黃河烏蘭布和沙漠段沿岸沙丘形態(tài)及其運移特征

郭建英, 董 智, 李錦榮, 珊 丹, 梁占岐, 田世民, 陳新闖

(1.水利部牧區(qū)水利科學研究所, 呼和浩特 010020; 2.山東農(nóng)業(yè)大學 林學院,山東 泰安 271018; 3.黃河水利科學研究院， 鄭州 450003)

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黃河烏蘭布和沙漠段沿岸沙丘形態(tài)及其運移特征

郭建英1, 董 智2, 李錦榮1, 珊 丹1, 梁占岐1, 田世民3, 陳新闖2

(1.水利部牧區(qū)水利科學研究所, 呼和浩特 010020; 2.山東農(nóng)業(yè)大學 林學院,山東 泰安 271018; 3.黃河水利科學研究院， 鄭州 450003)

為更合理、精確地計算黃河烏蘭布和沙漠段的入黃沙量，探明其對黃河沿岸植被造成的影響程度，以黃河烏蘭布和沙漠段沿岸沙丘為研究對象，通過野外地貌調(diào)查、沙丘形態(tài)測量和遙感解譯對其沙丘的形態(tài)特征及其運移特征進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：烏蘭布和沙漠沿黃段沙丘以走向西南—東北的新月型沙丘和新月型沙丘鏈為主，沙丘剖面形態(tài)不對稱，具有明顯落沙坡；在發(fā)育過程中同時受到了西南風和西北風的顯著影響，5年內(nèi)以沙丘整體向河道推進為主，共移動19.45 m，具有單向快速運移的特點，且沙丘不斷向黃河侵襲，應采取措施予以遏制。

沙丘形態(tài); 運移特征; 移動距離; 輸沙量; 烏蘭布和沙漠

沙丘是在不同風力搬運過程中沙粒堆積而成的丘狀或壟狀地貌,是風成床面中最重要的地貌形態(tài)[1],且分布較為廣泛。根據(jù)沙丘走向與風向的關(guān)系可將沙丘分為橫向沙丘、縱向沙丘和多風向作用下的沙丘,每種沙丘類型又可按形態(tài)進一步劃分[2]。沙丘形態(tài)的不同主要是由于風沙沉積過程中沙物質(zhì)在各個方向上的運移規(guī)律差異所致[3-5]。國內(nèi)外學者對干旱半干旱地區(qū)的沙丘形態(tài)和風沙運移的研究較為全面,包括新月形沙丘及沙丘鏈、反向沙丘等沙丘的形態(tài)示量特征[6]、回渦沙丘形態(tài)發(fā)育與障礙物之間的關(guān)系、沙丘形態(tài)的空間變異特征等[7-10]。但不同地區(qū)的風沙運移特征有著特定的流量和表現(xiàn)形式,其受微地形的影響極為顯著。烏蘭布和沙漠地處中國荒漠化草原向草原化荒漠過渡地帶,是中國沙塵發(fā)生源區(qū)及主要路徑之一,也是中國干旱區(qū)沙漠化發(fā)展嚴重地區(qū)[11]。關(guān)于烏蘭布和沙漠風沙方面的研究主要集中于綠洲風沙危害及其控制[12-14]、沙丘風沙運動規(guī)律[15-16]及沙物質(zhì)理化特性[17-20]等,但對于烏蘭布和沙漠的沙丘形態(tài)及運動特征是一項多尺度、多場耦合、隨機性、非線性的復雜科學問題,需長期對該地區(qū)進行長序列的觀測研究[16]。事實上,烏蘭布和沙漠沿黃段沙丘具有其獨特的地理位置及立地條件,使得該段沙丘在形成機理、發(fā)育過程以及移動特征等方面與其他地區(qū)的沙丘有明顯的差別。此外,該區(qū)域還是黃河粗砂的重要策源地,沙丘移動會導致風成沙進入黃河而顯著增加泥沙含量[16]。鑒于此,以烏蘭布和沙漠沿黃段河岸沙丘為例,深入研究沙丘形態(tài)變化、沙丘移動方向、方式與速度,解析其運移規(guī)律的數(shù)量化特征。該研究對揭示沿岸沙丘形態(tài)變化與運移特征、控制沙丘移動和防治沙漠化具有重要意義,為合理、精確計算黃河烏蘭布和沙漠段的入黃沙量提供扎實的基礎資料和科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河烏蘭布和沙漠劉拐沙頭風蝕觀測場內(nèi),地理坐標40°09′52.28″N,106°50′37.60″E。該區(qū)屬于典型的中溫帶大陸性干旱季風氣候,大風天氣頻繁。據(jù)1980—2013年的氣象統(tǒng)計資料,該區(qū)多年平均氣溫8.0℃,年均降水量為142.7 mm,年蒸發(fā)量高達2 372 mm。年均風速3.7 m/s,大風和風沙一年四季均有出現(xiàn),以3—5月份最多。流動沙區(qū)地貌呈現(xiàn)新月形沙丘、鏈狀、格狀沙丘,白刺灌叢沙堆,粘質(zhì)土丘間低地,一般沙丘高4～10 m,土壤為典型風沙土,風沙土機械組成以細沙(0.25～0.05 mm)為主,基本不含黏粒和粗沙。植被類型主要有白刺(NitrariatangutorumBobr.)、霸王(ZygophyllumxanthoxylonMaxim)、梭梭(HaloxylonammodendronBunge)、沙旋覆花(InulasalsoloidesTurcz. Ostenf.)、沙竹(Psammochloa,illosaTrin.)等。

2 研究方法

2.1 沙丘形態(tài)構(gòu)件特征值測定

在烏蘭布和沙漠距黃河500～1 000 m處,選取流動沙丘直接入黃段,平行于河道,在其沿線建立風沙觀測場,觀測場長5 km,寬3 km。在觀測場內(nèi)隨機選擇該區(qū)域典型沙丘,參考吳正等對風沙地貌研究方法[2],測定沙丘構(gòu)件的特征值,包括沙丘形態(tài)的記錄、沙丘走向、沙丘迎風坡、背風坡坡度、坡長以及落沙坡走向等構(gòu)件幾何特征。對沙丘形態(tài)測量,多在沙丘外圍風沙影響較小的位置布設3個控制點,并打樁固定,方便以后聯(lián)測或檢驗誤差。較大距離的量測借助紅外線測距儀和全站儀,較小距離采用50 m鋼卷尺確定;用羅盤儀和傾斜儀測定沙丘的走向、坡度;沙丘高度用全站儀或GPS確定。

2.2 沙丘運移特征測定

于2010年5月—2014年5月份,采用測樁法進行沙丘移動監(jiān)測。具體方法為:在觀測場內(nèi)選取典型沙丘,在沙丘移動方向的下風向約20 m處確定基線,每個沙丘的基線用標樁嚴格控制邊界,以便使每次測定的典型沙丘邊界線準確無誤。共計布設觀測標樁2 650 m,用卷尺每隔2 m 測定觀測標樁距沙丘垂直斷面的距離,并用GPS測量出沙丘所在地的經(jīng)度、緯度、海拔高度和沙丘的高度,監(jiān)測時用卷尺每隔2 m 測定沙丘移動后觀測標樁距沙丘垂直斷面的距離,并用GPS測量出移動后沙丘所在地的經(jīng)度、緯度、海拔高度和沙丘的高度,每月測定1次,特殊天氣(大風、沙塵暴)之后進行加測。

2.3 沙丘具體移動量的測定

在黃河烏蘭布和沙漠段選取2個典型沙丘進行測量。1#沙丘走向為5°,沙丘寬度64 m,沙丘高度3.8 m;2#沙丘走向為20°,沙丘寬度72 m,沙丘高度4.4 m,沙子的容重為1.60 g/m3。利用全站儀于2012年4月6日—8日、2013年4月4月6日—8日兩次對1#沙丘、2#沙丘進行測量了1∶200的地形圖,為二等水準閉合測量,全站儀測距精度為1 mm+2 ppm×D,每個沙丘的邊界用木頭樁嚴格控制邊界,以便使每次測定的典型沙丘邊界線準確無誤。將測量數(shù)據(jù)使用南方CASS 7.1軟件計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙丘形態(tài)特征

烏蘭布和沙漠段沿岸的沙丘既有橫向沙丘,也有少量的縱向沙壟,多以橫向沙丘為主,沙丘走向為西南—東北向。橫向沙丘的形態(tài)以新月型沙丘和新月型沙丘鏈為主,新月形沙丘鏈由3～8個新月型沙丘連成,由表1可以看出,沙丘走向為355°～2°,主要以SSW—NNE走向為主。沙丘剖面形態(tài)不對稱,西北側(cè)迎風坡緩而長,坡度約為6.8°～19.3°;東南側(cè)背風坡陡而短,具有明顯的落沙坡,坡度約為14°～33.5°。落沙坡方向雖在總體上順應于主風向ESE或ENE,但又具有較大的變化范圍,變化幅度在64°～138°。這一方面反映了黃河烏蘭布和沙漠段沿岸沙丘發(fā)育的不成熟性,因為風力作用下沙丘形態(tài)的發(fā)育首先表現(xiàn)為沙丘形態(tài)調(diào)整,發(fā)育成熟的簡單沙丘其落沙坡基本上完全順應主風力,而發(fā)育不成熟的沙丘則處于頻繁的調(diào)整過程,因而其落沙坡方向不穩(wěn)定。另一方面反映出研究區(qū)供沙量、水分條件、沙丘前植被狀況、微地形等一系列因子引起的局部氣流場對沙丘發(fā)育的影響較大。因黃河烏蘭布和沙漠段沿岸均為發(fā)育不成熟的雛形沙丘,對局地氣流場的反映十分敏感,因而,某一沙丘周圍沙丘的存在將不可避免地改變局地氣流場特征。

沙丘高度因類型的不同存在一定的差異,橫向的新月形沙丘和新月型沙丘鏈的高度為2～8 m;縱向的沙壟較高,高度為8～15 m。沿黃段的新月形沙丘的移動是沙物質(zhì)從迎風坡被不斷吹蝕、搬運,而在背風坡堆積的過程,沙丘前移的直接表現(xiàn)是滑動面的前移。沙丘移動受制于風況(風速、風向)、沙丘形態(tài)(高度、體積)、周圍環(huán)境(粒徑、植被情況、沙面的水分狀況和下覆地貌條件等。本文通過對典型沙丘寬度W和高度H做線性函數(shù)回歸分(圖1),結(jié)果表明寬度W和長度H存在較為顯著的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達0.85。

表1 沙丘形態(tài)特征

圖1 黃河烏蘭布和沙漠劉拐子沙頭段沙丘寬-高關(guān)系

3.2 沙丘運移特征

3.2.1 沙丘移動速度 沙丘的形態(tài)不同,移動的速度也不一樣,一般的規(guī)律是單個新月型沙丘移動快;新月型沙丘鏈移動較慢,其鏈子越長也越穩(wěn)定;沙壟的橫向移動慢一些,而縱向線狀伸長速度又較快些。經(jīng)對2010年5月—2014年5月份18 623個監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,受不同年份季風強度的影響,2010年5月—2011年5月沙丘向黃河河道前移的距離為0.55～20.24 m,平均前移距離為7.87 m;2011年5月—2012年5月沙丘向黃河河道前移的距離為0.39～6.38 m,平均前移距離為2.54 m;2012年5月—2013年5月沙丘向黃河河道前移的距離為0.42～7.96 m,平均前移距離為3.28 m;2013年5月—2014年5月沙丘向黃河河道前移的距離為0.25～5.85 m,平均前移距離為1.87 m?？梢?沙丘受不同年份季風強弱的影響極大,同時也受沙丘高度、沙丘前植被條件等立地條件的影響。一般而言,沙丘的兩翼移動速度大于中部(圖2)。沙丘移動速度在年內(nèi)的變化中,沙丘移動速度以5月份最快,1、8、9月份最慢,沙丘前移主要發(fā)生在3—5月份,占全年前移距離的73.51%,年內(nèi)變化沒有規(guī)律性(回歸函數(shù)的R值遠小于0.80),受季風的影響較大(圖3)。

3.2.2 沙丘高度對移動速度的影響 沙丘移動的速度主要取決于風力的大小、沙丘形態(tài)、沙丘高度和體積,同時也與沙丘排列密度、地形及地表性質(zhì)有密切關(guān)系[21]。本文通過對烏蘭布和沙漠沿黃段5 a內(nèi)沙丘移動距離發(fā)現(xiàn),沙丘高度越高,移動距離越小,對其進行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)沙丘移動距離D與高度H之間具有穩(wěn)定的線性負相關(guān)關(guān)系(圖4)。Bagnold,R.A.曾從理論上推導出D=Q/(rH),式中,D為沙丘移動距離；Q為單位時間內(nèi)通過單位邊寬的全部沙量；r為沙子容重；H為沙丘高度。根據(jù)朱震達等人的研究表明,在塔克拉瑪干沙漠不同下墊面條件、不同疏密度沙丘的分布區(qū),沙丘移動速度與高度之間具有較好的線性負相關(guān)關(guān)系[22]。該研究結(jié)果與Bagnold,R.A.的理論推導及朱震達等人的野外觀測研究結(jié)果一致。其回歸關(guān)系式如下:

D=-0.52H+6.11

圖2 沙丘落沙角前移距離變化

圖3 2011年落沙角前移距離的年度內(nèi)變化

圖4 黃河烏蘭布和沙漠劉拐子沙頭段

3.2.3 沙丘運移量分析 通過長期的觀測研究發(fā)現(xiàn),黃河烏蘭布和沙漠段沿岸的入黃風積沙量主要以沙丘整體向河道推進為主,即風沙的蠕移和躍移。使用南方CASS 7.1軟件對測量數(shù)據(jù)計算結(jié)果表明:1#沙丘2012年4月8日—2013年4月8日沙丘移動量為897.56 m3,輸沙量為22.443 t/(m·a)(圖5);2#沙丘2012年4月8日—2013年4月8日沙丘移動量為1 305.29 m3,輸沙量為29.011 t/(m·a)(圖6)。

圖5 1#沙丘移動測量三角網(wǎng)圖

圖6 2#沙丘移動測量三角網(wǎng)圖

4 結(jié) 論

黃河烏蘭布和沙漠沿黃段沙丘受季風影響較大,以走向西南—東北的新月型沙丘和新月型沙丘鏈(3～8個新月型沙丘)為主,沙丘剖面形態(tài)不對稱,背風坡坡度接近于最大休止角。但落沙坡方向變化幅度較大(65°—110°),說明烏蘭布和沙漠沿黃段沙丘在發(fā)育過程中同時受到了西南風和西北風的顯著影響。這也造成沙丘移動年內(nèi)無明顯規(guī)律,前移主要發(fā)生在西南風盛行的3—5月份,在5 a內(nèi)以沙丘整體向河道推進為主共移動19.45 m,具有單向快速運移的特點。典型沙丘年內(nèi)(2012～2013年)移動量為897.56 ～1 305.29 m3,輸沙量為29.011～22.443 t/(m·a)?？梢娚城鸩粩嘞螯S河侵襲,如果沙丘移動得不到有效的遏制,勢必對黃河沿岸植被造成威脅,增加黃河泥沙含量,更有可能使黃河改道,對下游生態(tài)環(huán)境的影響甚大。

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Dune Morphology and Migration Characteristics in the Ulanbuh Desert

GUO Jianying1, DONG Zhi2, LI Jinrong1, SHAN Dan1, LIANG Zhanqi1,TIAN Shimin3, CHEN Xinchuang2

(1.InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,MinistryofWaterResources,Hohhot010010,China; 2.CollegeofForestry,ShandongAgriculturalUniversity,Taian，Shandong271018,China; 3.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou450003,China)

In order to calculate the sediment load entering the Yellow River in the Ulanbuh Desert coastal more reasonably and accurately， and ascertain its impact on vegetation along the Yellow River, we made the sand dunes in the Ulanbuh Desert as the research objects. Through the methods of field topography survey, sand dune morphology measurement and remote sensing interpretation, we studied the morphological characteristics and transport characteristics of the dunes. The results show that the dunes mainly in barchans and barchans chain, which is in the direction of the southwest to northeast, the profile morphology of dune is asymmetric, and the leeward slope is obvious. In the process of development, the sand dune is influenced significantly by the southwest wind and the northwest wind. During the 5 years, the dunes moved the 19.45 m towards the river, and the movement of sand dunes has the characteristics of unidirectional rapid migration. The measures should be taken to curb the constant movement of sand dunes to the Yellow River.

dune morphology; migration characteristics; movement distance; sediment discharge; UlanBuh Desert

2015-12-22

2016-01-18

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(201401084);國家自然科學基金(41301303，51409114)

郭建英(1979—),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,博士,高級工程師,主要從事干旱、半干旱地區(qū)水土流失與植物生態(tài)方面的研究。E-mail:guojianying1980@163.com

李錦榮(1980—),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,博士,工程師,主要從事風沙物理及其草地遙感方面的研究。E-mail:lijinrong918@126.com

P931.3

A

1005-3409(2016)06-0040-05