王金國(guó),安志山,張克存,屈建軍,何明珠

(1.寧夏交投工程建設(shè)管理有限公司,銀川 750000;2.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 敦煌戈壁荒漠生態(tài)與環(huán)境研究站,蘭州 730000;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

烏瑪高速公路是內(nèi)蒙古烏海至青海瑪沁高速公路的簡(jiǎn)稱，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，采用雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，途徑內(nèi)蒙、寧夏、甘肅和青海四省份，是“一帶一路”戰(zhàn)略重要的運(yùn)輸通道，其建成與通車對(duì)于緩解寧夏自治區(qū)運(yùn)輸壓力有著重要意義。但穿越的騰格里沙漠由于流動(dòng)沙丘廣布，其對(duì)烏瑪高速公路的建設(shè)、維護(hù)及安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。雖我國(guó)有包括塔克拉瑪干石油公路、京新高速公路等穿越沙漠或邊緣公路的既有建設(shè)和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，但前者或公路設(shè)計(jì)等級(jí)略低，或風(fēng)沙環(huán)境略弱，加之區(qū)域環(huán)境的異質(zhì)性，故以往既得經(jīng)驗(yàn)無(wú)法直接應(yīng)用在烏瑪高速公路防護(hù)體系的設(shè)計(jì)之中[1-2]。

自包蘭鐵路在騰格里沙漠東南緣修建之日起，研究者對(duì)區(qū)域的風(fēng)沙環(huán)境、沙丘類型及移動(dòng)規(guī)律等進(jìn)行了詳細(xì)分析，為包蘭鐵路沙坡頭段的建設(shè)和正常運(yùn)行提供了理論依據(jù)[3-8]。后期隨著包蘭鐵路防護(hù)體系的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，鐵路防護(hù)措施的防護(hù)效益、防護(hù)機(jī)理以及周邊生態(tài)環(huán)境效益逐漸得到明晰[9-16]，成為我國(guó)防沙治沙工程的標(biāo)桿。包蘭鐵路沙坡頭段防護(hù)體系的有效性為烏瑪高速公路的建設(shè)和維護(hù)提供可借鑒的現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了烏瑪高速公路的建設(shè)可行性。但受區(qū)域風(fēng)況環(huán)境、地形等因素影響，烏瑪高速公路所經(jīng)區(qū)域的風(fēng)能環(huán)境、沉積物及沉積環(huán)境均有別于前者，甚至存在明顯差異。因此亟需對(duì)烏瑪高速公路沿線風(fēng)能環(huán)境、沉積物特征等風(fēng)沙輸移規(guī)律進(jìn)行研究，繼而為烏瑪高速公路的建設(shè)及沿線風(fēng)沙防護(hù)體系的設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)，具有重要的科學(xué)和實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

騰格里沙漠是我國(guó)第四大沙漠，常年受蒙古高壓控制，干旱少雨，區(qū)域內(nèi)流動(dòng)沙丘廣布，沙丘類型以格狀沙丘為主[1,3,17]，線性沙壟和金字塔沙丘偶有分布。烏瑪高速公路騰格里沙漠段共計(jì)21 km，自東北向西南方向延伸。本文采樣點(diǎn)共設(shè)置5個(gè)，兩兩相距4 km。其中，1號(hào)采樣點(diǎn)東側(cè)和東北側(cè)為太陽(yáng)能光伏電廠，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)采樣點(diǎn)為流動(dòng)沙丘，5號(hào)采樣點(diǎn)靠近包蘭鐵路，屬于包蘭鐵路防護(hù)體系內(nèi)部，周邊沙丘已經(jīng)固定，植被覆蓋度超過(guò)30%，植被以人工灌木花棒(Hedysarumscoparium)等為主。

區(qū)域風(fēng)速觀測(cè)采用定位觀測(cè)，儀器型號(hào)為HOBO U30，風(fēng)速風(fēng)向統(tǒng)一架設(shè)高度為2.0 m(圖1)。風(fēng)沙流觀測(cè)采用中科院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自制的口琴式集沙儀，儀器高60 cm，共30層，單個(gè)進(jìn)樣口徑2 cm×2 cm。沙樣采集采用人工剖挖法，采集深度分別為5，10，20，50，100 cm，使用環(huán)刀取樣。于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行粒度分析，粒度分析使用Malvern Matersizer 2000激光粒度儀完成，采用Folk-Ward圖解法計(jì)算平均粒徑、偏度、峰態(tài)及分選參數(shù)，具體計(jì)算公式如下[13,18]：

圖1 野外采樣

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Mz為平均粒徑；Sd為標(biāo)準(zhǔn)偏度或分選系數(shù)；Sk為偏度；Ku為峰態(tài)；Φ為尤登溫德華氏等比例粒級(jí)。

2 區(qū)域風(fēng)速分布

如圖2所示，最大平均風(fēng)速值出現(xiàn)在8月，7月次之，最小風(fēng)速值出現(xiàn)在6月，僅為1.46 m/s?？傮w來(lái)看，5月、6月的風(fēng)速較小，到了7月風(fēng)速開(kāi)始突變，增加2.5倍左右，持續(xù)到9月結(jié)束，1—4月、10—12月風(fēng)速變化較為平穩(wěn)，平均為2.34 m/s。與平均風(fēng)速變化趨勢(shì)相比，月平均起沙風(fēng)(>5 m/s)的分布規(guī)律略有差別，1—6月平均起沙風(fēng)速變化幅度較小，7月、8月起沙風(fēng)速達(dá)到最大值，之后開(kāi)始減小。

圖2 風(fēng)速分布

從風(fēng)速分布情況看，0～5 m/s等級(jí)風(fēng)速占全年風(fēng)速的90.45%，僅有不足10%左右分布在其他風(fēng)速等級(jí)，并且隨著風(fēng)速的增加，高風(fēng)速頻次的比重逐漸減小。進(jìn)一步分析可知，0～5 m/s的風(fēng)速頻率最大月份為6月，接近20%，而本月平均風(fēng)速為全年最小，可見(jiàn)6月的風(fēng)速特征是頻次高、風(fēng)速低。5～6，6～7 m/s等級(jí)的風(fēng)速主要分布在4月份，其他較高風(fēng)速等級(jí)出現(xiàn)在8月份。大于12 m/s的風(fēng)速值多數(shù)出現(xiàn)在4月和8月，頻次分別為13，10次，其余月份較少或沒(méi)有。

3 輸沙勢(shì)變化

輸沙勢(shì)是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度及風(fēng)沙地貌演變的重要指標(biāo)，也是目前應(yīng)用較為廣泛的方法[1,3,7]。如圖3所示，2019年輸沙勢(shì)為37.93 VU，合成輸沙勢(shì)9.35 VU，合成輸沙方向107.46°，方向變率0.25。2020年輸沙勢(shì)較2019年有所減小，為19.17 VU，合成輸沙勢(shì)7.02 VU，合成輸沙方向117.91°，方向變率0.37。進(jìn)一步分析可知2019年和2020年輸沙勢(shì)主要集中在西北方向、東方向和偏南方向，方向相對(duì)穩(wěn)定，但強(qiáng)度略有變化。其中，2019年上述三個(gè)方向的輸沙勢(shì)分別為5.69 VU，4.56 VU和2.11 VU，2020年則為4.16 VU，2.42 VU和1.32 VU?？梢?jiàn)研究區(qū)各個(gè)風(fēng)向的輸沙勢(shì)雖有變化，但風(fēng)能環(huán)境基本穩(wěn)定，屬于低風(fēng)能環(huán)境，且風(fēng)向較為穩(wěn)定，主要集中西北、東和偏南方向。

圖3 輸沙勢(shì)分布

4 沉積物粒度特征

4.1 沉積物空間分布

如圖4所示，1號(hào)采樣點(diǎn)5 cm深度處沉積物的粒徑主要分布在1.26～1.76 Φ，百分含量為65.03%。隨著深度的增加，上述范圍內(nèi)的顆粒百分含量有增加趨勢(shì)，分別為70.68%，84.69%，74.03%，78.46%，且分布范圍擴(kuò)大至1.5～2.76 Φ，但平均粒徑呈減小趨勢(shì)。進(jìn)一步分析不同深度沉積物百分含量分布曲線可知5 cm和50 cm沉積物的百分含量分布曲線峰形較窄，其余深度沉積物分布曲線峰形較寬，但均為單峰態(tài)分布。從累計(jì)百分比曲線可以看出，5 cm和50 cm深度處沉積物的累計(jì)百分比增長(zhǎng)速率最快，斜率最大，表明該深度的土壤粒徑分布最為集中。

圖4 沉積物粒徑百分含量和累積頻率

與1號(hào)采樣點(diǎn)沉積物百分含量分布曲線相比，2號(hào)采樣點(diǎn)沉積物分布曲線也為單峰態(tài)分布，但峰態(tài)較1號(hào)窄，粒徑分布范圍也存在差異。其中，5 cm深度處沉積物粒徑范圍集中在2.0～2.51 Φ，百分含量為74.71%，其余深度分布范圍集中在1.76～2.76 Φ，分布范圍較1號(hào)點(diǎn)寬，百分含量集中在70.77%～85.33%。與1號(hào)采樣點(diǎn)累計(jì)百分比曲線相比，2號(hào)采樣點(diǎn)所有深度沉積物的累計(jì)百分比曲線相似性較1號(hào)高。

3號(hào)采樣點(diǎn)粒徑分布范圍集中在1.25～2.5 Φ，4號(hào)采樣點(diǎn)粒徑分布范圍集中在1.5～2.5 Φ，均為單峰態(tài)分布。3號(hào)采樣點(diǎn)不同深度沉積物的累計(jì)百分比曲線差異性較小，4號(hào)采樣點(diǎn)5 cm和100 cm深度處的沉積物粒徑分布相對(duì)集中，其他深度沉積物累計(jì)百分比曲線相似性較高。

5號(hào)采樣點(diǎn)沉積物粒徑分布范圍較上述4個(gè)采樣點(diǎn)寬，分布范圍為1.0～2.76 Φ，但粒徑分布曲線相似性較高。受區(qū)域內(nèi)植被影響，5 cm和10 cm深度沉積物百分含量分布曲線呈單峰態(tài)，20，50，100 cm深度沉積物粒徑百分含量分布曲線呈雙峰態(tài)。分析累計(jì)百分比曲線可知20，50，100 cm處累計(jì)百分含量圖中出現(xiàn)兩次斜率陡增，拐點(diǎn)均為粒徑分布的峰值處。

綜上可知，上述所有采樣點(diǎn)粒徑范圍集中在1.0～2.76 Φ，即所有顆粒均屬于沙，以細(xì)沙和中沙為主，不含粉沙和礫石。除5號(hào)采樣點(diǎn)部分深度沉積物百分含量分布曲線呈雙峰態(tài)，其余均為單峰態(tài)，峰形較窄，說(shuō)明沉積物經(jīng)過(guò)了充分分選，離物源區(qū)相對(duì)距離遠(yuǎn)。5號(hào)采樣點(diǎn)從表層至深層粒徑百分含量分布曲線由單峰態(tài)逐漸過(guò)渡為雙峰態(tài)，說(shuō)明區(qū)域風(fēng)況發(fā)生過(guò)改變，由早期兩組主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)榻诘膯谓M風(fēng)向。

4.2 沉積物垂直分布

分析不同采樣點(diǎn)相同深度沉積物粒度特征可知(圖4)：5個(gè)采樣點(diǎn)相同深度沉積物百分含量分布曲線和累計(jì)百分比曲線存在差異。以5 cm深度沉積物百分含量分布曲線為例，1號(hào)、2號(hào)和4號(hào)沉積物百分含量分布曲線呈單峰態(tài)，峰形略窄，3號(hào)采樣點(diǎn)百分含量分布曲線峰態(tài)較寬，5號(hào)采樣點(diǎn)為雙峰態(tài)分布。分析峰值所對(duì)應(yīng)的粒徑大小，可知2號(hào)、3號(hào)和5號(hào)采樣點(diǎn)峰值處粒徑最大，4號(hào)采樣點(diǎn)其次，1號(hào)采樣點(diǎn)最小。

與5 cm深度沉積物百分含量分布曲線趨勢(shì)相比，1號(hào)、3號(hào)和5號(hào)采樣點(diǎn)10 cm深度處沉積物百分含量分布曲線峰態(tài)平緩，即沉積物粒徑分布范圍較廣，分選性較差，2號(hào)和4號(hào)采樣點(diǎn)10 cm深度處沉積物粒徑分布范圍較窄，沉積物粒徑分布較為集中，優(yōu)勢(shì)粒徑位于2.25 Φ。

1號(hào)和5號(hào)采樣點(diǎn)20 cm深度處沉積物土壤粒徑分布規(guī)律存在相似性，兩者分布相對(duì)集中，如1.5～2.76 Φ粒徑范圍百分含量分別為84.69%，84.06%。其他采樣點(diǎn)20 cm深度處沉積物粒徑則集中分布在1.5～2.5 Φ。除5號(hào)采樣點(diǎn)50 cm和100 cm深度處沉積物百分含量分布曲線呈雙峰態(tài)，其余均呈單峰態(tài)分布。

4.3 粒度參數(shù)

平均粒徑、分選系數(shù)、偏度和峰度是沙粒的基本參數(shù)特征，是解析風(fēng)沙環(huán)境的重要參考[11]，見(jiàn)表1。通過(guò)分析各樣品粒度參數(shù)可知，1號(hào)采樣點(diǎn)除5 cm深度處沉積物以中沙為主，其余以細(xì)沙為主。隨著深度的增加，粗沙比例逐漸減小，20 cm深度后粗沙消失。除5 cm深度處沉積物中沙百分含量為71.44%和50 cm深度中沙百分含量為14.1%外，其余深度沉積物中沙百分含量均維持在30%左右。細(xì)沙和極細(xì)沙含量隨深度增加呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，50 cm深度處，細(xì)沙和極細(xì)沙百分含量最大，分別為70.38%，15.52%。沉積物平均粒徑隨著深度增加逐漸變小，分選性和峰度則無(wú)明顯變化規(guī)律，分選性均為較好，偏度為正偏，峰態(tài)屬于寬峰態(tài)。

表1 沉積物粒度特征

2號(hào)采樣點(diǎn)以細(xì)沙為主，粗沙含量極少。隨著深度的增加，中沙百分含量呈上升趨勢(shì)，細(xì)沙百分含量呈下降趨勢(shì)，極細(xì)沙含量與深度無(wú)明顯相關(guān)性。與1號(hào)采樣點(diǎn)相比，2號(hào)采樣點(diǎn)平均粒徑偏小，說(shuō)明此地區(qū)沉積物受風(fēng)力侵蝕較弱，樣品分選性除10 cm深度分選性最差外，其余沉積物分選性很好，偏度為正偏和極正偏。

3號(hào)采樣點(diǎn)沉積物以中沙和細(xì)沙為主，沉積物平均粒徑介于0.24～0.29，與深度相關(guān)性較小。除5 cm深度處沉積物分選性中等，其余分選性好或較好，正偏或極正偏，寬峰態(tài)分布。

4號(hào)采樣點(diǎn)仍以中沙和細(xì)沙為主，且細(xì)沙含量大于中沙。隨著深度的增加，中沙百分含量逐漸減小，細(xì)沙百分含量增加，說(shuō)明此處前期風(fēng)力侵蝕能力較弱，后期風(fēng)能環(huán)境增強(qiáng)，粒度變粗。沉積物平均粒徑隨深度增加逐漸變小，沙粒逐漸變細(xì)。分析粒度參數(shù)可知10 cm、20 cm和50 cm深度處沉積物分選性較好，5 cm和100 cm深度處沉積物分選性很好，百分含量分布曲線為寬峰和中等峰態(tài)。

5號(hào)采樣點(diǎn)5 cm深度處沉積物以細(xì)沙為主，占比為63.26%，極細(xì)沙百分含量是所有樣品的最大值，達(dá)到20.63%。除100 cm深度處沉積物以中沙為主外，10 cm、20 cm和50 cm深度處沉積物均以細(xì)沙為主。各粒級(jí)百分含量隨深度無(wú)明顯變化規(guī)律，分選性隨深度先變好后變差，表明區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境存在一定變化。50 cm深度處沉積物為對(duì)稱分布，其余為極正偏分布，峰態(tài)為寬峰或常峰。

5 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)是指沙量隨高度的變化特征，是沙粒運(yùn)動(dòng)的基本形式和過(guò)程。風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)可以反映沙粒的躍移高度和運(yùn)動(dòng)軌跡，是揭示區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)的重要參數(shù)，更是設(shè)置風(fēng)沙工程的重要參考標(biāo)志之一[3]。風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)與地形、沙粒粒徑組成、濕度密切相關(guān)，但氣流的波動(dòng)和速度對(duì)其影響更大。依據(jù)野外多梯度口琴式集沙儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)可知：研究區(qū)內(nèi)的風(fēng)沙流主要集中在30 cm以下，占總輸沙量的89.46%。地表0—20 cm高度內(nèi)的輸沙量占總輸沙量的63.81%，進(jìn)一步擬合輸沙量與高度的關(guān)系可知兩者符合指數(shù)函數(shù)，見(jiàn)圖5。

圖5 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

6 討論與結(jié)論

表層沉積物的粒徑分布曲線及特征參數(shù)對(duì)于研究區(qū)域的風(fēng)況環(huán)境和沉積環(huán)境有著重要指示意義[18]。研究結(jié)果表明：沿烏瑪高速公路自東北向西南方向，沉積物粒徑范圍集中在1.0～2.76 Φ，以細(xì)沙和中沙為主，不含粉沙和礫石。除5號(hào)采樣點(diǎn)20 cm、50 cm和100 cm深度沉積物的百分含量分布曲線呈雙峰態(tài)，其余樣品全部表現(xiàn)為單峰態(tài)，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)沉積物經(jīng)過(guò)了充分分選和運(yùn)移，局地沉積環(huán)境由早期的兩組主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)榻诘膯谓M風(fēng)向，主要原因是包蘭鐵路防護(hù)體系的影響。隨著深度的增加，1號(hào)采樣點(diǎn)的粗沙百分含量減小，細(xì)沙和極細(xì)沙含量隨深度增加呈先增加后減少趨勢(shì)。2號(hào)采樣點(diǎn)中沙百分含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，細(xì)沙百分含量呈下降趨勢(shì)。3號(hào)采樣點(diǎn)和4號(hào)采樣點(diǎn)沉積物以中沙和細(xì)沙為主，隨著深度的增加，4號(hào)采樣點(diǎn)中沙百分含量逐漸減小，細(xì)沙百分含量增加。5號(hào)采樣點(diǎn)沉積物以細(xì)沙為主，各粒級(jí)百分含量隨深度無(wú)明顯變化規(guī)律。區(qū)域0～5 m/s等級(jí)的風(fēng)速頻次占全年風(fēng)速的90.45%，僅有不足10右的頻次分布在其他等級(jí)，起沙風(fēng)向集中在西北、東和偏南方向，合成輸沙方向?yàn)槠珫|南方向，屬于低風(fēng)能環(huán)境。區(qū)域內(nèi)沙粒的運(yùn)移高度集中在30 cm以下，且超過(guò)50%的沙粒在20 cm高度以下運(yùn)移，即本區(qū)域內(nèi)沙粒的跳躍高度不超過(guò)20 cm[3]，建議區(qū)域固沙措施的設(shè)置高度不低于20 cm。

綜上可知，沿烏瑪高速公路騰格里沙漠段，沉積物粒徑分布范圍、百分含量及累計(jì)曲線存在一定的差異性，區(qū)域風(fēng)況環(huán)境發(fā)生過(guò)變化。但從固定氣象觀測(cè)設(shè)備的分析結(jié)論可知上述差異性較小，對(duì)烏瑪高速公路的影響范圍和程度也弱，故在防護(hù)體系的設(shè)置中，設(shè)計(jì)者也應(yīng)恰當(dāng)考慮，建議收集當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)時(shí)間序列的氣象資料，研究其風(fēng)能環(huán)境變化趨勢(shì)，并在公路沿線增加固定氣象觀測(cè)點(diǎn)，獲取更多更詳細(xì)的風(fēng)況資料，繼而為防護(hù)體系的設(shè)置和高速公路的安全運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航。