塔克拉玛干沙漠中部地区风沙环境特征初探

塔克拉玛干沙漠中部地区风沙环境特征初探

塔克拉马干沙漠是中国的第一个和最大的流动性沙漠。也是我国沙尘暴中心和产生黄土沉积的主要物源区之一。其壮观的风沙地貌景观和文化古迹吸引了大量的中外探险家和学者进行科考活动。但环境的恶劣使他们只能在沙漠的边缘进行一些探索,对沙漠内部尤其是巨大流动性沙丘所覆盖的沙漠腹地几乎没有什么认识。直至20世纪50～60年代,中国科学院治沙队首次对该区进行了系统地考察并借助航片的分析和判读,80年代初编制出第一张塔克拉玛干风沙地貌图和进行相应的研究[2～5]。但对风沙环境的研究主要是借助沙漠边缘的资料加以分析和推断。80年代后期至90年代初,中外学者进行了一系列对塔克拉玛干沙漠的考察活动,并取得了一些相应的成果。近10a来,随着在塔里木盆地内石油、天然气的开发和塔里木沙漠公路的建成通车,使沙漠腹地的沙丘形态和一些风沙环境特征得到进一步的认识。为对沙漠内部的风沙规律有一个比较系统的认识,笔者所在的课题组自1992年开始就分别在沙漠边缘的肖塘、中部的满参及沙漠腹地的塔中地区设立了气象观测站并进行系统的气象观测,取得了实地的观测资料,并进行了野外实地风沙观测。为阐明塔克拉玛干沙漠腹地风沙环境提供了基础资料和数据。1丘间走廊下天然沙丘沙区u本文所指塔克拉玛干沙漠中部部分地区以肖塘地区为起点,沿沙漠公路延伸至塔中地区以南大约100km,以沙漠公路为轴,东西宽度大约80～100km左右的区域(图1)。大致包括3个大的风沙地貌类型区:①塔里木河南冲积-淤积平原新月形沙丘及复合型新月形沙丘链区。以肖塘为起点,向南延伸大约55km的区域。下伏地貌完全属于古塔里木河冲积-泛滥平原。沙丘链中沙丘单体的走向为NW-SE,高度大致为5～20m,宽度200～800m,长度2～5km左右。其间广泛分布淤土平地、风蚀残台等地貌类型。新月形沙丘多分布于淤土平地上,处于发育的中期或初期,一般宽6～15m,落沙坡高1～3m;②满参北部穹状沙丘区。包括满参北部15km左右至南部约10km宽\,长度总共24km左右的地带。沙丘走向为NW\?SE,高度为20～60m,长度180～900m不等。丘间粗沙地上主要散布低矮的新月型沙丘单体和小型的沙丘链、红柳灌丛沙堆和风蚀残台等地貌类型;③沙漠腹地综合型线形沙丘区。自满参南部10km左右至民丰一带均属于这一区域,塔克拉玛干沙海综合型线形沙丘主要分布在这一区域,其分布面积占线形沙丘总面积的70%以上,形态特征也最为复杂。从北部往南部至沙漠中心,沙丘的高度由沙漠边缘的30m增至70～100m左右,长度也在增加,形态亦愈趋复杂。该地区沙丘的平均走向为N50°E-N60°E之间,且主要以NE坡为迎风坡侧。主要形态特征包括:迎风坡侧(NE坡)发育密集的新月形沙丘链,但其中一些沙丘单体呈现星状沙丘形态。单个沙丘体较为高大,但大小差异明显,平均高度在5～8m之间,沙丘宽度30～50m左右,迎风坡长20～80m,有明显的落沙坡,落沙坡长9～20m,走向总体上与综合型线形沙丘有10°～30°的交角。从脊线上看,主要发育密集的新月形、穹状和星状等沙丘形态,高度约10～20m,有明显的落沙坡,但朝向没有一定的规律,甚至与主风向完全反向。这反映出脊线上的风沙运动规律的复杂性。背风侧(SW)发育的沙丘从形态上说较为低矮,且主要分布于脊线以下250m宽度以内的区域,其走向与综合型线形沙丘基本平行或成10°以下的交角。整个综合型线形沙丘长度一般在4～10km,大致平行分布,走向并非平直,而带有一定的弯曲度。在一些区域,两综合型线形沙丘之间有连接和分叉,呈现Y型或H型。迎风侧长800～1500m,坡度较缓,从丘间走廊带的1°～2°过渡至8°～10°。背风侧较短,一般在250m以内,坡度较陡,为10°～20°。丘间走廊带宽800～3000m,其上发育较为密集的小型沙脊、简单线形沙丘和新月形沙丘等形态。其移动方向与合成输沙方向的交角在10°以下,从北往南,丘间走廊上的简单线形沙丘与综合型线形沙丘的交角由北部的10°～20°增至南部的30°～45°。2丘间地沙物质分布从粒度组成看,该区地表物质主要以细沙和极细沙为主(表1)。但3个类型带的粒径分布又有明显的差异。新月形沙丘区粒径集中分布在0.25～0.1mm的范围内,其基本含量在70%以上,不含>0.5mm的组分,平均粒径3.07Φ(0.119mm);穹状沙丘区和复合型纵向沙垅区则以0.1～0.05mm的沙物质占优势,其中风蚀强烈的丘间地有>0.5mm的组分,个别甚至含>2mm的细砾成分,但基本不含<0.005mm的粘土类物质,平均粒径为3.29Φ(0.102mm)。从北往南,流动沙丘表层物质逐渐变细。而从不同的沙丘部位上看,粒径分布亦不相同,落沙坡中部沙物质最细,细沙和极细沙的含量达99.68%,沙丘顶部次之,为92.65%,而丘间粗沙地粒径分布最广也最粗,中沙以上占28.37%,细沙和极细沙的含量仅占68.23%,平均粒径为2.69Φ(0.155mm),这说明丘间地风沙活动复杂。整个区域内平均粒径大于0.088mm。从粒度参数看,该区域内的沙物质分选性(б1)十分复杂,在0.27～1.996之间均有分布,其中以落沙坡中部沙物质分选性最好,沙丘顶部次之,丘间地上的沙物质分选性最差。从Sk值看,与风沙活动过程相一致,丘间地属极负偏,迎风坡底部和中部次之,落沙坡中部又次之,沙丘顶部则近似于对称分布。3沙风时间及强度的变化特征塔里木盆地西部为西风气流,东部被从盆地东北缺口入境的反气旋控制,常年处于东风风系的影响下。但由于周边地形影响和特殊的下垫面作用,发育了较强的地方性风系。因此,在不同的区域风况又存在显著的差异,并反映在风沙地貌类型和其发育的规模上。月、年平均风速不能直接用来衡量一个地区的风沙活动,要评价该区的风沙活动,必须统计各时段内的平均、极限风速等。此外,大风日、沙尘暴、扬沙和浮尘等天气过程也可以用来粗略地比较该区的风沙活动程度。从统计结果看,证实了前人的沙漠腹地沙尘暴高于边缘的结论。从时间序列上看,三地区起沙风频数最高为7月份,占全年的20%左右。起沙风均集中在4～9月份,大约占全年的90%以上,尤以5～7月份最为集中,占全年的50%以上。这与Carol.S.Breed等认为的塔克拉玛干沙漠风沙活动主要集中在春季这一结论颇不一致。从起沙风时间数和方位上的年变率看,起沙风时间数上肖塘地区的变率在10%左右,而塔中地区的变率则在15%。这反映出沙漠腹地由于特殊的下垫面性质可以产生强烈的地方性起沙风系或者叠加在外来风系上合成起沙风。从方位上看,沙漠腹地的起沙风方位更加集中,主要表现为偏东方位,而沙漠边缘地区则由于受周边地区绿洲的影响,而且沙漠边缘地区的植被盖度等远大于沙漠腹地,因此,在风沙地貌的走向上边缘地区表现得远比沙漠腹地凌乱。4沙流活动特征与沉积物形成的分析4.1沙流活动突出风沙流结构与地形、沙物质的粒度组成、矿物成分和下垫面性质等有很大的关系,但风的性质尤其是湍流和波动对风沙流结构有更大的影响。由于塔克拉玛干沙漠中部的绝大部分地区植被盖度在10%以下,下垫面主要为流沙,因此风沙流活动十分强烈。从风沙流的结构看(表2),各高度层内输沙百分率随高度的增加急剧降低,风沙流的沙通量主要集中在0～10cm,占总输沙通量的80%以上,弱起沙风主要从低层(0～10cm)输送沙物质,沙通量随高度的增加呈指数递减;而强起沙风上层(10～20cm)输送的物质明显增多,沙通量随高度呈幂函数递减,相对弱起沙风而言输沙率也显著增强,这表明风力作用愈强,风沙流中的沙物质向上跃迁,风沙活动的高度范围愈大。4.2沙区输沙量与风速的相关关系由于塔克拉玛干沙漠腹地特定的区域条件的差异,该区域内沙丘密度在0.6以上,虽然丘间地广布,但平坦流沙地少见,而且绝大多数被一层粗沙覆盖。因此,最大可能输沙量的计算应采用表3中的沙丘顶部输沙方程。5形态和移动速度6沙化的主要成因(1)起沙风和输沙强度的统计分析表明:自沙漠边缘至腹地,起沙风与输沙方向在逐渐向东偏转,与沙丘的移动方向大体一致。(2)从边缘至腹地,不同风沙地貌类型带上起沙风与输沙强度有明显的差异,并分别与该地区的风沙地貌形态相一致:沙漠边缘地区,沙丘体形态较小,因此其移动速度较快,并且体积处于增长阶段;而至沙漠腹地,沙丘体积较大,已处于动态平衡,输沙强度加大并不能使风沙地貌形态有明显的改变,沙丘向前运动缓慢。(3)从年起沙风和输沙强度及其方向上看,边缘地区的变率远较腹地小,腹地可以发育地方性风系并叠加在外来风系上形成起沙风,因此变率较大。此外,年输沙量和输沙方向并不完全一致;沙丘的运动方向与合成输沙方向有一个比较大的偏角。区域内每年的合成输沙方向也并不完全一致。(4)一般认为,沙丘形态的发育与主风向有密切的联系。单一主风向地区主要发育新月形沙丘及其体系,而线形沙丘的发育则主要与该地区发育两个主风向的起沙风系有关。但从塔克拉玛干沙漠中部地区的沙丘发育的形态看,与其并不一致