塔克拉玛干沙漠中部地区线形沙丘表面动力学过程

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内容摘要：

文章编号:10002694X(1999)0220128206
塔克拉玛干沙漠中部地区线形
沙丘表面动力学过程X
张家武①② 陈广庭② 陈发虎① 王建民①
(①兰州大学地理科学系 兰州 730000)
(②中国科学院兰州沙漠研究所 兰州 730000)
摘要 通过野外观测与室内风洞实验模拟,结合研究区气象资料统计分析,研究了塔克拉玛干沙漠中部地区
线形沙丘表面动力学过程.结果表明,塔克拉玛干沙漠中部地区的线形沙丘与主风向的夹角为1215°,与年合成输
沙方向(R D D)的夹角为418°.年合成风向与主风向一致,但风向变率较大.风洞模拟实验揭示,当风向与线形沙丘
的夹角较小时,沙丘背风侧均有旁侧气流存在,且随夹角增大而减弱.气流与输沙势分解结果显示,由于平行于沙
丘的输沙分量显著大于垂直于沙丘 的输沙分量,使线形沙丘纵向移动较快,约为10m a- 1.整体侧向移动不明显,
但因风向变率较大,沙丘基座以上局部侧向移动频繁;平行于沙丘的气流分量大于垂直于沙丘的分量,加上背风侧
旁侧气流盛行,使沙粒的总体运动方向平行于沙丘的走向方向,从而使线形沙丘在快速纵向移动的过程中保持形
态基本不变.
关键词 塔克拉玛干沙漠 线形沙丘 动力学过程
分 类 (中图法)P941. 73,P433文献标识码A
线形沙丘是指走向大致平行于合成输沙方向
(两者夹角不超过15°)的纵向延展的沙丘〔1〕.形态特
征为形体狭长,横断面近似三角形,脊线(走向)平
直.线形沙丘在世界各大沙漠均有分布,如非洲的纳
米布(N am ib)沙漠,卡拉哈里(Ka laha ri)沙漠〔2～5〕;
澳大利亚中部沙漠〔6〕和西北部辛普森(Sim p son)沙
漠〔7〕等,是各沙漠的主要沙丘形态之一.塔克拉玛干
沙漠中部地区(以下简称塔中地区)的线形沙丘分布
于复合型纵向沙垄垄间平地上,是塔中地区常见的
风沙地貌类型.随着塔里木油汽资源勘探,开发规模
的扩大,油田基地设施日益增多,塔中地区已成为塔
里木油田基地设施密集的地区,油田基地和沙漠公
路(塔中路)主要位于或穿过垄间平地,普遍受到线
形沙丘沙害的严重威胁.要防治线形沙丘沙害,必须
先弄清沙丘表面的风况,气流流场和沙丘的动态特
征.
线形沙丘一直是国际上风沙地貌研究的重要对
象之一,但以前的研究多集中于沙丘沙物质粒度特
征〔3～6〕,沙丘沉积结构〔8～10〕和沙丘移动方向〔1, 11〕等
方面,对沙丘表面动力学过程研究较少〔12〕,而沙丘
表面动力学过程正是理解沙丘形成,发育与演变机
制的关键.目前国内对新月形沙丘和金字塔沙丘有
较多的研究,而对线形沙丘的研究还不全面〔10〕,尤
其是沙丘表面气流状况的研究还处于实验模拟阶
段,且因为模型过于简单〔13〕,难以代表实际情况.因
此,对线形沙丘表面动力学过程进行研究不仅在理
论上有助于理解线形沙丘形成发育过程,而且可以
为沙漠油田基地及沙漠公路防治线形沙丘沙害提供
理论依据.
1 研究区概况
塔中地区位于塔克拉玛干沙漠中部塔中四号井
(39°01′N, 83°46′E)附近(图1)〔14〕.风沙地貌主体为
高大的复合型纵向沙垄(NN E-SSW)与垄间平地
相间排列〔15〕.垄间平地被略低于沙垄主体的横向沙
梁隔开,形成平坦低地,宽约1～2km,长约2～5
km.线形沙丘即分布其中,平均走向N55°E(235°),
长度平均400～500m,最长可达2 000m以上;相
第19卷 第2期
1999年6月
中 国 沙 漠
JOU RNALO FD ESER TR ESEA RCH

V o l. 19 N o. 2
J un. 1999
X国家"八五"攻关项目(852101207202202)和国家自然基金重点项目(49731010)资助.
作者简介:张家武(1972—),男,理学博士.从事干旱区地貌与第四纪环境变化研究.
收稿日期: 1998206216 改回日期: 1998210213
1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
对高度3～5m.研究区内天然植被稀少,流沙遍布.
在地下水埋藏浅的垄间平地上偶有零星的塔干柽柳
(T am a rixtak a lam ak anesis,M.T.L iu)和芦苇
(P ragm itescom m un isis,T rin).年降水量仅4210
mm〔16〕,属极端干旱荒漠气候.
图1 研究区地理位置
2 研究方法
按16方位统计中三点(39°01′N, 83°46′E)气象
站资料,包括各方向起沙风风向频率及输沙势矢量
UV,
UV=(V2(V-V0) 100)×t(%)
式中,V为不同风速级的平均风速;V0为起沙风临
界风速;t为风力作用时间.
根据各方向风向频率和输沙势矢量,计算年合
成风向和年合成输沙势R D P(R esu ltan tD rift
Po ten t ia l)〔17〕.年输沙势D P(D riftPo ten t ia l)为各方
向输沙势矢量之和.实验模型是根据野外实测的线
形沙丘,将长度缩小30倍,宽和高缩小20倍后做成
的,较木制半圆柱体〔13〕有较大的改进.选取不同断
面分别观测距沙丘表面2cm,5cm,10cm和20cm
高度上的风速.实验指示风速V∞= 1010m s- 1,各
测点的标准风速vi由与毕托管相连的微压计动压
头高度求出.变换风与沙丘的夹角模拟不同风况下
沙丘表面的流场特征〔13〕,绘制等速线流场图.野外
沙丘的动态用插杆法观测,包括沿线形沙丘脊线方
向的纵向移动和垂直于脊线方向的侧向移动.
3 线形沙丘表面动力学过程
3.1 风况
起沙风是沙物质搬运的有效动力.根据实测,起
沙风临界风速取为V0= 610m s- 1〔18〕.塔中地区起
沙风出现最多的是EN E,其次是NN E,N E,E和
ESE(图22A).因此EN E是塔中地区的主风,与线
形沙丘的夹角为1215°.矢量合成表明,塔中地区年
合成风向为N6717°E,与主风向(N6715°E)几乎一
致,年合成输沙势(图22B)R D P= 123,合成输沙方
向(R esu ltan tD riftD irect ion)R D D= 23918°
(N5918°E),与线形沙丘的夹角仅418°.按动力学定
义〔1〕,塔中地区的线形沙丘十分典型.R D P与D P
的比值是反映风向变率的指标〔17〕,它越接近于1,表
示风向变率越小.塔中地区R D P D P= 0158,说明
风向变率较大.即在主风EN E的两侧(图22A),均
有一定数量的次向风,出现较多的有E,ESE和
N E,NN E等,它们与纵向沙丘的夹角多数不超过
45°.大角度的次向风出现的频率较小.
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图2 塔中地区的风况(A)与输沙势(B)
3.2 沙丘表面流场
实验模拟时,风与沙丘的夹角分别选为10°,
15°,20°,30°,45°和90°,各风况下线形沙丘表面流场
形势如图3所示.从图3可以看出,线形沙丘表面的
流场具有以下特征:
图3 不同风况下线形沙丘表面等速线流场模拟结果
(图中坐标轴单位为cm;等速线上标注数字为风速值,单位为m s- 1;箭头表示风与沙丘的位置关系)
(1)当风与线形沙丘的夹角小于45°时,沙丘背
风侧均有旁侧气流(D eflectedflow)存在,且随夹角
的增大而减弱.例如10°(图32A)时,沙丘迎风坡与
背风坡相同高度上的风速值差别不大,说明背风坡
旁侧气流强盛;当风与沙丘的夹角由15°增至45°
(图32B,C,D,E)时,背风侧的风速低于迎风侧相同
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高度上的风速,并且这一趋势越来越明显,表明旁侧
气流逐渐减弱.当夹角增至90°(图32F)时,背风侧
有涡流或回流出现,与李志忠〔13〕的实验结果基本吻
合.
(2)风到达线形沙丘丘顶时,风速均增加(流场
图中表现为等速线向下弯曲指向丘顶);而在背风侧
风速先减小后增大.从丘顶至背风坡中上部(附着线
位置),等速线呈特殊的"W"形.
上述流场表明与线形沙丘斜交的风越过丘顶
后,在背风坡上部发生分流,风速减小(等速线向上
弯曲),到附着线位置风速增加(等速线向下弯曲),
而附着线以下风速又减小.这与T soa r(1983)的结
论相似,他认为当风与线形沙丘的夹角小于40°时,
纵向输沙出现,风与线形沙丘夹角大于40°时,旁侧
气流减弱,背风坡开始出现堆积〔12〕.进一步分析气
流在线形沙丘的运动状况,可以将与线形沙丘斜交
的风分解为平行于沙丘走向和垂直于沙丘走向的两
个分量(图4)〔4〕.当风与沙丘走向的夹角小于45°
时,平行于沙丘走向的分量大于垂直于沙丘走向的
分量,且夹角越小,这两个分量相差越悬殊.这正是
风与线形沙丘的夹角较小时,沙丘背风侧旁侧气流
盛行的原因.
图4 风在线形沙丘上的运动形式〔12〕
3.3 沙丘的动态
线形沙丘下风端的增长(沿脊线方向的延伸)一
直被认为是主要移动形式〔7, 19〕,后来的研究证明线
形沙丘可以侧向移动,但速率小于纵向移动〔1, 11〕.观
测结果显示,塔中地区的线形沙丘年纵向移动量较
大,为10108m,大于柴达木盆地线形沙丘的年纵向
移动量(5～10m)〔3〕.在野外调查中未观测到塔中地
区的线形沙丘有显著的整体侧向移动,说明净侧向
移动缓慢.由于合成输沙方向R D D与线形沙丘成
418°夹角且指向沙丘的NW侧,沙丘的净侧向移动
应为NW方向,但风向的空间变化如风从沙丘SE
侧转向NW侧而刮N E,NN E,N,和NNW风时,会
使沙丘发生指向SE侧的反方向的侧移.因而要得
到沙丘的长期的平均侧向移动量,需要较长时期的
观测.R ubb in(1990)指出这一过程需几十年甚至上
百年〔1〕.观测中发现,沙丘基座以上的局部侧向移动
较频繁,表现为沙丘脊线来回摆动,基座以上断面形
态随之交替变化.风季结束时,线形沙丘中前部和中
后部脊线平均偏移量分别为1110m和1167m,偏
离方向为SE.
4 讨论与结论
塔中地区平行于线形沙丘走向的输沙分量与垂
直于沙丘走向的输沙分量的比值为11195,即纵向
输沙显著大于侧向输沙,因而沙丘纵向移动迅速.若
纵向移动量按10m a- 1计,则理论上的整体侧向
移动量为10 11195= 0184m a- 1,比纵向移动量
要小得多.T soa r(1983)还将线形沙丘的移动与横
向沙丘作了比较,他认为横向沙丘与线形沙丘移动
方式不同,横向沙丘的移动是通过迎风坡侵蚀而在
背风坡堆积来实现的,因而移动速度与风速成正比
而与沙丘高度成反比,线形沙丘的延伸只和风速以
及风与沙丘的夹角有关.从动力学的观点看,线形沙
丘的移动条件比横向沙丘更有利,因为任何与线形
沙丘两侧成小于90°的风,都会产生纵向移动;而对
于横向沙丘,只有与沙丘移动方向一致的风作用于
沙丘时才会产生最大的移动速率〔12〕.塔中地区线形
沙丘基座以上的局部侧向移动与风向变率(R D P
D P= 0158)较大有关,与沙丘夹角较大(大于45°)的
次向风如ESE(5715°),N(55°),NNW(7715°)等的
交替出现,使落沙坡位置交替出现于沙丘脊线的两
侧,暂时改变了沙丘的局部形态.而沙丘两侧的风多
数与沙丘的夹角小于45°,气流的平行分量大于垂
直分量,背风坡由于旁侧气流盛行,沙粒运动方向也
平行于沙丘走向方向,从而使沙丘的纵向形态得以
保持.
关于线形沙丘起源的动力学原因,有多种假说.
B agno ld(1954)认为它是由新月形沙丘经次向风改
造后演化而来〔19〕;Fo lk(1971)则提出涡流理论〔7〕,
而T soa r(1983)认为线形沙丘由两向风形成,并且
否定了涡流理论〔12〕.从塔中地区的风况看(图22A,
B),除主风EN E外,沙丘的SE侧和NW侧均有一
定数量的次向风出现,且风向变率较大,因此本区线
1312期张家武等:塔克拉玛干沙漠中部地区线形沙丘表面动力学过程
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形沙丘与两向风理论不相符合,两向风形成的可能
性不大.野外调查中发现线形沙丘前端(上风端)保
存了一个或多个新月形沙丘的形态,所以塔中地区
的线形沙丘在成因上可能与新月形沙丘的关系更为
密切,即一个或多个新月形沙丘在主次风(多向风)
的作用下形成线形沙丘.其形成过程与B agno ld
(1954)的论述基本一致.
致谢 本文承蒙邹学勇研究员审阅并提出宝贵意
见.野外工作中得到了李振山博士,李恒鹏博士,温
向乐副研究员和王克俭等同志的大力帮助,在此一
并致谢.
参考文献
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D ynam icProcessesofL inearD unesinCen tralTaklimakanD esert
ZHAN GJ ia2w u①② CH ENGuang2t ing② CH ENFa2hu① W AN GJ ian2m in①
(①G eog rap hyD ep a rtm en t,L anz houU n iv ersity,L anz hou730000,C h ina)
(②I nstitu teofD esertR esea rch,C h ineseA cad em yofS ciences,L anz hou730000,C h ina)
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eng ineeringdesignfo rthep reven t ionofsandhaza rd scau sedbylinea rdunes.
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231中 国 沙 漠 19卷
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Keywords T ak lim akanD esert L inea rdunes D ynam icp rocess
3312期张家武等:塔克拉玛干沙漠中部地区线形沙丘表面动力学过程
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