民勤荒漠绿洲过渡带白刺灌丛沙堆表面风沙输运特征与沙堆形成发育的关系研究

发布时间：2017-12-24 17:14

本文关键词：民勤荒漠绿洲过渡带白刺灌丛沙堆表面风沙输运特征与沙堆形成发育的关系研究　出处：《兰州大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：荒漠-绿洲过渡带中广泛分布的灌木群落,是绿洲重要的天然保护屏障,在防风固沙,改善环境等方面发挥着重要的作用。随气流传输的风沙沉积物受到植物丛影响而在其周围产生沉降、堆积形成的、不随风沙流迁移的灌丛沙堆,是干旱、半干旱沙漠和沙地常见的风积生物地貌类型,对荒漠-绿洲过渡带的稳定及其生态效能的发挥均有重要的意义。自20世纪80年代以来,随着风沙地貌和沙漠化过程研究的不断深入,灌丛沙堆的研究在国内外受到了广泛关注,并针对世界各地不同类型的灌丛沙堆开展了大量的工作。研究内容涉及灌丛沙堆的形态、沉积物、生态学和动力演化等多个方面。然而针对其形成发育过程中所涉及到的灌丛沙堆表面风沙流输运规律与灌丛沙堆形态特征变化之间相互关系及响应过程的研究很少。白刺是荒漠及沙化土地分布区典型建群植物之一,在其形成固定、半固定白刺灌丛沙堆的过程中可以拦蓄和固定大量流沙,是干旱、半干旱荒漠-绿洲过渡带最长见的灌丛沙堆之一。本研究以分布在石羊河流域下游,甘肃省民勤县境内荒漠-绿洲过渡带的白刺灌丛沙堆为研究对象,采用野外观测和数值模拟相结合的方法,对白刺灌丛沙堆表面风沙流输运规律与灌丛沙堆形态特征变化之间相互关系及响应过程进行了分析,结果表明,自白刺灌丛植株在地面定居开始,由于灌丛沙堆自身形态结构的不断变化而导致的其内部及下风向区域内风速、风向、沙尘水平通量及其传输路径等要素的改变,造成其表面具有阶段性特征的风蚀、积沙规律,主导着白刺灌丛沙堆形态特征的发展趋势,并形成了其内部规律性的沉积结构。具体表现为:(1)以形态特征为依据可以将研究区内白刺灌丛沙堆的发育过程区分为形成初期、过渡阶段及稳定阶段三个发展阶段。在其形成发育过程中,长轴、短轴、高度、迎风坡长度以及背风坡长度相互之间均具有良好的相关性。白刺灌丛沙堆的体积增长是长轴、短轴和高度协同增长的结果,三者都是决定白刺灌丛沙堆体积增长的必要因子。长轴、短轴的同步增长是保证白刺灌丛沙堆在形成和发育过程中沙堆底面投影能够始终保持椭圆或者类椭圆形的前提之一,而迎风坡和背风坡长度的非等量增长是白刺灌丛沙堆侧向投影形态由沙堆形成初期的抛物线形向稳定阶段的拱形的转换的主要原因。(2)处于稳定阶段的白刺灌丛沙堆内部沉积结构特点是:从下往上沉积层层理逐渐清晰,灌丛沙堆内部整体颗粒粒度小,各层次之间粒径分布参数等级之间差异不大。内部沉积物主要是由粒径介于63um-500um的极细沙、细沙以及中沙组成。在不同位置处沙粒粒径大小不同,从沙堆迎风坡中部到背风坡中沙粒平均粒径逐渐减小,分别为195.0um(迎风坡中部)、172.7um(沙堆中部)和149.9um(背风坡中部)。(3)在西北风影响下,三个处于不同发育阶段的白刺灌丛沙堆轴线风速变化趋势基本一致,从沙堆迎风坡坡脚至背风坡中上部风速逐渐降低,在背风坡中上部达到风速最小值后开始逐渐增大。背风坡中上部横向风速存在差异,表现为:形成初期从左到右背风坡中上部横向风速先减小后增大;过渡阶段的风速变化过程包含了两个风速减小增加的变化过程以及两个最小风速值;稳定阶段风速变化过程又恢复至先减小后增大。而在东风所形成的沙尘天气过程中,处于形成初期的白刺灌丛沙堆轴线风速表现为从沙堆背风坡坡脚至背风坡中部风速缓慢增强,与前者相比,处于过渡阶段的白刺灌丛沙堆轴线风速在背风坡的变化要小。(4)白刺灌丛沙堆轴线沙尘水平通量整体表现为从沙堆迎风坡坡脚至背风坡中上部逐渐降低,在背风坡中上部达到最小值后开始逐渐增大,至背风坡坡脚时均接近迎风坡坡脚处的测量值,但不同发育阶段的灌丛沙堆对其轴线沙尘水平通量的影响程度(消减程度)是不同的。形态结构不断变化的灌丛沙堆将原本在横向上分布较为均匀的风沙流堆隔开,变为从灌丛沙堆两侧向下风向区域输运,并改变白刺灌丛沙堆背风坡中上部沉积物的传输路径。(5)在西北风的影响下,处于形成初期的白刺灌丛沙堆表面以积沙为主,过渡阶段的白刺灌丛沙堆表面同样以积沙为主,与前者的差异在于各个位置处风沙沉积物的沉积沙厚度不同,处于稳定阶段的白刺灌丛表面虽然仍然以积沙为主,但灌丛沙堆各位置处平均积沙厚度及最大积沙厚度均明显小于灌丛沙堆形成初期和过渡阶段,且最大积沙厚度所在位置后移,并在局部有少量风蚀发生。而在东风所形成的沙尘天气过程中,三个沙堆迎风坡及背风坡呈现出完全不同的风蚀、积沙规律,具体表现为在沙堆迎风坡均出现风沙沉积物的堆积,而在沙堆背风坡表面以风蚀为主。(6)数值计算结果表明,在形成初期,白刺灌丛沙堆背风坡以透过植被孔隙的孔隙流为主,横向剖面内有两个尺度不大、基本对称的涡流生成,纵向切面内没有明显的涡生成;在过渡阶段,灌丛沙堆背风坡以经白刺灌丛沙堆两侧通过后在灌丛沙堆背风坡汇合而形成的二次流为主,低风速区明显扩大,横向及纵向剖面内均有涡生成,位置离白刺灌丛沙堆更近;而在稳定阶段,背风坡以经白刺灌丛沙堆两侧通过后在灌丛沙堆背风坡汇合而形成的二次流为主,横向剖面内没有涡生成,低风速区相对分布面积较前两个发育阶段明显减小,而纵向剖面内风场结构与过渡阶段相似。均匀风场气流会因为受到白刺灌丛沙堆的影响而在沙堆侧向一定范围内加速形成加速区。加速区风速与原均匀流场风速之间的差值及其随距离的变化趋势与剖面短轴长度密切相关,随剖面短轴长度增加而增大。在白刺灌丛沙堆形成发育过程中,其表面分布的白刺植株在固定迎风坡已有风沙沉积物的同时,还能够促使来自上风向区域的风沙沉积物能不断在迎风坡表面沉积,对背风坡及其影响区域内而言,主要体现在消除沙堆顶部的强风侵蚀区和增强背风坡涡流强度、涡流影响范围方面。(7)数值计算结果表明,自形成初期至稳定阶段,白刺灌丛沙堆横向剖面影响区域内气流的湍流动能经历了一个由弱变强,然后减弱的变化过程。在形成初期及过渡阶段,在剖面下风向区域内存在两个基本对称的椭圆形强湍流动能强度分布区,而在稳定阶段,其影响区域内气流的湍流动能强度明显小于前两个阶段,最大湍流动能区位于迎风面植被覆盖层两侧。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q948;P931.3

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