沙丘动力学数值模拟研究方法综述(Ⅱ):沙丘形成演变模拟

沙丘形成与发育过程强烈依赖于初始动力条件及地表特性。沙丘动力学数值模拟方法可以充分考虑其形成所依赖的这些初始条件,实现对沙丘场形成演变及沙丘间的相互作用过程和未来发展进行定量模拟和预测,是研究沙丘的一种及其有效途径。本文主要介绍了沙丘形成发育动力学数值模拟研究工作所采用的方法及所取得的主要成就。     

旱麻岗沙漠风沙地貌发育与演化

旱麻岗沙漠位于腾格里沙漠南部,是腾格里沙漠的重要组成部分。目前对该沙漠几乎没有研究。旱麻岗沙漠最主要的地貌是风沙地貌和流水地貌,且近似南北方向平行相间排列。该沙漠主要的沙丘类型有新月形沙丘链、反向沙丘和灌丛沙丘,其中新月形沙丘链和反向沙丘分布在海拔相对高的区域,且呈条带状分布,而灌丛沙丘主要分布在冲沟内。旱麻岗沙漠的起沙风主要为西北风,其次为东南风。风能环境属于低等风能环境,合成输沙方向为282°~331°,方向变率为中等变率。流动沙丘表面平均粒径最大,其次为结皮下层和结皮表层;分选性与平均粒径有相似的规律。石羊河流域、祁连山东端的冲积-洪积物和湖相沉积为旱麻岗沙漠的形成与演化提供了重要的沙源。根据野外考察,结合以往研究成果,该沙漠的形成与演化可以概括为以下几个阶段:大湖期;湖水干涸期,在退水过程形成近似平行排列的小冲沟;沙漠形成与扩张期,流动沙丘覆盖整个区域;沙漠萎缩期,降雨量增加,沙漠萎缩,平行排列的冲沟宽度和深度增加,冲沟内的流沙随流水冲向下游,而冲沟间的沙丘仍然保留在原来的位置,形成现代的地貌格局。     

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。     

基于MATLAB平台的遥感影像沙丘脊线提取与地貌格局表征参数计算

随着现代科学技术的发展,遥感影像为区域风沙地貌形态的研究提供了可靠的资料。近年来,有地貌学者提出了沙丘地貌格局分析法,通过在遥感影像上绘制沙丘脊线,量测和计算得到沙丘地貌格局表征参数,分析沙丘概率分布和空间变化规律、影响因素及形成时间。本文选取腾格里沙漠典型横向沙丘区域为研究对象,发展基于MATLAB平台的遥感影像沙丘脊线提取方法,利用沙丘迎风坡与落沙坡在遥感影像中成像的灰度差异, 对沙丘的沙脊线进行提取, 继而获得沙丘脊线长度、沙丘间距、走向、缺陷密度等沙丘地貌格局表征参数。结果表明,该方法快捷、可靠,为沙丘脊线的绘制提供了一种新方法。     

基于倾斜摄影技术的戈壁灌丛沙丘形态反演及其对粉尘释放研究的意义

灌丛沙丘是广泛分布于西北干旱区的风沙地貌。戈壁上发育的灌丛沙丘在戈壁沙尘释放和固沙能力方面具有重要的指示意义和应用价值。本研究采用倾斜摄影技术对戈壁上的灌丛沙丘形态特征进行观测和提取,并分析沉积物特征,计算戈壁灌丛沙丘的固沙能力,为沙尘释放研究提供依据。结果表明:(1)戈壁上发育的灌丛沙丘有明显的空间分布格局,即主要分布在干河床的两侧和地势低洼地区。(2)戈壁灌丛沙丘在形态上和其他地表灌丛沙丘类似,但沙丘的长度、宽度、底面积、体积等小得多,而且参数之间具有明显的相关关系。(3)沉积物的累积概率曲线表现为三段式,跃移组分的粒度范围(50~700 μm)明显与以往研究不同。沙丘内部和表层的粉沙和黏土含量分别为4.47%和5.24%,从而说明灌丛沙丘能够捕获戈壁上释放的粉尘物质。(4)戈壁地区单个灌丛沙丘的粉尘释放量约0.05~0.08 m³,固沙能力最大可达18.71 m³。     

线性参照系统下的嵌套金字塔模型构建

针对线性参照虚拟场景构建中缺乏有效的空间数据模型的问题,本文以金字塔模型、空间索引结构和动态分段等相关研究为基础,提出了线性参照系统下的嵌套金字塔模型构建方法.首先,结合线性场景数据特征,对动态分段技术进行拓展,增加垂直方向结构化金字塔模型;然后,将线性参照在多尺度下进行静态分段,对相互独立的弧段分别进行存储,构建静态...     

库姆塔格沙漠的“羽毛状沙丘”形态的观测

参照卫星照片和地形图,实地观测了库姆塔格沙漠“羽毛状沙丘”分布区域的地貌。新月型“沙垄”是该区域的主导性地貌类型,垄间地形波状起伏。如果将“沙垄”喻为“羽轴”,垄间的波状起伏地形为“羽枝”,则可构成卫星照片所显示的“羽毛状沙丘”。新月型“沙垄”的走向为NE-SW,由新月形沙丘前一沙丘的迎风坡与后一沙丘的东翼相连而成,高3~19m,宽约50m,长15~22km。“垄”间起伏地形的波长为100~300m,振幅为40~100cm,与“沙垄”成60~105°夹角。在波状起伏地形的波峰与波谷过渡区堆积颜色较浅的细沙,厚2~7cm,构成了“大沙波”。实地观测的“羽毛状沙丘”的形态与卫星照片显示的形态有一定差异。     

塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄的流场和上覆沙丘组合及动态特征

复合沙垄是最大的沙丘地貌类型之一，表现为简单沙丘类型的垂直叠加和水平连接，在沙垄的高大地形影响下，沙垄不同部位形成不同的风沙环境特征。以塔克拉玛干沙漠腹地/复合沙垄为例，通过野外实地观测研究其流场和上覆沙丘组合特征。研究结果表明，复合沙垄的流场可分为沙垄迎风坡气流加速区、沙垄背风坡气流转向减速区、垄间粗沙平地气流风速风向恢复区和气流风速稳定区。受沙垄流场和地形的控制，沙垄上覆新月形沙丘链，垄间地分有简单新月形沙丘、沙堆、沙片、侵蚀地、简单线形沙丘。上覆沙丘分布特征表现为：垄间地上覆新月形沙丘疏密度较小，沙垄迎风坡和沙垄背风坡上覆新月形沙丘疏密度较大，而且超过1，说明沙垄迎背风坡上覆沙丘有叠置现象。沙垄上覆沙丘高度自沙垄迎风坡底部到顶部增高，背风坡上覆沙丘高度自沙垄顶部到背风坡底部减小，上覆沙丘在自身形态、地形和流场的共同影响下，存在相对运动，表现为分布进一步集中，因此沙垄有增高的趋势。     

沙丘移动的研究现状与未来研究思路

沙丘移动的研究经过数十年的发展与完善,基本上已自成体系。但是由于起步较晚,加之现象的复杂性,目前仍有很多重要的理论问题没能彻底解决,至少还未达成共识,成为学术界长期以来争论的焦点,从而影响了它的继续发展。本文在剖析沙丘移动研究现状的基础上,浅析其未来研究思路。重点对沙丘移动的判定指标进行了讨论,指出了Lancaste(r1988)提出的指标表达式不能够直接应用于我国,必须建立与我国国情相符合的指标体系。