常兆豐,李 亞,張劍揮,王強強,張德魁,唐進年,王 祺,張慧文

甘肅省治沙研究所, 蘭州 730070

新月形沙丘穩(wěn)定性機理
——以甘肅河西沙區(qū)為例

常兆豐,李 亞*,張劍揮,王強強,張德魁,唐進年,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型,一般存在于綠洲邊緣。研究新月形沙丘的穩(wěn)定性,對于揭示綠洲緣的風沙運動規(guī)律有重要學術(shù)價值,而到目前新月形沙丘的穩(wěn)定性還是沙漠生態(tài)學領(lǐng)域中一個的尚未解決的科學問題。以河西沙區(qū)新月形沙丘為例,通過調(diào)查其分布環(huán)境、測定沙丘各部位風速和風蝕積沙等,分析了新月形沙丘頂部穩(wěn)定機理。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向,一般為斑塊狀分布。分布區(qū)域為平坦的沙粘質(zhì)或沙礫質(zhì)灘地,丘間地較為開闊且具有明顯的主風向。2)主風向(NW)過程是新月形沙丘頂點與沙脊線重合的過程,也是新月形沙丘前移和高度降低的過程；反主風向(SE)過程是新月形沙丘頂點與沙脊線分離的過程,也是新月形沙丘背風坡上部風蝕與沙丘增高的過程。3)新月形沙丘越高大,兩翼越長、夾角越小。4)較為開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,相對單一的主風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,反向風及兩翼的廊道效應是新月形沙丘增高增大的關(guān)鍵因子,主、反兩個方向的風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高大的沙丘類型[1- 2],一般的研究認為,金字塔沙丘是由不少于三組以上的風力差別不大的風反復塑造形成的沙丘[3- 4]。新月形沙丘也是一種相對較為高大的沙丘,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向,一般不存在“三組以上風力差別不大的風”, 即沒有相反或其他方向大風的反復塑造過程,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,其頂部不會被風蝕削平呢？

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

要揭示新月形沙丘的穩(wěn)定性機理,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]對比分析了庫母塔格沙漠、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]通過對摩洛哥沙漠的研究,認為新月形沙丘的分布經(jīng)歷一個自我調(diào)整的過程,且隨著沙丘的移動和合并,其大小和丘間距將趨向于一致[18]。Hersen等[7]的研究認為每一個沙地中新月形沙丘的大小及之間的距離是一致的,而且通過碰撞過程,沙丘越大其繁殖速度越快。Elbelrhiti等[19]則認為較大的新月形沙丘通過兩翼沙物質(zhì)的損失形成了下一級的小的新月形沙丘,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程中,新月形沙丘高度的分布不會改變[20-21]。

氣流是新月形沙丘形成的動力因子,因而也是新月形沙丘研究的重點[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,可能是由于風向的變化所致,當風向較為單一時,沙脊線與丘頂重合；當風向較多變時,沙脊線與丘頂分離,在野外其重合的情況較少。張春來等人研究[23]認為,沙丘迎風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度最大。姚洪林等[24]通過對毛烏素沙地流動沙丘的觀測研究指出,在臨界起沙風速時沙丘頂部處于風蝕過程,而當風速逐漸增大時,沙丘頂部處于積沙過程。Belrhiti和Douady[25]認為新月形沙丘的兩翼和最高點形成一個穩(wěn)定的多邊形,才使得其移動時保持形狀不變。

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)學領(lǐng)域中一個的尚未解決的科學問題。新月形沙丘是一種主要的沙丘類型。研究新月形沙丘的頂部穩(wěn)定性,不僅對于揭示綠洲邊緣的風沙運動規(guī)律、風沙流的入侵和沙漠的拓展等方面都有重要的學術(shù)價值,而且在防沙固沙工程的建設和沙區(qū)資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護等方面具有重要的現(xiàn)實意義。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、流場觀測和兩翼特征分析等方面對新月形沙丘頂部穩(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 新月形沙丘觀測樣點圖Fig.2 Observation sampling point of barchan dune

觀測研究方法：在對甘肅河西綠洲邊緣新月形沙丘及新月形沙丘鏈全面調(diào)查的基礎上,選擇典型新月形沙丘進行流場觀測和風蝕積沙觀測,即在民勤西沙窩(騰格里沙漠西部邊緣)選擇了2個高大新月形沙丘,在沙丘各關(guān)鍵部位設置了風速、風向自計觀測記錄儀(圖2)。風速觀測時間：1號沙丘為2014年4—9月份,觀測初期沙丘高最點與沙脊線分離；2號沙丘為2015年4—9月份,觀測初期沙丘高最點與沙脊線重合。于風速觀測的同時,在沙丘各關(guān)鍵部位設置了風蝕桿,測定各關(guān)鍵部分的風蝕深度和積沙厚度。并測定了觀測沙丘四周的沙源狀況和沙丘前后的植被狀況。1)風速風向觀測高度為距地面50cm,每20min采樣1次,按每2 m/s為一個風速級進行統(tǒng)計,觀測的最大風速為14.9m/s；2)風蝕深度和積沙厚度觀測采用8號鋼絲一端埋入地下,沙面以上留30cm,每次觀測時量取地上高度。本文正向風系指當?shù)氐闹黠L向NW風,反向風為SE風。不論是正向風過程還是反向風過程,迎風坡和背風坡均按習慣中常用的正向風定義,即當?shù)刂黠L向為NW,本文中的NW坡則為迎風坡。頂點是指沙丘的最高點,弦長為兩翼端點之間的距離,沙丘的長寬比為沙丘總長度與總寬度之比,弓背厚系指從迎風坡底部到背風坡底部的距離(圖3)。氣候資料采用當?shù)貧庀笳竞椭袊鴼庀罂茖W數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)的資料。

數(shù)據(jù)分析：正向風按2m/s為一個風速級統(tǒng)計,分為<2m/s,≥2—<4m/s,≥4—<6m/s,≥6—<8m/s,≥8m/s 5級；反向風的風速較小,故按1m/s為一個風速級統(tǒng)計。風速數(shù)據(jù)分析運用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、沙堆開始的,即風沙流遇到障礙物(如灌叢、礫石等)后堆積,首先形成沙斑或餅狀,之后在單一風向的作用下,逐漸過渡到盾形沙堆、雛形新月形沙丘[22],進而發(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162.3m,最長294.4m,最短86.5m；平均總寬188.9m,最寬227.4m,最窄57.3m；背風坡坡度平均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向邊緣,即綠洲上風向邊緣,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闊的平坦沙礫質(zhì)灘地或粘礫質(zhì)灘地,上風向灘地平均寬224.1m,最寬662.9m,下風向灘地平均寬359.9m,最寬697.3m；4)具有單一的主風向,如民勤、金昌沙區(qū)的主風向為NW,金塔沙區(qū)的主風向為NW 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)均為流動沙丘,即沙丘迎風坡及背風坡幾乎無植被,沙丘前后灘地植被稀疏,植被蓋度0.5%—4.0%。

2.2 正反兩種風向過程

2.2.1 主風向的沙丘前移、沙丘頂點降低及其與沙脊線的重合過程

民勤沙區(qū)主風向為NW,新月形沙丘走向為NW—SE,當?shù)仄鹕筹L速為4.5—5.0m/s[26]。1號新月形沙丘觀測前沙丘最高點與沙脊線分離。風速觀測結(jié)果表明,當上風向參照點風速≥8 m/s時,沙丘最高點與沙脊線之間的風速小于上風向?qū)φ拯c風速,即在沙丘最高點與沙脊線之間存在一個弱風區(qū)(圖4a)；2號沙丘沙脊線與沙丘最高點重合時,風速在沙丘頂部最大(圖4b)。

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

每年春季新月形沙丘的最高點和沙脊線一般是分離的。當發(fā)生大風沙塵暴時,風沙流沿沙丘迎風坡上升,到達沙丘最高點后,載荷氣流在慣性力的作用下,繼續(xù)沿迎風坡面方向運行一段距離(圖5a,b),而因沙丘最高點與沙脊線之間的高度低于沙丘最高點,在沙丘最高點與沙脊線之間存在一個弱風區(qū)。

風沙流在越過沙丘最高點時,大量沙粒沉降(圖5b),引起沙丘最高點前移,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,沙丘背風坡底部前移了1.34 m。

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

圖5 主風向過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of main wind direction process

2.2.2 反向風的沙丘頂點增高及其與沙脊線的分離過程

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

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

圖6 反主風向過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of anti-main wind direction process

2.3 兩翼的廊道作用

2.3.1 反主風向的風速特征

民勤沙區(qū)主風向NW(包括WNW、W)的風速較大,與此相反風向SE(包括ESE、E)的風速較小(圖7)。正因為如此,當?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向,SE是反向風向。表1中1號沙丘正向風(NW)的測定結(jié)果是：從上風向開闊地(1號測點)到沙丘迎風坡底部(2號測點)風速降低,從迎風坡底部到沙丘頂部(4號測點)風速增大,背風坡底部(5號測點)風速最小,之后風速逐漸放大(圖4a)。

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

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

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

2.3.2 反主風向的積沙特征

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

反風向過程之后 (2015年9月21日)的測定結(jié)果表明,1號沙丘最高點距離沙脊線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；三是沙丘上風向和沙丘下風向灘地比較開闊。在較為平坦開闊的下墊面上,風沙流運行流暢,一方面風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(也稱獸角)[10]。河西走廊的新月形沙丘均分布在沙漠邊緣的下風向,一般為斑塊狀分布,新月形沙丘上風向平坦沙礫質(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)一般來說,沙脊線與沙丘頂點的分離與重合一年交替一次,夏季多見的是重合,秋冬季多見的是分離。特殊年份SE風速較小或在局部區(qū)域,有時則不出現(xiàn)分離；或者某年春季NW風速較小時,則全年均為分離的情況。由于同樣的原因,前述的沙丘最高點與沙脊線之間的弱風區(qū)也處于存在與消失的反復交替過程中。也由于如此,在一年當中,新月形沙丘的高度也存在起伏。新月形沙丘的頂點一般一年當中存在一次前進和后退的交替過程,前進和后退的幅度主要是由一年當中NW和SE的風速和頻率差異決定的。而在此過程中,即使SE方向的風速和頻率都較大,只能吹蝕背風坡的上部從而使得沙丘背風坡變緩,而不能使得背風坡的基部后退,即背風坡的基部只有前進的過程而沒有后退的過程。因而,新月形沙丘的前移應當以背風坡基部(圖2測點5)為準。

(3)從新月形沙丘各部位風蝕觀測情況看,沙丘的頂部是最不穩(wěn)定的,即始終處于前移—后退和增高—降低的動態(tài)過程中。NW風和SE風季節(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)定只是一種動態(tài)的穩(wěn)定。由此可見,如果沒有SE由于方向的起沙風,就不會出現(xiàn)新月形沙丘最高點與沙脊線分離的情況,沙丘的頂部就會相對穩(wěn)定,沙丘前移速度就會更快。

(4)有的研究認為從迎風坡下部到沙丘頂部,沙粒由粗變細[27-28],有的則認為相反[12,29]。其實這些觀測都沒有錯,只是觀測取樣的季節(jié)不同,因而才得出了相反的結(jié)論。事實上,這也是NW風和SE風季節(jié)性交替造成的,如在民勤沙區(qū),作者于5月上旬觀測的結(jié)果是從迎風坡下部到沙丘頂部中沙增多而細沙減少,而向兩翼細沙為增多趨勢。事實上,如果在春末夏初NW風后期SE大風來臨之前觀測,其結(jié)果基本都是這樣,而在秋冬季觀測時則可能出現(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10m以上(表1),高度低于4—5m的即為正在發(fā)育過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始的[22]。風沙流遇到沙斑、沙堆等障礙物時,氣流抬升或改變方向,風速降低,沙粒堆積。由于沙丘高度較低,迎風坡坡長較短,正向風在迎風坡的風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重合。小新月形沙丘的弓背繼續(xù)加厚,迎風坡坡長逐漸延長,沙丘增高增大。由于沙丘的增高,風沙流在背風坡出現(xiàn)反射渦流,漸漸地在背風坡出現(xiàn)落沙坡和沙脊線。隨著兩翼的形成和延長,反向風的作用增強,沙丘的增高加快。在特定的(風況)環(huán)境中,當正向風和反向風的堆積和吹蝕作用相當時,沙丘的高度趨于穩(wěn)定。據(jù)筆者在民勤沙區(qū)觀測,在反向風的風力和頻率較高的年份沙丘增高,當反向風的大小和頻率較低年份則沙丘高度反而降低。

由于風速風向儀數(shù)量所限,1號沙丘和2號沙丘并不是同時觀測的,但最大風速、迎風坡最低風速、背風坡最低風速的分布部位以及沙丘迎風坡的風速增大過程等都是相同的。

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向,一般為斑塊狀分布。分布區(qū)域為平坦的沙粘質(zhì)或沙礫質(zhì)灘地,丘間的較為開闊,且沙丘下風向灘地較上風向灘地更為開闊。新月形沙丘及新月形沙丘鏈的分布區(qū)都具有明顯的主風向,其他方向的風速較小或偶爾有大風但頻率較低。

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

新月形沙丘兩翼長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、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,相對單一的主風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,反向風及兩翼的廊道效應是新月形沙丘增高增大的關(guān)鍵因子,主、反兩個方向的風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. 金字塔沙丘流場的三維數(shù)值模擬. 中國沙漠, 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, 李長治. 新月形沙丘形態(tài)的模擬實驗研究. 地理科學, 1998, 18(1): 88- 93.

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

[5] 焦銀霞, 穆媛芮, 張旺生, 郭潔, 陳奕霖, 李曉木. 新疆北山庫姆塔格沙壟沙丘的形態(tài)特征分析. 國土資源遙感, 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, 孫家歡. 新月形沙丘表面100cm高度內(nèi)風沙流輸沙量垂直分布函數(shù)分段擬合. 地理科學, 2012, 32(7): 892- 897.

[10] 江麗娟, 馬高生. 新月形沙丘表面流場的數(shù)值模擬. 蘭州大學學報: 自然科學版, 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, 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, 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. 對比分析我國西北與海岸地區(qū)新月型沙丘形態(tài)及成因差異. 長春師范學院學報: 自然科學版, 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, 張國明. 新月形沙丘研究進展. 地理科學, 2014, 34(1): 76- 83.

[23] 張春來, 郝青振, 鄒學勇, 嚴平. 新月形沙丘迎風坡形態(tài)及沉積物對表面氣流的響應. 中國沙漠, 1999, 19(4): 359- 363.

[24] 姚洪林, 閻德仁, 胡小龍, 劉永軍, 張化珍. 毛烏素沙地流動沙丘風蝕積沙規(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的實驗研究. 中國沙漠, 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] 王訓明, 董治寶, 趙愛國. 簡單橫向沙丘表面物質(zhì)組成、氣流分布及其在動力學過程中的意義. 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

國家973前期資助項目(2014CB460611); 國家自然科學基金資助項目(41261102)

2016- 02- 12; 網(wǎng)絡出版日期: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,王強強,張德魁,唐進年,王祺,張慧文.新月形沙丘穩(wěn)定性機理——以甘肅河西沙區(qū)為例.生態(tài)學報,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.