本文關(guān)鍵詞：民勤荒漠綠洲過渡帶白刺灌叢沙堆表面風(fēng)沙輸運(yùn)特征與沙堆形成發(fā)育的關(guān)系研究　出處：《蘭州大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：荒漠-綠洲過渡帶中廣泛分布的灌木群落,是綠洲重要的天然保護(hù)屏障,在防風(fēng)固沙,改善環(huán)境等方面發(fā)揮著重要的作用。隨氣流傳輸?shù)娘L(fēng)沙沉積物受到植物叢影響而在其周圍產(chǎn)生沉降、堆積形成的、不隨風(fēng)沙流遷移的灌叢沙堆,是干旱、半干旱沙漠和沙地常見的風(fēng)積生物地貌類型,對荒漠-綠洲過渡帶的穩(wěn)定及其生態(tài)效能的發(fā)揮均有重要的意義。自20世紀(jì)80年代以來,隨著風(fēng)沙地貌和沙漠化過程研究的不斷深入,灌叢沙堆的研究在國內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注,并針對世界各地不同類型的灌叢沙堆開展了大量的工作。研究內(nèi)容涉及灌叢沙堆的形態(tài)、沉積物、生態(tài)學(xué)和動(dòng)力演化等多個(gè)方面。然而針對其形成發(fā)育過程中所涉及到的灌叢沙堆表面風(fēng)沙流輸運(yùn)規(guī)律與灌叢沙堆形態(tài)特征變化之間相互關(guān)系及響應(yīng)過程的研究很少。白刺是荒漠及沙化土地分布區(qū)典型建群植物之一,在其形成固定、半固定白刺灌叢沙堆的過程中可以攔蓄和固定大量流沙,是干旱、半干旱荒漠-綠洲過渡帶最長見的灌叢沙堆之一。本研究以分布在石羊河流域下游,甘肅省民勤縣境內(nèi)荒漠-綠洲過渡帶的白刺灌叢沙堆為研究對象,采用野外觀測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對白刺灌叢沙堆表面風(fēng)沙流輸運(yùn)規(guī)律與灌叢沙堆形態(tài)特征變化之間相互關(guān)系及響應(yīng)過程進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,自白刺灌叢植株在地面定居開始,由于灌叢沙堆自身形態(tài)結(jié)構(gòu)的不斷變化而導(dǎo)致的其內(nèi)部及下風(fēng)向區(qū)域內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向、沙塵水平通量及其傳輸路徑等要素的改變,造成其表面具有階段性特征的風(fēng)蝕、積沙規(guī)律,主導(dǎo)著白刺灌叢沙堆形態(tài)特征的發(fā)展趨勢,并形成了其內(nèi)部規(guī)律性的沉積結(jié)構(gòu)。具體表現(xiàn)為:(1)以形態(tài)特征為依據(jù)可以將研究區(qū)內(nèi)白刺灌叢沙堆的發(fā)育過程區(qū)分為形成初期、過渡階段及穩(wěn)定階段三個(gè)發(fā)展階段。在其形成發(fā)育過程中,長軸、短軸、高度、迎風(fēng)坡長度以及背風(fēng)坡長度相互之間均具有良好的相關(guān)性。白刺灌叢沙堆的體積增長是長軸、短軸和高度協(xié)同增長的結(jié)果,三者都是決定白刺灌叢沙堆體積增長的必要因子。長軸、短軸的同步增長是保證白刺灌叢沙堆在形成和發(fā)育過程中沙堆底面投影能夠始終保持橢圓或者類橢圓形的前提之一,而迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡長度的非等量增長是白刺灌叢沙堆側(cè)向投影形態(tài)由沙堆形成初期的拋物線形向穩(wěn)定階段的拱形的轉(zhuǎn)換的主要原因。(2)處于穩(wěn)定階段的白刺灌叢沙堆內(nèi)部沉積結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:從下往上沉積層層理逐漸清晰,灌叢沙堆內(nèi)部整體顆粒粒度小,各層次之間粒徑分布參數(shù)等級之間差異不大。內(nèi)部沉積物主要是由粒徑介于63um-500um的極細(xì)沙、細(xì)沙以及中沙組成。在不同位置處沙粒粒徑大小不同,從沙堆迎風(fēng)坡中部到背風(fēng)坡中沙粒平均粒徑逐漸減小,分別為195.0um(迎風(fēng)坡中部)、172.7um(沙堆中部)和149.9um(背風(fēng)坡中部)。(3)在西北風(fēng)影響下,三個(gè)處于不同發(fā)育階段的白刺灌叢沙堆軸線風(fēng)速變化趨勢基本一致,從沙堆迎風(fēng)坡坡腳至背風(fēng)坡中上部風(fēng)速逐漸降低,在背風(fēng)坡中上部達(dá)到風(fēng)速最小值后開始逐漸增大。背風(fēng)坡中上部橫向風(fēng)速存在差異,表現(xiàn)為:形成初期從左到右背風(fēng)坡中上部橫向風(fēng)速先減小后增大;過渡階段的風(fēng)速變化過程包含了兩個(gè)風(fēng)速減小增加的變化過程以及兩個(gè)最小風(fēng)速值;穩(wěn)定階段風(fēng)速變化過程又恢復(fù)至先減小后增大。而在東風(fēng)所形成的沙塵天氣過程中,處于形成初期的白刺灌叢沙堆軸線風(fēng)速表現(xiàn)為從沙堆背風(fēng)坡坡腳至背風(fēng)坡中部風(fēng)速緩慢增強(qiáng),與前者相比,處于過渡階段的白刺灌叢沙堆軸線風(fēng)速在背風(fēng)坡的變化要小。(4)白刺灌叢沙堆軸線沙塵水平通量整體表現(xiàn)為從沙堆迎風(fēng)坡坡腳至背風(fēng)坡中上部逐漸降低,在背風(fēng)坡中上部達(dá)到最小值后開始逐漸增大,至背風(fēng)坡坡腳時(shí)均接近迎風(fēng)坡坡腳處的測量值,但不同發(fā)育階段的灌叢沙堆對其軸線沙塵水平通量的影響程度(消減程度)是不同的。形態(tài)結(jié)構(gòu)不斷變化的灌叢沙堆將原本在橫向上分布較為均勻的風(fēng)沙流堆隔開,變?yōu)閺墓鄥采扯褍蓚?cè)向下風(fēng)向區(qū)域輸運(yùn),并改變白刺灌叢沙堆背風(fēng)坡中上部沉積物的傳輸路徑。(5)在西北風(fēng)的影響下,處于形成初期的白刺灌叢沙堆表面以積沙為主,過渡階段的白刺灌叢沙堆表面同樣以積沙為主,與前者的差異在于各個(gè)位置處風(fēng)沙沉積物的沉積沙厚度不同,處于穩(wěn)定階段的白刺灌叢表面雖然仍然以積沙為主,但灌叢沙堆各位置處平均積沙厚度及最大積沙厚度均明顯小于灌叢沙堆形成初期和過渡階段,且最大積沙厚度所在位置后移,并在局部有少量風(fēng)蝕發(fā)生。而在東風(fēng)所形成的沙塵天氣過程中,三個(gè)沙堆迎風(fēng)坡及背風(fēng)坡呈現(xiàn)出完全不同的風(fēng)蝕、積沙規(guī)律,具體表現(xiàn)為在沙堆迎風(fēng)坡均出現(xiàn)風(fēng)沙沉積物的堆積,而在沙堆背風(fēng)坡表面以風(fēng)蝕為主。(6)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,在形成初期,白刺灌叢沙堆背風(fēng)坡以透過植被孔隙的孔隙流為主,橫向剖面內(nèi)有兩個(gè)尺度不大、基本對稱的渦流生成,縱向切面內(nèi)沒有明顯的渦生成;在過渡階段,灌叢沙堆背風(fēng)坡以經(jīng)白刺灌叢沙堆兩側(cè)通過后在灌叢沙堆背風(fēng)坡匯合而形成的二次流為主,低風(fēng)速區(qū)明顯擴(kuò)大,橫向及縱向剖面內(nèi)均有渦生成,位置離白刺灌叢沙堆更近;而在穩(wěn)定階段,背風(fēng)坡以經(jīng)白刺灌叢沙堆兩側(cè)通過后在灌叢沙堆背風(fēng)坡匯合而形成的二次流為主,橫向剖面內(nèi)沒有渦生成,低風(fēng)速區(qū)相對分布面積較前兩個(gè)發(fā)育階段明顯減小,而縱向剖面內(nèi)風(fēng)場結(jié)構(gòu)與過渡階段相似。均勻風(fēng)場氣流會(huì)因?yàn)槭艿桨状坦鄥采扯训挠绊懚谏扯褌?cè)向一定范圍內(nèi)加速形成加速區(qū)。加速區(qū)風(fēng)速與原均勻流場風(fēng)速之間的差值及其隨距離的變化趨勢與剖面短軸長度密切相關(guān),隨剖面短軸長度增加而增大。在白刺灌叢沙堆形成發(fā)育過程中,其表面分布的白刺植株在固定迎風(fēng)坡已有風(fēng)沙沉積物的同時(shí),還能夠促使來自上風(fēng)向區(qū)域的風(fēng)沙沉積物能不斷在迎風(fēng)坡表面沉積,對背風(fēng)坡及其影響區(qū)域內(nèi)而言,主要體現(xiàn)在消除沙堆頂部的強(qiáng)風(fēng)侵蝕區(qū)和增強(qiáng)背風(fēng)坡渦流強(qiáng)度、渦流影響范圍方面。(7)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,自形成初期至穩(wěn)定階段,白刺灌叢沙堆橫向剖面影響區(qū)域內(nèi)氣流的湍流動(dòng)能經(jīng)歷了一個(gè)由弱變強(qiáng),然后減弱的變化過程。在形成初期及過渡階段,在剖面下風(fēng)向區(qū)域內(nèi)存在兩個(gè)基本對稱的橢圓形強(qiáng)湍流動(dòng)能強(qiáng)度分布區(qū),而在穩(wěn)定階段,其影響區(qū)域內(nèi)氣流的湍流動(dòng)能強(qiáng)度明顯小于前兩個(gè)階段,最大湍流動(dòng)能區(qū)位于迎風(fēng)面植被覆蓋層兩側(cè)。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q948;P931.3

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本文編號：1329246