乌玛高速公路（G1816）青铜峡至中卫段作为定武高速和青银高速的最后连接段于2021年12月底通车。该路段位于腾格里沙漠东南缘，强烈的风沙活动给公路安全运营带来挑战。风沙防护体系建立以后，防护体系内风沙活动逐渐由强烈的风蚀、沉积转变为风沙沉降为主^［1］。该区风沙危害主要表现为近地面流场变异而产生的风蚀与堆积以及格状沙丘的移动，尤其是副梁沿主风向的迅速前移和左右摆动^［2-3］。风况是风沙灾害评估和防治中重要的参考依据^［4］，风沙流研究中输沙势是衡量区域风沙活动强度及风沙地貌演变趋势的重要指标。风向、风速的分布形式与组合特征有效控制着区域沙物质的输移方向和沙物质的输移通量^［5］。该区防风固沙体系主要由高立式栅栏、草方格沙障和卵石压沙防火带构成。高立式阻沙栅栏作为防风固沙体系的首道屏障，是干旱区关键的先行防沙措施^［6］。它使风沙流中大部分沙粒沉降在阻沙带，不仅阻止了沙丘前移，而且使进入毗邻固沙区的流沙减少^［7］。草方格沙障为人工植被的建立创造条件，其作用机理在于沙障内原始沙面在气流涡旋作用下充分蚀积形成稳定的凹曲面，进而达到蚀积平衡状态^［8］。草方格沙障能够增加土壤细颗粒、有机质和养分含量，加速物理结皮的形成演变，同时能改善土壤生境条件，从而为沙障内栽植的灌木以及一年生草本的定居提供有利条件^［9-11］。

风沙沉积物粒度特征反映了风沙对源区物质的搬运与分选作用^［12］。公路治沙工程通过降低地表风速和改变近地表流场结构使风沙流在防沙体系内卸载堆积^［13］，从而导致地表沉积物的粒度组成产生分异，间接反映工程防沙体系的防护效益。近年来，国内学者对腾格里沙漠东南缘沙丘形成演化、风沙灾害和风沙防护体系等做了详细研究^［14-17］，为乌玛高速公路风沙防护体系建设提供了理论依据。但关于该路段风沙防护体系内风况特征和近地表水平沙尘输移特征的研究未见报道。因此以乌玛高速腾格里沙漠段风沙防护体系典型断面为研究对象，在防护体系内布设全方位水平积沙仪，对防护体系内的水平风沙活动进行观测，结合分析该区域的风况特征，揭示防护体系内地表沉积物特征与水平沙尘空间分布特征，探讨乌玛高速风沙综合防护体系的防风固沙效应，研究结果对完善现有风沙防护体系具有重要参考意义。

研究区位于腾格里沙漠东南缘沙坡头区，主要沙丘类型为格状沙丘。沙坡头年平均气温9.7 ℃，多年平均降水量186.2 mm。平均风速2.9~3.9 m·s^-1，以西北风为主。一般风力7~8级，最大风力可达12级。

研究路段风沙防护体系由阻沙栅栏、草方格沙障带和卵石防火带构成（图1）。植被类型以灌木、半灌木为主，主要有柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、沙蒿（Artemisia desertorum）、油蒿（Artemisia ordosica）、沙米（Agriophyllum squarrosum）、花棒（Corethrodendron scoparium）等。

在乌玛高速公路观测断面附近架设全自动气象仪（37.51°N，104.90°E，海拔1 484 m），用于监测风速、风向，距离地表2.0 m，数据采集频率10 min，采集时间为2021年1—12月。在上风向防护体系前缘流动沙丘区、高立式尼龙网栅栏带、草方格沙障带、公路下风向草方格区至防护体系外流动沙丘区布置6个2 m高全方位BSNE集沙仪，在4个高度（0.25、0.5、1、2 m）收集水平沙尘样品（图1），收集时间为2022-12-26—2023-04-06。

将采样器中收集沙尘的净质量除以收集时间间隔，结合BSNE采样器入口面积计算出单位时间内沙尘水平通量q（z），随高度迅速减小。

式中：z 为地面到采样器入口的中心高度；m为BSNE 所收集沙尘净质量；t为收集时间间隔（d）；s为BSNE入沙口面积。用幂函数经验公式拟合q（z）值。

地表沉积物与沙尘样品的粒度用Mastersizer 3000激光粒度仪进行测试。粒级划分按照乌登-温特沃斯粒级标准进行，即黏土（>9 Φ）、粉沙（4~9 Φ），极细沙（3~4 Φ）、细沙（2~3 Φ）、中沙（1~2 Φ）、粗沙（0~1 Φ）、极粗沙（-1~0 Φ）和砾石（<-1 Φ）^［18］。

按照Folk-Ward图解法^［19］公式分析平均粒径（M_Z）、分选系数（σ）、偏度（SK）和峰态（K_g）等4个参数。具体计算公式为：

式中：Φ₅、Φ₁₆、Φ₂₅、Φ₅₀、Φ₇₅、Φ₈₄、Φ₉₅分别为粒度分布的相应分位数。根据这种方法求出的偏度和峰度是无量纲值。

风况分析包括风速与风向特征，以及输沙势月变化、季节变化和年输沙势的计算。输沙势（简称为DP）表示在一定时间内潜在最大输沙量，在数值上以矢量单位（Vector Unit， VU）表示。罗盘16方位输沙势合成方向和合成矢量分别称作合成输沙方向（RDD）和合成输沙势（RDP）。方向变率指数（RDP/DP）是指合成输沙势与输沙势的比率。

输沙势的计算采用目前国际上应用最广泛的Fryberger等^［20］的方法：

式中：Q为输沙势，矢量单位（VU）；V为风速，节；V_t 为起动风速，节；t为起沙风时间数，一般为观测时段内测得的起沙风时间数与总观测时间数的百分比。

计算公式要求风速和风向的观测高度为10 m，采用腾格里沙漠东南缘50 m风沙观测塔实测的2 m和10 m高度风速拟合公式进行高度转换，获得10 m高度风速数据^［21］。转换公式如下：

式中：U₁₀为10 m高度的风速；U₂为2 m高度的风速（单位为节，1 m·s^-1=1.946 节）。

按照合成输沙势的大小将风能环境分为低风能环境（DP<200 VU）、中等风能环境（200 VU≤DP≤400 VU）和高风能环境（DP>400 VU）^{［19，22］}。根据输沙玫瑰图将常见风况划分为窄单峰风况、宽单峰风况、锐双峰风况、钝双峰风况和复杂风况。根据风向变率将风况划分为高变率（RDP/DP<0.3）、中等变率（0.3≤RDP/DP≤0.8）和低变率（RDP/DP>0.8）。

研究区年平均风速为3.13 m·s^-1，5月平均风速最大，其次为4月和7月（图2）。并非所有的风都对沙丘形成和沙丘移动起作用^［6］，通常将能够产生风沙运动的最小风速定义为起动风速，大于起动风速的风称为起沙风^［21］，它是评价地区风况的重要指标^［23］。经野外观测本研究区起动风速为6 m·s^-1。起沙风年平均风速为7.66 m·s^-1，起沙风频率为17.6%，起沙风以6~8 m·s^-1为主，占比达63.2%。从月际变化来看，1月起沙风速最大（8.17 m·s^-1），其次为5月（7.89 m·s^-1）、4月（7.82 m·s^-1）、3月（7.81 m·s^-1），12月起沙风速最小（6.85 m·s^-1）。

起沙风频率与月平均风速变化不一致，起沙风5月最多（图2），占全年的32.64%；其次为4月（26.58%）、6月（22.96%）、7月（22.50%）；10月与12月较小，仅为7.68%、4.75%。春季、夏季、秋季、冬季起沙风的平均风速分别为7.85、7.47、7.45、7.82 m·s^-1。

观测期年起沙风风向以偏西风（NW、WNW、W）为主（图3），在年起沙风中出现的频率分别为14.89%、11.95%、10.11%；其次为S和E，出现的频率分别为10.14%和10.07%，呈明显的多风向特征，主次风向频率特征反映了风向复杂程度。

季节差异则体现风向的时间变化特征。春季起沙风占全年起沙风频率的34.66%，其中以偏西风占主导地位，次风向为偏东风。夏季起沙风占比为30.47%，其中偏西起沙风所占比例减少，而偏东起沙风所占比例最大。秋季起沙风所占比例为18.09%，主要表现为偏南风所占比例增加。冬季起沙风最低为16.78%，其中以偏西北风占绝对主导地位（图4）。

不同月份起沙风风速、风向的差异导致输沙势月际差异。研究区月输沙势2.07~33.9 VU，以4月、5月、6月较大，分别为25.33、33.9、20.48 VU，其次为1月，8—12月的月输沙势较小（图5）。由于有的月份偏东和偏南起沙风的出现，导致月合成输沙势变化较大，为0.27~19.79 VU，平均仅为7.31 VU。

由于1月起沙风风向单一，以偏西风为主，其合成输沙势最大，由于4月偏东风及5月和6月偏南风的存在，合成输沙势为6.94、15.29、8.25 VU。8—12月由于风向多变，月合成输沙势较小，为0.27~7.49 VU（图6）。

研究区月合成输沙方向为80.06°~357.65°，平均为188.56°。在偏东和偏南起沙风出现的月份合成输沙方向与平均输沙方向之间的夹角较大，例如在9月出现最大值。1—6月和11月合成输沙方向与平均输沙方向之间的夹角较小。

各月份的RDP/DP为0.07~0.996，平均为0.423。其中4月、8月、10月和12月均小于0.3，风向变率较大，为钝双峰风况。1月大于0.8，分别为0.996，风向变率较小，为窄单峰风况。其余月份的RDP/DP值为0.3~0.8，对应中等风向变率。

6月和11月由于偏南起沙风频率较高表现为锐双峰风况，其余月份均为钝双峰风况。输沙势的月变化反映出研究区风况的复杂性，为形成格状沙丘创造了有利风况条件。

输沙势的月变化导致季节差异。由图7可知，春季输沙势、合成输沙势均最大，表明春季的起沙风频率最高且风向较为单一，主要为偏西北风，为窄单峰风况。夏季的输沙势虽然仅次于春季，但是由于偏西和偏南起沙风的出现，导致其合成输沙势较小，RDP/DP比率最小，表明夏季起沙风的风向变率最大，为复合双峰风况。秋季由于起沙风频率较低，叠加偏南风的出现，导致输沙势和合成输沙势均较低，RDP/DP为0.314，为中等变率锐双峰风况。冬季输沙势虽小于春季和夏季，但合成输沙势仅次于春季，说明起沙风风向单一，为低变率宽单峰风况。就各季节合成输沙方向而言，夏季与秋季平均输沙方向偏离较大，冬春季节偏离较小。

研究区年输沙势为187.57 VU，年合成输沙势为78.6 VU，合成输沙方向为135º，RDP/DP为0.419（图7）。根据Fryberger-Dean风能环境分类标准，研究区为低等风能环境、风向变率中等的钝双峰风况。

地表沉积物以细沙、中沙为主，其他粒级含量较少（表1）。0.25 m高度沙尘以细沙、极细沙、粉沙为主，随着高度增加细沙含量减少，粉沙含量增加。上风向从流动沙丘区至防护体系内部，中沙含量减小而粉砂含量增加。而下风向观测点的沙尘粒度较粗，中沙和细沙含量显著高于上风向流动沙丘区，粉沙、黏土含量显著小于上风向。

风成沉积物的基本粒度分布模式可以通过平均粒径和分选系数来反映。防护体系内不同观测点地表沉积物平均粒径差异不显著（表1）。地表沉积物平均粒径为2.14~2.32 Φ，分选性好（0.49~0.58）。沙尘粒度随着高度增加平均粒径变细，0.25 m高度沙尘平均粒径为2.25~4.03 Φ，沙尘由防护体系外缘至内部显著变细，公路下风向观测点沙尘较上风向粗。大部分观测点沙尘样品分选较差，个别观测点高度较低处分选好或较好。

偏度用于判别粒级分布的对称性，同时也表明平均值与中位数相对位置。地表沉积物偏度（SK）为0.01~0.07，粒度分布为近对称分布模式。不同高度沙尘偏度0.01~0.42，粒度分布为正偏到极正偏分布模式，下风向观测点具有更正偏的趋势。

地表沉积物粒度分布的峰态（K_g）为0.94~0.98，平均值为0.95，表明粒度分布曲线呈中等峰态变化。不同高度沙尘峰态为0.93~1.33，表明粒度分布曲线呈中等和窄峰态变化。

粒度频率布曲线可用于辨识颗粒的运移模式，蕴含丰富的沉积环境信息。自然频率分布曲线呈单峰和双峰分布模式。

观测点1在0.25 m高度为双峰分布，其他高度呈单峰分布。观测点2均呈单峰分布。观测点3在0.25 m高度呈双峰分布，其他高度呈单峰分布。观测点4均呈单峰分布。观测点5在1 m高度为双峰，其他高度呈单峰分布。观测点6在1 m和2 m高度呈双峰分布，其他高度呈单峰分布（图8）。

不同观测点沙尘水平通量差异显著（图9）。沙尘水平通量随高度增加而迅速衰减可用幂函数q（z）=az^b 来表示。观测点1至观测点6沙尘水平通量（0~2 m）分别为11 149.6、313.01、139.0、54.96、1 080.08、16 790.5 g·m^-2·d^-1。下风向两个观测点的沙尘水平通量较大，这主要是由于上风向植被覆盖较好，对沙尘的截留作用显著。总体来看沙尘水平通量从防护体系外缘流动沙丘至靠近公路草方格沙障区持续衰减，可见综合防护体系的防护效应显著。

研究区属于低风能环境，低风能环境中沙尘运移集中在30 cm以下^［24］，近地表沙尘水平通量、输沙率与高度呈负幂函数^［25］。防护体系内各观测点沙尘水平通量随高度的变化可用幂函数q（z）=az^b 很好地表达。风沙防护体系自建立以来经常遭受风沙侵蚀，在发挥功能的同时防护效应也逐渐衰退^［26］，主要表现为草方格沙障及阻沙栅栏老化腐朽，高温、紫外线、风等会加速这一过程。王训明等^［27］的研究表明公路沿线尼龙网栅栏的有效使用时间仅为1~5年。防护体系边缘高立式沙障掏蚀倒伏、破裂、沙埋以及草方格沙障和尼龙网自边缘向内部逐渐积沙、埋没，流沙逐渐向内推进，从而导致防护体系内部发生风蚀和沙埋。

阻沙栅栏作为防沙体系首道屏障，能拦截风沙流中大部分沙粒沉降在阻沙带^［3，28］，这与我们的研究结果一致，经上风向第一道栅栏拦截，0~2 m沙尘水平通量衰减了97.2%，经过3道栅栏拦截后沙尘水平通量衰减了98.2%，至靠近公路观测点4衰减了99%。公路下风向两个观测点沙尘水平通量较大，这一方面主要是观测时段偏南风的加强，另一方面下方向植被盖度较低。而上风向植被盖度较大，对防护体系起到了积极防护作用。植被会显著影响地表风沙沉积物的分选过程^［29］。植被对分选作用的影响主要表现为植被覆盖可以有效降低风速，从而减弱风对地表风成沙的侵蚀作用^［30-31］，削弱风沙流的传输^［32］，拦截运动中的粗颗粒组分，增加细颗粒组分的含量^［33］，降低风成沙的分选程度。

乌玛高速公路腾格里沙漠典型路段观测时段内起沙风平均风速为7.66 m·s^-1，起沙风频率为17.6%，主导风向为W-NNW、E、S。年输沙势为187.57 VU，合成输沙势为78.6 VU，合成输沙方向为135°，RDP/DP为0.419，属于低风能环境、风向变率中等的钝双峰风况。春季输沙势和合成输沙势均最大，属于中等风向变率。夏季的输沙势虽然仅次于春季，但是由于偏西和偏南起沙风的出现，风向变率最大，为复合双峰风况，导致其合成输沙势降低，RDP/DP比率最小。秋季起沙风频率降低，同时由于偏南起沙风的出现，导致秋季输沙势和合成输沙势均较低，RDP/DP为0.314，为中等变率锐双峰风况。冬季输沙势虽小于春季和夏季，但起沙风风向较为单一，均为偏西风，为低变率宽单峰风况，因此合成输沙势仅次于春季。各季节合成输沙方向表现为夏季与秋季平均输沙方向偏离较大，冬春季节偏离较小。

地表沉积物以细沙、中沙为主。由防护体系外围至内部不同高度沙尘粒度逐渐变细，可见综合防护体系的防护效应显著。防护体系内0~2 m水平沙尘通量的空间差异显著，沙尘水平通量从流动沙丘区的11 149.6 g·m^-2·d^-1至上风向靠近公路草方格工程区衰减为54.96 g·m^-2·d^-1。下风向从流动沙丘区至草方格工程区也呈衰减趋势，但由于下风向植被比较稀疏，沙尘水平通量要大于上风向。