风是干旱区及半干旱区塑造地貌形态的重要营力，更是造成风沙危害的动力因素。输沙势是风沙运动环境评判的主要指标。输沙势在风沙运动及风能研究方面被广泛应用，在用来研究区域风能环境特征的同时，还可以用来估测输沙量^［1］。在中国的科尔沁沙地^［2］、晋西北荒漠化地区^［3］、柴达木盆地^［4］，国外的尼罗河河谷和三角洲^［5］、科威特沙漠^［6］、埃及E1-Khanka^［7］等地区，均采用这一指标对风能动力环境进行评判。输沙势不仅可方便用于对比分析全球范围内不同区域风能环境特征，还有助于理解全球风沙活动的形成，对区域风沙运动研究具有重要意义^［8］。

黄河流域生态建设关乎北方地区的安全发展，国内多位学者也对黄河流域河道淤积问题开展了大量研究。在20世纪中期到80年代，乌兰布和沙漠每年向黄河的输沙量约1 780万t，致使黄河下游淤沙量增加，水位显著提升^［9］。在20世纪80年代至2013年，黄河流域宁-蒙河段中的石嘴山-巴彦高勒段年风沙入黄量有所减小，但其他河段风沙入黄量并没有明显变化^［10］。进入21世纪以后，国家加强了对黄河流域生态治理，2001—2010年宁-蒙段风蚀沙土向黄河年均贡献率约为1 587万t^［11］。其间对乌兰布和沙漠及库布齐沙漠的治理效果显著，多种减沙固沙模式的布设取得良好效果。随着国家对黄河流域安全发展问题的重视，针对十大孔兑的研究逐步展开，在19世纪50年代至2010年向黄河输送的年均泥沙量为2 800万t，超过入黄泥沙总量的十分之一，针对这一问题，中国在十大孔兑区域开展了大量的生态监测与治理研究。通过对354座淤地坝多个时期的减沙量研究发现，淤地坝措施仍然是该区域最有效的水土保持措施^［12］。利用遥感生态指数评价模型对十大孔兑区域近20年生态环境健康度的分布格局及变化趋势进行了研究，认为该区域的生态环境仍有待改善。最终经过多年来的综合治理，在2016年对十大孔兑区域年均累积风蚀量估算结果1 939万t，比之前约减少了28.63%^［13］。

黄河流域十大孔兑区域的风沙治理取得显著效果，一是多年来治理措施的成就，二是区域风能变化对输沙的影响。但长期以来由于风能环境监测数据缺失，目前缺少关于输沙势的研究，导致对十大孔兑区域风能环境认识非常有限。本研究利用布设在不同孔兑的气象站，获取了十大孔兑不同位置风况数据，同时结合研究区周围气象站数据，开展区域输沙势与风能环境研究，结果不仅可以弥补之前研究的不足，还可以针对研究区不同区域风况特征，因地制宜，布设科学防风固沙措施，提出合理的沙漠化防治建议，为区域风沙灾害防治提供科学参考和数据支撑，这对维护区域生态安全具有重要意义。

十大孔兑位于39°55′20″—40°30′60″N、108°45′45″—110°45′54″E，从西向东分别为毛不拉孔兑、卜尔色太沟、黑赖沟、西柳沟、罕台川、壕庆河、哈什拉川、母花沟、东柳沟、呼斯太河^［14］，是黄河内蒙古段的主要产沙支流，流域由南向北包含砒砂岩丘陵沟壑、库布齐沙漠、冲洪积平原3个侵蚀地貌类型，这片总面积为10 767 km²的区域，每年向黄河流域贡献泥沙量达到入黄泥沙总量的十分之一^［15］。自然区划上属于鄂尔多斯东部高平原沙漠自然区，气候属于典型大陆性气候，年平均气温7 ℃左右，年降水量200~400 mm，多发生于7—8月，年蒸发量约为2 200 mm，3—5月常有大风天气，年均大风日数24 d，最大风速达28 m·s^{-1［16-17］}。

第一种气象数据基于全球地面气象站，观测高度10 m，即十大孔兑区域周边旗县达拉特旗、东胜区和杭锦旗的3个气象站点CMDC （http//data. cma.cn） 。选取该数据源下3个站点记录的 2018—2022年的风况数据。第二种是根据实地地形和流场特征，选定十大孔兑中的毛不拉孔兑、西柳沟、罕台川和东柳沟作为典型研究孔兑，在2018—2022年，利用HOBO气象站，在每月的月中（12—18日）连续7天进行风况数据采集，自动气象站的记录频率为10 s。结果利用地面气象站风况数据与HOBO监测数据进行拟合，根据两者之间的函数关系，计算获得4条长期风况数据。

输沙势反映了某一方位起沙风在一段时间内搬运沙的能力，主次风向为一段时间内风向频率最高的两个风向输沙势的公式为^［18-20］：

式中：DP为输沙势，矢量单位为VU；U和U_t 分别为10 m高度的起沙风速和起动风速，单位为节；t为风速U出现的频率。合成输沙方向（RDD）为净输沙方向；合成输沙势（RDP），矢量单位为VU，表示净输沙势；方向变率为合成输沙势与总输沙势的比（RDP/DP），反映的是起沙风风向的单一程度。

根据中国气象局标准气象站规定，风速的测定高度为10 m，而我们在沙丘群内部设置的自动气象站记录的是2 m高度的风速数据，因此，需利用公式将2 m高度的风速数据转换为10 m高度的风速数据，风向不做转化。

式中：U₁₀为10 m高度风速；U₂为2 m高度风速；Z₀为地表粗糙度。

式中：U_z 为高度z（m）处的风速（m∙s^-1）；k为冯卡曼常数（0.4）；Z₀为地表粗糙度（m）； d为零平面位移（m）。Z₀最后可以根据ln（z-d）与U₂所构成的线性函数的截距得到。

根据年输沙势，对风能环境和风况方向变率进行了划分^［1］（表1）。

输沙玫瑰图可以反映沙区起沙风况，据此可将起沙风况分为窄单峰、宽单峰、锐双峰、钝双峰和复合等5种风况。风向频率玫瑰图为一段时间内各风向频率的统计图，是反映沙区风况的重要分析手段。

风速是评价区域风沙活动的基础参数^［21］。2018—2022年，研究区各月风速变化趋势趋于一致（图2A），值为0~13.49 m∙s^-1，年度起沙风（>5 m∙s^-1）占比平均为14.74%，集中于春季（3—6月），冬季次之；起沙风向主要为西西北风、西北风和北西北风（292.5°~337.5°，图2B）。

十大孔兑区域风能环境整体由西向东呈逐渐降低趋势（图3），这是由于西部地区海拔较高且地形地貌复杂多样，风速高于东部地区。

十大孔兑区域2018—2022年的年平均风速及年平均起沙风风速变化不大，7个站点年平均风速为2.91~4.41 m∙s^-1，区域整体平均风速为3.17 m∙s^-1（图4）。年平均起沙风风速显著高于年平均风速，为5.79~7.22 m∙s^-1，区域整体平均风速为6.28 m∙s^-1，且起沙风频率均呈逐渐增大的趋势。

月平均风速可以作为衡量区域风沙活动强度的关键指标，用以表征不同时间尺度的风速变化规律^［22］。

十大孔兑区域月平均起沙风速变化幅度较小，为5.93（7月）~7.01 m∙s^-1（5月）；月平均风速2.55（8月）~4.11 m∙s^-1（5月），均低于起沙风速（5 m∙s^-1）。不同月份起沙风频率较小，为15.99%（8月）~25.43%（5月），年度平均起沙风频率为17.85%；最大起沙风速为8.08（8月）~11.37 m∙s^-1（4月）。月起沙平均风速、月最大起沙风速、月平均风速和月起沙风频率变化规律趋于一致，均呈现出1—5月较大、6—12月减小趋势。就季节而言，4个季节中春季起沙风各指标明显高于其他季节（图5）。因此在实际研究过程中，应该将春季作为重点防护时期。

起沙风特性决定近地层风沙颗粒的运动速度与方向，是界定风沙活动能否发生的关键指标，在研究风沙运动过程中具有至关重要的作用^［23］。

在2018—2022年，十大孔兑年度起沙风以偏西风（W、WNW、NW）和偏北风（NNW、N）为主，其中偏西风占35.72%，偏北风占37.45%，合计起沙风频率占全年起沙风向的73.17%，偏西风中以西北风为主（22.03%），偏北风中以西西北风为主（26.26%， 图6）。

四季起沙风风向与年度起沙风风向基本一致，均以偏西风（W、WNW、NW）和偏北风（NNW、N）为主，这2组风向累计分别占春、夏、秋、冬季起沙风频率的73.12%、54.51%、84.11%、96.95%。春、夏季节起沙风向具有较高的相似性，均以西北（NW）和北西北（NNW）风为主，而秋、冬季起沙风风向相对集中于北西北（NNW）风向。研究区起沙风的季节性变化特征主要表现在起沙风频率与主风向组成结构存在差异，其中春季主向风为西北风（NW）和北西北风（NNW），分别占全年起沙风频率的7.60%和9.01%，夏季主向风为西北风（NW）和北西北风（NNW），分别占全年起沙风频率的2.74%和2.91%，秋季主向风为北西北风（NNW），占全年起沙风频率的8.21%，冬季主向风为北西北风（NNW），占全年起沙风频率的14.0%。

输沙势（DP）反映了风速统计中某一方位风向在一定时间内搬运沙的能力^［24］。在风沙活动强度以及风沙地貌形成方面得到广泛应用，通过对不同时间尺度上输沙势的分析可以对研究区域内风沙活动强度进行评价。合成输沙势（RDP）是16个方位输沙势的矢量合成，是一个地区的风沙活动强度最直接的表征指标。方向变率指数（RDP/DP）指合成输沙势与输沙势的比率，方向变率越大，与此有关的RDP/DP越小^［25］。

十大孔兑区域不同气象站点输沙势（DP）之间存在差异（图7和图8）。7个气象站点中从西向东输沙势呈减小趋势，毛不拉孔兑流域输沙势最大，东柳沟流域最小。整体上看，研究区西部输沙势明显高于中部和东部，因此可依据输沙势将研究区划分为东部、中部和西部3个区域，研究结果为下一步区域输沙势研究奠定基础。

2018—2022年，十大孔兑区域年平均输沙势（DP）为313.81 VU，平均合成输沙势（RDP）为209.80 VU，方向变率指数（RDP/DP）为0.78（图9）。根据风能分类标准^［1］，研究区整体上处于中等风能环境（200≤DP≤400），年度方向变率指数属于中等变率水平；年合成输沙势方向（RDD）为146.58°，为南东南（SSE）方向，表明年度风沙主要运动方向为东南偏南方向，导致大量风沙输入孔兑河道，为风沙入黄提供了大量沙物质。

就季节尺度而言，十大孔兑区域不同季节输沙势与合成输沙势存在差异，春季DP、RDP最大，分别为146.29 VU，85.93 VU。依据输沙势排序，春季（DP=146.29 VU， RDP=85.93 VU）>秋季（DP=74.75 VU，RDP=49.03 VU）>冬季（DP=61.72 VU，RDP=52.29 VU）>夏季（DP=31.04 VU，RDP=22.01 VU）；4个季节输沙势分别占年度输沙势的46.62%（春季）、14.63%（夏季）、23.82%（秋季）和19.67%（冬季）。4个季节合成输沙势方向趋于一致，RDD值介于141.97°~155.21°，均为SSE方向；方向变率指数之间也存在显著差异，冬季最大为0.92，依据方向变率指数排序为冬季（0.92，低变率）>秋季（0.80，中等变率）>春季（0.77，中等变率）>夏季（0.54，中等变率）。

综合对比发现，十大孔兑区域输沙势季节变化特征与年度输沙势季节变化特征变化趋势一致，方向均为南东南（SSE）方向。因此相对于其他季节，春季输沙势较高，加之随着温度回升，地表沙粒松散，为风沙入黄提供了充足的动力条件和丰富的沙源，因此春季为风沙活动频发期，针对这一时期，应加强管理。

十大孔兑月均输沙势特征为以5月DP、RDP最大，分别为64.80、35.84 VU，7月DP、RDP最小，分别为7.00、6.09 VU（图10）。12个月份RDD为132.85°~165.43°，主体为东南（SE）和南东南（SSE）方向。根据起沙风方向变率指数^［1］，7月RDP/DP为0.21，属于高变率，说明7月起沙风向变化情况较为复杂；2、5、6月方向变率指数介于0.43~0.78，属于中等变率；1、3、4、8、9、10、11、12月方向变率指数均大于0.8，属于低变率，起沙风向变化情况较为单一。

综合不同时间尺度输沙势变化特征分析，十大孔兑区域RDD的年度、季节、月际变化趋势较稳定，主要为偏东南方向（SE、SSE） ，其中SSE方向所占比例较大。受库布齐沙漠季风气候及季节因素影响，研究区春季处于高风能环境，夏、秋季处于低风能环境，输沙方向相差不大，以东东南（ESE）、东南（SE）和南东南（SSE）方向为主，这也直接导致每年向黄河输送大量沙物质，给黄河流域安全发展造成了严重威胁。

十大孔兑区域输沙势从西向东呈逐渐减小分布趋势，西部为高风能区，中部为低风能区，东部为低风能区，主要受地形和海拔影响。这与胡光印等^［26］对若尔盖盆地的风能环境研究结果相似。而邢文娟等^［27］对荒漠-绿洲过渡带风能环境研究发现，植被特征也是影响输沙势特征的主要因素，植被覆盖度高，长势好，会增加地表粗糙度，可有效降低近地表风速。张昊等^［8］对乌珠穆沁沙地风能环境研究发现，乌珠穆沁沙地南部多为山地丘陵，北部为荒漠草原，地势呈东南向西北倾斜，但西北地区植被盖度高于东南地区，导致西北地区输沙势显著高于东南地区，说明植被特征对输沙势的影响高于地形因素。苗恒录等^［28］以内蒙古阴山北麓希拉穆仁草原为研究对象发现季节气候特征会影响输沙势。春季由于降水稀少、蒸发强烈，土壤干燥疏松，植被覆盖度较低，防风固沙能力较弱；而夏季降雨量增加，土壤含水率增加，植被覆盖度也增大，防风固沙能力强于春季。综合以上研究结果来看，有很多因素都会对输沙势特征造成影响，在实际研究中，我们要充分结合实际，从地形地貌、气候条件、植被特征等多方面对输沙势特征展开研究，找到影响输沙势特征的主要因素，才能为区域风、沙防控措施提供理论支撑。

20世纪80年代以来，十大孔兑区域种植了大量生态林，在1995—2015年，十大孔兑区域的土壤侵蚀模数总体上呈下降趋势。这一趋势在2000年以后下降尤为明显，这与黄河其他流域研究结果一致。还有相关报道表明，在十大孔兑区域，植被覆盖度的增加对土壤侵蚀减少的贡献率最大^［29］，即植被覆盖因子是十大孔兑区域土壤侵蚀变化的主导因子。在2005年，十大孔兑区域土壤侵蚀模数降至1.10 t∙hm^-2·a^-1，为20年间最低，结合戴礼飞^［30］在乌拉尔山区乌梁素海小流域的研究结果来看，土壤侵蚀模数达到最低的原因是2005年的降雨侵蚀力因子为历年来最低值，因此土壤侵蚀强度值大幅度减小。十大孔兑区域土壤侵蚀强度为轻度侵蚀。研究区土壤侵蚀强度以微度侵蚀与中度侵蚀为主，在1990—2018年，随着生态治理措施不断增加，土壤侵蚀强度总体呈下降趋势。在1990年，十大孔兑区域微度侵蚀面积为9.45×10⁵ hm²，占总面积的89.4%；到2015年，十大孔兑区域微度侵蚀面积升至1.02×10⁶ hm²，面积占比将近97.3%，从中度侵蚀向微度侵蚀转化面积达7.5×10⁴ hm²，这与林、草地面积增加存在显著相关关系，总体上表现为研究区域内的土壤侵蚀强度降低，土壤侵蚀模数下降，微度以上侵蚀的面积大量降低^［19］。前期对十大孔兑区域生态治理研究结果表明，研究区2000年之后植被覆盖度显著提升，环境条件得到明显改善，间接表现出随时间的推移以及生态措施的实施，十大孔兑区域土壤侵蚀强度明显降低。高强度土壤侵蚀面积大幅减少。

输沙势是衡量区域风沙活动强度以及风沙运移规律的重要指标。十大孔兑区域属于中等风能环境区，受库布齐沙漠的显著影响，与库布齐沙漠极为相似，输沙势略高于库布齐沙漠，差异系数小于6%^［31］；起沙风频率均集中于冬、春季，风力较为强劲，年均风速2~4 m∙s^-1，平均起沙风速6~7 m∙s^-1，与内蒙古阴山北麓荒漠^［28］、乌兰布和沙漠东北缘^［32］、科尔沁沙地西部^［2］风况特征相似。平均风速随高风速出现频率的增加而增加，两者之间呈较好的相关性，这与张姚姚^［4］的研究结论一致。本研究发现起沙风频率与平均风速呈较好的相关性，而朱世忠^［33］研究起沙风平均值的月际变化，发现其趋势与起沙风频率和起沙风平均风速几乎完全相反，存在差异主要原因可能与研究区下垫面特征及数据源的不同有关。

从起沙风频率、平均风速和输沙势来看，十大孔兑区域风况和输沙势有着明显的季节性变化，春季风沙活动最为频繁和活跃，主要特点为起沙风频率高、风速大、输沙势强，沙尘暴频发，充足的沙物质在强风的侵蚀下被大量风蚀；而在其他季节，输沙率显著低于春季，这是由于研究区所处独特的地理位置，常年受蒙古高压气团及沙漠季风气候的影响，形成了冬季寒冷干旱、春季多风的气候。春季风速较高、水分蒸发量远远大于降水量，土质干燥疏松，植物刚处于返青期，植被覆盖度低，防风固沙能力较弱；在冬季，虽然输沙势高于夏、秋季，但随着温度降低，受地表冷凝水及土壤水的影响，距离沙丘表面10 cm以下土壤呈固结状态，可侵蚀的沙源显著降低，因此温度也是影响土壤风蚀的关键因子，这与Alamusa等^［34］的研究结果一致。而夏、秋季随着温度提高，风速降低，伴随着降雨量增加，土壤含水率增加，植被覆盖度也增大，防风固沙能力强于冬、春季。因此春季是十条支流流域风沙活动最频繁和强盛的季节，应予以重点关注。

黄河流域十大孔兑区域在不同时间尺度的主要起沙风向相似，整体以偏西北（NW）风向为主。春季风沙活动较为频繁，且输沙势和合成输沙势均显著高于其他季节，因此有效控制春季风沙侵蚀量，是防沙治沙工作的重点。受区域地理位置及环境影响，十大孔兑区域输沙势颇高，属于高风能环境，根据输沙势特征，将研究区划分为西部、中部和东部3个区域，不同时间尺度上合成输沙势（RDP）方向以偏南（SSE）方向为主，表明流域风沙区沙物质主要朝东南偏南方向输移，直接导致大量沙物质输入河道。因此受强劲风能动力影响，黄河流域生态安全发展面临着严重挑战，客观的认知辅以科学的治理，才是促进黄河流域高质量发展的有力保障。