塔克拉瑪干沙漠公路沿線風(fēng)沙活動(dòng)的分析

塔克拉瑪干沙漠公路沿線風(fēng)沙活動(dòng)的分析

為了加快塔里木盆地油氣資源的勘探和開發(fā)，中國成功建立了塔塔拉瑪-塔塔架高架公路，為定量化研究沙漠內(nèi)部的沙力分布模式創(chuàng)造了方便的條件。以沙漠公路沿線為研究區(qū),許多學(xué)者從不同專業(yè)角度對(duì)風(fēng)沙環(huán)境與沙害特征進(jìn)行過研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],取得重要成果。但是,有關(guān)公路沿線風(fēng)沙活動(dòng)在時(shí)間與空間上的分布規(guī)律,目前還沒有詳細(xì)的研究報(bào)道。本文通過分析定位和半定位風(fēng)沙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),試圖對(duì)塔克拉瑪干沙漠公路沿線風(fēng)沙活動(dòng)的時(shí)空分布特征加以總結(jié)與討論。1沙丘地地貌條件塔克拉瑪干沙漠公路北起塔里木河北約35km的輪南,南與民豐東15km處315國道連接,全長約519km,近90%路段穿行于流沙中,風(fēng)沙危害對(duì)其正常營運(yùn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在國家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目支持下,經(jīng)過慎重論證和試驗(yàn)示范,設(shè)計(jì)并建成寬20～80m、以1m×1m蘆葦方格半隱蔽固沙沙障與原狀蘆葦高立式疏透型沙障組合的風(fēng)沙危害綜合防沙體系。沙漠公路沿線地勢(shì)南高北低,相對(duì)高差達(dá)360m。公路穿越四大地貌單元:(1)塔里木河沖積平原復(fù)合型橫向沙丘鏈區(qū),沙丘高20～30m,寬200～500m,長5000～6000m;(2)過渡平原穹狀復(fù)合型沙丘區(qū),穹狀沙丘高40～60m;(3)高大復(fù)合型縱向沙壟區(qū),沙壟與壟間地相間分布,走向NNE-SSW或NE-SW,沙壟高60～80m,寬500～1000m,長10000～20000m,其上疊置高度大于3m的次級(jí)沙丘與沙丘鏈;壟間地寬400～600m,分布小于3m的新月形沙丘和線形沙丘;(4)牙通古斯河、尼雅河干三角洲及北民豐隆起區(qū)復(fù)合型沙壟區(qū),沙壟高度降低,壟間地展寬,受河流影響,植被狀況較好。沿線氣候極端干旱,年降水量低于40mm,變率大;年蒸發(fā)量大于3000mm,年平均溫度12～13℃,年較差37℃以上,日較差超過15℃。沙漠腹地天然植物隸屬9科12屬12種,以多年生草本為主(占50%),主要有蘆葦(PhragmitesCommunis)、沙旋覆花(InuulaSalsoloides)、河西菊(Hexinia)、阿克蘇牛皮消(Cynanchumkashgaricum)、羅布麻(ApocynumVenetum)、沙米(Agriophyllum)、刺沙蓬(Salsolaruthenica)、白莖鹽生草(Halogetontubulosa)、小花天芥菜(Heliotropium)、管花蓯蓉(Cistanchetubulosa)、沙生檉柳(Tamarixtaklamakanesis)、塔克拉瑪干沙拐棗(Clligonumsp)。2定位風(fēng)速風(fēng)向資料風(fēng)沙活動(dòng)由起沙風(fēng)引起,其發(fā)生頻率直接取決于起沙風(fēng)頻率。風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度(可用輸沙強(qiáng)度表示)是起沙風(fēng)強(qiáng)度(風(fēng)速)函數(shù)。因此,研究沙漠公路沿線的起沙風(fēng)和輸沙強(qiáng)度的時(shí)空變化規(guī)律,可揭示風(fēng)沙活動(dòng)時(shí)空變化特征。利用沙漠公路沿線的肖塘(84°17.7′E、40°49′N)和滿參(84°21′18″E、40°6′30″N)和塔中(83°36′24″E、39°01′N)3個(gè)氣象站(圖1)的定位風(fēng)速風(fēng)向資料,對(duì)1992年4月至1993年5月(肖塘站、滿參站)與1995年5月至1996年4月(塔中站)1個(gè)自然年內(nèi)氣象站標(biāo)準(zhǔn)高度10min風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行統(tǒng)計(jì),選取大于起沙風(fēng)臨界值的風(fēng)速,按16方位統(tǒng)計(jì)出不同級(jí)別的風(fēng)速頻率。氣象站標(biāo)準(zhǔn)高度(11.4m)10min起動(dòng)風(fēng)速為6m/s[按V11.4=1.87+1.35V2換算(V2為2m高度自記10min風(fēng)速)]。統(tǒng)計(jì)起沙風(fēng)時(shí),取氣象站標(biāo)準(zhǔn)高度10min自記風(fēng)速中≥6m/s的風(fēng)。可能輸沙量據(jù)R.A.Bagnold的理論公式Q=5.2×10-4(V-Vt)3計(jì)算。3結(jié)果與討論3.1從季節(jié)動(dòng)態(tài)和季節(jié)變化來看,表現(xiàn)為起沙風(fēng)頻次、平均風(fēng)速與氣溫時(shí)間分布對(duì)比分析表明(圖2),沙漠公路沿線具有“風(fēng)熱同步”的環(huán)境特征。分析沙漠公路沿線肖塘、滿參、塔中3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速資料可知,起沙風(fēng)主要分布在春、夏兩季,冬季最少。肖塘站1992年出現(xiàn)起沙風(fēng)2948次,主要出現(xiàn)在春、夏兩季。春季,隨著氣溫回升,平均風(fēng)速迅速升高,起沙風(fēng)頻率也相應(yīng)增多,出現(xiàn)起沙風(fēng)880次,占全年的30%,主要集中在4、5月,以5月份最多,占全年18%以上。夏季是塔克拉瑪干沙漠的高溫季節(jié),也是風(fēng)沙活動(dòng)最頻繁和強(qiáng)度最大的季節(jié)。風(fēng)沙活動(dòng)的次數(shù)增多強(qiáng)度增大,7月份起沙風(fēng)達(dá)532次,占全年20%以上,其中≥10m/s的風(fēng)81次,占全年同等強(qiáng)度起沙風(fēng)的33%;秋季,氣溫下降,起沙風(fēng)頻次降低,9月份出現(xiàn)起沙風(fēng)226次,10月份陡減為61次。冬季,塔克拉瑪干沙漠風(fēng)平沙靜,從11月底到2月初,3個(gè)測(cè)點(diǎn)都沒有出現(xiàn)≥6m/s的起沙風(fēng)。2月底開始有起沙風(fēng),但頻率不足全年的1%,且均為風(fēng)速6～7m/s的中能風(fēng)。沙漠公路沿線肖塘站(圖3a)的起沙風(fēng)主風(fēng)向?yàn)镹、NE、E、ENE這4個(gè)方位,分別占到11.19%,11.57%,10.58%和14.69%,合計(jì)占到48.03%;滿參站(圖4a)為NE、NE、ENE和E方位,分別占到9.04%,15.14%,16.00%和15.43%,合計(jì)占55.61%;位于沙漠腹地的塔中(圖5a),ENE向占30.07%,NE向占8.08%,E向21.58%,ESE向占16.15%,合計(jì)占總風(fēng)向頻率的76%;10min自記風(fēng)速的最大值中,ENE風(fēng)占44.44%,NE風(fēng)占16.67%,NNE風(fēng)占5.56%,三者合計(jì)66.67%;定時(shí)最大風(fēng)速中,ENE、NE、NNE和E向風(fēng)分別占27.28%,11.11%,8.33%和8.33%,合計(jì)為55%。構(gòu)成沙漠公路風(fēng)沙危害的主風(fēng)向?yàn)槠珫|風(fēng)(NNE、NE、ENE、E),其頻率范圍48%～76%。按照Freberger的劃分標(biāo)準(zhǔn),公路沿線以低能風(fēng)環(huán)境為主。肖塘站1992年2948次起沙風(fēng)中,≥10m/s的高能起沙風(fēng)僅占起沙風(fēng)總次數(shù)的9.4%。自記10min平均風(fēng)速≥14m/s的起沙風(fēng)只有2次。強(qiáng)起沙風(fēng)頻率、方向、時(shí)間變化,與整個(gè)起沙風(fēng)變化規(guī)律相似:起沙風(fēng)出現(xiàn)頻率高的時(shí)段,強(qiáng)起沙風(fēng)頻率亦高。7月份強(qiáng)起沙風(fēng)頻率占全年的33.47%,6月份15.70%,5月份26.03%,8月份21.49%,這4個(gè)月占全年的強(qiáng)起風(fēng)沙總數(shù)的96.69%,比低能起沙風(fēng)更加集中。另一方面,高能起沙風(fēng)頻次的時(shí)間分布特點(diǎn)與低能起沙風(fēng)漸強(qiáng)和漸弱的規(guī)律不同,具有突發(fā)性特征。上述可見,沙漠公路沿線起沙風(fēng)發(fā)生在春夏季,主要集中在3～9月份期間(圖3b,4b,5b)。具有從沙漠邊緣向腹地明顯加強(qiáng)的空間變化特征(圖6a)。3.2可能輸沙量與高度輸沙強(qiáng)度作為表征風(fēng)沙危害程度的物理量,是制定合理防沙方案與措施的必要依據(jù)。影響輸沙強(qiáng)度的因素很多,風(fēng)力大小,沙粒粒徑、比重,沙子含水率,地貌部位,植被狀況等,都不同程度地影響風(fēng)沙流輸沙量大小及其垂直分布。對(duì)沙漠公路沿線的肖塘、滿參、塔中3個(gè)定位觀測(cè)站1個(gè)自然年氣象站標(biāo)準(zhǔn)高度10min自記風(fēng)速中大于起動(dòng)臨界值(6.0m/s)的風(fēng),按16方位統(tǒng)計(jì)不同級(jí)別風(fēng)速頻率和作用時(shí)間(表1),并計(jì)算了1年內(nèi)各方位的可能輸沙量(表2)。結(jié)果顯示,位于沙漠邊緣的肖塘地區(qū)可能輸沙量為3456kg/(m3.a)、滿參達(dá)5814.3kg/(m3.a),位于沙漠腹地的塔中地區(qū)可能輸沙量達(dá)6309kg/(m3.a),平均合成輸沙方向230.42°～234.86°?？臻g分布上(圖6b),自沙漠邊緣向沙漠腹地,輸沙強(qiáng)度增大,輸沙方向更偏東;時(shí)間分布上,輸沙強(qiáng)度與起沙風(fēng)同步,主要發(fā)生在每年春夏季,集中分布于4～8月間,以滿參站1992年5月至1993年4月1個(gè)自然年內(nèi)的輸沙量分布為例,3～9月份輸沙量合計(jì)5344kg/(m3.a),占全年總輸沙量的91.92%.4塔克拉瑪干沙漠公路泥沙活動(dòng)圖41)從風(fēng)沙活動(dòng)的時(shí)間分布來看,起沙風(fēng)和輸沙集中發(fā)生在3～9月,具有“風(fēng)熱同步”的環(huán)境特征,3～9月起沙風(fēng)占年內(nèi)總起沙風(fēng)的90%以上,4～8月占全年的80%以上。2)從風(fēng)沙活動(dòng)的空間分布看,起沙風(fēng)自沙漠邊緣向沙漠腹地增多,起沙風(fēng)合成方向肖塘為北偏東34°27′、滿參北偏東40°,從滿參以南30～40km處開始向南至塔中地區(qū),合成起沙風(fēng)方向穩(wěn)定在北偏東45～52°。自沙漠邊緣向腹地,輸沙強(qiáng)度增大,位于沙漠腹地的塔中地區(qū)的可能輸沙量達(dá)6309kg/(m3.a),平均合成輸沙方向230.42°～234.86°。塔里木盆地的環(huán)流形勢(shì)受高空西風(fēng)帶控制。西風(fēng)帶在青藏高原的西部邊緣分成兩支,北支氣流在天山西緣進(jìn)一步分為兩支,南支氣流從帕米爾高原進(jìn)入塔里木盆地后東進(jìn),形成西北風(fēng)系,受到山地阻擋反射,發(fā)展為影響沙漠邊緣地區(qū)的西北或西南風(fēng),由于受地形和綠州的作用,風(fēng)力強(qiáng)度減弱;北支氣流繞天山北面東進(jìn),經(jīng)走廊地形加速后由羅布泊方向進(jìn)入沙漠腹地,形成所謂的“倒灌東風(fēng)