风沙流结构是指气流中搬运的沙子在搬运层内随高度的分布，它是风沙物理宏观研究的主要内容，也是风沙运动研究的核心内容之一。自拜格诺通过风洞试验建立风动力限制条件下输沙率与风速及沙粒粒径的关系以后，国内外大量学者先后对风沙流结构进行了风洞试验和野外观测的定量和定性研究(董治宝，2002；倪晋仁等，1998)。定量研究成果丰富，其中对输沙率随高度变化的研究较多，很多学者的研究结果认为输沙量(率)随高度增加而指数递减(马世威，1988；Chepil et al., 1945；Sharp，1964；邹学勇等，1992)。虽然有些研究中指出在床面附近的输沙率并不符合指数分布(河村龙马，1985；董飞等，1995；1997)，但跃移层上部的风沙流结构符合指数递减规律，悬移层则呈现出幂函数递减规律(Fryrear et al., 1993；哈斯，1997)。定性研究指出了影响风沙流结构的因素主要有风速、输沙率和下垫面，为了研究下垫面的蚀积状况，兹纳门斯基(1960)提出了风沙流结构数，但由于下垫面蚀积的临界值不好确定，吴正等(1965)又在野外试验的基础上提出了风沙流结构特征值，用以定性判别地表的蚀积状况。我国目前已对沙漠(王翔宇等，2008；丁国栋，1994)、戈壁(张克存等，2005；屈建军等，2005；邹学勇等，1995)、海岸沙丘(董玉祥等，2008)的风沙流结构进行了大量研究，得到了输沙率随高度变化的函数表达，输沙率与风速的函数关系，不同地貌部位的风沙流结构的变化规律。但是，在防沙治沙工作中对人工治理沙丘表面风沙流结构的研究较少。

本研究定量分析青海湖湖东沙地人工治理沙丘风沙流结构中总输沙率与风速、不同高度处的输沙率与风速及不同风速下输沙率与高度的关系，并比较人工治理沙丘和流动沙丘在风速相同和输沙率相近时的风沙流结构，试图揭示人工治理沙丘上风沙流活动规律，反映人工治理措施的防风固沙效果，并丰富风沙物理学及治沙工程学的研究成果，为该区的防沙治沙工作提供理论依据。

1 研究区概况

青海湖湖东沙地是全新世以来在干旱气候控制下形成的青海湖流域最大规模的风沙堆积区(赵以莲等，2007)，它的发展严重影响着青海湖地区的生态平衡。本次试验研究区位于青海湖东岸的克土沙区(100°46′—100°48′E, 36°46′—36°48′N)，平均海拔3 300 m，多年平均气温-3.1 ℃，≥10 ℃年积温473.6 ℃。每年大风日数20~40天，多西北风，主要出现在3—5月份。大风、霜冻、冰雹是境内经常出现的灾害天气(朱秀莲，2009)。

2 数据收集

研究采用2010年春季的观测数据，观测地点设在克土沙区，以人工治理沙丘和流动沙丘的平缓丘顶作为观测对象。人工治理沙丘在采取治理措施前为流动沙丘，2007年4—5月在此沙丘上设置了1.5 m×1.5 m的麦草方格沙障，2008年4月在每个草方格西北角栽植1株3年生沙棘(Hippophae rhamnoides)实生苗。2010年进行风沙观测时，该沙丘上残余的麦草方格沙障高5 cm，沙棘成活率90%以上，长势良好，平均高66 cm，植被盖度为5.57%。流动沙丘上无植被生长，植被盖度为0。

在青海湖流域盛行西北风的3—4月份，采用梯度风速仪(观测高度为10，20，50，100，150，200，250，350和450 cm)和阶梯式集沙仪(高60 cm，30个2 cm×2 cm连续进沙口)在平缓丘顶进行风沙观测。风速仪与集沙仪同步观测，每次观测时间为10 min，所采集的沙粒样品装在封存袋中带回后用0.01g电子天平称质量。

我国一般将2 m高处风速为4 m·s^-1的风定为起沙风(马世威，1988)。但经实地观察，研究区内人工治理沙丘的起沙风速约为6 m·s^-1。根据实际情况，本研究选取2 m高处大于6 m·s^-1的风速为有效风速，选取总输沙率大于1.00 g·cm^-2min^-1的数据为有效集沙数据，最终筛选出有效可用数据进行分析。

3 人工治理沙丘风沙流结构分析

通过人工治理沙丘上方各层(0~60 cm，每2 cm为1层，共30层)输沙率累加的方式，获得总输沙率。利用SPSS的回归分析方法，对采取人工治理措施沙丘的总输沙率与风速的关系、不同高度下输沙率与风速的关系、不同风速下输沙率与高度的关系做定量研究，拟合出适合该区域的风沙流结构模型：1)在SPSS中做出变量的散点图，结合前人的研究成果，用对数函数、线性函数、幂函数和指数函数都分别进行了拟合；2)由于回归分析中Curve Estimation的函数不受参数的影响，且该研究中参数的影响不大，所以选用它来做回归分析。

3.1 总输沙率与风速的关系

由图 1可以看出：人工治理沙丘上总输沙率随风速的增大而增加，当风速大于11 m·s^-1时，增加显著；总输沙率随风速的变化拟合中指数形式的相关度最高，R=0.642，但R²小于0.5，这不足以说明随着风速的增加总输沙率是呈指数函数形式增加的。在观测风速范围内(风速6~12 m·s^-1)，总输沙率随风速的变化关系并无明显的规律，这可能是由于采取人工治理措施的沙丘地表物质组成较为复杂，对输沙率产生了影响，而这种影响本身就是不可确定的，具有一定的随机性。

3.2 不同高度处的输沙率与风速的关系

分析30个集沙高度层的输沙率随风速的变化，结果表明：在沙丘上方2~60 cm的29个高度层，输沙率随风速的增加总体呈现出变大的趋势，但是不论采取指数函数、对数函数、幂函数还是线形函数，拟合效果都不理想，相关度较低；在0~2 cm高度层输沙率随风速的变化无明显规律(图 2)，其原因应该是人工治理措施对低层的输沙造成了影响，破坏了其规律性。

3.3 不同风速下的输沙率与高度的关系

分别取沙丘上方2 m处风速为7.21，9.80，10.15和11.65 m·s^-1的4组数据来拟合各风速下输沙率与高度的关系。在此处采用的拟合函数有线性函数Q=aH+b、对数函数Q=alnH+b、幂函数Q=(bH)^a和指数函数Q=be^aH，Q为输沙率，H为高度，a与b是系数。最终得到的4组数据的结果如表 1和图 3所示。

从表 1中可以看出，风速为9.80，10.15和11.65 m·s^-1时，输沙率与高度的关系以指数函数拟合效果最佳，且风速越大，指数函数的相关度越高。当风速为7.21 m·s^-1时，幂函数的相关性更大一些，但并不能表明输沙率随风速的增大以幂函数的规律变化，因为此时风速太小不足以引起沙粒的大量运动，输沙主要集中在0~2 cm高度层。

通过拟合曲线，发现输沙率随高度的变化更加符合指数形式，但是在数据处理过程中，也发现另一个现象，即当风速处于一定范围时，输沙率随高度增加并非一贯减少。风速为9.80和10.15 m·s^-1时，最大输沙率出现在0~2 cm层，第二峰值出现在10~16 cm内某高度层(图 3)。初步分析认为此种情况反映了人工治理沙丘上所铺设的麦草方格沙障对风沙流结构产生了影响：一方面，风夹带的沙粒在经过麦草方格沙障时，除了穿过沙障和被沙障拦截外，也有一部分碰撞到麦草方格沙障而再次跳跃升高，进入更高的集沙层；另一方面，麦草方格沙障对气流场产生了一定的影响，在麦草方格沙障附近产生气流涡旋可能使得空气中的沙粒跟随涡旋气流进入到更高的集沙层。这样使得输沙率随高度的增加不是单纯的减少而是先减后增再减。所测数据显示，当风速为9.80~11.24 m·s^-1时，存在上述输沙率随高度变化情况，当风速低于或高于此风速范围时，则不存在上述情况。当风速过小时，输沙率较小，输沙高度低，麦草方格沙障虽对风沙流结构造成一定影响，但未使得风沙流结构产生第二峰值；当风速过大时，跃移高度略有升高，风沙流结构仍然会受到麦草方格沙障影响，但是由于大风条件下的观测数据量较少，现有数据显示大风条件下风沙流结构并无第二峰值产生。

4 人工治理沙丘同流动沙丘的风沙流结构比较

选取人工治理沙丘和流动沙丘在2 m高处具有相近风速的数据，用SPSS对输沙率与高度的关系进行曲线拟合，发现人工治理沙丘和流动沙丘输沙率和高度的关系都明显符合指数形式(表 2)。且在风速相近的情况下，人工治理沙丘的总输沙率要明显小于流动沙丘，说明人工治理措施效果良好。

当总输沙率相近时，人工治理沙丘丘顶2 m高处风速为10.65 m·s^-1，流动沙丘丘顶的为6.76 m·s^-1，前者风速是后者风速的1.58倍(表 3)，再次说明人工治理措施效果良好。此时，2种沙丘输沙率与高度均指数相关。通过图 4可以看出，在10 cm高度内，流动沙丘的输沙率大于人工治理沙丘，而在10~60 cm内，人工治理沙丘的各层输沙率大于流动沙丘。分析认为造成这种风沙流结构不同的原因是人工治理措施一方面帮助部分底层运移沙粒弹起进入更高层，另一方面改变了附近的流场特征使得沙粒吹扬起来。

5 结论

在流动沙丘上设置麦草方格沙障，次年种植沙棘，在采取人工治理措施后的第3年对沙丘的风沙流结构观测分析发现：受人工治理措施的影响，虽然沙丘总输沙率随风速的增大而增大，但在风速较低的时候(6~11 m·s^-1)总输沙率随风速的增加震荡上升，这种变化形式无法用简单的直线方程、对数函数、幂函数或指数函数拟合；在0~2 cm高度范围内，输沙率受人工治理措施影响显著，随着风速的增加未呈现出明显规律，在2~60 cm的29个高度层内，输沙率随风速的增加总体呈现出变大的趋势，但是简单的曲线拟合仍无法反映其变化规律；人工治理沙丘上输沙率随高度的变化关系用指数递减形式表示最佳，但是风速为9.80~11.24 m·s^-1时，输沙率随高度增加出现2个峰值，这与人工治理措施的影响有关。

当2 m高处的风速相近时，人工治理沙丘输沙总量小于流动沙丘的输沙总量，2种沙丘输沙率随高度的变化均符合指数函数形式；总输沙率相近时，流动沙丘的风速大于采取人工治理沙丘的风速，虽然2种沙丘输沙率随高度的变化都符合指数函数形式，但是2种沙丘风沙流结构还是存在差异，在10 cm高度内，流动沙丘的输沙率大于人工固定沙丘，而在10~60 cm内，人工固定沙丘的各层输沙率大于流动沙丘，初步分析认为这种现象的产生是由于人工治理沙丘的低层沙粒撞击到地表后弹起进入到更高的高度层以及人工治理措施改变了其附近的流场特征使得沙粒上扬进入到更高的高度层造成的。可见，麦草方格沙障并配合种植沙棘的治沙方式取得了良好的固沙效果，而且其应用成本较低，符合当地实际情况，对当地防沙治沙工程的开展起到了一定的示范作用，值得推广。