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  中国水土保持科学   2024, Vol. 22 Issue (2): 99-106.  DOI: 10.16843/j.sswc.2023013
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张国军, 沈子雅, 魏小燕, 任正龑, 徐志友, 马文涛, 程金花, 王霄. 盐池地区不同下垫面输沙率特征[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(2): 99-106. DOI: 10.16843/j.sswc.2023013.
ZHANG Guojun, SHEN Ziya, WEI Xiaoyan, REN Zhengyan, XU Zhiyou, MA Wentao, CHENG Jinhua, WANG Xiao. Characteristics of sediment discharge in different underlying surface in the Yanchi area[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(2): 99-106. DOI: 10.16843/j.sswc.2023013.

项目名称

企事业单位委托科技项目“宁夏水土流失潜在危险性评价研究”(SBZZ-J-2020-09)

第一作者简介

张国军(1968—)，男，正高级工程师。主要研究方向：水利工程，水土保持。E-mail：13709500138@163.com

通信作者简介

沈子雅(1998—)，女，博士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail: ziyashen2016@163.com

文章历史

收稿日期：2023-02-07
修回日期：2024-01-17
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
盐池地区不同下垫面输沙率特征
张国军 1, 沈子雅 2, 魏小燕 1, 任正龑 1, 徐志友 1, 马文涛 1, 程金花 2, 王霄 1     
1. 宁夏水土保持监测总站，750021，银川;
2. 北京林业大学水土保持学院，100083，北京
收稿日期：2023-02-07; 修回日期：2024-01-17
项目名称：企事业单位委托科技项目“宁夏水土流失潜在危险性评价研究”(SBZZ-J-2020-09)
第一作者简介：张国军(1968—)，男，正高级工程师。主要研究方向：水利工程，水土保持。E-mail：13709500138@163.com
通信作者简介：沈子雅(1998—)，女，博士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail: ziyashen2016@163.com
摘要：为探究宁夏盐池地区输沙率年内与年际变化特征以及风速与输沙率关系，测量刘窑头风蚀实验站2010—2019年5种下垫面风蚀样地(流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、灌木林地和荒草地)的输沙率(Q)及风速(V)，计算集中度(RCD)和集中期(RCP)、年际变差系数(Sv)与年际极值比(Sw)，并将输沙率与风速进行函数拟合。结果表明：1)下垫面影响Q的大小及均匀性，灌木林地平均输沙率最小，年内输沙率集中程度最高，RCP集中在5、6月。10 a间固定沙丘年内最大输沙率出现的时间日期前移，荒草地年最大输沙率出现的日期逐渐后移。2)Sv和Sw均表明流动沙丘输沙率年际变异程度高于灌木林地。3)指数函数能更好地反映半固定沙丘(R2=0.843)输沙率响应风速特征，其他下垫面为幂函数最佳。4)一元三次函数较好表达各年平均输沙率与风速关系，拟合公式为：Q=65.42-93.36V+42.55V2-6.00V3 (R2=0.800)。存在2个风速临界值(1.74和2.99 m/s)，改变输沙率对风速的响应。结果可用于盐池地区风沙治理措施建设实践中，可为盐池地区的风蚀综合治理提供科学依据与技术支撑。
关键词：输沙率    年内变化    年际变化    宁夏盐池地区    
Characteristics of sediment discharge in different underlying surface in the Yanchi area
ZHANG Guojun 1, SHEN Ziya 2, WEI Xiaoyan 1, REN Zhengyan 1, XU Zhiyou 1, MA Wentao 1, CHENG Jinhua 2, WANG Xiao 1     
1. Ningxia Soil and Water Conservation Monitoring Station, 750021, Yinchuan, China;
2. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China
Abstract: [Background] The ecological environment of the Yanchi area is fragile, and sand erosion will affect the ecological environment and sustainable development of the region. Changes in wind erosion environments can be detected through a quantitative analysis of the dynamic wind erosion processes. Characteristics of changes in sediment discharge over long time scales affect to varying degrees the planning and implementation of sand management measures in arid regions. Quantitative analyses of sediment discharge and wind speeds on different underlying surfaces in the study area are of reference value for the deployment of wind and sand control projects on different underlying surfaces in the study area. [Methods] The wind speeds and monthly and annual weights of sand accumulation were measured at the Liuyaotou wind erosion experimental station, and the sediment discharge was calculated using the sediment discharge equation. The data was from five types of wind erosion samples (moving dune, semi-fixed dune, fixed dune, shrub-land and barren grassland) at the Liuyaotou wind erosion experimental station from 2010 to 2019. Immediately, sediment discharge concentration (RCD), sediment discharge concentration period (RCP), sediment discharge inter-annual variation coefficient (Sv), and sediment discharge inter-annual extremum ratio (Sw) were calculated. We also fitted the sediment discharge and wind speed by regression analysis to explore the response of sediment discharge to wind speed variation. [Results] 1) The underlying surface affected the magnitude and the uniformity of the sediment discharge, and there were some differences in the concentration and concentration period values of sediment discharge on five kinds of different underlying surfaces. The smallest average value of content and concentration was in shrub-land, indicating that the stable intra-annual variation occurred in the shrub-land. And the corresponding months of the concentration period were in May and June in shrub-land. The maximum annual sediment discharge in fixed dunes shifted forward over the course of the 10-year period. While the annual maximum sediment discharge in barren grassland shifted back in time. 2) Both the research on the inter-annual variation coefficient and the inter-annual extremum ratio indicated a higher degree of inter-annual variability of sediment discharge from the moving dune than from the shrub-land in the study area. The instability of the inter-annual variation coefficient from the moving dune was extremely high, and it was small from shrub-land. 3) The exponential function better reflected the relationship between sediment discharge and wind speed for the semi-fixed dune, for which the R2 was 0.843, while the best fit of sediment discharge and wind speed for the other underlying surfaces was the power function. 4) A cubic function was a good expression of the relationship between the average sediment discharge in each year and the wind speed in each year. The fitting formula was: Q=65.42-93.36V+42.55V2-6.00V3 (R2=0.800). There were two wind speed thresholds (1.74 and 2.99 m/s) that caused the response of the sand transport rate to wind speed to change. [Conclusions] There is an effect of underlying surface type on the variation coefficient and extremum ratio of sediment discharge. Meanwhile, there are critical values where the sediment discharged in response to wind speed. The results of this study could be used in the construction of wind and sand measures in the Yanchi region, providing a scientific basis and technical support for the comprehensive management of the Yanchi wind erosion region.
Keywords: sediment discharge    inter-annual variation    intra-annual variation    Yanchi area of Ningxia    

土壤风蚀是干旱、半干旱地区土地退化和土地荒漠化最重要最直接的作用[1]，并受风况、植被盖度、植被类型、地表物质组成等因素的共同影响[2]。盐池地区地处干旱荒漠区向半干旱草原过渡区，生态环境脆弱，是土壤风蚀问题严重的地区之一。风沙侵蚀不仅会影响盐池地区的生态环境和可持续发展，对人民的生活也会造成影响。因此对盐池地区开展风沙运输的研究，是进行风沙治理的前提。近年来学者对土壤风蚀动态变化进行研究，大多是通过分析沙粒粒度[3]、风沙流结构[4]、风沙运动规律[5]等，而输沙率也是评估土壤风蚀和土地荒漠化的重要参数。对输沙率动态变化特征仅限于短时间内的定量分析[6]，对长时间序列的输沙率变化特征的研究较为少见。输沙率长时间尺度下的变化特征在不同程度上影响着干旱地区风沙治理措施的规划与实施。前人研究长时间序列数据的年内年际变化，常用集中度与集中期计算、变差系数[7]、极值比[8]等方法表达水沙年内年际变化特征。借鉴水沙悬移质年内年际变化的研究方法，可通过上述方法对风蚀输沙率年内年际变化进行研究。探究风蚀输沙率年内变化与年际变化特征对于开展防风固沙工程与措施等方面有重要意义。

风蚀过程是个十分复杂的物理过程，除了对输沙率动态变化特征的研究，国内外也通过实际测量[9]或风洞试验[10]对输沙率和风速相关关系进行大量理论和试验研究。包岩峰等[11]认为毛乌素沙地输沙率随风速的变化分别呈幂函数或指数函数关系。毛东雷等[12]通过分析新疆策勒县3个不同下垫面近地表风沙流结构差异，认为输沙率或输沙通量与高度为指数函数或对数函数关系。研究区沙地处于毛乌素沙地和黄土丘陵的过渡地带，以沙地貌特征为主，存在不同下垫面类型。定量计算某一地区的输沙率和风速关系对于研究当地的环境生态及其变化状况非常重要，对研究区不同下垫面输沙率与风速进行定量分析，对防风固沙工程的布设有参考价值。

目前对盐池地区长时间输沙率变化特征的研究较少，且不同下垫面输沙率对风速的响应有所不同。笔者运用宁夏盐池县刘窑头风蚀实验站2010—2019年风蚀样地数据，计算研究区输沙率的集中度(RCD)和集中期(RCP)、输沙率年际变差系数(Sv)与年际极值比(Sw)，分析宁夏盐池县输沙率年内年际变化特征，同时探究输沙率与风速的函数关系，分析对输沙率变化的影响因素。

1 研究区概况

盐池县位于宁夏回族自治区东部，为县级行政区—国家级重点防治区，属温带大陆性季风气候。多年平均年降水量294.6 mm，且分布不均，年蒸发量2 179.8 mm，是降水量的7.9倍。年均风速2.8 m/s，风蚀主风向为西北风，年大风时间达30 d以上，大风天气多集中于春季。区域地形多为缓坡丘陵滩地和固定、半固定沙丘，间有流动沙丘分布，土壤以风沙土、灰钙土为主，土壤肥力较低，结构松散，易风蚀形成荒漠。植被类型是从干草原向荒漠的过渡地带，其中灌丛、草原、沙地植被数量较大，分布较广。沙场以沙生荒漠植物为主，植物群落单一、草层低矮，植被稀疏、间有部分人工灌木林，以沙柳(Salix cheilophila)为主。

2 数据与方法 2.1 数据来源

收集盐池县刘窑头风蚀实验站2010—2019年月度及年度风蚀样地数据，包括逐月、逐年的风速、风向、风蚀厚度、输沙率等。盐池县刘窑头风蚀实验站地理位置为E 107°13′02″、N 37°39′55″，实验站布设有5个水土流失风蚀观测样地，按照不同下垫面分为流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、灌木林地、荒草地。实验样地内的植被主要为沙柳和沙蒿(Artemisis desertoram)，其中流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、灌木林地、荒草地的平均植被盖度分别为5.5%、44.1%、55.1%、77.0%和41.1%。观测样地大小统一为25 m×25 m。每个观测样地配置有全方位积沙仪1套，每次观测后对收集的沙粒进行称量、清空并计算，每月采集1次，得出观测样地总输沙率。研究区2010—2019年年均风速分别为3.59、2.17、1.89、1.98、1.85、2.03、2.02、1.69、1.51和1.45 m/s。

2.2 研究方法 2.2.1 输沙率计算

输沙率根据刘旭阳等[13]使用的输沙密度计算公式进行计算。

2.2.2 输沙率年内变化特征

Zhang等[14]首次提出降雨RCD和RCP，利用向量原理计算降水变化特征，成为评价降水非均匀性的指标。笔者借鉴长时间序列年内变化分析方法，为有效判断输沙率年内变化特征，使用输沙率RCD和RCP。RCD反映输沙率在年内的集中程度，RCP反映一年中最大输沙率出现的时间，具体计算式见文献[14]。RCD越大表示输沙率分配越分散，越小越集中；RCP为一年中最大输沙率出现的时间，表 1为各月包含和代表角度值。

表 1 集中期RCP各月包含和代表角度值 Tab. 1 Monthly including and representing angles in concentration period RCP 
2.2.3 输沙率年际变差系数(Sv)与年际极值比(Sw)

年际变差系数是反映水文气象年际变化特征的重要参数，常用来描述各种水文变量的离散程度[15]。为准确研究输沙率年际变化特征，借鉴径流年际变化参数，引入输沙率年际变差系数(Sv)与输沙率年际极值比(Sw)[16]。Sv值越大，表示输沙率序列的年际变化越大；Sv值越小，表示其年际变化越平缓。

3 结果与分析 3.1 各年输沙率特征

输沙率表征近地表气流在单位时间内通过单位宽度或单位面积内输送的沙粒质量，是显示一定边界条件下风沙流强度的具体指标。通过对实验站全方位积沙仪沙粒的收集称量与计算，得出2010—2019年不同下垫面年均输沙率(图 1)。流动沙丘的输沙率明显大于其他下垫面各年输沙率，在10 a间起伏较大，除2014和2017年，其他年份输沙率皆>1 g/(m2 ·min)。其他下垫面输沙率无较大区别且无明显突变，在2011年下降后，保持稳定，在2015年以后开始小幅度波动，其输沙率皆在＜1 g/(m2 ·min)。其中灌木林地的平均输沙率在所有下垫面平均输沙率中最低，说明灌木林地具有较好的防风固沙功能，这可为盐池地区的风沙治理提供参考。

图 1 刘窑头风蚀实验站2010—2019年各年份年均输沙率 Fig. 1 Average annual sediment discharge at Liuyaotou wind erosion experimental station during 2010-2019
3.2 输沙率年内变化特征

采用输沙率RCD与RCP表示输沙率年内变化特征。刘窑头风蚀实验站2010—2019年间的输沙率RCD与RCP计算结果如表 2所示。下垫面对输沙率RCD有一定影响，从输沙率RCD的大小关系可以看出荒草地的分散程度最高，RCD均值为58.43%；流动沙丘分散程度第2高，RCD均值为40.02%；而灌木林地的输沙率最集中，RCD均值为28.97%。通过样地覆盖度与输沙率集中程度的比较可看出，在沙地中布置植被措施使输沙率在年内的越集中。根据RCP计算角度值对应的月份，发现固定沙丘和灌木林地最大输沙率主要出现在5、6月，半固定沙丘最大输沙率主要出现在4、5月，流动沙丘最大输沙率主要出现在3、4月，荒草地最大输沙率主要出现在2、3月。

表 2 刘窑头风蚀实验站2010—2019年输沙率集中度(RCD)和集中期(RCP) Tab. 2 Concentration (RCD) and concentration period (RCP) of sediment discharge at Liuyaotou wind erosion experimental station during 2010-2019

RCD与RCP在10 a中也表现出一定的变化规律。10 a中流动沙丘、固定沙丘、灌木林地的RCD呈先下降后上升趋势，而半固定沙丘RCD整体呈下降趋势，其输沙率年内变化更为集中。每个下垫面类型的RCP有一定差异。固定沙丘虽然RCP主要在5、6月之间交替出现，但其RCP对应的角度呈减小趋势，说明年内最大输沙率出现的时间前移；半固定沙丘RCP为58.1°~131.4°，流动沙丘的RCP为52.4°~101.6°。灌木林地输沙率RCP近10 a无较大变化，其角度均＜80°；荒草地输沙率RCP明显较低，呈上升趋势，反映荒草地年最大输沙率出现的日期逐渐后移。

3.3 输沙率年际变化特征

利用2010—2019年刘窑头风蚀实验站输沙量等资料统计年输沙率，并由统计结果计算得出不同下垫面下输沙率年际变差系数和输沙率年际极值比(表 3)。可知，不同下垫面的年输沙率的变差系数分布在0.903 1~2.033 5之间，其中流动沙丘的年际变差系数最大，灌木林地的变差系数最小。这说明流动沙丘的年际输沙率不稳定性极大，灌木林地的年际输沙率的稳定性较高，稳定性的大小顺序为灌木林地>荒草地>半固定沙丘>固定沙丘>流动沙丘。半固定沙丘与固定沙丘变差系数值相近，灌木林地与荒草地的变差系数值也相近且较小。

表 3 刘窑头风蚀实验站2010—2019年多年平均输沙率、输沙率年际变差系数(Sv)及输沙率年际极值比(Sw) Tab. 3 Multi-year average sediment discharge, inter-annual variation coefficient (Sv) and inter-annual extremum ratio (Sw) at Liuyaotou wind erosion experimental station during 2010-2019

而站点不同下垫面的输沙率年际极值比值介于12.943 9~117.286 0之间。年际极值比的大小规律与年际变差系数有一些差异，输沙率年际极值比的大小规律为流动沙丘>荒草地>半固定沙丘>固定沙丘>灌木林地。其中流动沙丘的年际极值比极大，为117.286 0，这表明流动沙丘10 a间输沙率的年际变化最大。年际极值比最小的为灌木林地，为12.943 9。输沙率变差系数值与输沙率年际极值比均表明2010—2019年宁夏盐池地区的流动沙丘输沙率年际变异程度高于灌木林地。

3.4 总输沙率与风速变化关系

输沙率是显示一定边界条件下风沙流强度的具体指标，而风速是影响风沙流运动的重要因素之一。根据前人[11-12]对输沙率与风速关系的研究结果，将5类下垫面类型的总输沙率Q与测得年平均风速V进行函数拟合，拟合的方程见表 4。当P＜0.05时，此类函数有统计学意义。流动沙丘的总输沙率与风速的关系拟合效果最佳的是幂函数(R2=0.975)，指数函数与线性函数的拟合效果相近。半固定沙丘拟合效果最佳的为指数函数(R2=0.843)，幂函数与线性函数拟合效果相近，而对数函数拟合P>0.05，无统计学意义。固定沙丘拟合效果最佳的为幂函数(R2=0.867)，指数函数次之(R2=0.835)，对数函数拟合无统计学意义。灌木林地输沙率与风速幂函数拟合有最优效果(R2=0.851)，对数函数拟合效果次之(R2=0.833)。荒草地输沙率与风速函数拟合效果并不佳，拟合优度R2皆＜0.800，最优拟合函数为幂函数，线性函数拟合优于指数函数拟合，其对数函数拟合没有统计学意义。对各年平均输沙率与各年风速进行拟合，发现一元三次函数拟合效果最佳，拟合公式为：Q=65.42-93.36V+42.55V2-6.00V3(R2=0.800)。由此可看出，存在2个风速临界值，使输沙率对风速的响应发生改变。当风速＜1.74 m/s或＞2.99 m/s时，输沙率随风速的增加而减小；其他情况输沙率随风速的增大而增大。

表 4 刘窑头风蚀实验站总输沙率Q与风速V的函数拟合结果 Tab. 4 Fitting formulas for total sediment discharge Q to wind speed V at Liuyaotou wind erosion experimental station
4 讨论 4.1 输沙率年内变化影响因素

通过计算刘窑头风蚀实验站2010—2019年5个下垫面类型的输沙率RCD与RCP来分析盐池地区输沙率的年内分配及集中程度，结果显示下垫面类型和年内气候变化是研究区输沙率年内变化的主要因素。下垫面影响区域输沙率的分配。在本研究中，下垫面植被覆盖率越高，年内输沙率更为集中，其原因是植被地上部分增加地表粗糙度，起到一定阻沙作用[17]，输沙量越小。笔者发现半固定沙丘输沙率年内变化近10 a逐渐集中，这可能是因为在站点半固定沙丘内植被逐年生长，植被的演化趋势使得植被覆盖变高。荒草地RCD高于流动沙丘可能是站点荒草地样地在10 a间土地利用方式的改变，致使数据不稳定，这是本研究的一个缺陷之处。植被覆盖削弱风速，输沙量进一步减少[18]，使大风天气植被覆盖度高的输沙率较小。宁夏盐池地区在春季风速最大，大风天气较为集中，此时流动沙丘和荒草地RCP主要出现在春季，秋季无出现输沙率集中现象。而随着植被覆盖增大，输沙率年内RCP对应时间后移，这与杨远东等[19]的结论相同。根据输沙率均匀性及RCP时间，能对研究区风沙活动进行预测，提前布置好预防措施起到更好防护效果。

4.2 输沙率年际变化

通过分析年均输沙率变化特征，流动沙丘在10 a间起伏较大。这是因为样地的植被起到良好的固沙作用。其中流动沙丘年际输沙率稳定性最差，而灌木林地输沙率年际变化最小。这是由于流动沙丘逐年输沙率受外部因素影响较大，致使Sv最大。而Sw也表现出流动沙丘输沙率年变化幅度大于灌木林地输沙率的年变化幅度。这主要是因为沙丘在受到风蚀过程中，沙粒裸露程度更高，受到季节[20]、人类活动等[15]众多因素的影响更大。灌木林地通过上部分枝叶对风沙的阻拦以及植被根部对土壤结构的加强，样地输沙量较少，但对风速的敏感性并不高，使年际输沙率变化程度平缓。输沙率的分配及变异性研究受多种因素的综合影响，需要在后续研究中进一步探讨输沙率时空分布规律的其他原因。

4.3 输沙率对风速的响应

研究表明输沙率受到风速[21]和下垫面影响，刘旭阳等[13]认为输沙率与摩阻风速之间满足传统的低阶多项式的关系。而笔者采用对不同下垫面的各年输沙率和风速经过4种函数模型进行拟合，能为盐池地区风蚀的综合治理提供理论依据和参考。结果发现流动沙丘、固定沙丘、灌木林地、荒草地拟合效果最佳的为幂函数，指数函数能更好地反映半固定沙丘输沙率与风速之间的关系，因为下垫面的类型不同，输沙率与风速的关系函数不同。同时对总输沙率和风速进行拟合，发现一元三次函数拟合效果最佳[22]，得出的研究区使输沙率的响应发生改变的风速临界值，对风沙预防起到一定的参考作用。但笔者未考虑率输沙率对植被覆盖率变化的响应，需要再后续进一步研究。

5 结论

1) 下垫面类型对输沙率RCD和RCP存在影响。灌木林地年内输沙率RCD最小，流动沙丘及荒草地的年内输沙率更为分散。高植被覆盖率的下垫面，年内输沙率更为集中。由于10 a间样地植被的演化趋势，固定沙丘年内最大输沙率出现的时间日期前移，而荒草地逐渐后移。

2) Sv与Sw均表明盐池地区的流动沙丘输沙率年际变异程度高于灌木林地，流动沙丘沙面裸露，更易受到其他外部因素影响使输沙率发生变化。

3) 指数函数能更好地反映半固定沙丘输沙率与风速之间的关系，其余下垫面拟合效果最佳的为幂函数。总输沙率与风速为一元三次函数关系，存在2个风速临界值使研究区输沙率对风速的响应发生改变。

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