青土湖水面形成對風速的影響＊

李菁菁，袁宏波，劉淑娟，劉世增，郭樹江，馬劍平

(甘肅省治沙研究所&甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州 730070)

自然狀態下，通常認為生態逆轉過程是一個長期的動態變化過程[1,2]。青土湖面積曾經超過400 km2，但在1959年完全干涸，大部分已被流沙覆蓋[3]。為了改善區域生態環境，2010年9月開始，向青土湖注入生態用水，到2015年11月，形成了22.28 km2水面[4]。青土湖水面的形成必然會對周邊生態系統產生影響[5,6]。依靠生態注水改變區域水文環境，提高青土湖生態功能，是石羊河下游生態輸水工程的主要目標。因此青土湖注水能否起到改變該區域生態因子，增強區域生態功能，是社會各界所關注的一個熱點問題。應急輸水恢復退化生態已經在塔里木河實施[7]，且研究了輸水對地下水位、植被、植物種以及區域生態影響，說明應急輸水可以提升地下水位，促進植被蓋度增加，是區域退化生態恢復的有效方法[8-12]。但塔里木河生態輸水影響沿河生態，是一種線型水文生態影響。青土湖生態輸水則是形成面狀水域，對于區域氣候形成影響[13,14]。本研究分析青土湖水面形成后的區域地下水位、空氣溫度和空氣濕度、風速，旨在闡明水面形成區生態因子的變化規律，揭示水面形成的生態因子響應程度、方式和關系，為定量評價水面形成對區域生態環造成的影響提供依據。

1 研究區概況

1.1 研究區自然概況

該研究區地處甘肅省民勤縣東北的騰格里沙漠西緣（39°07′7.3〞-39°08′3.2〞N，103°37′53.0〞-103°38′40.6〞E），海拔高度約為1292～1310m。該區年平均氣溫7.8 ℃；年降水量110 mm左右，7月，8月,9月三個月的降水占全年降水量73%，蒸發量達2600 mm以上；全年盛行西北、西北偏西風，夏秋季東風也比較盛行。年均風速4.1m/s；屬典型溫帶大陸性干旱荒漠氣候。

1.2 青土湖的人工水面

根據衛星影像分析（如圖1所示），隨著連續幾年的不斷輸水，水面急劇擴大。2013年，水面面積607.126 hm2，大概比2010-2012年兩年的總面積還多。到2014年，水面面積大概是2010-2013年水面面積之和。水面面積隨著連續注水的時間延長，形成水面積成直線增加，輸水量與水面面積呈正相關系數為0.894，保留水面積與地下水位的相關系數達0.909。2010-2013年，入湖水量的增加率始終小于水面面積的增長率。連續輸水對于水域面積擴大具有疊加效應，有利于水域面積的擴大，增強了輸水效應。

2 研究方法

2.1 觀測樣地設置

調查以人工湖為中心，分別在較大面積水域設置樣帶3條（如圖1所示）。在每個樣帶以水面為中心點，在水面兩側設置觀測點。15號樣地（地理坐標為：39 °08′3.2〞-39 °08 ′3.2 〞N，103 °37 ′53〞-103°38′8.8〞 E）樣帶長約為350 m，16號樣地（39 °07′13.2〞-39 °07 ′30.1 〞N，103 °38 ′0.3〞-103°38′21.09〞E）和17號（39°07′7.3〞-39°07′14.3〞N，103°38 ′12.1〞-103°38′40.6〞 E）樣帶長500 m。在水面迎風側和背風側分別是設置樣點測定風速。

圖1 觀測區地理位置及觀測樣點位置圖

2.2 風速測定方法

風速觀測：使用野外便攜式防沙風速廓線測量儀（ZL 02261931.3）測量，測定使用8個風杯，數據采集器每10 s自動記錄一次，每組觀測記錄100～300次。

1）垂直方向風速的測定：在距水面0m，分別水面的迎風側和背風側，將5個風杯按照15cm、50cm、100cm、150cm和200cm的高度固定于同一根固定桿上測定200cm高度范圍的風速梯度值，同時在距水面500曠野設置對照。

2）測定同一高度的水平方向風速變化：在水面的背風側，距水面0 m、50 m、100 m、150 m、200 m、500 m設置測桿，每桿上固定1個風杯，測定在同一風況下50 cm高度的相同高度風速，確定不同距離水面的風速變化值。

2.3 計算分析

1）空氣動力學粗糙度

計算粗糙度[15]公式如下：

式中：Z0為地表粗糙度，U1、U2分別為高度Z1、Z2處的風速。

（2）變異系數：單位（%）

式中：CV（%）變異系數（Coefficient of Variation）：是標準差與其平均數的比，是反映數據離散程度的絕對值。S為統計數據的標準差，為統計數據的平均數。

風速觀測數據在EXCEL中作計算分析，包括方差分析、差異性比較、圖表制作等。

3 結果分析

3.1 水面前后的風速廓線

當風通過青土湖水面前后，隨著高度增大，風速呈指數增加（如圖2所示）。水前15cm高度的風速與200cm相差0.81m/s，水后0m的風速梯度相差0.57m/s，水后500m的風速梯度相差0.57m/s則相差0.90m/s。距水面0m前后的風速變率都小于水后500m的風速，其變異系數分別是13.33%、13.95%和17.73%。

圖2 青土湖岸的水面前后的風速廓線

3.2 空氣動力學粗糙度

輸水形成人工湖后，在高度15cm、50cm、100 cm、150cm處的水面前后風速差異顯著（P＜0.05），200cm處的差異不顯著（P＜0.05）。但是，但當氣溫較高的中午，風速大于5 ms-1時，風經過水面遞減。

水面前的空氣動力粗糙度小于水面后（見表1），在高度200cm處的水面前后風速變化差異不顯著，應用50cm高度和200cm處的風速計算空氣動力粗糙度，水面前的粗糙度小于水面后，水面有改變空氣動力粗糙度作用，影響風速變化。

表1 青土湖岸迎風向和背風向50cm和200cm高度的風速平均值及其粗糙度

3.2 不同時間的風速

當風經過水面前后時，背風面的平均風速大于迎風面（如圖3所示），但其變化率與氣溫相關。氣溫較高時，風速變化率較小，晚上0：00至早上7點之前風速變化率較大，0：00-2：00風速變化率達到136.54%（見表2）。在風速較大的中午，風速大于5 ms-1時，風經過水面遞減。風速的變化與空氣溫度變化相一致，隨空氣溫度增加而增大。

表2 青土湖岸不同時間向風面和背風面的風速

圖3 青土湖岸的水面前后風速隨時間的變化

3.3 距水面不同距離的風速

當風通過青土湖水面前后時，隨著距水面距離增大，風速呈指數增加，變異系數為33.82%。0～500范圍的風速相差距3.34倍，變異系數為33.82%。水面50 m的風速是0m風速的2.20倍，變異系數達53.03%，風速增加了1.91m/s。距水面50～200m，風速只增加0.15 m/s，200 m風速是50 m風速的1.04倍，變異系數為3.03%。距水面50m之外，風速發生較大變化，50～200m范圍的風速變化較小。在距水面在距水面0～50m，風速相對較小。這于空氣溫濕度變化相關（如圖4所示）。在距水面0～150m，空氣溫度相對較低，風速也小。在距水面0～200m，空氣濕度相對較大，風速反而較小。

圖4 青土湖岸距水面0-500m范圍的溫度、濕度和風速變化值

4 討論與結論

1）風通過水面附近，其風速廓線的變化率小于沙漠，200 cm以下的梯度變化差異顯著，200 cm處的風速梯度變化差異不顯著；背風面的平均風速大于迎風面。但當氣溫較高的中午，風速大于5 ms-1時，風經過水面遞減。

2）青土湖輸水形成水面后，距水面150m范圍的風速和溫度降低，濕度增加。青土湖水面影響風速的空間小于其作用溫度和濕度的。0～50 m范圍的風速受水面影響較大。風經過開闊的水面產生強勁的向岸風，但也受湖岸環境影響[18]。青土湖水面生長蘆葦，岸邊0～50m范圍是植被相對較高和較密區域，因此降低了風速。距青土湖水面0～150m范圍的溫度降低了55.67%，濕度增加了3倍。一定面積水體及植被都會產生“冷島效應”[19-23]，青土湖水體對周圍氣溫和濕度效應顯著，而且也可能影響當地氣候。據報道[14]：2014年的青土湖年降水量較多年平均值增長15.5mm。但青土湖水面影響區域氣候是否與全球氣候變暖有關，而且青土湖水面積及深度應該保持多大才明顯影響區域氣候還有待研究。

3）水面附近的空氣動力粗糙度和風速的變化率均小于沙漠區，風速的變化與空氣溫度變化相一致，隨空氣溫度增加而增大。水面前的粗糙度小于水面后，水面有改變空氣動力粗糙度作用，影響風速變化。