敦煌-格尔木铁路沿线荒漠灌丛风动力环境与沉积物粒度特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00034

摘要/Abstract

摘要：

敦煌-格尔木铁路穿越西北干旱荒漠区，地表裸露、沙源丰富、风沙活动强烈。通过野外风沙定位监测和地表沉积物粒度特征分析，揭示了铁路沿线灌丛路段风动力环境和地表沉积物特征。结果表明：研究区年均风速和起沙风频率分别为2.13 m·s^-1和3.91%，年输沙势19.89 VU，属低风能环境，年际变率小，季节变化明显，冬季输沙势最高。主导风向相对单一，以南风和西风为主，且随季节变化差异显著。灌丛地表细颗粒占绝对优势，<250 μm细颗粒含量超过85%，并以<63 μm粉沙为主；无植被覆盖路基边坡<250 μm细颗粒含量60%~80%，>500 μm粗颗粒含量高达22%。灌丛沉积物平均粒径43.85 μm、偏度0.29、峰度1.41、分选系数2.06，边坡处对应值分别为117.18 μm、0.16、1.00、2.09，两地沉积物分选较差，灌丛沉积物更细且粒径分布更集中，说明灌丛保护下地表物质较为稳定，细颗粒被较好地保存。

关键词: 荒漠灌丛, 敦煌-格尔木铁路, 风动力环境, 输沙势, 粒度特征

Abstract:

The Dunhuang-Germany Railway passes through the desert area in northwest China， with bare surfaces， abundant sand sources and strong windblown sand activities. This paper reveals the wind dynamic environment and surface sediment characteristics of the shrub sections along the railway through field wind fixed position monitoring and surface sediment grain size analysis. The results show that the annual average wind speed and the frequency of sand-driving in the study area are 2.13 m·s^-1 and 3.91%， and the annual sand transport potential is 19.89 VU， which is a low wind environment with little inter-annual variation and obvious seasonal variation， and the highest sand transport potential in winter. The dominant wind direction is relatively homogeneous， mainly south wind and west wind， and with significant seasonal variation. The sediment in the shrub desert is dominated by fine particles， with <250 μm fine particles exceeding 85% and dominated by <63 μm silt； The <250 μm fine particles content on the unvegetated roadbed slopes ranges from 60% to 80%， with >500 μm coarse particles content reaching up to 22%. The mean grain size of the shrub sediment was 43.85 μm， with a skewness of 0.29， kurtosis of 1.41 and sorting coefficient of 2.06， and the corresponding value at roadbed slope is 117.18 μm， 0.16， 1.00 and 2.09， respectively. The sediments on the two sampling points are poor sorting， and the sediments under shrub are finer with a more concentrated grain size distribution， indicating that the surface material is stable due to shrub protection and fine particles are well preserved.

Key words: shrub desert, Dunhuang-Golmud Railway, wind dynamic environment, sand drift potential, grain size characteristics

中图分类号:

P931.3

张宏雪, 张克存, 安志山, 鱼燕萍. 敦煌-格尔木铁路沿线荒漠灌丛风动力环境与沉积物粒度特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(5): 49-58.

Hongxue Zhang, Kecun Zhang, Zhishan An, Yanping Yu. Wind dynamic environment and sediment grain size characteristics of shrub desert along Dunhuang-Golmud Railway[J]. Journal of Desert Research, 2023, 43(5): 49-58.

图/表 7

图1 研究区概况和监测站点照片

Fig.1 Location of study area and photo of the meteorological station

图2 2019—2021年各月起沙风平均风速与起沙风频率（A）及四季平均风速与起沙风频率（B）

Fig.2 Monthly average sand-driving wind speed and sand-driving wind frequency （A） and seasonal average wind speed and sand-driving wind frequency （B） during 2019-2021

图3 荒漠灌丛区2019年6月至2021年5月起沙风玫瑰

Fig.3 Sand-driving wind rose in desert shrub from June of 2019 to May of 2021

图4 荒漠灌丛区年输沙势

Fig.4 Annual sand drift potential in the shrub desert

图5 荒漠灌丛区输沙势的季节分布

Fig.5 Seasonal distribution of sand drift potential in the shrub desert

图6 荒漠灌丛区沉积物粒度频率累积曲线（A）、粒度频率分布曲线（B）及采样位置示意图（C）

Fig.6 Grain-size probability accumulation curves （A）， grain-size frequency distribution curves （B） and sampling location （C） of desert shrub sediments

表1 荒漠灌丛区不同位置的粒径组分含量与参数

Table 1 Grain-size component content and parameters at different position along the railway in the shrub desert

采样位置	样品编号	粒径组分							粒径参数
采样位置	样品编号	粉沙 <63 μm	极细沙 63~125 μm	细沙 125~250 μm	中沙 250~500 μm	粗沙500~ 1 000 μm	极粗沙 1 000~2 000 μm	砾石 >2 000 μm	M_z/μm	σ	SK	K_g
北侧灌丛	1	61.23	29.58	9.19	0.00	0.00	0.00	0.00	35.92	1.85	0.47	1.04
	2	57.44	26.75	10.03	0.00	0.04	3.29	2.44	41.56	2.30	0.16	1.63
	3	62.73	27.17	10.05	0.05	0.00	0.00	0.00	35.05	1.87	0.43	1.03
北侧边坡	1	27.58	14.06	19.28	18.99	17.88	2.21	0.00	149.54	2.08	0.24	0.95
	2	30.26	17.31	20.07	16.98	13.27	1.83	0.28	128.91	2.03	0.15	0.99
	3	38.68	19.56	22.06	16.47	3.23	0.00	0.00	85.24	1.96	0.22	1.02
南侧边坡	1	36.69	18.84	18.27	14.30	8.41	3.07	0.42	99.56	2.18	0.10	1.07
	2	37.17	20.03	17.50	15.04	10.18	0.08	0.00	99.28	2.06	0.11	1.02
	3	30.04	15.45	16.40	15.60	18.24	3.68	0.60	140.56	2.25	0.16	0.95
南侧灌丛	1	61.16	27.34	11.25	0.25	0.00	0.00	0.00	36.26	1.88	0.43	1.03
	2	55.42	25.52	12.65	0.24	0.09	3.85	2.23	44.45	2.32	0.15	1.61
	3	40.66	31.22	13.68	0.05	0.97	8.52	4.89	69.84	2.19	0.08	2.12

参考文献 40

1	郭向东.不同干扰程度下巴音温都尔沙漠球果白刺灌丛沙堆特征的研究［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2019.
2	李新荣，张志山，王新平，等.干旱区土壤植被系统恢复的生态水文学研究进展［J］.中国沙漠，2009，29（5）：845-852.
3	杜建会，严平，董玉祥.干旱地区灌丛沙堆研究现状与展望［J］.地理学报，2010，65（3）：339-350.
4	李月飞，陈林，李学斌，等.2018.荒漠草原灌丛沃岛的结构特征和生态效应［J］.草业科学，35（10）：2327-2335.
5	毕超，单楠，毕华兴.西北极端干旱区近54年降水量和温度变化趋势［J］.中国水土保持科学，2015，13（3）：90-96.
6	陈国祥，董治宝，李超，等.察尔汗盐湖北侧沙丘沉积物颗粒微结构特征［J］.中国沙漠，2018，38（5）：954-962.
7	李超，董治宝，陈国祥，等.柴达木盆地察尔汗盐湖北侧沙丘黏性沉积物特征［J］.中国沙漠，2018，38（1）：68-75.
8	李继彦，赵二丹，柳文龙，等.察尔汗盐湖线形沙丘沙物质来源及输移路径［J］.中国沙漠，2018，38（5）：909-918.
9	王锡来，张登绪，蒋育华，等.南疆铁路沿线风沙危害与工程防治［J］.中国地质灾害与防治学报，2007，18（1）：59-63.
10	程建军，蒋富强，杨印海，等.戈壁铁路沿线风沙灾害特征与挡风沙措施及功效研究［J］.中国铁道科学，2010，31（5）：15-20.
11	蒋富强，石龙，李凯崇.兰新二线挡风墙下部开口疏导线路积沙试验［J］.铁道工程学报，2015，32（7）：13-17.
12	Cheng J J， Jiang F Q， Xue C X，et al.Characteristics of the disastrous wind-sand environment along railways in the gobi area of Xinjiang，China［J］.Atmospheric Environment，2015，102：344-354.
13	张克存，屈建军，鱼燕萍，等.中国铁路风沙防治的研究进展［J］.地球科学进展，2019，34（6）：573-583.
14	刘利玮，何文社，路仕洋，等.当金山隧道防寒泄水洞适宜埋设位置数值分析［J］.铁道标准设计，2018，62（4）：130-135.
15	李玉波.当金山特长隧道钻爆法与TBM施工地质条件分析［J］.铁道建筑，2012（12）：64-66.
16	马殷军.当金山隧道施工关键措施［J］.中国铁路，2017（4）：76-80.
17	朱瑞兆，谭冠日，王石立.应用气候学概论［M］.北京：气象出版社，2005：2-3.
18	Fryberger S G.Dune forms and wind regime［M］//McKee E D.A Study of Global Sand Seas.Washington，USA：US Geological Survey，1979：137-169.
19	凌裕泉.最大可能输沙量的工程计算［J］.中国沙漠，1997，17（4）：30-36.
20	黄翠华，张伟民，王涛，等.莫高窟顶输沙势研究［J］.干旱区资源与环境，2007，21（5）：116-120.
21	张克存，牛清河，屈建军，等.敦煌鸣沙山月牙泉景区风沙环境分析［J］.中国沙漠，2012，32（4）：896-900.
22	Folk R L， Ward W C.Brazos River bar：a study in the significance of grain size parameters［J］.Journal of Sedimentary Research，1957，27（1）：3-26.
23	Krumbein W C.Measurement and geological significance of shape and roundness of sedimentary particles［J］.Journal Sediment Petrology，1941，11：64-72.
24	成都地质学院陕北队.沉积岩（物）粒度分析及其应用［M］.北京：地质出版社，1978：1-3，44-53.
25	任明达，王乃梁.现代沉积环境概论［M］.北京：科学出版社，1985：8-9，14-16.
26	Zhang K， Qu J， Han Q，et al.Wind tunnel simulation of windblown sand along China's Qinghai-Tibet railway［J］.Land Degradation & Development，2012，25（3）：244-250.
27	Zhang C L， Shen Y P， Li Q，et al.Sediment grain-size characteristics and relevant correlations to the aeolian environment in China's eastern desert region［J］.Science of the Total Environment，2018，627：586-599.
28	Liu Z Y， Dong Z B， Zhang Z C，et al.Spatial and temporal variation of the near-surface wind regimes in the Taklimakan Desert，Northwest China［J］.Theoretical and Applied Climatology，2019，138（1/2）：433-447.
29	Wang X M， Zhou Z J， Dong Z B.Control of dust emissions by geomorphic conditions，wind environments and land use in northern China：an examination based on dust storm frequency from 1960 to 2003［J］.Geomorphology，2006，81（3/4）：292-308.
30	Zhang K C， An Z S， Cai D W，et al.Key role of desert-oasis transitional area in avoiding oasis land degradation from aeolian desertification in Dunhuang，Northwest China［J］.Land Degradation & Development，2016，28（1）：142-150.
31	吕萍，董治宝.戈壁风蚀面与植被覆盖面地表性质粗糙度长度的确定［J］.中国沙漠，2004，24（3）：25-31.
32	尚润阳，祁有祥，赵廷宁，等.植被对风及土壤风蚀影响的野外观测研究［J］.水土保持研究，2006，13（4）：37-39.
33	贺晶，吴新宏，杨婷婷，等.基于临界起沙风速的草地防风固沙功能研究［J］.中国草地学报，2013，35（5）：103-107.
34	Pye K.Aeolian Dust and Dust Deposits［M］.London，UK：Academic Press，1987：108-115.
35	Warren A.Dunes：Dynamics，Morphology，History［M］.Blackwell，USA：John Wiley & Sons，Ltd.，2013：14-20.
36	宋洁，春喜，白雪梅，等.中国沙漠粒度分析研究综述［J］.中国沙漠，2016，36（3）：597-603.
37	吴汉，常凤琴，张虎才，等.泸沽湖表层沉积物粒度空间分布特征及其影响因素［J］.沉积学报，2016，34（4）：679-687.
38	Zhang K， Qu J J， Zhang X X，et al.Protective efficiency of railway arbor-shrub windbreak forest belts in gobi regions：numerical simulation and wind tunnel tests［J］.Frontiers in Environmental Science，2022，10：885070.
39	肖靖安，裴亮，孙莉英，等.额济纳旗两种地貌类型戈壁纵剖面沉积物粒度特征［J］.水土保持研究，2021，28（3）：38-44.
40	Zhang C， Zou X Y， Pan X H，et al.Near-surface airflow field and aerodynamic characteristics of the railway-protection system in the Shapotou region and their significance［J］.Journal of Arid Environments，2007，71（2）：169-187.

[1]	李继彦, 徐德华, 张姚姚, 薛倩文, 周玲. 柴达木盆地风能环境特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(5): 223-231.
[2]	刘茜雅, 王海兵, 左合君, 温苏雅勒图, 霍海鹰. 巴音温都尔沙漠风况及输沙势特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(5): 41-48.
[3]	许瑞聪, 董治宝, 南维鸽, 陈国祥, 杨馥宁, 孔玲玲. 柴达木盆地南缘死亡蛛丝蓬（ *Halogeton arachnoideus* ）风影沙丘形态和沉积特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 55-63.
[4]	曲书锋, 张国明, 董苗, 徐俊泉, 尚鹏, 严平, 刘连友, 杜洁雯. 阿尔金山国家级自然保护区东北部风况及输沙势特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 114-120.
[5]	黄日辉, 张立婷, 冯淼彦, 刘铮瑶, 李健熙, 陈韵琪, 张志浩, 王璟. 广东省东海岛大岭剖面沉积物粒度、微形态特征与沉积环境[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 121-129.
[6]	李静芸, 傅天阳, 申玉龙, 王立辉, 伍永秋. 毛乌素沙地新月形和抛物线形沙丘表层沉积物粒度特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 226-232.
[7]	潘加朋, 张克存, 安志山, 张宏雪, 薛承杰. 风沙治理工程综合效益分析[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 233-242.
[8]	古拉依赛木·艾拜都拉, 张峰, 吴枫, 吴世新, 郑江华, 孙涛. 腾格里沙漠沙丘沉积物粒度特征及其空间差异[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 133-145.
[9]	顾立霞, 吕萍, 马芳, 陈国祥, 梁准, 许明静, 杨迎. 不同数据源下毛乌素沙地风况及输沙势特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 54-62.
[10]	冯净雪, 丁占良, 尤莉, 韩广. 科尔沁沙地西部横向沙丘间的风况和输沙势[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 110-119.
[11]	姜吴彬, 张德国, 杨小平. 沙丘形态及表沙粒度特征对风况和地表植被变化的响应[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 120-129.
[12]	颜明, 张应华, 贺莉, 程维明, 王随继, 许炯心. 无定河上游河道对沙漠化的阻截效应[J]. 中国沙漠, 2022, 42(2): 62-68.
[13]	李志忠, 靳建辉, 刘瑞, 解锡豪, 邹晓君, 马运强, 谭典佳. 古尔班通古特沙漠风沙地貌研究进展评述[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 41-47.
[14]	谢轲, 尹辉. 内蒙古额济纳盆地沉积物粒度特征及沉积环境[J]. 中国沙漠, 2021, 41(6): 111-119.
[15]	李继彦, 郜学敏, 董治宝. 柴达木盆地雅丹地貌区风况数据集[J]. 中国沙漠, 2021, 41(6): 265-268.