沙丘风蚀坑的形态及动力过程的研究进展

随着风沙活动对全球变化的响应研究不断深入,沙质海岸、湖岸和半干旱区草原环境中不同程度植被覆盖沙丘及其风蚀坑的动态得到了广泛的重视。本文对沙丘风蚀坑的形态及动力学特征的研究成果作了初步总结,着重阐述了沙丘风蚀坑内气流场、沙粒输移和蚀积变化。最后,提出了沙丘风蚀坑研究巾存在的问题和主要研究趋势。     

呼伦贝尔沙质草原风蚀坑研究（1）——形态、分类、研究意义

采用野外调查和测量、航片判读、室内制图、统计分析等方法对呼伦贝尔沙质草原典型地带的风蚀坑及坑后风沙沉积进行了研究。发现:①风蚀坑是由一个沙坑和坑后沙丘共同组成,两者具有一一对应关系;②风蚀坑和坑后沙丘可以根据形态特征、发展阶段、诱发原因进行分类;③呼伦贝尔三大沙带均由风蚀坑洼地及其坑后沙丘和背景沙质草原组成;④沙质草原风蚀坑的发生与人类活动关系密切,为气候干旱化与人类大范围强度活动干扰土层相耦合的环境事件所造成。该研究对沙质草原沙漠发生学,沙质草原地貌演化和沙漠化监测研究具有科学意义,对草原合理利用和沙漠化防治具有现实意义。     

共和盆地高寒草原风蚀坑表层沉积物粒度特征及动力学意义

风蚀坑是高寒地区草原沙漠化的起点,气流对坑内沙物质的侵蚀、搬运和堆积为沙漠化进程提供了重要的物源。以共和盆地龙羊峡水库上游黄河阶地高寒草原上不同发育阶段的风蚀坑为研究对象,通过分析表层沉积物的粒度组成特征,比较风蚀坑表层沉积物粒度组成随坑体形态和地貌部位的变化趋势,探讨风蚀坑内沉积物的粒度分异在其形成演化过程中的动力学意义。结果表明：风蚀坑表面沉积物来源主要是古风沙沉积物。尽管研究区风蚀坑空间尺度相差很大,但因为动力学过程的相似性,沉积物粒度变化依然在宏观尺度上表现出了一致性。随着风蚀坑面积扩大,在积沙区迎风坡的中下部以及坑底部位粗沙、极粗沙成分显著增多。与此同时,沉积物分选性变差,表层沉积物分布模式由单峰态渐趋向多峰,粒度参数变幅明显增大。受盆地内盛行风以及坡向影响,风蚀坑两侧侵蚀壁受侵蚀程度差异明显,东北壁受到了更强的风力掏蚀且分选性更好。沉积物粒度分析作为风沙地貌学的基础性工作,也为高寒草原风蚀坑的发育演变、空气动力学过程等后续研究提供了基础参数。     

呼伦贝尔沙质草原风蚀坑研究（Ⅱ）:发育过程

沙质草原风蚀坑的发育过程主要有以下几个阶段:风蚀裸地→土层破口→活跃发展风蚀坑→固定风蚀坑→消亡风蚀坑。固定或消亡的风蚀坑可能活化,并重新进入活跃发展阶段。地貌发育则相应地经历典型草原景观→沙漠-草原景观→沙地-草原景观的总体演变过程。风蚀坑的发展有极限控制。但是各类沙丘的固定非常困难,有向大规模典型沙漠景观发展的高度危险。风蚀坑的形成发展和植被的演替将平坦单调缺水的典型草原改造成地形起伏多变,并有星散分布的风蚀坑湿地点缀其间、植被类型丰富多样的乔、灌、草相结合的沙地疏林草原。因地制宜地保护和利用沙质草原,可以保持其生态系统不致恶化并促进其不断优化。     

沙质草地碟形风蚀坑形态气流相互作用

 呼伦贝尔沙质草地碟形风蚀坑长轴走向呈WNW-ESE。野外观测结果表明,风向与碟形风蚀坑长轴走向关系决定了风蚀坑内部的气流模式,右斜交与垂直气流促使风蚀坑横向扩展与深挖,平行与左斜交气流有利于侵蚀区内部沙物质的向外输送并导致风蚀坑沿长轴向延伸。右斜交及垂向气流在碟形坑南缘产生顺时针向的垂直轴涡流,而平行与左斜交向气流在西北缘产生逆时针向的垂直轴涡流。沿长轴向,气流进入风蚀坑边缘发生分离减速,在风蚀坑底部重新附着,沿出风段坡面开始加速上升至坑后沙丘顶部,在坑后沙丘背风坡气流发生扩散减速。在横断面或弧形断面气流以单增或单减的形式存在。观测期间风蚀坑总体上以堆积作用为主,区域风能大小决定了蚀积作用强弱,而输沙方向与风蚀坑长轴向夹角决定蚀积空间分布格局。     

科尔沁沙地西部响水河河水与其河岸相互作用的初步研究

近年来,半干旱地区的风水相互作用正成为风沙地貌研究的新热点,为探讨科尔沁沙地西部响水河河水与其河岸间的相互作用,通过对科尔沁沙地西部响水河的3个典型河段的6个断面的断面形态、流速进行现场实测,同步采集了31个水样,然后在室内对其泥沙含量进行测试,并推算断面流量。结果表明：由南向北3个河段瞬时流量和泥沙含量呈递增的趋势,集水效应十分明显;该河丰水期水量较为丰沛,河流与河岸间的相互作用明显且活跃,主要存在河水掏蚀河岸陡坡等5种相互作用的方式;当下风向陡岸弯道的法线方向与当地盛行风向一致时,气流发生明显汇聚,侵蚀加强,形成风蚀槽,且当风蚀槽接近谷底时,又为曲流的摆动创造了有利条件;河流受到沙丘前移的压迫与下风向河谷陡坡的阻挡,曲流较为发育但不完美,属于非自由曲流。     

风蚀坑形态-动力学研究进展

风蚀坑是沙质海岸、湖岸及干旱、半干旱区沙质草原地区受风蚀作用形成的洼地。受风蚀坑地形的影响,坑内气流的风速、风向发生了变化,通过输沙过程的局部差异改变了风蚀坑的蚀积格局,并对风蚀坑形态进行改造。而形态的变化又反作用于近地表气流,由此产生风蚀坑形态-动力学的响应与反馈。总结并扼要评述国内外近年来风蚀坑形态-动力学及其发育演化方面的研究进展,分析现有研究的不足,以期对今后此类研究提供借鉴。     

台特玛湖干涸湖盆两种典型风蚀坑的三维流场特征及对风蚀的影响

台特玛湖干涸湖盆区风蚀沙漠化快速发展,发育了以新月形沙丘和风蚀坑（主要为槽状坑和碟状坑）为主的风沙地貌。风蚀坑的发育不仅受来流风影响,还与坑内三维流场有关。基于风洞实验和计算机流体力学（Computational fluid dynamics, CFD）数值模拟,对风蚀坑三维流场进行了探究。结果表明：（1） 从入风侧到出风侧,槽状风蚀坑和碟状风蚀坑底面的风速均呈减速—加速—减速—加速的变化模式,上口所在水平面的风速变化呈加速—减速—加速变化模式,上口气流压强也相应地发生变化,槽状风蚀坑和碟状风蚀坑整体呈低压—高压—低压变化模式,其中槽状坑变化更为明显。（2） 两种形状风蚀坑对气流均具有一定的吸附效应,使坑外一定范围的风沙流被吸入坑内,聚集能量和风沙流,加剧风蚀坑风蚀发育。（3） 风蚀坑加剧了地表侵蚀,侵蚀程度与风蚀坑尺度有关,风蚀坑尺度越大,对地表侵蚀越强。本文直观展示了两种典型风蚀坑中的三维速度、压力、风沙流流向分布,揭示了风蚀坑的风沙流吸附机制,研究结果可加深对风蚀坑形态动力学的理解,也可为内陆干涸湖盆沙漠化防治提供理论指导。     

呼伦贝尔沙地风蚀坑粒度特征及其环境意义

对呼伦贝尔沙地现代风蚀坑表层沙质沉积物与坑后沙丘垂直剖面沉积物进行了粒度分析,讨论了坑后沙丘剖面的形成过程及风成沙粒度变化的原因。结果表明：呼伦贝尔沙地风蚀坑表面及坑后沙丘剖面沉积物粒径以细沙和中沙为主;风蚀坑表面沉积物粒径及分选参数在风蚀坑各部位呈现波动式变化;平坦草地上的现代土壤与坑后沙丘下伏古土壤为同一层。基于粒度和沙丘移动过程综合分析,认为坑后沙丘剖面中风成沙粒度的垂向变化与沙丘在堆积和移动过程中剖面在坑后沙丘相对位置的变化具有紧密联系,密集采样得出的剖面中风成沙粒度的垂向变化是否能直接指示区域气候环境变化值得商榷。     

Origin and evolution of playas and blowouts in the semiarid zone of Tierra de Pinares (Duero Basin, Spain)

A large number of blowouts and playas occur in the marginal sectors of the aeolian deposits located in the southern sector of the Duero Depression (Tierra de Pinares) in Spain. The blowouts are relict landforms that were developed on sand sheets by deflation during dry periods with lower vegetation cover and a deeper water table. The studied blowouts form complexes of NW–SE and NNW–SSE elongated hollows with accompanying dunes up to 4 km long in the leeward margins. Some hollows host lakes or swampy areas related to a shallow water table. The dunes formed by NE–ENE winds show steep windward slopes and gentle leeward slopes. The studied playas, with prevalent NNW–SSE orientations, result from the aeolian excavation of terrace deposits and the underlying marly bedrock. It is probable that the formation of these depressions in an initial stage was related to deflation processes affected preferentially NNW–SSE sandy channels perpendicular to the dominant wind direction. The precipitation of salts in the playas generates aggregates of clay particles (peloids) that are easily removed by the wind. Once the bottom reached the substratum, the deepening of the depressions progressed by the deflation of particles produced by weathering of the argillaceous bedrock.     

浑善达克沙地东南缘固定沙丘风蚀坑动态变化

浑善达克沙地沙漠化主要以风蚀坑发育导致的固定沙丘活化为表现形式。利用2010、2013、2016年3期高分辨率卫星影像数据及地面调查数据,借助ArcGIS软件,采用目视解译方法,分析探讨了风蚀坑形态变化及其与气候要素和人类活动之间的关系。根据风蚀坑在固定沙丘发育部位及几何形状,可分为碟形、碗形、槽形、簸箕形和不规则形。2010—2016年,各类风蚀坑变化形式以扩展和新生为主,风蚀坑总面积及数量趋于增加,2010—2013年坑体面积增长了6.74 hm²,新生11个;2013—2016年面积增加了4.89 hm²,新生7个。在人类活动干扰减小的背景下,风蚀坑的发展主要受气候要素变化的影响,其中风速及输沙势的减小对风蚀坑而言,只是起到了减缓作用。风蚀坑形态本身也是其主要影响因素。     

呼伦贝尔沙质草原碟形风蚀坑表面气流及其意义

呼伦贝尔沙质草原风蚀坑发育于宽单峰中能风况环境,是该区主要风沙地貌类型。对碟形坑表面气流的观测结果显示,气流进入风蚀坑后,在入风口扩散,风速开始降低至坑底达到最低;在坑后缘出风口汇集形成急流,风速剧增至坑后积沙顶部风速达到最高值。风蚀坑后缘在风沙流的磨蚀作用下后退,风蚀坑顺风向扩展,同时此处较大的剪切风速和输沙率使大量来自坑内的沙物质沉积到坑后草地上呈扇状蔓延。呼伦贝尔沙质草原风蚀坑在来自西北、西和西南方向风的交替作用下,向东南、东和东北方向扩展而生成。随着风蚀坑深度和水平尺度的增加,最终可能沿强风能方向或合成输沙方向扩展成为大型的槽形坑。     

基于ALOS数据的浑善达克沙质草地风蚀坑空间格局及特征分析

以2008年的ALOS卫星多光谱波段（空间分辨率10 m）和全色波段（空间分辨率2.5 m）融合后的影像数据及地面调查数据为数据源,借助ArcGIS和Fragstats3.3软件,采用景观格局指数方法,从类型和斑块水平上定量分析了浑善达克沙质草地风蚀坑的空间格局和特征。结果表明,浑善达克沙质草地风蚀坑面积占景观面积的6.1%,密度为0.026个·hm-2,分布范围广且呈局部聚集分布;根据不同发育阶段,风蚀坑形状分为碟形、椭圆形、槽形和不规则形;风蚀坑斑块面积与形状指数、分维数之间存在显著正相关关系,面积的增加,可使风蚀坑形状复杂化趋势明显。复杂形状风蚀坑主要由若干个独立的风蚀坑扩大并联结形成;相对于宽度与深度,风蚀坑面积与长度间存在更显著正相关;浑善达克沙质草地风力侵蚀基准面较高,风蚀坑深度一般不超过5 m;风蚀坑长度与宽度之间、宽度与深度之间存在相互制约关系。     

黄河上游玛曲地区风沙地貌的类型及其分布

 玛曲草原是著名的高原牧场,也是黄河上游重要的水源涵养地,通过卫星影像分析和实地观测数据,对其风沙地貌进行分类,以期为沙化草地治理提供参考。玛曲沙化草地的风沙地貌可分为4级17类。横向沙丘(新月形沙丘)主要分布在河岸和黄河的一级或二级阶地上,单个的新月形沙丘最大高度可达12 m, 64%的新月形沙丘迎风坡走向与当地起沙风向一致。分布在古河道或古三角洲的流动和半流动纵向沙丘(沙垄)高度小于3 m,51%的沙垄走向与当地起沙风向相同。低山上的沙垄和沙片出现在山顶或其阳坡,地形过渡带形成风蚀坎。风蚀洼地与固定和半固定沙地伴生,60%左右的风蚀洼地横切面为不规则椭圆和马蹄形;其深度与长轴呈正比例函数关系。古(现代)沉积物提供了丰富的沙源,大风、冻融、土层的岩性差异、脆弱的植被、人类过渡干扰和微地形促成了玛曲草地沙化和风沙地貌分异。通过对风沙地貌分类、分析,提出了以保护草皮免受破坏,为防止玛曲草地沙化的主要措施。     

乌兰布和沙漠流动沙丘风蚀空间分布规律及其影响因素

为科学治理黄河乌兰布和沙漠沿岸风沙入黄问题,以该河段风沙危害严重的刘拐沙头流动沙丘为研究对象,开展沿岸沙丘风蚀与沉积规律及其影响因素研究。结果表明：（1）沙丘不同部位风蚀与沉积存在差异,与风速在沙丘的空间分布相关。迎风坡坡脚、坡中以风蚀为主,风蚀速率分别为1.07、1.31 cm·d^-1;坡顶风蚀和沉积交替进行,风蚀速率2.16 cm·d^-1,沉积速率1.36 cm·d^-1;沙丘背风坡受反向气流影响以沉积为主,沉积速率2.19 cm·d^-1,风蚀主要出现夏秋季节反向风时期;丘间地受上风向沙丘阻挡的影响,一般以沉积为主,平均沉积速率0.12 cm·d^-1。丘间地净风蚀量与背风坡显著差异（P<0.05）,但与坡脚、坡中和坡顶差异不显著（P>0.1）;背风坡净风蚀量与坡脚、坡中和坡顶极显著差异（P<0.01）。从总风蚀速率来看,风沙活动活跃强度排序：坡顶 > 背风坡 > 坡中 > 坡脚 > 丘间地。（2）冬春季节风蚀与夏秋季节存在显著差异（P<0.05）,风力和降水的季节性差异是造成风蚀季节性差异的主要因素。研究结果可为沿岸流动沙丘风沙入黄防治和完善黄河沿岸风沙防护体系提供参考。     

Phases of blowout initiation and stabilization on Padre Island revealed through ground-penetrating radar and remotely sensed imagery

Abstract

Blowouts cover a large section of North Padre Island, Texas, and have previously been associated with overgrazing and vehicles driving between the low water line and the toe of the foredune. In the current study, the evolution and migration of 18 blowouts within Padre Island National Seashore are tracked using aerial photographs and satellite images since 1969. Representative active and stabilized trough blowouts are also examined using ground-penetrating radar surveys and remotely sensed imagery to identify the phases of blowout initiation and stabilization between 1969 and 2010. At least five distinct phases can be identified in the radar surfaces and facies of the active blowout, including both the stabilization and reactivation of the blowout throat, whereas only four phases can be identified in the surfaces and facies of a blowout that completely stabilized in 2010. Results suggest that blowout evolution on Padre Island is episodic and is initiated by the opening and closing of the blowout throat during periods with elevated storm surge. The lack of reflectors at depth is evidence that the development of blowouts on Padre Island is a relatively new phenomenon initiated by overgrazing and maintained by compaction of the beach and backshore by vehicles.     

A wind tunnel simulation of the dynamic processes involved in sand dune formation on the western coast of Hainan Island

The western coast of Hainan Island exhibits a savanna landscape. Many types of sand dunes, including transverse dune ridges, longitudinal dune ridges, elliptical dunes, coppice dunes, and climbing dunes, are widely distributed in the coastal zone. In winter, high-frequency and high-energy NE winds (dominant winds) are prevalent, with a resultant drift direction (RDD) of S35.6°W. In spring, low-frequency and low-energy SW secondary winds prevail, with a RDD of N25.1°E. Wind tunnel simulations revealed that the airflow over the dune surface is the main factor controlling the erosion and deposition patterns of dune surfaces and the morphological development of dunes. In the region's bidirectional wind en-vironment, with two seasonally distinct energy levels, the airflow over the surface of elliptical dunes, barchan dunes, and transverse dune ridges will exhibit a transverse pattern, whereas the airflow over longitudinal dunes ridges exhibits a lateral pattern and that over climbing dunes exhibits a climbing-circumfluent pattern. These patterns represent different dynamic processes. The coastal dunes on the western coast of Hainan Island are influenced by factors such as onshore winds, sand sources, coastal slopes, rivers, and forest shelter belts. The source of the sand that supplements these dunes particularly influences the development pattern: when there is more sand, the pattern shows positive equilibrium deposition between dune ridges and dunes; otherwise, it shows negative equilibrium deposition. The presence or absence of forest shelter belts also influences deposition and dune development patterns and transformation of dune forms. Coastal dunes and inland desert dunes experience similar dynamic processes, but the former have more diversified shapes and more complex forma-tion mechanisms.     

库布齐沙漠南缘沙丘固定与活化过程中的形态演变

以1998-2014年5期库布齐沙漠南缘的遥感影像为主要数据源,结合野外调查分析了沙丘固定与活化过程中的形态演变,探讨了区域风况和降水等气象要素对沙丘固定与活化及形态演变的影响。结果表明：研究区沙丘随降水量的年际波动经历了固定-活化-再固定3个阶段。监测初期的片状流动沙丘演变为大型抛物线形沙丘并得以固定,固定的抛物线形沙丘以发育风蚀坑形式活化,进而形成多个抛物线形沙丘,最后这些沙丘又被植被固定,沙丘形态趋于更加复杂。但在此过程中,风的作用并不显著.研究区抛物线形沙丘既可起源于新月形沙丘或片状流沙,也可由风蚀坑发育而成,其中植被作为沙丘的重要组成部分,起着重要作用。同时发现在抛物线形沙丘移动过程中,当背风坡发育滑落面时,沙丘的移动最快。     

海岸沙丘形态对台风响应的初步观测

基于2014年第10号强台风“麦德姆”登陆前后福建平潭岛海岸前丘、爬坡沙丘、横向沙丘和沙席等海岸沙丘形态的高精度测量数据,分析了典型海岸沙丘在台风登陆前后的形态变化,初步总结了华南海岸风沙地貌形态的台风响应模式。结果表明：4类典型海岸沙丘在台风“麦德姆”登陆前后的形态变化较大且主要是以体积减小和沙丘高度降低为主,测点高程的平均变化值为0.22 m,样区海岸沙丘体积平均减小0.59%,测点高程变化的平均值为高度降低0.05 m,但不同类型海岸沙丘及其不同部位的响应变化并非一致且存在较大差异,此与台风“麦德姆”的强侵蚀力及不同海岸沙丘的形态及其下伏地形、表面植被分布等的差异有关。     

海南岛西海岸沙丘形成动力过程的风洞模拟试验

The western coast of Hainan Island exhibits a savanna landscape. Many types of sand dunes, including transverse dune ridges, longitudinal dune ridges, elliptical dunes, coppice dunes, and climbing dunes, are widely distributed in the coastal zone. In winter, high-frequency and high-energy NE winds (dominant winds) are prevalent, with a resultant drift direction (RDD) of S35.6°W. In spring, low-frequency and low-energy SW secondary winds prevail, with a RDD of N25.1°E. Wind tunnel simulations revealed that the airflow over the dune surface is the main factor controlling the erosion and deposition patterns of dune surfaces and the morphological development of dunes. In the region’s bidirectional wind en- vironment, with two seasonally distinct energy levels, the airflow over the surface of elliptical dunes, barchan dunes, and transverse dune ridges will exhibit a transverse pattern, whereas the airflow over longitudinal dunes ridges exhibits a lateral pattern and that over climbing dunes exhibits a climbing-circumfluent pattern. These patterns represent different dynamic processes. The coastal dunes on the western coast of Hainan Island are influenced by factors such as onshore winds, sand sources, coastal slopes, rivers, and forest shelter belts. The source of the sand that supplements these dunes particularly influences the development pattern: when there is more sand, the pattern shows positive equilibrium deposition between dune ridges and dunes; otherwise, it shows negative equilibrium deposition. The presence or absence of forest shelter belts also influences deposition and dune development patterns and transformation of dune forms. Coastal dunes and inland desert dunes experience similar dynamic processes, but the former have more diversified shapes and more complex formation mechanisms.