河西沙區新月形沙丘形態參數觀測*

任孝宗,劉陶,王振亭,3

（1.蘭州大學 西部環境教育部重點實驗室,蘭州730000;2.中國科學院地質與地球物理研究所新生代地質與環境重點實驗室,北京100029;3.中國科學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[1],一般形成于供沙量不足和幾乎為單向輸沙風的無植被區域[2-8],多半成單一零星散布于沙漠邊緣非沙質地表或粗質平沙地。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、風況、地面狀況、植被水分條件、地形起伏和發育年齡等一系列因子的函數[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系數R=0.340,為弱相關。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[16-20]。Wang[21]等在民勤綠洲邊緣地區觀測的結果表明新月形沙丘的高度和寬度呈正比例關系。本文通過對河西沙區新月形沙丘地貌特征參數的測量,擬進一步探討新月形沙丘高度和寬度間的關系。

1 研究區概況

董光榮等[22]根據地理位置和山脈走向分布以及季風影響的程度,將我國北方沙漠劃分為準噶爾沙區、塔里木沙區、河西沙區、柴達木沙區、河套沙區、東部沙區等6個沙區,河西沙區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,面積49 200 km2,為國內第三大沙漠,地勢南高北低、東高西低[23]。境內湖泊眾多,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,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。區內全年多西北風,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。

觀測區圍繞河西沙區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。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

典型的沙丘形態根據合成風向分為三類,橫向沙丘、縱向沙丘和多風向作用下的沙丘。新月形沙丘是一種典型的橫向沙丘,沙丘走向與合成風向垂直。新月形沙丘(crescent dune或barchan dune)顧名思義,沙丘的平面形態具有新月形外形,沙丘兩側有順風向延伸的兩個獸角(翼),其間交角與相應的主導風強度呈反比關系,迎風坡面凸出而平緩,傾角多為 5°～20°,背風坡凹而陡,傾角多為 28°～34°[5,27]。其地貌特征參數主要有:h,w,l,la及lb(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指新月形沙丘迎風坡前端至丘頂的水平距離,la,lb分別指新月形沙丘兩側翼的長度。

圖2 新月形沙丘地貌特征參數

研究區域內的新月形沙丘地貌特征參數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。全站儀在沙丘形態觀測領域中的應用,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實測數據

3 結果與討論

表1給出了測量結果。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果相近。

文獻[21]中民勤觀測區新月形沙丘最大寬-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,具有相似的自然地理環境,處于季風邊緣區的河西沙區,所以作為一個大的區域整體加以討論。對河西沙區40個(其中文獻[21]為27個)新月形沙丘的貌特征參數w和h的相關分析表明,w和h相關系數R=0.885,為強相關(R＞0.8即可認為強相關),因此可以認為w與h為線性關系,即存在關系:

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

此式表明,w和h不僅呈線性相關,而且呈正比例相關,正比例系數a即為新月形沙丘的寬-高比。根據已有的河西沙區40個新月形沙丘測量數據,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,與本文的結果近似一致,顯示出河西沙區新月形沙丘具有寬-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外沒有形成統一的看法,普遍認為可能是風況、供沙量、地面狀況、植被水分條件、地形起伏及發育年齡等一系列因子綜合作用的結果。

圖3 三大沙漠周邊地區新月形沙丘w-h關系

為了比較不同自然環境下發育的新月形沙丘比例系數a的異同,對庫姆塔格沙漠西部邊緣地區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山坡上,屬極端干旱大陸性氣候,主風為強勁的東北風,其次是西北風[28-29]。該地區新月形沙丘w和h的相關系數R=0.778,為中等相關,利用最小二乘法擬合觀測數據容易得出a=11.29(見圖4)。

以上兩個研究地新月形沙丘寬-高比例系數存在差異,河西沙區寬-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研究中的一個熱點地區[30-32]。其羽軸部分屬于線形沙丘,寬由迎風坡和背風坡組成,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,可能是風況、供沙量、地面狀況、植被水分條件、地形起伏及發育年齡等共同作用的結果,沙丘的寬-高比正是多種因素在沙丘形狀上的響應,反映了該地區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關系

4 結論

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

(2)對自然地理環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a=11.29。表明不同自然地理條件下發育的新月形沙丘,其地貌特征參數w、h間正比例系數不盡相同,該比例系數的不同可能是風況、供沙量、地面狀況、植被水分條件、地形起伏及發育年齡等一系列因子綜合作用的結果,反映了自然地理條件對新月形沙丘形態的塑造,因此,該系數可以作為描述新月形沙丘的一個特征參數。

(3)精確測量沙丘形態參數有賴于優良的觀測設備,全站儀被證明是觀測沙丘形態長期變化的有力工具之一。

[1]李志中.新月形沙丘研究進展綜述[J].干旱區地理,1994,17(4):81-87.

[2]費道洛維奇Б A.現代沙漠的起源[M]//沙漠地貌的起源及其研究方法(譯文集).北京:科學出版社,1962.

[3]Fryberger S G,Dean G.Dune forms and wind regime[M].Mckee,1979.

[4]朱震達.塔克拉瑪干沙漠風沙地貌研究[M].北京:科學出版社,1981.

[5]Glennie K W.Lower Permion Rolliegond desert sedimentation in the North Ses area[M]//Brookfield M E,Ahlbrandt T S.Eolian Sediments and Processes.Amsterdan:Elsevier,1983.

[6]Wasson R J,Hyde R.Factors determining desert dune type[J].Nature,1983,304:337-339.

[7]Cooke R U,Warren A.Geomorphology in Deserts[M].London:UCL Press,1973.

[8]Lancaster N.Geomorphology of Desert Dunes[M].London:Routledge,1995.

[9]Fryberger S G,Goudie A S.Arid geomorphology[J].Progress in Physical in Geography,1981,5(3):420-428.

[10]Lancaster N.Wind and sand movementsin the Namib Sand Sea[J].Earth Surface Processes and Landforms,1985(10):607-619.

[11]Thomas D S G.Aeolian sand deposits[M]//Thomas D S G.Arid zone geomorphology.London:Belhaven press,1989.

[12]凌裕泉,吳正,劉紹中.新月形沙丘形態的模擬實驗研究[J].地理科學,1998,18(1):88-93.

[13]朱震達.塔克拉瑪干沙漠風沙地貌研究[M].北京:科學出版社,1981.

[14]M abbutt J A.Desert landform[M].Cambridge:M ass MIT Press,1977.

[15]李志忠,關有志,孫忠.塔里木沙漠石油公路沿線新月形沙丘的地貌特征[J].新疆大學學報:自然科學版,1998(2):80-90.

[16]Finkel H J.The barchans of southern Peru[J].Journal of Geology,1959,67:614-647.

[17]Hastenrath R L.The barchans of the Arequipa region,southern Peru[J].Zeitschrift für Geomorphology N.F.1967,11:300-331.

[18]Hastenrath R L.The barchan dunes of southern Peru revisited[J].Zeitschrift für Geomorphology N.F.1987,31:67-178.

[19]Hesp P A,Hastings K.Width,height and slope relationships and aerodynamic maintenance of barchans[J].Geomorphology 1998,22:93-204.

[20]Sauermann G,Rognon P,Poliakov A,et al.The shape of the barchan dunes of Southern Morocco[J].Geomorphology,2000,36:47-62.

[21]Wang Z T,Tao S C,Tao Xie Y W,et al.Barchans of Minqin:M orphometry[J].Geomorphology,2007,89(3):405-411.

[22]尚可政,董光榮,王式功,等.我國北方沙區氣候變化對全球變暖的響應[J].中國沙漠,2001,21(4):387-392.

[23]王濤.巴丹吉林沙漠形成演變的若干問題[J].中國沙漠,1990,10(1):29-40.

[24]陸錦華,郭迎勝.《巴丹吉林高大沙山典型區景觀圖》的編制研究[J].中國沙漠,1995,15(4):385-391.

[25]閆滿存,王光謙,李保生.巴丹吉林沙漠高大沙山的形成發育研究[J].地理學報,2001,56(1):83-91.

[26]張虎才,馬玉貞,彭金蘭.距今 42-18ka騰格里沙漠古湖泊及古環境[J].科學通報,2002,47(24):1847-1857.

[27]吳正.風沙地貌與治沙工程學[M].北京:科學出版社,2003:144.

[28]王濤.中國沙漠與沙漠化[M].石家莊:河北科學技術出版社,2003:689-698.

[29]朱震達,吳正,劉恕,等.中國沙漠概論[M].北京:科學出版社,1980:1-81.

[30]董治寶,屈建軍,盧琦,等.關于庫姆塔格沙漠“羽毛狀”風沙地貌的討論[J].中國沙漠,2008,28(6):1005-1010.

[31]屈建軍,廖空太,俎瑞平,等.庫姆塔格沙漠羽毛狀沙壟形成機理研究[J].中國沙漠,2007,27(3):349-353.

[32]Dong Z,Qu J,Wang X,et al.Pseudo-feathery dunes in the Kumtag Desert[J].Geomorphology,2008,100:328-334.

[33]劉虎俊,王繼和,廖空太.庫姆塔格沙漠的“羽毛狀沙丘”形態的觀測[J].地學前緣,2007,14(3):190-196.