新月形沙丘穩(wěn)定性機(jī)理
——以甘肅河西沙區(qū)為例

常兆豐,李 亞,張劍揮,王強(qiáng)強(qiáng),張德魁,唐進(jìn)年,王 祺,張慧文

甘肅省治沙研究所, 蘭州 730070

新月形沙丘穩(wěn)定性機(jī)理
——以甘肅河西沙區(qū)為例

常兆豐,李 亞*,張劍揮,王強(qiáng)強(qiáng),張德魁,唐進(jìn)年,王 祺,張慧文

甘肅省治沙研究所, 蘭州 730070

新月形沙丘是一種重要的沙丘類(lèi)型,一般存在于綠洲邊緣。研究新月形沙丘的穩(wěn)定性,對(duì)于揭示綠洲緣的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律有重要學(xué)術(shù)價(jià)值,而到目前新月形沙丘的穩(wěn)定性還是沙漠生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)的尚未解決的科學(xué)問(wèn)題。以河西沙區(qū)新月形沙丘為例,通過(guò)調(diào)查其分布環(huán)境、測(cè)定沙丘各部位風(fēng)速和風(fēng)蝕積沙等,分析了新月形沙丘頂部穩(wěn)定機(jī)理。結(jié)果表明：1)甘肅河西沙區(qū)的新月形沙丘分布在沙漠邊緣的下風(fēng)向,一般為斑塊狀分布。分布區(qū)域?yàn)槠教沟纳痴迟|(zhì)或沙礫質(zhì)灘地,丘間地較為開(kāi)闊且具有明顯的主風(fēng)向。2)主風(fēng)向(NW)過(guò)程是新月形沙丘頂點(diǎn)與沙脊線重合的過(guò)程,也是新月形沙丘前移和高度降低的過(guò)程；反主風(fēng)向(SE)過(guò)程是新月形沙丘頂點(diǎn)與沙脊線分離的過(guò)程,也是新月形沙丘背風(fēng)坡上部風(fēng)蝕與沙丘增高的過(guò)程。3)新月形沙丘越高大,兩翼越長(zhǎng)、夾角越小。4)較為開(kāi)闊的前后灘地是新月形沙丘及新月形沙丘鏈存在所必須的環(huán)境條件,相對(duì)單一的主風(fēng)向是新月形沙丘及新月形沙丘鏈維持其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因子,反向風(fēng)及兩翼的廊道效應(yīng)是新月形沙丘增高增大的關(guān)鍵因子,主、反兩個(gè)方向的風(fēng)速及其分布頻率是控制該區(qū)域新月形沙丘及新月形沙丘鏈高度的限制因子。

新月型沙丘；頂部；穩(wěn)定性；河西沙區(qū)

金字塔沙丘是一種相對(duì)高大的沙丘類(lèi)型[1- 2],一般的研究認(rèn)為,金字塔沙丘是由不少于三組以上的風(fēng)力差別不大的風(fēng)反復(fù)塑造形成的沙丘[3- 4]。新月形沙丘也是一種相對(duì)較為高大的沙丘,在甘肅河西地區(qū)沙漠邊緣存在大量新月形沙丘及新月形沙丘鏈。甘肅河西沙區(qū)一般都具有明顯的主風(fēng)向,一般不存在“三組以上風(fēng)力差別不大的風(fēng)”, 即沒(méi)有相反或其他方向大風(fēng)的反復(fù)塑造過(guò)程,而這些高大新月形沙丘及新月形沙丘鏈為何能夠穩(wěn)定存在,其頂部不會(huì)被風(fēng)蝕削平呢？

新月形沙丘是一種主要的沙丘類(lèi)型,一般存在于沙漠邊緣,亦即綠洲邊緣。雖然國(guó)內(nèi)外有關(guān)新月形沙丘的研究報(bào)道不少,但主要集中在新月形沙丘的形態(tài)特征[5- 8]、沙丘流場(chǎng)[9-11]和沙丘表面粒度[12-14]等方面,而對(duì)新月形沙丘的頂部的穩(wěn)定性問(wèn)題研究很少。

要揭示新月形沙丘的穩(wěn)定性機(jī)理,首先必須搞清楚其存在的環(huán)境條件,而與新月形沙丘分布環(huán)境較相關(guān)的研究亦很少,與之相近的研究主要是關(guān)于新月形沙丘的分布格局、規(guī)模和相互作用等。許振文等[15]對(duì)比分析了庫(kù)母塔格沙漠、烏蘭布和沙漠與河北昌黎黃金海岸和北戴河翡翠島沿岸新月型沙丘的數(shù)量、規(guī)模、沙粒的粒度。Bishop[16]和Durán等[17]通過(guò)對(duì)摩洛哥沙漠的研究,認(rèn)為新月形沙丘的分布經(jīng)歷一個(gè)自我調(diào)整的過(guò)程,且隨著沙丘的移動(dòng)和合并,其大小和丘間距將趨向于一致[18]。Hersen等[7]的研究認(rèn)為每一個(gè)沙地中新月形沙丘的大小及之間的距離是一致的,而且通過(guò)碰撞過(guò)程,沙丘越大其繁殖速度越快。Elbelrhiti等[19]則認(rèn)為較大的新月形沙丘通過(guò)兩翼沙物質(zhì)的損失形成了下一級(jí)的小的新月形沙丘,從而維持了新月形沙丘沙地的發(fā)展模式和沙丘大小的分布。在沙丘相互作用的過(guò)程中,新月形沙丘高度的分布不會(huì)改變[20-21]。

氣流是新月形沙丘形成的動(dòng)力因子,因而也是新月形沙丘研究的重點(diǎn)[22]。Bourke[8]和楊巖巖[22]等人指出,新月形沙丘存在沙脊線與丘頂重合與分離兩種情況,可能是由于風(fēng)向的變化所致,當(dāng)風(fēng)向較為單一時(shí),沙脊線與丘頂重合；當(dāng)風(fēng)向較多變時(shí),沙脊線與丘頂分離,在野外其重合的情況較少。張春來(lái)等人研究[23]認(rèn)為,沙丘迎風(fēng)坡坡度變緩的部位沉積大于侵蝕,其它部位侵蝕大于沉積,其中丘頂輸沙率和侵蝕強(qiáng)度最大。姚洪林等[24]通過(guò)對(duì)毛烏素沙地流動(dòng)沙丘的觀測(cè)研究指出,在臨界起沙風(fēng)速時(shí)沙丘頂部處于風(fēng)蝕過(guò)程,而當(dāng)風(fēng)速逐漸增大時(shí),沙丘頂部處于積沙過(guò)程。Belrhiti和Douady[25]認(rèn)為新月形沙丘的兩翼和最高點(diǎn)形成一個(gè)穩(wěn)定的多邊形,才使得其移動(dòng)時(shí)保持形狀不變。

綜上所述,到目前為止研究新月形沙丘頂部的穩(wěn)定性是沙漠生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)的尚未解決的科學(xué)問(wèn)題。新月形沙丘是一種主要的沙丘類(lèi)型。研究新月形沙丘的頂部穩(wěn)定性,不僅對(duì)于揭示綠洲邊緣的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、風(fēng)沙流的入侵和沙漠的拓展等方面都有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值,而且在防沙固沙工程的建設(shè)和沙區(qū)資源開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此,本文以甘肅河西綠洲邊緣的新月形沙丘為例,從分布環(huán)境調(diào)查、流場(chǎng)觀測(cè)和兩翼特征分析等方面對(duì)新月形沙丘頂部穩(wěn)定性作一初步分析,以資討論。

1 研究區(qū)與觀測(cè)研究方法

研究區(qū)：甘肅河西地區(qū)是指境內(nèi)黃河以西的武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)5市,地理位置在92°45′—104°15′E、36°35′—42°45′N(xiāo)之間。該區(qū)南側(cè)為祁連山脈,東、北、西三面被騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠和庫(kù)姆塔格三大沙漠包圍,境內(nèi)有沙漠和零星沙地7.54×102km2,綠洲邊緣存在大量的高大新月形沙丘及新月形沙丘鏈。民勤縣地處騰格里沙漠的西部邊緣,位于河西走廊東北側(cè),是甘肅河西沙區(qū)新月形沙丘和新月形沙丘鏈分布最集中的沙區(qū),新月形沙丘和新月形沙丘鏈多分布在綠洲NW邊緣即上風(fēng)向沙漠邊緣(圖1)。

圖1 甘肅河西沙區(qū)新月形沙丘分布情況Fig.1 Distribution of barchan dune in Hexi desert area of Gansu

圖2 新月形沙丘觀測(cè)樣點(diǎn)圖Fig.2 Observation sampling point of barchan dune

觀測(cè)研究方法：在對(duì)甘肅河西綠洲邊緣新月形沙丘及新月形沙丘鏈全面調(diào)查的基礎(chǔ)上,選擇典型新月形沙丘進(jìn)行流場(chǎng)觀測(cè)和風(fēng)蝕積沙觀測(cè),即在民勤西沙窩(騰格里沙漠西部邊緣)選擇了2個(gè)高大新月形沙丘,在沙丘各關(guān)鍵部位設(shè)置了風(fēng)速、風(fēng)向自計(jì)觀測(cè)記錄儀(圖2)。風(fēng)速觀測(cè)時(shí)間：1號(hào)沙丘為2014年4—9月份,觀測(cè)初期沙丘高最點(diǎn)與沙脊線分離；2號(hào)沙丘為2015年4—9月份,觀測(cè)初期沙丘高最點(diǎn)與沙脊線重合。于風(fēng)速觀測(cè)的同時(shí),在沙丘各關(guān)鍵部位設(shè)置了風(fēng)蝕桿,測(cè)定各關(guān)鍵部分的風(fēng)蝕深度和積沙厚度。并測(cè)定了觀測(cè)沙丘四周的沙源狀況和沙丘前后的植被狀況。1)風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)高度為距地面50cm,每20min采樣1次,按每2 m/s為一個(gè)風(fēng)速級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),觀測(cè)的最大風(fēng)速為14.9m/s；2)風(fēng)蝕深度和積沙厚度觀測(cè)采用8號(hào)鋼絲一端埋入地下,沙面以上留30cm,每次觀測(cè)時(shí)量取地上高度。本文正向風(fēng)系指當(dāng)?shù)氐闹黠L(fēng)向NW風(fēng),反向風(fēng)為SE風(fēng)。不論是正向風(fēng)過(guò)程還是反向風(fēng)過(guò)程,迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡均按習(xí)慣中常用的正向風(fēng)定義,即當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向?yàn)镹W,本文中的NW坡則為迎風(fēng)坡。頂點(diǎn)是指沙丘的最高點(diǎn),弦長(zhǎng)為兩翼端點(diǎn)之間的距離,沙丘的長(zhǎng)寬比為沙丘總長(zhǎng)度與總寬度之比,弓背厚系指從迎風(fēng)坡底部到背風(fēng)坡底部的距離(圖3)。氣候資料采用當(dāng)?shù)貧庀笳竞椭袊?guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的資料。

數(shù)據(jù)分析：正向風(fēng)按2m/s為一個(gè)風(fēng)速級(jí)統(tǒng)計(jì),分為<2m/s,≥2—<4m/s,≥4—<6m/s,≥6—<8m/s,≥8m/s 5級(jí)；反向風(fēng)的風(fēng)速較小,故按1m/s為一個(gè)風(fēng)速級(jí)統(tǒng)計(jì)。風(fēng)速數(shù)據(jù)分析運(yùn)用SPSS 13.0軟件完成。

圖3 新月形沙丘特征表述Fig.3 Feature representation of barchan dune

2 結(jié)果分析

2.1 新月形沙丘的分布環(huán)境

新月形沙丘一般形成于較開(kāi)闊的沙礫質(zhì)或粘礫質(zhì)灘地上。新月形沙丘的發(fā)育是從沙斑、沙堆開(kāi)始的,即風(fēng)沙流遇到障礙物(如灌叢、礫石等)后堆積,首先形成沙斑或餅狀,之后在單一風(fēng)向的作用下,逐漸過(guò)渡到盾形沙堆、雛形新月形沙丘[22],進(jìn)而發(fā)育為新月形沙丘。

甘肅河西走廊沙區(qū)新月形沙丘以東段民勤綠洲邊緣最多,其次是西段金塔綠洲邊緣,走廊中段很少有新月形沙丘分布。新月形沙丘的基本特征是：沙丘平均高度8.1m,最高11.6m,最低3.6m；弓背厚平均101.1m,最厚155.7m,最薄64.1m；平均總長(zhǎng)162.3m,最長(zhǎng)294.4m,最短86.5m；平均總寬188.9m,最寬227.4m,最窄57.3m；背風(fēng)坡坡度平均31.8°,最徒32.9°,最緩30.1°(表1)。

表1 甘肅河西沙區(qū)新月形沙丘的形態(tài)特征

新月形沙丘的分布環(huán)境特征：1)位于沙漠或零星沙地的下風(fēng)向邊緣,即綠洲上風(fēng)向邊緣,如民勤沙區(qū)的新月形沙丘位于民勤西沙窩綠洲上風(fēng)向邊緣,金昌沙區(qū)的新月形沙丘位于金昌北部沙漠綠洲邊緣,金塔沙區(qū)的新月形位于金塔綠洲西側(cè)零星沙漠邊緣(圖1)；2)凡是有新月形沙丘存在的區(qū)域均有新月形沙丘鏈；3)新月形沙丘前后均有較為開(kāi)闊的平坦沙礫質(zhì)灘地或粘礫質(zhì)灘地,上風(fēng)向?yàn)┑仄骄鶎?24.1m,最寬662.9m,下風(fēng)向?yàn)┑仄骄鶎?59.9m,最寬697.3m；4)具有單一的主風(fēng)向,如民勤、金昌沙區(qū)的主風(fēng)向?yàn)镹W,金塔沙區(qū)的主風(fēng)向?yàn)镹W 和WNW,沙丘走向從民勤沙區(qū)的N45°W—N48°W到金塔沙區(qū)的N63°W；5)均為流動(dòng)沙丘,即沙丘迎風(fēng)坡及背風(fēng)坡幾乎無(wú)植被,沙丘前后灘地植被稀疏,植被蓋度0.5%—4.0%。

2.2 正反兩種風(fēng)向過(guò)程

2.2.1 主風(fēng)向的沙丘前移、沙丘頂點(diǎn)降低及其與沙脊線的重合過(guò)程

民勤沙區(qū)主風(fēng)向?yàn)镹W,新月形沙丘走向?yàn)镹W—SE,當(dāng)?shù)仄鹕筹L(fēng)速為4.5—5.0m/s[26]。1號(hào)新月形沙丘觀測(cè)前沙丘最高點(diǎn)與沙脊線分離。風(fēng)速觀測(cè)結(jié)果表明,當(dāng)上風(fēng)向參照點(diǎn)風(fēng)速≥8 m/s時(shí),沙丘最高點(diǎn)與沙脊線之間的風(fēng)速小于上風(fēng)向?qū)φ拯c(diǎn)風(fēng)速,即在沙丘最高點(diǎn)與沙脊線之間存在一個(gè)弱風(fēng)區(qū)(圖4a)；2號(hào)沙丘沙脊線與沙丘最高點(diǎn)重合時(shí),風(fēng)速在沙丘頂部最大(圖4b)。

2014年3月31日—5月8日風(fēng)蝕測(cè)定結(jié)果表明,在主風(fēng)向(NW)風(fēng)力作用下,沙丘迎風(fēng)坡各部位均處于不同程度的風(fēng)蝕過(guò)程,迎風(fēng)坡底部風(fēng)蝕深度6.7 cm,中部風(fēng)蝕深度13.0 cm,沙丘最高點(diǎn)與沙脊線之間風(fēng)蝕深度16.8 cm,沙丘西翼中部風(fēng)蝕深度6.0 cm,西翼邊緣風(fēng)蝕深度0.0 cm,沙丘東翼中部風(fēng)蝕深度11.0 cm,東翼邊緣風(fēng)蝕深度0.5 cm,亦即沙丘頂部風(fēng)蝕最強(qiáng)烈,沙丘高度有所降低。

每年春季新月形沙丘的最高點(diǎn)和沙脊線一般是分離的。當(dāng)發(fā)生大風(fēng)沙塵暴時(shí),風(fēng)沙流沿沙丘迎風(fēng)坡上升,到達(dá)沙丘最高點(diǎn)后,載荷氣流在慣性力的作用下,繼續(xù)沿迎風(fēng)坡面方向運(yùn)行一段距離(圖5a,b),而因沙丘最高點(diǎn)與沙脊線之間的高度低于沙丘最高點(diǎn),在沙丘最高點(diǎn)與沙脊線之間存在一個(gè)弱風(fēng)區(qū)。

風(fēng)沙流在越過(guò)沙丘最高點(diǎn)時(shí),大量沙粒沉降(圖5b),引起沙丘最高點(diǎn)前移,直到與沙脊線重合,之后再將大量沙粒降落到沙丘背風(fēng)坡上部并向下自由滑落,沙丘前移(圖5c),3月31日—5月8日,沙丘背風(fēng)坡底部前移了1.34 m。

圖4 新月形沙丘正風(fēng)向風(fēng)速變化Fig.4 Change trends of wind speed in various parts of the dunes of main direction

圖5 主風(fēng)向過(guò)程示意圖Fig.5 Schematic diagram of main wind direction process

2.2.2 反向風(fēng)的沙丘頂點(diǎn)增高及其與沙脊線的分離過(guò)程

上述可知,經(jīng)過(guò)春季大風(fēng)季節(jié)后,民勤沙區(qū)新月形沙丘的最高點(diǎn)與沙脊線重合,而到了夏季,當(dāng)?shù)匾话銜?huì)出現(xiàn)SE風(fēng),當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起沙風(fēng)速時(shí),SE向(部分ESE及SSE向)起沙風(fēng)將大量沙粒從背風(fēng)坡吹起,越過(guò)沙脊線后繼續(xù)沿背風(fēng)坡方向上揚(yáng),風(fēng)速越大上揚(yáng)高度越高。由于背風(fēng)坡較陡,加之沙粒較細(xì),風(fēng)沙流吹揚(yáng)高度較高,風(fēng)沙流中較粗的顆粒在沙丘迎風(fēng)坡上部降落沉積,較細(xì)顆粒則飛揚(yáng)到迎風(fēng)坡下部甚至更遠(yuǎn)(圖6a,b)。

如果夏季大于起沙風(fēng)速的SE風(fēng)較多,一方面沙丘背風(fēng)坡上部風(fēng)蝕,坡度變緩,沙丘最高點(diǎn)與沙脊線分離并向迎風(fēng)坡方向移動(dòng),另一方面沙丘高度增加(圖6c)。如1號(hào)沙丘,2015年初較2014年5月份沙丘最高點(diǎn)距離沙脊線8.3 m,沙丘高度增高了43 cm；而到2015年5月8日觀測(cè)時(shí),又一次完全重合。

圖6 反主風(fēng)向過(guò)程示意圖Fig.6 Schematic diagram of anti-main wind direction process

2.3 兩翼的廊道作用

2.3.1 反主風(fēng)向的風(fēng)速特征

民勤沙區(qū)主風(fēng)向NW(包括WNW、W)的風(fēng)速較大,與此相反風(fēng)向SE(包括ESE、E)的風(fēng)速較小(圖7)。正因?yàn)槿绱?當(dāng)?shù)氐男略滦紊城鸹旧隙际荖W—SE走向,亦即NW是新月形沙丘的主風(fēng)向,SE是反向風(fēng)向。表1中1號(hào)沙丘正向風(fēng)(NW)的測(cè)定結(jié)果是：從上風(fēng)向開(kāi)闊地(1號(hào)測(cè)點(diǎn))到沙丘迎風(fēng)坡底部(2號(hào)測(cè)點(diǎn))風(fēng)速降低,從迎風(fēng)坡底部到沙丘頂部(4號(hào)測(cè)點(diǎn))風(fēng)速增大,背風(fēng)坡底部(5號(hào)測(cè)點(diǎn))風(fēng)速最小,之后風(fēng)速逐漸放大(圖4a)。

圖7 民勤沙區(qū)2000—2014年風(fēng)速風(fēng)向分布Fig.7 Distribution of wind speed and wind direction in Minqin desert area from 2000 to 2014

圖8 新月形沙丘風(fēng)向風(fēng)速變化 Fig.8 Change trends of wind speed in various parts of the dunes of opposite direction

1號(hào)沙丘反向風(fēng)(SE)的測(cè)定結(jié)果(圖8)與主風(fēng)(NW)方向過(guò)程相反,主要表現(xiàn)在：1)在沙丘背風(fēng)坡一側(cè),由遠(yuǎn)(8號(hào)測(cè)點(diǎn))向近(6號(hào)測(cè)點(diǎn))風(fēng)速逐漸加大,到背風(fēng)坡底部(5號(hào)測(cè)點(diǎn))時(shí)風(fēng)速變小。2)在沙丘背風(fēng)坡一側(cè),反方向的風(fēng)速由遠(yuǎn)向近的加速作用與風(fēng)速大小正相關(guān),如從8號(hào)測(cè)點(diǎn)到6號(hào)測(cè)點(diǎn),≥ 5 m/s的風(fēng)增加了0.417 m/s,≥4—>5m/s的風(fēng)增加了0.366 m/s,≥3—>4m/s的風(fēng)增加了0.272 m/s,≥2—>3m/s的風(fēng)增加了0.268 m/s,≥1—>2m/s的風(fēng)只增加了0.031 m/s。3)不同風(fēng)速變異最小的測(cè)點(diǎn)在迎風(fēng)坡底部,不同風(fēng)速變異最大的測(cè)點(diǎn)在沙丘頂部。主風(fēng)向過(guò)程不同風(fēng)速變異最小的測(cè)點(diǎn)在背風(fēng)坡底部(5號(hào)測(cè)點(diǎn)),而不同風(fēng)速變異最大的測(cè)點(diǎn)在迎風(fēng)坡上風(fēng)向平坦地(1號(hào)測(cè)點(diǎn))。4)各風(fēng)速平均,從迎風(fēng)坡中部到迎風(fēng)坡底部的風(fēng)速減小幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于從沙丘頂部到迎風(fēng)坡中部的風(fēng)速減小幅度,而正向風(fēng)過(guò)程各風(fēng)速平均,從迎風(fēng)坡底部到迎風(fēng)坡中部的風(fēng)速增大幅度與從迎風(fēng)坡中部到沙丘頂部的風(fēng)速增大幅度相當(dāng)。

2.3.2 反主風(fēng)向的積沙特征

表1 中1號(hào)沙丘的風(fēng)蝕測(cè)定結(jié)果表明,2014年5月8日與2014年3月31日相比,在主風(fēng)向(NW)風(fēng)力作用下,沙丘高度降低37.7cm,迎風(fēng)坡底部風(fēng)蝕深度6.7 cm,中部風(fēng)蝕深度13.0 cm,沙丘西翼中部風(fēng)蝕深度6.0 cm,西翼邊緣風(fēng)蝕深度0.0 cm,沙丘東翼中部風(fēng)蝕深度11.0 cm,東翼邊緣風(fēng)蝕深度0.5 cm,亦即沙丘頂部風(fēng)蝕最強(qiáng)烈。

反風(fēng)向過(guò)程之后 (2015年9月21日)的測(cè)定結(jié)果表明,1號(hào)沙丘最高點(diǎn)距離沙脊線8.3 m,沙丘高度較2015年5月22日增高了43 cm。

3 討論

(1)新月形沙丘及新月形沙丘鏈分布的最顯著的環(huán)境特征有三：一是分布在沙礫質(zhì)或粘礫質(zhì)灘地上；二是地勢(shì)平坦,更多的可能是古河床,沙丘與下墊面灘地的分異明顯；三是沙丘上風(fēng)向和沙丘下風(fēng)向?yàn)┑乇容^開(kāi)闊。在較為平坦開(kāi)闊的下墊面上,風(fēng)沙流運(yùn)行流暢,一方面風(fēng)沙流攜帶的沙粒沿新月形沙丘上升堆積增高增大,另一方面,大風(fēng)沿沙丘兩側(cè)將沙粒向前推移則形成了新月形沙丘的兩翼(也稱(chēng)獸角)[10]。河西走廊的新月形沙丘均分布在沙漠邊緣的下風(fēng)向,一般為斑塊狀分布,新月形沙丘上風(fēng)向平坦沙礫質(zhì)灘地或粘礫質(zhì)灘地平均寬246.4m,沙丘下風(fēng)向平坦沙礫質(zhì)灘地或粘礫質(zhì)灘地平均寬374.4m。

(2)一般來(lái)說(shuō),沙脊線與沙丘頂點(diǎn)的分離與重合一年交替一次,夏季多見(jiàn)的是重合,秋冬季多見(jiàn)的是分離。特殊年份SE風(fēng)速較小或在局部區(qū)域,有時(shí)則不出現(xiàn)分離；或者某年春季NW風(fēng)速較小時(shí),則全年均為分離的情況。由于同樣的原因,前述的沙丘最高點(diǎn)與沙脊線之間的弱風(fēng)區(qū)也處于存在與消失的反復(fù)交替過(guò)程中。也由于如此,在一年當(dāng)中,新月形沙丘的高度也存在起伏。新月形沙丘的頂點(diǎn)一般一年當(dāng)中存在一次前進(jìn)和后退的交替過(guò)程,前進(jìn)和后退的幅度主要是由一年當(dāng)中NW和SE的風(fēng)速和頻率差異決定的。而在此過(guò)程中,即使SE方向的風(fēng)速和頻率都較大,只能吹蝕背風(fēng)坡的上部從而使得沙丘背風(fēng)坡變緩,而不能使得背風(fēng)坡的基部后退,即背風(fēng)坡的基部只有前進(jìn)的過(guò)程而沒(méi)有后退的過(guò)程。因而,新月形沙丘的前移應(yīng)當(dāng)以背風(fēng)坡基部(圖2測(cè)點(diǎn)5)為準(zhǔn)。

(3)從新月形沙丘各部位風(fēng)蝕觀測(cè)情況看,沙丘的頂部是最不穩(wěn)定的,即始終處于前移—后退和增高—降低的動(dòng)態(tài)過(guò)程中。NW風(fēng)和SE風(fēng)季節(jié)性交替分布,維持著新月形沙丘的基本形狀。新月形沙丘的穩(wěn)定只是一種動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定。由此可見(jiàn),如果沒(méi)有SE由于方向的起沙風(fēng),就不會(huì)出現(xiàn)新月形沙丘最高點(diǎn)與沙脊線分離的情況,沙丘的頂部就會(huì)相對(duì)穩(wěn)定,沙丘前移速度就會(huì)更快。

(4)有的研究認(rèn)為從迎風(fēng)坡下部到沙丘頂部,沙粒由粗變細(xì)[27-28],有的則認(rèn)為相反[12,29]。其實(shí)這些觀測(cè)都沒(méi)有錯(cuò),只是觀測(cè)取樣的季節(jié)不同,因而才得出了相反的結(jié)論。事實(shí)上,這也是NW風(fēng)和SE風(fēng)季節(jié)性交替造成的,如在民勤沙區(qū),作者于5月上旬觀測(cè)的結(jié)果是從迎風(fēng)坡下部到沙丘頂部中沙增多而細(xì)沙減少,而向兩翼細(xì)沙為增多趨勢(shì)。事實(shí)上,如果在春末夏初NW風(fēng)后期SE大風(fēng)來(lái)臨之前觀測(cè),其結(jié)果基本都是這樣,而在秋冬季觀測(cè)時(shí)則可能出現(xiàn)相反的情況。

(5)在民勤沙區(qū),高大的新月形沙丘高度可達(dá)10m以上(表1),高度低于4—5m的即為正在發(fā)育過(guò)程中的小新月形沙丘。由沙斑、沙堆到盾形沙堆、雛形新月形沙丘,首先是從弓背厚度增加開(kāi)始的[22]。風(fēng)沙流遇到沙斑、沙堆等障礙物時(shí),氣流抬升或改變方向,風(fēng)速降低,沙粒堆積。由于沙丘高度較低,迎風(fēng)坡坡長(zhǎng)較短,正向風(fēng)在迎風(fēng)坡的風(fēng)力聚合加大作用小于高大新月形沙丘的,因而沙丘頂部和沙脊線一般不會(huì)重合。小新月形沙丘的弓背繼續(xù)加厚,迎風(fēng)坡坡長(zhǎng)逐漸延長(zhǎng),沙丘增高增大。由于沙丘的增高,風(fēng)沙流在背風(fēng)坡出現(xiàn)反射渦流,漸漸地在背風(fēng)坡出現(xiàn)落沙坡和沙脊線。隨著兩翼的形成和延長(zhǎng),反向風(fēng)的作用增強(qiáng),沙丘的增高加快。在特定的(風(fēng)況)環(huán)境中,當(dāng)正向風(fēng)和反向風(fēng)的堆積和吹蝕作用相當(dāng)時(shí),沙丘的高度趨于穩(wěn)定。據(jù)筆者在民勤沙區(qū)觀測(cè),在反向風(fēng)的風(fēng)力和頻率較高的年份沙丘增高,當(dāng)反向風(fēng)的大小和頻率較低年份則沙丘高度反而降低。

由于風(fēng)速風(fēng)向儀數(shù)量所限,1號(hào)沙丘和2號(hào)沙丘并不是同時(shí)觀測(cè)的,但最大風(fēng)速、迎風(fēng)坡最低風(fēng)速、背風(fēng)坡最低風(fēng)速的分布部位以及沙丘迎風(fēng)坡的風(fēng)速增大過(guò)程等都是相同的。

4 結(jié)論

甘肅河西沙區(qū)的新月形沙丘及新月形沙丘鏈均均分布在沙漠邊緣的下風(fēng)向,一般為斑塊狀分布。分布區(qū)域?yàn)槠教沟纳痴迟|(zhì)或沙礫質(zhì)灘地,丘間的較為開(kāi)闊,且沙丘下風(fēng)向?yàn)┑剌^上風(fēng)向?yàn)┑馗鼮殚_(kāi)闊。新月形沙丘及新月形沙丘鏈的分布區(qū)都具有明顯的主風(fēng)向,其他方向的風(fēng)速較小或偶爾有大風(fēng)但頻率較低。

主風(fēng)向(NW)過(guò)程是新月形沙丘最高點(diǎn)與沙脊線重合的過(guò)程,也是新月形沙丘前移和高度降低的過(guò)程；反主風(fēng)向(SE)過(guò)程是新月形沙丘最高點(diǎn)與沙脊線分離的過(guò)程,也是新月形沙丘背風(fēng)坡風(fēng)蝕與沙丘增高的過(guò)程；由于當(dāng)?shù)匾訬W過(guò)程為主,因而新月形沙丘沿NW—SE方向前移,SE過(guò)程只能風(fēng)蝕減緩沙丘背風(fēng)坡的坡度。

新月形沙丘兩翼長(zhǎng)度及其夾角與沙丘的高度密切相關(guān),沙丘越高大,兩翼越長(zhǎng)、夾角越小。兩翼是維持新月形沙丘穩(wěn)定性的重要形態(tài)特征之一。

較為開(kāi)闊的前后灘地是新月形沙丘及新月形沙丘鏈存在所必須的環(huán)境條件,相對(duì)單一的主風(fēng)向是新月形沙丘及新月形沙丘鏈維持其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因子,反向風(fēng)及兩翼的廊道效應(yīng)是新月形沙丘增高增大的關(guān)鍵因子,主、反兩個(gè)方向的風(fēng)速及其分布頻率是控制該區(qū)域新月形沙丘及新月形沙丘鏈高度的限制因子。

[1] 柳立本, 張偉民, 彭飛, 譚立海. 金字塔沙丘流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬. 中國(guó)沙漠, 2011, 31(2): 386- 392.

[2] 胡世雄, 吳正. 敦煌鳴沙山金字塔沙丘的形成模式研究. 地理研究, 1997, 16(1): 60- 67.

[3] 凌裕泉, 吳正, 劉紹中, 李長(zhǎng)治. 新月形沙丘形態(tài)的模擬實(shí)驗(yàn)研究. 地理科學(xué), 1998, 18(1): 88- 93.

[4] 王莉萍. 基于地貌學(xué)原理的巴丹吉林沙漠金字塔沙丘形態(tài)和形成過(guò)程的研究[D]. 西安: 陜西師范大學(xué), 2013.

[5] 焦銀霞, 穆媛芮, 張旺生, 郭潔, 陳奕霖, 李曉木. 新疆北山庫(kù)姆塔格沙壟沙丘的形態(tài)特征分析. 國(guó)土資源遙感, 2013, 25(2): 138- 142.

[6] Sauermann G, Rognon P, Poliakov A, Herrmann H J. The shape of the barchan dunes of Southern Morocco. Geomorphology, 2000, 36(1/2): 47- 62.

[7] Hersen P. On the crescentic shape of barchan dunes. The European Physical Journal B-Condensed Matter and Complex Systems, 2004, 37(4): 507- 514.

[8] Bourke M C. Barchan dune asymmetry: Observations from Mars and Earth. Icarus, 2010, 205(1): 183- 197.

[9] 韓致文, 緱倩倩, 杜鶴強(qiáng), 孫家歡. 新月形沙丘表面100cm高度內(nèi)風(fēng)沙流輸沙量垂直分布函數(shù)分段擬合. 地理科學(xué), 2012, 32(7): 892- 897.

[10] 江麗娟, 馬高生. 新月形沙丘表面流場(chǎng)的數(shù)值模擬. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2010, 46(1): 48- 52, 58- 58.

[11] Sauermann G, Andrade J S Jr, Maia L P, Costa U M S, Araújo A D, Herrmann H J. Wind velocity and sand transport on a barchan dune. Geomorphology, 2003, 54(3/4): 245- 255.

[12] 周娜, 張春來(lái), 劉永剛. 雅魯藏布江米林寬谷段新月形沙丘粒度分異研究. 地理科學(xué), 2011, 31(8): 958- 963.

[13] Durán O, Schw?mmle V, Lind P G, Herrmann H J. The dune size distribution and scaling relations of barchan dune fields. Granular Matter, 2009, 11(1): 7- 11.

[14] Palmer J A, Mejia-Alvarez R, Best J L, Christensen K T. Particle-image velocimetry measurements of flow over interacting barchan dunes. Experiments in Fluids, 2012, 52(3): 809- 829.

[15] 許振文, 王曉東, 王桂君, 尤芳芳, 劉惠清. 對(duì)比分析我國(guó)西北與海岸地區(qū)新月型沙丘形態(tài)及成因差異. 長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2013, 32(4): 63- 66.

[16] Bishop M A. Point pattern analysis of north polar crescentic dunes, Mars: a geography of dune self-organization. Icarus, 2007, 191(1): 151- 157.

[17] Durán O, Claudin P, Andreotti B. On aeolian transport: Grain-scale interactions, dynamical mechanisms and scaling laws. Aeolian Research, 2011, 3(3): 243- 270.

[18] Kocurek G, Ewing R C. Aeolian dune field self-organization-implications for the formation of simple versus complex dune-field patterns. Geomorphology, 2005, 72(1/4): 94- 105.

[19] Elbelrhiti H, Claudin P, Andreotti B. Field evidence for surface-wave-induced instability of sand dunes. Nature, 2005, 437(7059): 720- 723.

[20] Endo N, Taniguchi K, Katsuki A. Observation of the whole process of interaction between barchans by flume experiments. Geophysical Research Letters, 2004, 31(12):L12503.1- L12503.3..

[21] Katsuki A, Nishimori H, Endo N, Taniguchi K. Collision dynamics of two barchan dunes simulated Using a simple model. Journal of the Physical Society of Japan, 2005, 74(2): 538- 541.

[22] 楊巖巖, 劉連友, 屈志強(qiáng), 張國(guó)明. 新月形沙丘研究進(jìn)展. 地理科學(xué), 2014, 34(1): 76- 83.

[23] 張春來(lái), 郝青振, 鄒學(xué)勇, 嚴(yán)平. 新月形沙丘迎風(fēng)坡形態(tài)及沉積物對(duì)表面氣流的響應(yīng). 中國(guó)沙漠, 1999, 19(4): 359- 363.

[24] 姚洪林, 閻德仁, 胡小龍, 劉永軍, 張化珍. 毛烏素沙地流動(dòng)沙丘風(fēng)蝕積沙規(guī)律研究. 內(nèi)蒙古林業(yè)科技, 2001, (1): 3- 9.

[25] Belrhiti H E, Douady S. Equilibrium versus disequilibrium of barchan dunes. Geomorphology, 2011, 125(4): 558- 568.

[26] 甘肅省民勤治沙綜合試驗(yàn)站. 甘肅沙漠與治理. 蘭州: 甘肅人民出版社, 1975.

[27] 李志忠, 關(guān)有志. 縱向沙丘和橫向沙丘模擬流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究. 中國(guó)沙漠, 1996, 16(4): 360- 363.

[28] McLean S R, Nelson J M, Wolfe S R. Turbulence structure over two-dimensional bed forms: implications for sediment transport. Journal of Geophysical Research, 1994, 99(C6): 12729- 12747.

[29] 王訓(xùn)明, 董治寶, 趙愛(ài)國(guó). 簡(jiǎn)單橫向沙丘表面物質(zhì)組成、氣流分布及其在動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的意義. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2004, 18(4): 29- 33.

Stability mechanisms of barchan sand dunes: a case study in the Hexi Desert in Gansu

CHANG Zhaofeng, LI Ya*, ZHANG Jianhui, WANG Qiangqiang, ZHANG Dekui, TANG Jinnian, WANG Qi, ZHANG Huiwen

Gansu Desert Control Research Institute, Lanzhou 730070, China

Barchan sand dunes, which are distributed at the oasis fringe, are an important type of dune. The study of the mechanism of stability of barchan sand dunes is of great importance to the determination of the regulation of aeolian-sand movement at the oasis fringe. However, the stability of barchan sand dunes remains an unresolved scientific issue. This study took the barchan dunes in the Hexi Desert as a case study. The stability mechanism of the top of barchan dunes was analyzed. The results showed that: (1) The barchan dunes in the Hexi Desert of Gansu Province were distributed as patches downwind from the desert fringe. The distribution area was flat sandy-clay or sandy-gravel soil. The lowlands among the dunes were wide, with prominent prevailing winds. (2) The prevailing northwestern winds caused the top of the dunes and the sand line to coincide, and the dunes to move forward and become lower. The southeastern winds (opposite to prevailing winds) caused the top of the dune to separate from the sand line, and the upper part of the leeward slope was wind-eroded and the dunes were heightened. (3) The higher the barchan dune was, the longer the two flanks were, and the smaller the angle was. (4) The wide flat area was vital to the formation of barchans and barchans chains. The largely prevailing wind was the key factor for the stability of the barchans and barchans chains. The opposite wind and the corridor effect between the two flanks were key factors enabling the barchans to grow in size and height. The wind speed and distribution frequency of the prevailing and opposite winds were factors restraining the height of the barchan dunes and barchan dune chains.

barchan dunes; top; stability; the Hexi Desert

國(guó)家973前期資助項(xiàng)目(2014CB460611); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41261102)

2016- 02- 12; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201602120273

*通訊作者Corresponding author.E-mail: 22154534@qq.com

常兆豐,李亞,張劍揮,王強(qiáng)強(qiáng),張德魁,唐進(jìn)年,王祺,張慧文.新月形沙丘穩(wěn)定性機(jī)理——以甘肅河西沙區(qū)為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(13):4375- 4383.

Chang Z F, Li Y, Zhang J H, Wang Q Q, Zhang D K, Tang J N, Wang Q, Zhang H W.Stability mechanisms of barchan sand dunes: a case study in the Hexi Desert in Gansu.Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4375- 4383.