河西沙區(qū)新月形沙丘形態(tài)參數(shù)觀測*

任孝宗,劉陶,王振亭,3

（1.蘭州大學(xué) 西部環(huán)境教育部重點實驗室,蘭州730000;2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室,北京100029;3.中國科學(xué)院沙漠與沙漠化重點實驗室,蘭州 730000）

新月形沙丘是一種廣泛分布于世界各大沙漠的基本沙丘形態(tài)[1],一般形成于供沙量不足和幾乎為單向輸沙風(fēng)的無植被區(qū)域[2-8],多半成單一零星散布于沙漠邊緣非沙質(zhì)地表或粗質(zhì)平沙地。除在非洲卡拉哈里沙漠中十分罕見外,在世界其它大沙漠中均有較大面積的分布,其出現(xiàn)率為21%～84%,平均為41.6%[9-11]。沙丘高度一般為1～5 m,很少超過15 m[12]。其實際大小可能是供沙量、風(fēng)況、地面狀況、植被水分條件、地形起伏和發(fā)育年齡等一系列因子的函數(shù)[13]。

Mabbutt[14]指出新月形沙丘的最大高度大多為其寬度的十分之一。李志忠等[15]在塔里木沙漠石油公路沿線的測量結(jié)果也表明新月形沙丘最大高度多為其兩翼寬度的十分之一,且沙丘高度與兩翼寬度相關(guān)系數(shù)R=0.340,為弱相關(guān)。國外已有的研究表明,新月形沙丘高度和其兩翼角間寬度呈線性相關(guān)[16-20]。Wang[21]等在民勤綠洲邊緣地區(qū)觀測的結(jié)果表明新月形沙丘的高度和寬度呈正比例關(guān)系。本文通過對河西沙區(qū)新月形沙丘地貌特征參數(shù)的測量,擬進一步探討新月形沙丘高度和寬度間的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

董光榮等[22]根據(jù)地理位置和山脈走向分布以及季風(fēng)影響的程度,將我國北方沙漠劃分為準噶爾沙區(qū)、塔里木沙區(qū)、河西沙區(qū)、柴達木沙區(qū)、河套沙區(qū)、東部沙區(qū)等6個沙區(qū),河西沙區(qū)主要指分布于阿拉善高原的巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠及其間的民勤綠洲。其中巴丹吉林沙漠位于高原西部,大致分布于北大山以北、拐子湖以南、古魯乃湖以東、宗乃山和雅布賴山以西的地區(qū),面積49 200 km2,為國內(nèi)第三大沙漠,地勢南高北低、東高西低[23]。境內(nèi)湖泊眾多,沙丘高大[24],主要有簡單新月形沙丘、新月形沙丘鏈、金字塔形沙丘和高大沙山4類沙丘[25]。騰格里沙漠位于阿拉善臺地東南部斷陷盆地內(nèi),東界賀蘭山,西北以雅布賴山為界與巴丹吉林沙漠相隔,北部以哈拉烏山為界,南部與祁連山山前洪積扇前緣相接[26],面積約30 000 km2,為我國第四大沙漠。區(qū)內(nèi)全年多西北風(fēng),以流動沙丘為主,沙丘類型以簡單新月形沙丘、新月形沙丘鏈及格狀沙丘鏈為主。

觀測區(qū)圍繞河西沙區(qū)巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠展開,主要分布在沙源供給貧乏、植被稀少的沙漠邊緣地區(qū)。包括巴丹吉林沙漠東南緣中泉子1號觀測點,騰格里沙漠東南緣紅都梁地區(qū)2號觀測點(見圖1)。

圖1 觀測點分布圖

2 觀測方法

典型的沙丘形態(tài)根據(jù)合成風(fēng)向分為三類,橫向沙丘、縱向沙丘和多風(fēng)向作用下的沙丘。新月形沙丘是一種典型的橫向沙丘,沙丘走向與合成風(fēng)向垂直。新月形沙丘(crescent dune或barchan dune)顧名思義,沙丘的平面形態(tài)具有新月形外形,沙丘兩側(cè)有順風(fēng)向延伸的兩個獸角(翼),其間交角與相應(yīng)的主導(dǎo)風(fēng)強度呈反比關(guān)系,迎風(fēng)坡面凸出而平緩,傾角多為 5°～20°,背風(fēng)坡凹而陡,傾角多為 28°～34°[5,27]。其地貌特征參數(shù)主要有:h,w,l,la及l(fā)b(見圖2)。h指新月形沙丘丘頂至沙丘基部的垂直高度,w指新月形沙丘翼角間的水平距離,即沙丘寬度,l指新月形沙丘迎風(fēng)坡前端至丘頂?shù)乃骄嚯x,la,lb分別指新月形沙丘兩側(cè)翼的長度。

圖2 新月形沙丘地貌特征參數(shù)

研究區(qū)域內(nèi)的新月形沙丘地貌特征參數(shù)h,w,l,la,lb采用南方測繪NTS-352型電子全站儀測量。電子全站儀是近年普遍使用的一種新型的測量儀器,它能夠提供快速、高精度的距離(傾斜距離、水平距離、高差)測量和角度(水平角、豎直角)測量。并可以實時計算、顯示和輸出所需要的點與點之間的方位角、水平距離、高差或點的三維坐標等參數(shù)。全站儀在沙丘形態(tài)觀測領(lǐng)域中的應(yīng)用,大大提高了野外觀測工作的精度和進度。

表1 新月形沙丘特征參數(shù)實測數(shù)據(jù)

3 結(jié)果與討論

表1給出了測量結(jié)果。1-10號10個新月形沙丘位于巴丹吉林沙漠東南緣中泉子1號觀測點,其最大寬-高比為34.73,最小值為 8.07,平均值為15.76。11-13號3個新月形沙丘位于騰格里沙漠東南緣紅都梁地區(qū)2號觀測點,其最大寬-高比為16.27,最小值為8.03,平均值為12.75。1、2號觀測點具有較大寬-高比,大于Mabbutt及李志忠等人提出的新月形沙丘寬度大多為其最大高度十倍的觀察結(jié)果。14-18號5個新月形沙丘位于庫姆塔格沙漠西部邊緣地帶,其最大寬-高比為14.10,最小值為7.16,平均值為10.88,寬度約是其最大高度的10倍,與Mabbutt及李志忠等人的觀測結(jié)果相近。

文獻[21]中民勤觀測區(qū)新月形沙丘最大寬-高比為44.11,最小值為 7.85,平均值為16.14,與 1號、2號觀測點具有相似的寬-高比特征,且因都盛行西北風(fēng),具有相似的自然地理環(huán)境,處于季風(fēng)邊緣區(qū)的河西沙區(qū),所以作為一個大的區(qū)域整體加以討論。對河西沙區(qū)40個(其中文獻[21]為27個)新月形沙丘的貌特征參數(shù)w和h的相關(guān)分析表明,w和h相關(guān)系數(shù)R=0.885,為強相關(guān)(R＞0.8即可認為強相關(guān)),因此可以認為w與h為線性關(guān)系,即存在關(guān)系:

式中:a——比例系數(shù);w——常數(shù)。然而事實上,w0總是比ah小的多,并且實際情況是當(dāng)h=0時,w0=0,所以一個更簡化、更合理的關(guān)系式可以寫為:

此式表明,w和h不僅呈線性相關(guān),而且呈正比例相關(guān),正比例系數(shù)a即為新月形沙丘的寬-高比。根據(jù)已有的河西沙區(qū)40個新月形沙丘測量數(shù)據(jù),用最小二乘法擬合,容易求得 a=15.14(圖 3)。Wang[21]在民勤綠洲得出的a為15.61,與本文的結(jié)果近似一致,顯示出河西沙區(qū)新月形沙丘具有寬-高比約為15的特征。對于影響新月形沙丘寬-高比的因素目前國內(nèi)外沒有形成統(tǒng)一的看法,普遍認為可能是風(fēng)況、供沙量、地面狀況、植被水分條件、地形起伏及發(fā)育年齡等一系列因子綜合作用的結(jié)果。

圖3 三大沙漠周邊地區(qū)新月形沙丘w-h關(guān)系

為了比較不同自然環(huán)境下發(fā)育的新月形沙丘比例系數(shù)a的異同,對庫姆塔格沙漠西部邊緣地區(qū)5個典型新月形沙丘進行了測量和分析。庫姆塔格沙漠位于阿爾金山與羅布泊之間,主體覆蓋在海拔900～2 000 m的阿爾金山前傾斜的石質(zhì)山坡上,屬極端干旱大陸性氣候,主風(fēng)為強勁的東北風(fēng),其次是西北風(fēng)[28-29]。該地區(qū)新月形沙丘w和h的相關(guān)系數(shù)R=0.778,為中等相關(guān),利用最小二乘法擬合觀測數(shù)據(jù)容易得出a=11.29(見圖4)。

以上兩個研究地新月形沙丘寬-高比例系數(shù)存在差異,河西沙區(qū)寬-高比大于庫姆塔格沙漠寬-高比。庫姆塔格沙漠地處亞歐大陸深處,氣候極端干燥,因其分布獨特的所謂“羽毛狀”沙丘而在近年來成為地學(xué)研究中的一個熱點地區(qū)[30-32]。其羽軸部分屬于線形沙丘,寬由迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡組成,不同于新月形沙丘由兩翼組成沙丘寬度。本文所觀測的庫姆塔格沙漠新月形沙丘分布在羅布泊以東、“羽毛狀”沙丘典型分布區(qū)以西,其寬-高比與線形沙丘的寬-高比極為一致。如劉虎俊等[33]所觀測的3個庫姆塔格沙漠線形沙丘高分別為8.4 m、7.5 m、2.7 m,寬分別為 97.3 m、82.7 m、21.7 m,其寬-高比分別為11.58,11.03,8.04,平均寬-高比為10.22,與庫姆塔格沙漠新月形沙丘平均10.88的寬-高比近似,因此影響庫姆塔格沙漠新月形沙丘和線形沙丘寬-高比的因素類似,可能是風(fēng)況、供沙量、地面狀況、植被水分條件、地形起伏及發(fā)育年齡等共同作用的結(jié)果,沙丘的寬-高比正是多種因素在沙丘形狀上的響應(yīng),反映了該地區(qū)特有的自然地理特征。

圖4 庫姆塔格沙漠西部新月形沙丘w-h關(guān)系

4 結(jié)論

(1)新月形沙丘地貌特征參數(shù)w、h間具有良好的正比例關(guān)系,由河西沙區(qū)巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠和民勤綠洲40個新月形沙丘寬、高觀測數(shù)據(jù)擬合得其寬-高比例系數(shù)a=15.14。

(2)對自然地理環(huán)境有較大差異的庫姆塔格沙漠5個新月形沙丘w、h的分析表明,其寬-高比例系數(shù)a=11.29。表明不同自然地理條件下發(fā)育的新月形沙丘,其地貌特征參數(shù)w、h間正比例系數(shù)不盡相同,該比例系數(shù)的不同可能是風(fēng)況、供沙量、地面狀況、植被水分條件、地形起伏及發(fā)育年齡等一系列因子綜合作用的結(jié)果,反映了自然地理條件對新月形沙丘形態(tài)的塑造,因此,該系數(shù)可以作為描述新月形沙丘的一個特征參數(shù)。

(3)精確測量沙丘形態(tài)參數(shù)有賴于優(yōu)良的觀測設(shè)備,全站儀被證明是觀測沙丘形態(tài)長期變化的有力工具之一。

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