甘肃省武威市风力侵蚀分区治理规划及措施

[目的]分析甘肃省武威市风力侵蚀空间动态变化特征,确定风力侵蚀可治理区划及其防治对策,为该市风蚀水土保持工作和生态环境建设提供科学参考。[方法]基于多源地理信息数据,应用遥感、地理信息系统(ArcGIS)等技术手段,使用修正土壤风蚀方程(RWEQ)计算武威市2000—2020年5期风蚀模数,获得区域风蚀的面积分布和变化特征。结合重点建设工程分布等空间要素叠加分析方法,提出该市风力侵蚀可治理区域划分原则,并将该原则应用于划分武威市风力侵蚀可治理区。[结果]修正土壤风蚀方程(RWEQ)能较好地估算武威市多年风力侵蚀模数,其多年风力侵蚀模数为5788.98〔t/(km^(2)·a)〕,多年平均土壤风蚀总量1.92×10^(8)t;研究区风力侵蚀在时间上呈现总体下降,偶有上升趋势,且风力侵蚀强度等级明显减弱;在空间上具有明显的空间异质性,主要分布在民勤县、凉州区、古浪县;依据多要素叠加风蚀分区治理方案,武威市可治理风力侵蚀面积共2872.66km^(2),其中民勤县1468.48km^(2),凉州区708.75km^(2),古浪县695.43km^(2)。[结论]风力侵蚀分区治理是武威市风蚀水土保持的重点工作,根据风蚀分区治理划分结果,针对不同行政区划,民勤县北部坡度较低的平坦戈壁沙漠地区是其重点关注区域,治理措施应以风沙防治和植被恢复为主,并需要注意控制人为工程建设扰动的影响,明确区域管理范围;凉州区应注意采取工程措施和生物措施结合的方式进行治理;古浪县应以封育措施和对天然植被进行保护为主。同时,在戈壁沙漠地区需特别注意大型光伏电站建设等施工扰动的风沙防治和生态恢复。

不同排列形式堆积体风蚀率测算

使用数值模拟方法获得单一、列状和片状分布3种排列形式圆锥状堆积体的表面流场,结合美国环境保护署(EPA)的风蚀测算公式,计算了不同风速条件下堆积体相对于平面风蚀源的风蚀率调整系数。结果表明,堆积体的尺寸、排列形式对风蚀影响显著。单位面积上,高度6m的单一堆积体比高度为1.83m,与风向垂直的列状堆积体风蚀率大10%。单一堆积体表面存在明显的加速区,有6%的面积25cm高度表面风速大于10m高度的来流风速,导致风蚀加剧,计算的4种风速条件下风蚀率是相同占地面积水平风蚀面的2.47～4.75倍;列状分布的风蚀率与风向相关,风向垂直时的风蚀率是平行条件下的1.5～2倍;片状分布的风蚀率为平面风蚀的1.53～2.38倍。在生产工作中,应注意控制堆积体高度,并尽量采取集中放置,可减小风蚀。

1957-2014年翁牛特旗气候要素和沙丘活化指数的变化

[目的]研究位于科尔沁沙地的内蒙古自治区翁牛特旗沙丘活化指数变化,为该区的沙漠化防治提供依据。[方法]根据翁牛特旗1957—2014年的气候资料,分析近60a来该旗影响沙丘活化和沙漠化发展的主要因子特征,计算多年沙丘活化指数的变化。[结果]该旗气候呈现降水减少,气温升高,风速降低的趋势,且1998年以来变化更为剧烈;多年沙丘活化指数M值持续减小,1998年以来相对1997年以前减小了34%,其中春、秋、冬季分别下降了28%,32%和38%,夏季M值上升了7%以上,但绝对值仅为13,影响不显著。[结论]沙丘活化指数的变化表明该区气候有利于沙丘在自然条件下的固定和沙漠化的逆转,但仍然远高于沙丘固定的阈值,满足沙丘完全活化的条件,气候暖干化也将进一步加剧水资源短缺的矛盾,需要人为的沙漠化防治工程的合理干预,才能实现沙区治理的目标。

用隔绝法对极干旱区土壤水分来源的分析

通常认为极干旱区土壤水分来源于降水、大气或凝结水,深埋区不存在潜水蒸发。然而通过使用拱棚法初步证明在极干旱深埋区存在潜水蒸发,而潜水是土壤水分的重要来源。为了进一步求证土壤水分来源,开挖200 cm×200 cm×200 cm的土坑,完全隔绝与下层土壤及四周的水分联系,回填后监测土壤10、30、50、100、150 cm的空气温湿度;同时设置与四周隔绝但底面联通的对照坑。27 d后都模拟25 mm降雨。监测发现模拟降雨前联通土壤的水分含量、空气相对湿度、绝对湿度都明显高于隔绝土壤。1 a后远离降雨时土壤水分的检测发现隔绝土壤水分含量低于联通对照,但因隔绝土壤处于潜水蒸发漫溢的相同气象环境,其湿度不会无限下降。隔绝对比实验反演证明深埋极干旱区存在潜水蒸发。

雅丹地貌形成年代研究方法简评与应用

雅丹地貌形成年代是确定其侵蚀速率和侵蚀量的重要依据,也是深入认识其形成发育过程及其与环境关系的前提。然而作为侵蚀性地貌类型,雅丹地貌的形成年代问题一直困扰着研究人员,成为雅丹地貌研究中的一大瓶颈问题。介绍和分析了已有的雅丹地貌形成年代研究方法,并简要评述其优缺点,然后,将部分方法应用到敦煌雅丹国家地质公园区的雅丹地貌形成年代的研究中,得出该区域雅丹地貌开始形成的年代不晚于10.87kaBP,不早于(39.15±3.88)kaBP,最后对雅丹地貌形成年代学研究需努力的方向做出展望。

我国北方工业弃渣风蚀的风洞实验研究

对副石膏、粉煤灰和硫酸渣3种典型工业弃渣样品的风蚀过程及其特征进行风洞模拟。结果表明,3种工业弃渣风蚀速率与风速之间均服从指数函数,其拟合关系可表达为:Q=a·exp(u/b)+c。在相同风速下,副石膏风蚀速率最大,粉煤灰次之,硫酸渣最小。工业弃渣风蚀过程中释尘量占风蚀物质的比重大。坡度实验表明,在风速为12m/s、坡度≤30°时,副石膏风蚀量随着堆积坡度的增大而增大;粉煤灰和硫酸渣堆积坡度大于临界坡度后,其风蚀量随着坡度增大而减少,粉煤灰的临界坡度为25°,硫酸渣的临界坡度为20°。因此,工业弃渣场选址应避开风口,并且要集中堆放,设置拦挡、护坡,增大弃渣堆积体边坡坡度等措施,以减少工业弃渣风蚀及其释尘量。

村镇建设生态承载力:内涵、对象测算和提升路径

村镇建设与区域主导生态功能、生产-生活-生态(简称“三生”)空间布局和产业结构密不可分,开展村镇建设生态承载力研究与承载对象测算,有助于提高村镇建设生态安全水平和衔接脱贫攻坚成果。该文辨析了区域、聚落、村镇和乡村相关概念,界定了村镇建设生态承载力的内涵和复合生态系统的属性,在划分村镇类型和明确建设要求的基础上,构建了村镇建设复合生态承载力评价方法,进而明确了生态安全约束下村镇建设承载对象测算思路,包括人口数量、主导生态功能和产业规模。最后,初步探析了村镇建设生态承载力提升路径,包括减轻村镇建设的生态压力、提高村镇建设的生态弹性力、增强村镇复合生态系统的承载力。研究结果对重要生态功能区村镇生态承载力提升方案的制定和生态环保扶贫政策的优化具有一定理论与实践意义。

基于主导生态功能保护的美丽宜居村镇生态建设模式研究

“村镇建设生态安全评估与绿色生态建设模式研究”是国家重点研究计划“村镇建设资源环境承载力测算系统开发”项目的课题4,研究内容包括不同区域/类型村镇建设主导生态功能辨识研究,村镇承载力测算体系和评价模型构建,区域生态安全对村镇建设的约束影响,生态安全约束下村镇发展的适宜产业与优化途径,美丽宜居村镇绿色生态建设和可持续发展模式。该研究在全国尺度上探明了生态乡镇和特色小镇的空间分布特征、集聚程度和主导生态功能,辨析了全国综合减灾示范社区时空格局;基于5个重要生态功能区的主导生态功能(水源涵养、生物多样性维护、水土保持、防风固沙和减灾防灾)以及黄山市新明乡、仁怀市茅台镇、重庆市武陵镇、敦煌市月牙泉镇和汶川县威州镇等典型村镇产业特点,通过“以点带面”和“以面束点”研究思路,探究了村镇建设生态安全约束下的产业适宜性评价方法,初步提出了茶产业模式、酒产业模式、特色农业模式、生态旅游模式和防灾减灾模式等针对不同类型美丽宜居村镇的生态建设模式。研究结果可以为巩固脱贫攻坚成果和支撑乡村振兴的环境管理提供决策支撑,对重要生态功能区村镇承载力提升和可持续发展具有一定的实践意义。

黑河中下游防风固沙功能时空变化及影响因子分析

黑河中下游是我国重要的防风固沙生态功能区,分析该区域的防风固沙功能时空变化,明确其主要的影响因子贡献,对于指导荒漠化防治、维护流域生态安全十分重要.该研究基于修正风蚀方程(revised wind erosion equation,RWEQ)、一元线性回归斜率分析、灰色关联分析和GIS技术,分析了2000-2017年黑河中下游防风固沙功能动态变化及其影响因子.结果表明:①2000-2017年,黑河中下游年均防风固沙量为3.2×10^9 t,年均防风固沙功能约为2.44×10^4 t km^2;防风固沙量总体呈增强趋势,年均增加6.67×10^7 t,年均变化率为1.85%.②区域防风固沙功能呈现中游较强,向下游递减的空间分布特征,防风固沙功能较高区约占研究区面积的31.54%,一般区占20.77%,较低区(北部荒漠区)占47.69%;甘肃省张掖市和嘉峪关市防风固沙功能呈增加趋势,回归方程系数(slope)为0~26.29%,占总面积的12.51%;额济纳旗东北部和甘肃省高台县中部防风固沙功能呈下降趋势,回归方程系数为-17.17%~0,占总面积的23.30%.③防风固沙功能主要影响因子中,风力因子最主要,贡献率为30.04%,其次为积雪覆盖、土壤湿度、植被覆盖,贡献率分别为24.57%、24.26%和21.13%.研究显示,防风固沙工程应综合考虑气候变化、植被覆盖、土壤特性及人类活动的复合影响,实行具有空间差异化的方案.

光伏电站建设对陆地生态环境的影响:研究进展与展望

随着全球能源消耗的快速增长,环境将进一步恶化,各国减排的竞争将更加激烈,而利用太阳能作为清洁能源的光伏发电对于实现地球碳中和具有重要战略意义.陆地生态系统中的集中式光伏电站大范围覆盖地球表面,导致土地利用发生变化,对地表能量平衡和降水的再分配产生显著影响,进而改变土壤养分循环和植物生产力,并最终带来明显的生态环境效应.通过回顾近20年来国内外光伏电站生态环境影响研究的相关文献,综述了光伏电站建设对微气候、土壤和动植物等的影响强度和方向,以及对陆地生态系统功能的潜在影响.光伏电站可以通过调节微气候因子中的太阳辐射强度、空气温湿度、风速和风向等,进一步影响植物生产力、土壤抗蚀性和土壤碳固存等多项生态系统功能.尽管已有文献报道中有关光伏电站建设对陆地生态系统的影响并不一致,但总体而言,可以提高植被盖度和植物生产力;特别在荒漠等生态系统中可在一定程度上改善生态环境.目前,尽管有大量研究报道了光伏电站对生态系统可能具有的效应,但实验性论据尚不充分,对生态系统功能影响机制的研究更为少见.在后续的工作中,可进一步关注光伏电站对生态环境影响的区域差异性,以及对生态系统功能潜在的影响途径,结合生态效应为光伏电站建设区域的生态保护与修复提供依据,并针对潜在的生态风险制定相应预案措施.

基于文献记录的敦煌地区历史时期沙尘天气序列重建

采用历史文献和现代观测资料结合的方法,根据河西走廊沙尘传输路径上不同地区沙尘暴发生的强度和概率关系,获取了143条记录、83个年代数据,初步建立了敦煌地区过去两千年的沙尘天气活动强度序列,并与邻近地区的树轮、冰芯等气候代用指标研究结果进行对比,分析了历史时期沙尘天气的时空分布与气候条件变化的关系。结果显示:敦煌地区沙尘天气强烈且频发时期主要在280—351年、1440—1550年、1720—1840年、1900—1952年等4个阶段,与周围地区自然代用证据所反映的沙尘高发时期基本对应,且大致对应于干旱、寒冷时段。在公元2世纪以前、7—14世纪、16—17世纪反映沙尘天气的文献记录较为缺失,但史料文献数据仍有广泛的挖掘空间。为填补这些空白时段的资料,应深入开展现有历史记录的定年工作,并加强国内外合作,进一步挖掘海外流失文献的价值,这将为敦煌和整个西北地区历史时期气候环境的研究提供更充分的数据支撑。

莫高窟顶戈壁偏东风作用下输沙率变化的观测研究

通过一次沙尘暴天气过程对莫高窟顶不同观测点戈壁风沙流结构和输沙率的时空变化特征进行了系统同步观测。观测表明,偏东风条件下,当风速为10 m.s-1时,水平观测方向上存在一个各点输沙率平衡的阶段,即崖顶戈壁至鸣沙山边缘戈壁各观测点的输沙率相当;当风速大于10 m.s-1时,戈壁地表以风蚀搬运作用为主,出现了戈壁向鸣沙山的长距离风沙搬运;当风速小于10 m.s-1时,戈壁沙物质的长距离搬运作用不明显。不同风况及沙源条件下,风沙流结构和输沙特征会发生显著变化。借鉴Lattau输沙率方程,运用风速和输沙率推算各观测点输沙率的时空变化,计算结果表明,在风速为10 m.s-1左右时,窟顶戈壁带的输送效率约为60%。

金字塔沙丘流场的三维数值模拟

对位于敦煌莫高窟顶部鸣沙山东麓的金字塔沙丘流场形态进行数值模拟,分析了多风向条件下沙丘的压力场和速度场变化规律。使用地面立体摄影技术获取沙丘的控制点坐标,建立了与实地沙丘等比例的三维模型,以解决二维建模不能表达3组主风向差异的问题。使用计算流体动力学(CFD)方法,采用非结构网格划分技术以适应沙丘的高度不规则地形,通过剪切压力传输模型(SST)分析计算并与以往风洞试验和数值模拟结果进行对比。模型很好地预测了沙丘底部停滞区、坡上加速区、背风坡回流区以及沙丘表面压力和风速分布等流场信息,反映了多风向条件下沙丘形态与气流的交互作用。流场中速度场的分布与压力分布直接相关。

库姆塔格沙漠东部复杂地貌地表沉积物化学元素组成初步研究

通过对库姆塔格沙漠东部的沙漠、戈壁、绿洲、湿地、干河床等地貌单元地表沉积物化学元素的分析,研究了不同类型沉积物常量、微量元素的UCC标准值、Ba-Sr含量比值、化学蚀变指数等特征。结果表明:各类型沉积物的元素特征差异显著,但都处于低等风化阶段。库姆塔格沙漠东北端的平沙地、灌丛沙地与北侧戈壁地表沉积物元素特征相近,物源是北山;沙漠东缘沙物质有相近的主元素含量和Ba-Sr含量比值,化学风化特征和Fe、Mg含量自北向南呈现渐变趋势,表明受到偏北风的搬运混合作用,其可能的物源包括南部阿尔金山洪冲积物、东侧的干河床和戈壁。沙漠与敦煌绿洲间的戈壁地带化学风化微弱,区域差异不明显,但不同部位沙物质的元素含量有近源性。鸣沙山西侧的沙物质元素不同于库姆塔格沙漠,而与之相近的党河漫滩相近,因此其最有可能的物源是党河。

不同沙源供给条件下砾石床面的风沙流结构与蚀积量变化风洞实验研究

通过对不同沙源供给条件下各种砾石床面的风沙流结构、床面风蚀及堆积沙量变化的风洞实验,结果表明,风沙流结构是判断戈壁风沙流饱和与不饱和的一个重要途径,不同的戈壁风沙流结构对床面输、阻沙特性具有不同的指示意义。近地表0～6 cm高度内的风沙流结构决定了床面的输、阻性质,而6 cm以上的风沙流结构反映了风力对沙物质的输送状况。沙源供给的丰富与否,决定了风沙流的饱和程度,以及风沙流在砾石床面产生的蚀积状况。同等风速条件下,饱和风沙流的输沙率是非饱和风沙流输沙率的2～8倍。在饱和风沙流情形下,床面过程总体以积沙为主,且随风力的增强,床面积沙量急剧增加。在不饱和风沙流情形下,砾石床面总体以风蚀和输送沙物质过程为主,风沙流结构在0～2 cm高度内反映出砾石床面具有明显的阻沙功能,在2～5 cm高度上出现最大输沙值。

兰新高铁戈壁特大风区风沙灾害形成机理及防沙技术

兰新高铁新疆段穿越戈壁特大风区,特大风驱动下的风沙/砾流灾害是其安全运营所面临的首要问题,也是风沙物理学悬而未决的科学问题.文章对兰新高铁戈壁特大风区风沙危害形成机理及防沙工程效益进行研究,得出以下主要结论:(1)翻越天山的北方冷空气经垭口、沟谷、洪积扇等复杂地形时,受“狭管效应”及“下坡效应”作用,气流加速、风力增大2~3倍,是造成铁路沿线大风频发、沙害严重的重要原因.(2)戈壁特大风地区输沙高度达9m,远大于一般沙漠、戈壁地表,输沙率随高度的增加指数递减.沙粒跃移高度受风速和颗粒粒径共同控制,大风作用下的粗颗粒与戈壁面碰撞具有更强的动能,百里风区沙砾跃移层高度大于3m,烟墩风区大于2m.(3)基于对区域风沙输移规律的认识,筛选和研发了适宜于戈壁特大风区的防沙新材料,提出了“以阻为主,阻固结合”的戈壁特大风区风沙防治理念,构建了“多排前沿阻沙带加高立式大网格固沙带”的戈壁特大风区综合工程防沙体系.防护体系防沙效果显著,体系下风向输沙量降低87.87%,试验段高铁线路积沙明显减少.本研究弥补了特大风条件下戈壁风沙理论研究的不足,加强了特大风区高速铁路风沙工程学研究.

2021年3月中旬东亚中部沙尘天气地面起尘量及源区贡献率估算

2021年3月中旬,东亚中部包括中国北方大部分地区,爆发了持续性的沙尘天气,引发了人们对于沙尘源区、防风固沙生态建设工程效益的高度关注。提出了一个新的地表起尘量估算方法,使用高精度、大范围的气象数据,计算了这次沙尘天气的地面起沙条件、大风过程中的输沙状况,估算了不同时刻的起尘量,获得了14、15日蒙古和中国北方荒漠地区的起尘贡献率。结果表明:相比过去10年,中国北方总体不容易起尘,而蒙古中东部的荒漠地区由于增温显著、降水减少,更容易扬尘;3月15日覆盖中国北方的强沙尘暴,有75%的沙尘是由于14日在蒙古的起尘,随后16、17日更大范围的沙尘天气,有84%是15日起源于中国北方和西北。两日境内外的起尘总量基本相同。

多组复合指纹示踪法及其应用

指纹示踪法是确定水力作用下流域泥沙物质来源贡献率的重要手段,其中选用多个指纹因子组成一组"最优指纹"的复合指纹示踪法应用最为广泛。该类方法不受空间尺度或沉积物传输过程的限制,因此可以采用相似的步骤,应用到风力沉积问题当中。然而对比研究发现,一组复合指纹判别能力的高低并不能代表其优化求解判别结果的准确程度,二者之间没有正相关性。介绍了基于指标之间解析解关系筛选多个指标组合的多组复合指纹示踪法,以及该方法在不同尺度流域的检验。相对于蒙特卡洛方法进行优化获得数值解的方法,采用所有具有有效解析解的多组指纹组合结果平均值,可获得同样合理的结果,但大大减少了计算量。该方法已被推广应用于风沙堆积物质,以及风沙、水沙共同作用下的干旱区水库泥沙淤积物质来源的定量判别中。

风沙活动强度3种估算指标对比及适用性分析

风沙活动强度是风沙地区交通、能源基地等基础设施建设和运营中科学开展风沙工程防护设计须考虑的重要内容。但在实际工作中尚缺乏操作性强、适用性广的风沙活动强度估算指标。本研究选取风蚀气候侵蚀力、沙丘活化指数和输沙势3种常用指标,基于中国北方风沙区多个具体工程案例,对比分析了3种指标的适宜性及存在问题。结果表明:(1)由于没有考虑工程周边沙源丰富程度的相关影响因素(如植被、戈壁砾石的覆盖度),3种指标的估算结果均难以准确客观地反映具体工程的实际风沙问题。(2)采用高精度风速风向数据计算的输沙势更能表达干旱地区的风沙活动特征,但在降水较多的区域偏差较大。(3)铁路等线性工程两侧风沙活动强度可能存在差异,相同防沙措施的防护效益存在明显差别,具体工程风沙活动强度的估算应明确其方向性差异。在指导防护体系建设时,需尽可能考虑降水、气温、风速、风向等多种因子,同时结合沙源、地表覆盖度、工程走向等实际情况来分析风沙活动强度差异。研究结果有助于提出一种准确度高、适用性广、可操作性强的风沙活动强度估算指标,为有效开展防沙工程设计提供指导。

8 Ma以来准噶尔盆地西缘白杨河冲-洪积扇ZK1钻孔剖面沉积环境演变

准噶尔盆地西缘白杨河冲洪积扇发育典型,但其环境过程问题亟待解决。在该扇西缘ZK1剖面(137 m深)古地磁定年基础上,提取粒度、磁化率、有机质、碳酸钙、孢粉、砂粒微形态、矿物成分等样品信息,综合分析表明:8 Ma以来研究区环境主要在中纬度内陆干旱荒漠至荒漠草原范围演变,包括2个阶段6个亚阶段:阶段Ⅰ(8.1~5.3 Ma)主要为湖泊期,包括亚阶段1(8.1~7.2 Ma)浅湖、亚阶段2(7.2~6.9 Ma)戈壁和亚阶段3(6.9~5.3 Ma)滨湖;阶段Ⅱ(5.3 Ma至今)为冲洪积扇期,由亚阶段4(5.3~3.6 Ma)扇体开始发育形成的干冷扇缘、亚阶段5(3.6~1.1 Ma)为较干冷环境下的第二次快速成扇期和亚阶段6(1.1 Ma至今)最干冷环境下的第三次极快成扇期组成。该扇主要形成于5.3 Ma以来,主要经历了5.3 Ma、3.6 Ma、1.1 Ma等3次成扇期。其发育阶段和环境演化与晚新生代古地中海Messinian期干化事件、半球乃至全球阶段性降温、青藏高原隆升及其远程效应等关系密切。