河西沙区新月形沙丘形态参数观测*

任孝宗,刘陶,王振亭,3

（1.兰州大学 西部环境教育部重点实验室,兰州730000;2.中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室,北京100029;3.中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室,兰州 730000）

新月形沙丘是一种广泛分布于世界各大沙漠的基本沙丘形态[1],一般形成于供沙量不足和几乎为单向输沙风的无植被区域[2-8],多半成单一零星散布于沙漠边缘非沙质地表或粗质平沙地。除在非洲卡拉哈里沙漠中十分罕见外,在世界其它大沙漠中均有较大面积的分布,其出现率为21%～84%,平均为41.6%[9-11]。沙丘高度一般为1～5 m,很少超过15 m[12]。其实际大小可能是供沙量、风况、地面状况、植被水分条件、地形起伏和发育年龄等一系列因子的函数[13]。

Mabbutt[14]指出新月形沙丘的最大高度大多为其宽度的十分之一。李志忠等[15]在塔里木沙漠石油公路沿线的测量结果也表明新月形沙丘最大高度多为其两翼宽度的十分之一,且沙丘高度与两翼宽度相关系数R=0.340,为弱相关。国外已有的研究表明,新月形沙丘高度和其两翼角间宽度呈线性相关[16-20]。Wang[21]等在民勤绿洲边缘地区观测的结果表明新月形沙丘的高度和宽度呈正比例关系。本文通过对河西沙区新月形沙丘地貌特征参数的测量,拟进一步探讨新月形沙丘高度和宽度间的关系。

1 研究区概况

董光荣等[22]根据地理位置和山脉走向分布以及季风影响的程度,将我国北方沙漠划分为准噶尔沙区、塔里木沙区、河西沙区、柴达木沙区、河套沙区、东部沙区等6个沙区,河西沙区主要指分布于阿拉善高原的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠及其间的民勤绿洲。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、古鲁乃湖以东、宗乃山和雅布赖山以西的地区,面积49 200 km2,为国内第三大沙漠,地势南高北低、东高西低[23]。境内湖泊众多,沙丘高大[24],主要有简单新月形沙丘、新月形沙丘链、金字塔形沙丘和高大沙山4类沙丘[25]。腾格里沙漠位于阿拉善台地东南部断陷盆地内,东界贺兰山,西北以雅布赖山为界与巴丹吉林沙漠相隔,北部以哈拉乌山为界,南部与祁连山山前洪积扇前缘相接[26],面积约30 000 km2,为我国第四大沙漠。区内全年多西北风,以流动沙丘为主,沙丘类型以简单新月形沙丘、新月形沙丘链及格状沙丘链为主。

观测区围绕河西沙区巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠展开,主要分布在沙源供给贫乏、植被稀少的沙漠边缘地区。包括巴丹吉林沙漠东南缘中泉子1号观测点,腾格里沙漠东南缘红都梁地区2号观测点(见图1)。

图1 观测点分布图

2 观测方法

典型的沙丘形态根据合成风向分为三类,横向沙丘、纵向沙丘和多风向作用下的沙丘。新月形沙丘是一种典型的横向沙丘,沙丘走向与合成风向垂直。新月形沙丘(crescent dune或barchan dune)顾名思义,沙丘的平面形态具有新月形外形,沙丘两侧有顺风向延伸的两个兽角(翼),其间交角与相应的主导风强度呈反比关系,迎风坡面凸出而平缓,倾角多为 5°～20°,背风坡凹而陡,倾角多为 28°～34°[5,27]。其地貌特征参数主要有:h,w,l,la及lb(见图2)。h指新月形沙丘丘顶至沙丘基部的垂直高度,w指新月形沙丘翼角间的水平距离,即沙丘宽度,l指新月形沙丘迎风坡前端至丘顶的水平距离,la,lb分别指新月形沙丘两侧翼的长度。

图2 新月形沙丘地貌特征参数

研究区域内的新月形沙丘地貌特征参数h,w,l,la,lb采用南方测绘NTS-352型电子全站仪测量。电子全站仪是近年普遍使用的一种新型的测量仪器,它能够提供快速、高精度的距离(倾斜距离、水平距离、高差)测量和角度(水平角、竖直角)测量。并可以实时计算、显示和输出所需要的点与点之间的方位角、水平距离、高差或点的三维坐标等参数。全站仪在沙丘形态观测领域中的应用,大大提高了野外观测工作的精度和进度。

表1 新月形沙丘特征参数实测数据

3 结果与讨论

表1给出了测量结果。1-10号10个新月形沙丘位于巴丹吉林沙漠东南缘中泉子1号观测点,其最大宽-高比为34.73,最小值为 8.07,平均值为15.76。11-13号3个新月形沙丘位于腾格里沙漠东南缘红都梁地区2号观测点,其最大宽-高比为16.27,最小值为8.03,平均值为12.75。1、2号观测点具有较大宽-高比,大于Mabbutt及李志忠等人提出的新月形沙丘宽度大多为其最大高度十倍的观察结果。14-18号5个新月形沙丘位于库姆塔格沙漠西部边缘地带,其最大宽-高比为14.10,最小值为7.16,平均值为10.88,宽度约是其最大高度的10倍,与Mabbutt及李志忠等人的观测结果相近。

文献[21]中民勤观测区新月形沙丘最大宽-高比为44.11,最小值为 7.85,平均值为16.14,与 1号、2号观测点具有相似的宽-高比特征,且因都盛行西北风,具有相似的自然地理环境,处于季风边缘区的河西沙区,所以作为一个大的区域整体加以讨论。对河西沙区40个(其中文献[21]为27个)新月形沙丘的貌特征参数w和h的相关分析表明,w和h相关系数R=0.885,为强相关(R＞0.8即可认为强相关),因此可以认为w与h为线性关系,即存在关系:

式中:a——比例系数;w——常数。然而事实上,w0总是比ah小的多,并且实际情况是当h=0时,w0=0,所以一个更简化、更合理的关系式可以写为:

此式表明,w和h不仅呈线性相关,而且呈正比例相关,正比例系数a即为新月形沙丘的宽-高比。根据已有的河西沙区40个新月形沙丘测量数据,用最小二乘法拟合,容易求得 a=15.14(图 3)。Wang[21]在民勤绿洲得出的a为15.61,与本文的结果近似一致,显示出河西沙区新月形沙丘具有宽-高比约为15的特征。对于影响新月形沙丘宽-高比的因素目前国内外没有形成统一的看法,普遍认为可能是风况、供沙量、地面状况、植被水分条件、地形起伏及发育年龄等一系列因子综合作用的结果。

图3 三大沙漠周边地区新月形沙丘w-h关系

为了比较不同自然环境下发育的新月形沙丘比例系数a的异同,对库姆塔格沙漠西部边缘地区5个典型新月形沙丘进行了测量和分析。库姆塔格沙漠位于阿尔金山与罗布泊之间,主体覆盖在海拔900～2 000 m的阿尔金山前倾斜的石质山坡上,属极端干旱大陆性气候,主风为强劲的东北风,其次是西北风[28-29]。该地区新月形沙丘w和h的相关系数R=0.778,为中等相关,利用最小二乘法拟合观测数据容易得出a=11.29(见图4)。

以上两个研究地新月形沙丘宽-高比例系数存在差异,河西沙区宽-高比大于库姆塔格沙漠宽-高比。库姆塔格沙漠地处亚欧大陆深处,气候极端干燥,因其分布独特的所谓“羽毛状”沙丘而在近年来成为地学研究中的一个热点地区[30-32]。其羽轴部分属于线形沙丘,宽由迎风坡和背风坡组成,不同于新月形沙丘由两翼组成沙丘宽度。本文所观测的库姆塔格沙漠新月形沙丘分布在罗布泊以东、“羽毛状”沙丘典型分布区以西,其宽-高比与线形沙丘的宽-高比极为一致。如刘虎俊等[33]所观测的3个库姆塔格沙漠线形沙丘高分别为8.4 m、7.5 m、2.7 m,宽分别为 97.3 m、82.7 m、21.7 m,其宽-高比分别为11.58,11.03,8.04,平均宽-高比为10.22,与库姆塔格沙漠新月形沙丘平均10.88的宽-高比近似,因此影响库姆塔格沙漠新月形沙丘和线形沙丘宽-高比的因素类似,可能是风况、供沙量、地面状况、植被水分条件、地形起伏及发育年龄等共同作用的结果,沙丘的宽-高比正是多种因素在沙丘形状上的响应,反映了该地区特有的自然地理特征。

图4 库姆塔格沙漠西部新月形沙丘w-h关系

4 结论

(1)新月形沙丘地貌特征参数w、h间具有良好的正比例关系,由河西沙区巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和民勤绿洲40个新月形沙丘宽、高观测数据拟合得其宽-高比例系数a=15.14。

(2)对自然地理环境有较大差异的库姆塔格沙漠5个新月形沙丘w、h的分析表明,其宽-高比例系数a=11.29。表明不同自然地理条件下发育的新月形沙丘,其地貌特征参数w、h间正比例系数不尽相同,该比例系数的不同可能是风况、供沙量、地面状况、植被水分条件、地形起伏及发育年龄等一系列因子综合作用的结果,反映了自然地理条件对新月形沙丘形态的塑造,因此,该系数可以作为描述新月形沙丘的一个特征参数。

(3)精确测量沙丘形态参数有赖于优良的观测设备,全站仪被证明是观测沙丘形态长期变化的有力工具之一。

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