表风沙流结构研究，对理解泥漠风沙运动过程，进而探究泥漠粉尘释放动力机制具有重要意义。本文选取额济纳旗北山周边典型洪积扇泥漠，对其近地表风沙流结构进行观测研究。结果表明：泥漠风速廓线曲线呈指数型，空气动力学粗糙度z0为0.058 mm，小于沙漠和戈壁地表。泥漠输沙通量随高度变化呈指数递减规律，泥漠过境风沙流中沙粒平均跃移高度zq为15 cm，90%输沙量集中于0~34 cm高度。其中，细沙粒径组输沙通量垂直剖面曲线与全样沙粒类似，而随着粒径的增大，泥漠输沙通量随高度发生变化，由类“象鼻”曲线过渡为粗沙的“斜Z型”曲线。基于以上研究结果，本文最终提出了泥漠床面沙粒运动的模式。

关键词： 泥漠; 风沙流结构; 风速廓线; 跃移

本文引用格式

江艳冰 , 周倩 , 王洪涛 , 谭立海 . 洪积扇末端泥漠近地表风沙流结构特征[J]. 干旱区研究, 2025 , 42(3) : 568 -576 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.03.16

Abstract

The structure of near-surface wind-blown sand flow over dry playa represents the macroscopic characteristics of micro-wind-blown sand movement at such locations. It is important to study such sand flow in order to understand the processes of wind-blown sand movement and dust emissions in dry playa. In this study, a dry playa at the end of a typical alluvial fan around North Mountain of the Ejin Banner was selected for analysis and field observations were conducted on its near-surface wind-blown sand flow structure. The results revealed an exponential wind speed profile over the dry playa surface and the aerodynamic roughness z0 was 0.058 mm, which is smaller than those of sand and gobi surfaces. The sand flux of mixed-particle-size sand decreased exponentially with height over the dry playa surface. The average saltation height zq of sand particles in the desert-crossing wind-sand flow was 15 cm, and 90% of the transport sand was concentrated within the height of 0-34 cm. The vertical profile curve of the sand flux in the fine-sand-particle-size group was similar to that of the mixed-particle-size sand. With increasing particle size, the sand flux in the dry playa changed with height, and the “elephant nose” curve transitioned to an “oblique Z” curve for coarse sand. Thus, this work proposes the mode of sand movement on the dry playa bed.

Key words： dry playa; wind-blown sand structure; wind velocity profile; saltation

泥漠是荒漠地表类型的一种[1-2]，主要由黏土和粉沙组成，其地表干燥、致密，平坦裸露，植被稀疏，并伴有龟裂发育，在干旱、半干旱区内陆盆地低洼处，由内陆河或间歇性洪水带来的细颗粒物经不断沉积、蒸发作用而成。间歇性洪水冲刷堆积所形成的洪积扇，其末端地势较为低洼平坦，是泥漠发育的重要地貌单元，而且泥漠往往与洪积戈壁交错分布。同时，泥漠周边多流沙环境[3]，在大风作用下，风沙活动强烈，多形成过境风沙流。
风沙流是挟带有大量颗粒的气固两相流，是风沙运动的宏观表现，且往往伴随着地表蚀积过程的发生[4]。通常采用风沙层中气流与沙粒运动特征的物理量来表征风沙流的结构特点[5-6]，风沙流结构直接影响风沙输移强度与风沙防治工程措施的选取，因此，风沙流结构特征研究一直是风沙物理学和风沙工程学研究的热点之一[4]。国内外学者通过野外观测和风洞实验，对不同地表风沙流结构特征开展了大量研究。首先，研究表明，近地表风速廓线是描述风沙层气流特征的重要指标之一，其与大气层结状态和下垫面特性关系密切，并通过空气动力学粗糙度z0反映下垫面的粗糙特性[7-8]。在大气呈中性层结条件下，风速廓线往往表现为对数型曲线形式，而在风沙边界层中，受跃移沙粒影响，风速廓线则偏离对数型曲线形式[9]。其次，探究输沙通量的垂向分布规律是研究风沙流结构宏观特征的重要途径之一[10]。近年来，关于沙漠近地表输沙通量的函数表达，学者多使用指数函数对其垂向分布特征进行定量描述[4]。然而，沙漠地表不同粒径组沙粒输沙通量垂向分布曲线形式多样，特别在近床面，曲线形式并不完全遵循指数规律[11]。除此之外，戈壁输沙通量的垂向分布与沙漠地表也存在差异，随高度的增高，呈现出“象鼻”效应，在地表以上一定高度处达到最大值[12-13]。同时，戈壁不同粒径沙粒的粒-床碰撞过程不同，也表现出输沙通量垂向分布曲线形态的差异[14]。平均跃移高度是风沙流结构的另一重要表征指数[15]。野外观测表明，沙漠沙质地表沙粒平均跃移高度介于0.049~0.107 m[16]，而戈壁地表平均跃移高度可达0.20 m[17]，显著高于沙质地表。多数学者认为沙粒跃移高度与颗粒粒径相关[14,16,18]，而部分学者认为沙粒跃移高度随风速变化，且受湍流影响[19]。
目前关于风沙流结构的研究主要集中于沙漠和戈壁地表，而泥漠的相关成果多集中于空间分布[3]及地表风蚀特性[20]等方面，其风沙流结构特征研究相对较少[21]。不同泥漠地表沉积环境和干湿循环过程不同，导致其沉积物物质组分、粒度组成和厚度等地表性质存在差异，致使其风沙动力过程区别于沙漠、戈壁地表。鉴于此，本文选取额济纳旗北山周边洪积扇末端典型泥漠地表，开展风沙流结构特征观测分析，以探究洪积扇末端泥漠风沙运动过程，明晰泥漠近地表风沙运动规律，为揭示泥漠粉尘释放动力机制提供理论依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘蒙交界区额济纳旗北山周边一洪积扇，泥漠地貌发育典型，周边戈壁广布（图1）。该地区属大陆性干旱气候，年均气温8 ℃，年均降水量52 mm，年均蒸发量2845 mm[22]。受冬季风影响，冬春平均风速较大，且大风日数多。该区域年起沙风频率为18.44%，主要起沙风向为WNW、NW、NE和NNW。研究区年输沙势为176.2 VU，为锐双峰风况，主要输沙方向分布在WNW和NW，且春季输沙势最高。研究区周边冲洪积沙砾质戈壁为泥漠地表风沙流运动提供了沙源[23]。
图1 研究区示意图

注：底图采用自然资源部标准地图制作，审图号为GS(2019)3333号，对底图边界无修改。

Fig. 1 Map of the research area

1.2 数据来源和研究方法

1.2.1 数据来源

一场典型西北风沙尘暴于2023年4月18日21:50—19日11:30时间段内发生（图2a），选取该场沙尘天气风沙数据用于分析泥漠风沙运动过程。研究区泥漠主要以粉沙和黏土组成，其含量占比分别为65.6%和31.1%。在沙尘观测时段内，风速（1.8 m高）变化范围为7.35~17.35 m·s-1，平均风速达12.52 m·s-1，风向介于289.2°~355.2°，平均值为310.16°，属西北风（NW）。
图2 泥漠近地表风沙观测

Fig. 2 Near-surface aeolian sediment transport observation over the dry playa surface

泥漠风沙流结构观测采用BSNE（Big Spring Number Eight）集沙仪（图2b）[24]。集沙盒口径大小为0.02 m×0.05 m，6个集沙盒高度（进沙口中间高度）分别为0.025 m、0.155 m、0.235 m、0.555 m、1.085 m和2.085 m。其中，由于集沙仪风叶板体积限制，地表0~5 cm高度集沙盒不自动旋转，现场观测进行风向订正，用于采集地表风沙流输沙量。风速观测采用HOBO风速、风向仪，风速仪架设高度为0.2 m、0.5 m和1.8 m，风向仪高度为1.8 m。采集器为HOBO-U21采集仪，数据采集频率为1 s，记录频率为1 min。BSNE集沙仪集沙样品粒度数据通过马尔文3000激光粒度分析仪测试获得。

1.2.2 研究方法

（1） 风速廓线
在中性大气层结条件下，通常采用普朗特-冯·卡曼速度对数分布律描述风速廓线：
u z = u * k l n z z 0
式中： u z为高度z处的风速（m·s-1）； z 0为空气动力学粗糙度（mm）； u *为摩阻速度（m·s-1）；k为冯卡曼常数，取0.4。
大气层结状况判定采用莫宁-奥布霍夫长度法[25]，大气稳定参数用z/L表示，z/L计算采用观测场0.6 m高三维超声风速仪数据，当|z/L|<0.1时可判定大气为中性层结状态[26]。本文中，z/L计算公式如下：
z L = - k z g w ' θ ' ¯ θ - u * 3
式中：L为奥布霍夫长度标度（m）； g为重力加速度，取9.8 m·s-2； w ' θ ' ¯为垂向热量通量均值（°C·m·s-1）； θ -为平均位温（°C）。
采用最小二乘法拟合风速数据，可得出空气动力学粗糙度 z 0及摩阻风速 u *[8]。风速廓线拟合结果为：
$u_{z}=a+b \ln (z)$
式中：a，b为拟合参数。
此时，令公式（3）中的 u z=0，即可求出 z 0：
$z_{0}=\exp \left(-\frac{a}{b}\right)$
选取两组不同高度风速数据，由公式（1）可推出：
$\frac{u_{*}}{k}=\frac{u_{1}-u_{2}}{\ln \frac{z_{1}}{z_{2}}}$
同时，公式（3）可推出：
$b=\frac{u_{1}-u_{2}}{\ln \frac{z_{1}}{z_{2}}}$
因此，摩阻风速可表示为：
u * = k b
（2） 输沙通量和沙粒平均跃移高度
输沙通量是指在单位时间通过单位面积的沙颗粒重量。一场沙尘天气结束后，对BSNE集沙仪中的沙粒样品进行收集称重后，计算得到集沙仪相应高度的输沙通量q（z），单位为g·m-2·s-1。将输沙通量随高度的变化采用如下公式进行拟合，继而可以得到沙粒平均跃移高度[16]：
$q(z)=q_{0} \exp \left(-\frac{z}{z_{q}}\right)$
式中： q 0为风沙流结构曲线的尺度参数（g·m-2·s-1）； z q为沙粒平均跃移高度（m）。

2 结果与分析

2.1 风速廓线特征

经计算，2023年4月18日21:50—23:59时段的大气稳定参数z/L为0.018，大气处于中性状态，选取该时段风速数据分析风廓线特征。
结果表明，观测时段内，泥漠近地表风速廓线遵循对数规律（图3），泥漠摩阻风速 u *介于0.41~0.68 m·s-1，平均值为0.50 m·s-1；空气动力学粗糙度 z 0为0.034~0.119 mm，平均值为0.058 mm。
图3 泥漠近地表风速廓线

Fig. 3 Near-surface wind speed profile over the dry playa surface

2.2 风沙流结构特征

2.2.1 全样沙粒输沙通量随高度变化规律

泥漠全样沙粒输沙通量随高度变化（图4），全样沙粒输沙通量随高度增加呈指数递减规律。通过输沙通量随高度变化拟合曲线计算，整个监测时段平均输沙率为4.34 g·m-1·s-1。
图4 泥漠全样沙粒输沙通量随高度的变化

Fig. 4 The variation of total sand transport flux with height over the dry playa surface

跃移高度是运动颗粒的跳跃高度，反映了地表气流的搬运能力。通过对泥漠输沙通量剖面曲线函数的分析可以得出，泥漠平均跃移高度zq达15 cm，近地表90%输沙量集中在0~34 cm高度层内。

2.2.2 不同粒径组沙粒输沙通量随高度变化规律

不同粒径组沙粒输沙通量随高度变化能从微观上反映不同粒径颗粒的运动过程[11,14,27]。如图5所示，泥漠不同粒径组沙粒输沙通量随高度变化曲线形式差异较大。其中小粒径组沙粒（图5a）输沙通量曲线的变化形式与全样沙粒输沙通量曲线相接近（图4），而大粒径组曲线（图5d）的变化形式与之差异显著。具体来看，泥漠58.9~240 μm沙粒输沙通量曲线遵循指数递减规律，而240.1~352 μm沙粒输沙通量曲线在0~5 cm高度偏离指数型（图5b）；352.1~454 μm沙粒输沙通量剖面曲线呈现类“象鼻”效应（图5c），其中352.1~400 μm粒径组沙粒拐点出现在16 cm高度处，而400.1~454 μm沙粒拐点出现在24 cm高度处，这是因为相同条件下，随粒径增大，运动颗粒惯性与阻力比值变大[28-29]，粒床碰撞后大粒径颗粒跳跃高度相对更高；较为特殊的是，454.1~977 μm粒径组输沙通量随高度变化曲线都表现出两个拐点，呈现为“斜Z型”曲线特征（图5d），这与大量粗沙在地表做蠕移运动有关。
图5 泥漠不同粒径组沙粒输沙通量随高度的变化

Fig. 5 The variation of sediment transport flux with height for different particle size fractions over the dry playa surface

2.2.3 输沙样品粒径频率分布随高度变化

通过分析风沙流中沙粒粒度，可了解风沙流结构及风沙运动规律，泥漠集沙样品中不存在砾石组分（>2000 μm），沙粒（63~2000 μm）含量最多，占比为69.68%，黏粒（<4 μm）含量最少，占比为6.78%。
泥漠不同高度输沙样品粒径频率分布随着高度的增大，频率峰值粒径呈现出先增大后减小的趋势（图6）。其中，0.05 m到0.24 m峰值粒径逐渐增大，0.24 m到2.09 m峰值粒径逐渐减小。具体而言，在0.05 m高度，峰值粒径为127 μm，对应频率为9.16%；在0.16 m和0.24 m高度处，峰值粒径均增大到163 μm，对应频率分别为8.2%和6.07%；而在0.56 m时，峰值粒径减小为111 μm，频率为5.1%；随着高度增大到1.09 m和2.09 m，峰值粒径均减小为86 μm，对应频率分别为6.54%和6.33%。粒径频率曲线显示，与其他高度相比，2.09 m高度处大于300 μm的沙粒含量最少且没有粗沙粒，这表明对于300 μm以上的颗粒难以随风沙流运动至2.09 m及更高的高度。
图6 不同高度集沙样品粒径频率分布

Fig. 6 Particle size frequency distribution of sand samples at different heights

3 讨论

3.1 泥漠近地表风速廓线及空气动力学特征

泥漠近地表风速廓线均呈现出指数型变化特征，且拟合程度较好（R2>0.96）。泥漠地表空气动力学粗糙度为0.058 mm。在相近摩阻风速下，泥漠、沙漠与戈壁地表空气动力学粗糙度依次增大（表1）。其中，洪积扇末端泥漠空气动力学粗糙度小于北大河下游泥漠地表[21]，且与光滑床面空气动力学粗糙度属同一数量级[30]，这主要与洪积扇末端泥漠硬度相对较大，地表平坦，且龟裂纹形态完整有关，而北大河下游泥漠遭受一定程度的风蚀，龟裂纹较为破碎，相较之下空气动力学粗糙度更大。
表1 相近摩阻风速u*下不同地表类型空气动力学粗糙度z0

Tab. 1 Aerodynamic roughness z0 of different surface types under similar friction wind speed u*

地表类型 观测手段 摩阻风速/（m·s-1） 空气动力学粗糙度/mm 资料来源
泥漠 野外观测 0.49 0.44 [21]
砾石床面（盖度60%） 风洞实验 0.46 6.3 [30]
流动沙地 野外观测 0.47 3 [31]
细颗粒戈壁（盖度约53%） 0.47 6.1
黑戈壁（盖度>95%） 0.47 4.2
泥漠 野外观测 0.5 0.058 本文

3.2 泥漠近地表风沙流结构

本研究中泥漠全样沙粒输沙通量随高度变化曲线呈负指数分布规律，这与其他下垫面类型风沙流结构的研究结论一致[14,32]。平均跃移高度是表征跃移运动特征的一个重要参数，一方面，风沙流颗粒跃移高度主要与粒-床碰撞恢复系数有关，本文中泥漠平均跃移高度为15 cm，结合多种下垫面跃移高度的研究结果发现，泥漠平均跃移高度大于沙质地表，小于戈壁地表。主要原因是跃移高度随粒-床碰撞恢复系数的增大而增高[16-17,21,33]。戈壁地表多由粗沙、砾石覆盖组成坚硬地表，相较于泥质沉积物组成的泥漠地表更为坚硬，而泥漠地表相较于松软的沙质地表硬度更大，因而泥漠粒-床碰撞恢复系数小于戈壁而大于沙床，所以戈壁床面颗粒的碰撞过程动能损失最小，反弹最高，即表现出最高的跃移高度。另一方面，跃移高度与风沙流中沙粒粒径大小有关，本文图5c中大粒径颗粒表现出更高的拐点位置，这与Liu等[28]和Dong等[34]发现，在相同试验条件下，大粒径颗粒比小粒径颗粒弹跳的高度更高的研究结论相一致。风沙输移过程中，输沙量主要集中在近地表一定高度，吴正[4]的野外观测表明，沙漠地表气流搬运的90%以上沙量分布在0~30 cm高度内，其中约80%沙量又特别集中在距地表0~10 cm高度；张正偲等[33]基于大量沙质地表的野外数据得出，多数风沙流在0~20 cm范围内的输沙量占总输沙量的95%以上。而戈壁风沙流的总体高度远大于沙漠地表风沙流，Tan等[35]通过野外观测发现，99%的输沙量集中在近地面0~60 cm，李凯崇等[36]分析戈壁大风区风沙流结构特征时发现，总集沙量的90%出现高度达到2 m。然而本文发现泥漠风沙流的90%输沙量集中于0~34 cm高度。可见，风沙运动是一种贴近地面的沙子搬运现象，上述输沙量分布高度的结果表明，下垫面性质的差异可以导致输沙量集中高度出现差异，往往地面越坚实，风沙流跃移颗粒垂直分布高度越高。

3.3 泥漠近地表风沙运动

不同粒径组沙粒随高度的变化能从微观上反映不同粒径沙粒的运动过程，从而阐明风沙运动的机理，为揭示泥漠粉尘释放动力机制提供理论依据。文中泥漠小于240 μm的细沙粒随高度的变化服从指数模型。随着粒径的增大，泥漠中沙粒粒径变化的曲线（240.1~454 μm）则转变为类“象鼻”曲线特征[12]。这主要是由于泥漠地表具有较为坚硬的结壳，颗粒与床面平均碰撞恢复系数较大，所以跃移沙粒损失的动能比较少，起跳的高度比较高。因此，输沙通量的最大值不是出现在地表，而是出现在离地面一定高度的地方[12]；与此同时，粗沙（454.1~977 μm）则表现出“斜Z型”特征，大于500 μm的颗粒运动方式多为蠕移，而泥漠地表比较平坦坚硬，发生蠕移运动的沙粒几乎不会受到地表阻力影响，因此贴地表层出现最大输沙通量。在0.235 m高度处出现输沙通量第二高值，究其机制，泥漠与戈壁地表物理性质的相似性可能是上述现象的根本原因，洪积扇末端泥漠由夹带泥沙的短暂性流水等频繁地沉积干涸而成，其表层聚集有细粒黏土、粉沙等泥质沉积物，地表坚硬。因此，具有一定碰撞恢复系数的泥漠地表可使风沙运动颗粒跃移到更高的位置，从而在0.155~2.085 m高度内表现出类“象鼻”效应。
泥漠近地表不同粒径组颗粒的垂向分布特征，反映了泥漠近地表不同粒径沙颗粒的运动特性。从图7中可知，泥漠近地表沙颗粒运动形式主要包括蠕移和跃移两种，其跃移层约0.3 m高。研究区周边戈壁为泥漠风沙流运动提供了主要的沙源，在风力的作用下，粒-床的碰撞作用使沙粒反弹，反弹高度与颗粒粒径正相关，即随着泥漠颗粒反弹高度的增高，其粒径逐渐变大，主要反弹颗粒由细沙依次过渡为中沙与粗沙。泥漠粒-床碰撞过程中反映出的不同粒径沙颗粒运动特性对研究跃移轰击作用下泥漠粉尘释放过程提供了重要的理论依据。今后，跃移轰击作用下洪积扇末端泥漠粉尘释放机制需要进一步深入研究。
图7 泥漠近地表沙颗粒运动示意图

Fig. 7 Diagram of near-surface sand particle movement over the dry playa surface

4 结论

（1） 泥漠近地表风速廓线呈对数形态，平均地表空气动力学粗糙度z0为0.058 mm，小于沙漠和戈壁地表。
（2） 泥漠全样沙粒粒径沙输沙通量随高度变化呈指数递减规律。平均跃移高度与粒-床碰撞恢复系数及粒径大小有关，本研究中泥漠平均跃移高度为15 cm。泥漠过境风沙流90%输沙量集中于0~34 cm高度范围。
（3） 不同粒径组风沙流结构曲线能够反映近地表不同粒径颗粒运动特征。细粒径沙输沙通量随高度变化曲线与泥漠全样沙粒类似，呈现负指数变化特征。随着粒径的增大，泥漠由中沙的类“象鼻”曲线过渡为粗沙的“斜Z型”曲线。
（4） 泥漠地表具有一定硬度，粒-床碰撞过程与戈壁具有一定的相似性，即跃移颗粒与地表碰撞后均发生反弹。两者区别之处在于地表颗粒运动模式的差异，戈壁受砾石阻挡，蠕移运动颗粒少，以跃移碰撞反弹为主，而泥漠大量粗沙颗粒在地表蠕移。

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