民勤荒漠绿洲过渡带白刺灌丛沙堆表面风沙流特征与沙堆形成演变的关系研究

Nitraria tangutorum Nebkhas is the typical representative of Nebkhas in arid desert area. In this research, we take the Nitraria tangutorum Nebkhas that distributed in the middle and lower reaches of Shiyang River Basin, Gansu Province in Minqin County as research object, through field observation, wind tunnel test and numerical simulation, base on the result of field observations and wind tunnel experimental,combine with the analysis an measurement of vector characteristic of morphology, vegetation characteristic and wind-sand two-phase flow, erosion and deposition on the Nebkhas surface, realize numerical simulation of wind-sand two-phase flow of the Nebkhas surface, analysis the surface aerodynamic characteristics, reveal the interaction and coherence among vegetation, wind and flow,elucidate the effect of wind-sand movement on the shaping of Nitraria tangutorum Nebkhas under the influence of vegetation,and there response to the variation of morphology of Nebkhas. The research results will provide theory basis for the prediction of Nebkhas evolution tendency of desert-oasis transitional zone and guide them developed to the more conducive of Oasis, provide technical support for seeking the best method which can control maximum moving sand with lowest water consumption and the anti-desertification project settings and parameters selection in sand-blow affected areas.

白刺灌丛沙堆是干旱荒漠区灌丛沙堆的典型代表，也是绿洲一个重要的天然保护屏障。本项目拟以分布在石羊河流域下游，甘肃省民勤县境内的荒漠-绿洲过渡带的白刺灌丛沙堆为研究对象，采用野外观测、风洞实验和数值模拟相结合的方法，以野外观测和风洞实验结果为依托，通过对白刺灌丛沙堆的形态矢量特征、植被状况及相应的沙堆表面风沙运动及沙物质蚀、积规律的测量和分析，实现不同类型（阶段）白刺灌丛沙堆表面风沙两相流流场的数值模拟，分析白刺灌丛沙堆表面的空气动力学特征，揭示植被、风力和沙物质三者之间的相互影响和耦合关系，阐明植物影响下的沙堆表面风沙运动在沙堆形态塑造过程中的作用以及在沙堆形态发生改变后的响应。项目研究结果将为预测荒漠绿洲过渡带内灌丛沙堆的演化趋势，引导其向更有利于绿洲的方向发展提供理论依据，为寻求以最小的耗水量控制最大量的上风向区域来沙量的方法及风沙危害区防沙治沙工程的设置和工程参数的选择提供技术支撑。

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。本项目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)在其形成发育过程中沙堆体积增长是长轴、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。(2)处于稳定阶段的白刺灌丛沙堆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，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)当风向在西北风或东风之间变化时，沙堆表面轴线风速明显不同，且随着沙堆结构的变化发生改变。(4)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，白刺灌丛沙堆表面大部以积沙为主，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。(6)数值计算结果表明，均匀风场会在白刺灌丛沙堆的影响下形成不同的加速/减速区及气流轨迹，进而形成其表面规律性的沙尘水平通量分布趋势及蚀积规律，并最终决定着白刺灌丛的形态变化过程。