塔克拉玛干沙漠简单线形沙丘形态动力学过程研究

采样分析、风沙观测以及计算结果表明,在不同风向作用以及沙丘形态参数改变等因素的控制下,简单线形沙丘表面起动剪切速度有明显的差异。表面的气流强度随风向的改变而有所不同。气流与沙丘正交时迎风一侧的输沙率远大于背风一侧同地貌部位的输沙率,但当气流与沙丘走向斜交时,沙丘两侧同地貌部位的输沙率差异不是太大,这是线形沙丘在动力学过程中能保持其形态的最主要原因之一。风向的多变以及沙丘形态的变化使风沙流内边界层内随高度的风速与所观测的输沙率虽也表现为幂函数关系,但相关性较低。沙丘表面被输移的沙物质的粒度分布与下垫面物质组成有一定的差异,在中低强度的起沙风范围内,被输移的沙物质的平均粒径小于下垫面沙物质的平均粒径,且随风速或输沙率的增大,粒度组成也趋于统一。总体上,地表沙物质的输移仍是一随机过程。     

新月形沙丘迎风坡形态及沉积物对表面气流的响应

对孤立新月形沙丘迎风坡风速的野外实测和计算表明,沙丘迎风坡表面风速廓线呈非对数关系,近地面剪切风速和输沙强度由坡脚至丘顶总体呈递增趋势,但同时随断面坡度的增减而发生相应的变化;沿断面输沙率的变化导致蚀积强度的改变,表现为沙丘迎风坡坡度变缓的部位沉积大于侵蚀,其它部位侵蚀大于沉积,其中丘顶输沙率和侵蚀强度最大。在沙丘形态上,表现为坡度减缓的部位沉积变凸、其它部位因侵蚀变凹以及坡脚和丘顶的前移。变凸和变凹部位反过来又制约着表面剪切风速的相应变化。粒度分析也表明,沙丘迎风坡表面粒度特征主要取决于表面蚀积状况,同断面形态表现出密切的相关性。     

塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄间地新月形沙丘的逆向演变

通过对塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄间地新月形沙丘的形态变化、分布特征、移动特征进行测量,计算出沙丘移动输沙变化,证实该区存在新月形沙丘逆向演变。逆向演变过程的发生主要由于沙垄间地的高度不饱和风沙流和该区新月形沙丘较小的高度。高度不饱和风沙流形成于沙垄背风坡底到垄间地中部的加速过程和粗沙地表的作用,从沙垄底部到垄间地中部的粒度变化,风沙流垂直结构都有所反映。新月形沙丘为沙垄背风坡上覆沙丘脱离沙垄而成,高度在2m左右,该区次风向使新月形沙丘宽度减小以及粗沙地表在强弱风交替作用下增加沙丘移动过程中沙丘沙的滞留量都有利于沙丘逆向演变。     

库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面风速与输沙率的变异

以库布齐沙漠南缘典型抛物线形沙丘为研究对象,选取3个沙丘前端活动区的纵断面和一个贯穿两翼及翼间平地的横断面,同步观测各个断面的风速与输沙率,讨论抛物线形沙丘表面形态-动力学过程。结果显示,沙丘前端活动区3个纵断面的风速和输沙率遵循一般变化规律,即沿迎风坡上升逐渐增加,至丘顶及附近达到最大,并在背风侧降低;二者在3个纵断面上的变化趋势一致,但具体变化形式不同,沙丘表面动力与输沙过程存在较大的空间异质性。沙丘两翼具有纵向沙丘的动力学性质,翼体两侧风速和输沙率具有对称性。该沙丘沙源匮缺,前端活动区主要依靠两翼内侧侵蚀提供沙源。受沙丘形状和植被等因素影响,坡脚及坡下部风速与输沙率之间没有相关性,因此简单的风速放大率和输沙率变化程度无法准确揭示该类型沙丘表面复杂的形态-动力学关系。     

新月形沙丘表面风速廓线与风沙流结构变异研究

在风沙地貌学中,跃移沙粒与风场的耦合作用下,其最直观的表现形式为风速廓线和风沙流结构的变异。通过对塔克拉玛干沙漠腹地新月形沙丘迎风坡坡脚、沙丘顶部、沙丘的两个兽角前端、沙丘背风坡坡脚5个典型部位的风速廓线和风沙流结构进行了实地观测,并与参照点（丘间粗沙地）的风速廓线和风沙流结构进行了对比。发现受地形扰动作用,沙丘背风坡坡脚处和沙丘的两个兽角前端的风速廓线形式均呈现非对数形式分布。除迎风坡坡脚处风沙流结构与参照点处相似之外,其余各个部位风沙流均表现出不同于参照点的结构形式。直接采用曲线拟合方法对风沙流结构函数进行拟合,并针对有明显分段现象的风沙流结构形式,采取分段拟合,并对造成风速廓线和风沙流结构变异的原因进行了讨论。     

雅鲁藏布江米林宽谷段新月形沙丘粒度分异研究

雅鲁藏布江中游米林宽谷段阶地面上广泛发育带状延伸,由上段风蚀槽、中段过渡区和下段堆积区组成的风沙活动带。风沙活动带各段新月形沙丘表面沉积物粒度分析表明,沙丘表面沉积物总体为细沙、中等分选、极细偏、多峰,表面粒度分布模式多属丘顶最粗型。受沙源和分选距离的影响,沙丘沙粒度特征在风沙活动带内表现出一定的空间差异性,上段风蚀槽内发育的沙丘规模小,粒径细,分选差,极细偏,多峰;中段和下段沙丘表面沉积物粒径变粗,分选变好,正偏转向近对称,多峰转为单峰。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙粒胶结体的粒度特征

对塔克拉玛干沙漠腹地沙粒胶结体进行溶蚀分散获取组成沙粒,采用激光粒度仪分析粒度成分,并与区域内沙丘沙、垄间平地沙和风沙流输沙的粒度特征进行对比,分析沙粒胶结体的粒度特征。结果表明：（1）沙粒胶结体中沙粒粒径呈多峰态分布,垄间平地沙呈双峰态分布,而沙丘沙和风沙流输沙呈单峰态分布;（2）沙粒胶结体内沙粒分选性较差,偏度属正偏,平均粒径（3.17 Φ）介于沙丘沙（3.10 Φ）和垄间地沙（3.28 Φ）、风沙流输沙（3.67 Φ）之间;（3）沙粒胶结体中沙物质主要组分为细沙和极细沙,与沙丘沙、垄间平沙地沙一致,而与风沙流输沙（极细沙和粉沙）不一致。与沙丘沙、垄间平地沙以及风沙流输沙相比,沙粒胶结体中粉沙、黏土和中沙相对富集,是现代地表物质的混合物;（4）与沙丘沙、垄间平地沙和风沙流输沙相比,沙粒胶结体内沙粒的蠕移-跃移、跃移-悬移截点粒径均偏细,蠕移组分所占比重很高。从组成颗粒的粒度组成来看,沙粒胶结体的形成受局地沙源和风动力的共同影响,是特殊环境条件下现代地表过程的产物。     

敦煌月牙泉景区沙丘粒度特征

对月牙泉外围沙山表面沉积物进行系统采样,结合区域风况,分析了沙山典型部位的粒度分布及其参数特征。月牙泉北侧金字塔沙丘沙粒较粗,分选性较差,正偏趋势显著;月牙泉南侧线形沙丘以细沙为主,分选性较好,分布属正偏态。北侧金字塔沙丘从西南和西北两个坡面到东侧坡面,粗颗粒减少、分选性变好,但趋势不明显,说明金字塔沙丘未发生明显移动;而南侧线形沙丘自南侧坡面向北侧坡面沙粒粒径变小、分选变好,较细的沙粒被搬运并沉积北侧坡面,搬运作用十分明显,即线形沙丘向月牙泉方向发生明显移动。通过粒度分析风沙动力环境表明,月牙泉风沙危害主要来自南侧沙山北移。     

雅鲁藏布江米林宽谷段爬升沙丘粒度分异特征研究

雅鲁藏布江米林宽谷段爬升沙丘分布广泛。选择卧龙镇西侧雅鲁藏布江右岸典型爬升沙丘,根据沙丘爬升高度和叠置沙丘地貌部位对其表面沉积物进行了系统采样。作为河谷风沙地貌的重要组成部分,相应采集了河漫滩、阶地沙丘沙样品。粒度分析表明,爬升沙丘对河漫滩沙丘、阶地沙丘在物源和形成过程方面具有继承性,其表面沉积物以细沙和极细沙为主(2.07～3.71Φ),分选中等或较好(0.20～1.41Φ),细偏,多峰。由坡脚向丘顶的沉积物粒径变细,分选变好,偏度和峰度降低。爬升沙丘表面叠置沙丘的粒度向丘顶变粗、分选变好。细沙、极细沙等粒级组分与高度相关,反映颗粒爬升能力不同。叠置条带状沙丘脊部和槽部的粒度存在分异。     

半隐蔽式草方格沙障凹曲面形成的流场解析及沉积表征

利用野外风沙观测、沉积物粒度分析和等比例实体草方格风洞流场模拟,解析了草方格沙障内部凹曲面形成的风沙流场过程。草方格分别作为疏透沙障和地表粗糙元对贴地层和近地层风沙流具有不同的影响：床面蚀、积分布和方格中心凹曲面的形成发展,以及沉积物粒度变化,取决于草带之间的贴地层流场分布格局以及草带对风沙流中固体物质的截留;近地层风力普遍受到草方格粗糙元的削弱,促进了沙面稳定。高风速下输沙率垂向分布的“象鼻”结构,体现了草方格对促使风沙流结构变异、形成和维持草方格凹曲面的重要性。沙丘不同部位草方格沉积物粒度分布模式不同,显示沙丘部位也是影响草方格内部流场的一个因素,以迎风坡中部最有利于方格内凹曲面的形成。     

新月形沙丘表面100cm高度内风沙流输沙量垂直分布函数分段拟合

为研究新月形沙丘表面不同层位风沙流输沙量的垂直分布函数,实测了塔克拉玛干沙漠腹地典型新月形沙丘表面100 cm高度内(以1 cm分隔)的输沙量。分段拟合分析表明:新月形沙丘迎风坡脚输沙量垂直分布规律不完全服从指数函数,出现与戈壁风沙流结构特征相似的"象鼻效应",在0~3 cm区间内输沙量逐渐增大,3cm以上输沙量随高度呈指数函数衰减;沙丘顶部0~10 cm区间输沙量随高度呈指数函数衰减,10 cm以上呈二次函数衰减;沙丘左翼端输沙量随高度呈幂函数分布,沙丘右翼端0~20 cm内以指数函数衰减,20 cm以上呈三次函数衰减;沙丘背风坡脚风沙流输沙量在0~60 cm和60 cm以上分别呈不同形式的三次函数分布。     

Wind velocity and sand transport on a barchan dune

We present measurements of wind velocity and sand flux performed on the windward side of a large barchan dune in Jericoacoara, northeastern Brazil. From the measured profile, we calculate the air shear stress using an analytical approximation and treat the problem of flow separation by an heuristic model. We find that the results from this approach agree well with our field data. Moreover, using the calculated shear velocity, we predict the sand flux according to well-known equilibrium relations and with a phenomenological continuum saltation model that includes saturation transients and thus allows for nonequilibrium conditions. Based on the field data and theoretical predicted results, we indicate the principal differences between saturated and nonsaturated sand flux models. Finally, we show that the measured dune moves with invariant shape and predict its velocity from our data and calculations.     

乌兰布和沙漠东北缘地表风沙流结构特征

在国家林业局磴口荒漠生态站长期监测的基础上,利用多种积沙仪,对乌兰布和沙漠东北缘流动沙丘、油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘5种典型下垫面近地面（0～100 cm）的风沙流输沙量进行了实地观测和对比分析。结果表明：（1） 输沙率（q）随高度（h）增加呈幂函数（q=ah^-b,R²≥0.8409）规律衰减,随风速（v）增大呈幂函数（q=av^b,R²≥0.9256）规律增加,42.8%～70.7%的输沙量分布在10 cm高度内,67.6%～90.0%的输沙量分布于30 cm高度内。当地表植被盖度达到40%以上时,输沙率下降至无植被覆盖地表输沙率的6.6%以下,可有效阻止地表风蚀。（2） 沙物质主要由粒径为50～250 μm的细沙和极细沙构成,各高度层风蚀物粒度组成服从单峰态分布,峰值在100～250 μm。随高度增加,风蚀物粒径范围趋于变窄,粒径趋于更细。（3） 起沙风多出现在WSW和NW方向,占全年起沙风的53.19%。风沙流中跃移输沙、蠕移输沙的空间分布在理论上应与风向频率分布基本一致,差异性主要由各方位风的强度和持续时间等因素导致。研究结果可为该区域防沙工程设计提供理论参考。     

沙丘形态及表沙粒度特征对风况和地表植被变化的响应

以毛乌素沙地3种沙丘（新月形沙丘、抛物线形沙丘和反向沙丘）为研究对象,对其形态、表沙粒度特征和区域风况进行了量化分析,探讨了沙丘表沙物理运动过程及其形态对外界条件（风况和地表植被）变化的反馈,揭示了沙丘表沙粒度特征对不同沙丘形态的响应机制。结果表明：新月形沙丘表沙平均粒径由迎风坡底部向顶部逐渐变小,分选呈现逐渐变好趋势, 但粒径较小和分选较差的表沙样出现在沙丘迎风坡中部。随着地表植被覆盖度的增加,新月形沙丘逐渐向抛物线形沙丘转变,近地表输沙能力和沙丘上风向沙源的供应同样受到限制,致使抛物线形沙丘由迎风坡底部向顶部呈现表沙平均粒径变大,而分选逐渐变好的趋势。毛乌素沙地内季节性风况（春季盛行强劲西北风,夏季盛行较弱东南风）的变化不仅促进了反向沙丘的发育,并且重组了西北盛行风影响下的表沙粒度特征。在夏季反向风风蚀的作用下,沙丘落沙坡顶部出现反向堆积和脊线反向移动的现象,同时其顶部呈现平均粒径由小变大、分选逐渐变好的趋势。     

新月形沙丘维持相对稳定的两种过程

新月形沙丘顶部稳定性是风沙地貌学尚未解决的科学问题。研究新月形沙丘的顶部稳定性,对于绿洲边缘风沙运动规律揭示、防沙工程建设和沙区生态环境保护等具有重要的现实意义。选择民勤沙区新月形沙丘,通过测定沙丘各部位风速、风蚀风积和粒度等,分析了新月形沙丘顶部稳定机理。主风向（NW）作用是新月形沙丘最高点与沙脊线重合、沙丘前移和高度降低的过程;反向风（SE）作用是沙丘最高点与沙脊线分离、沙丘背风坡风蚀与沙丘增高的过程。由于研究区以NW风为主,新月形沙丘沿NW-SE方向前移,SE风只能风蚀减缓沙丘背风坡的坡度。人为干预将会阻止或减少从迎风坡向沙丘顶部输送沙量,使得新月形沙丘背风坡尤其是背风坡上部风蚀过程增强,新月形沙丘逐渐过渡为抛物线形沙丘。     

库姆塔格沙漠羽毛状沙垄风沙活动强度特征

以库姆塔格沙漠腹地的羽毛状沙垄为床面,通过风季实地观测与分析,研究了羽毛状沙垄的近地面风况、粒度特征及风沙流结构等。结果表明:羽毛状沙垄近地面风况具有明显的季节性,冬季盛行东风,其他季节盛行东北风;全年平均风速5.94 m·s-1,大于起沙风频率占总量的46.76%;新月形沙垄粒度变化在1.22～1.86之间,分选较好,垄间沙埂粒度变化在1.35～2.11之间,风选属于中偏差;随着风速的增大,地面以上0—2 cm高度层所含沙量有明显减少的趋势,2—20 cm所含沙量有增加的趋势,0—20 cm所含沙量占总输沙量的92.28%以上;在地面以上0—40 cm高度内,输沙率同2 m高处1 min平均风速为幂函数关系,不同性质的地表对输沙率有较大的影响;羽毛状沙垄的风速变化表现为新月形沙垄和垄间沙埂不同部位气流的增速和减速,风向变化表现为同风场下沙垄与沙埂风向夹角的存在。     

Field measurement and scaled-down wind-tunnel model measurement of airflow field over a barchan dune

Airflow is measured over a barchan dune in the field and over a scaled-down model in a wind tunnel. The change of the flow speed over the stoss side is represented by the change of speed-up ratio. According to the field measurement, the wind profiles within 0-3m above the stoss can be divided into two segments. The lower segment, about 0.66 m thick, is the inner-boundary layer, within which the friction velocities derived from the wind profiles increase from the upwind inter-dune region to the upper stoss, and then decrease near the dune top. This change, together with the changes of airflow field, speed-up ratio and sand flux, is related to the morphological change and contributes to the stable shape and height of a barchan dune. In the wind tunnel, airflow varies in a similar way as in the field, with the speed-up ratios constantly higher than 1.0 and increasing along the stoss slope. While the segmentation of wind profiles also occurs in the wind tunnel, friction velocities derived from the wind profiles decrease along the stoss, indicating a very thin inner-boundary layer above the wind tunnel model where the detailed wind-speed change becomes difficult to measure using the present instruments.     

Dynamic processes of a simple linear dune—a study in the Taklimakan Sand Sea, China

Samples of dune sands, surveys of the morphology and field measurements of wind velocity and direction of a simple linear dune in Taklimakan Sand Sea show that the airflow and sand flux vary with the change of wind direction on the dune surface. Decrease of the airflow stress on the lee flank does not result in much decrease of the sand flux because of the low threshold shear velocities and the airflow conditions. There are no significant relations between the sand flux on the lee flank and the angle of incidence of the airflow. The low threshold shear velocities and the maintenance of the sand flux at the lee flank are the main mechanisms keeping the linear shape of the dunes. Measurements of the sand flux shows that it reaches a maximum on the crest of the dune. The grain size of the transported sands has some differences compared to that of the dune surface. The sands transported are finer than that on the dune surface, but better sorted under the influence of the medium to low wind activity. The field experiment results exhibit that it is possible for the dunes to be shaped as linear dunes during the processes of accumulation and elongation.