塔克拉瑪干沙漠中部地區(qū)風(fēng)沙環(huán)境特征初探

塔克拉馬干沙漠是中國的第一個和最大的流動性沙漠。也是我國沙塵暴中心和產(chǎn)生黃土沉積的主要物源區(qū)之一。其壯觀的風(fēng)沙地貌景觀和文化古跡吸引了大量的中外探險(xiǎn)家和學(xué)者進(jìn)行科考活動。但環(huán)境的惡劣使他們只能在沙漠的邊緣進(jìn)行一些探索,對沙漠內(nèi)部尤其是巨大流動性沙丘所覆蓋的沙漠腹地幾乎沒有什么認(rèn)識。直至20世紀(jì)50～60年代,中國科學(xué)院治沙隊(duì)首次對該區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)地考察并借助航片的分析和判讀,80年代初編制出第一張塔克拉瑪干風(fēng)沙地貌圖和進(jìn)行相應(yīng)的研究[2～5]。但對風(fēng)沙環(huán)境的研究主要是借助沙漠邊緣的資料加以分析和推斷。80年代后期至90年代初,中外學(xué)者進(jìn)行了一系列對塔克拉瑪干沙漠的考察活動,并取得了一些相應(yīng)的成果。近10a來,隨著在塔里木盆地內(nèi)石油、天然氣的開發(fā)和塔里木沙漠公路的建成通車,使沙漠腹地的沙丘形態(tài)和一些風(fēng)沙環(huán)境特征得到進(jìn)一步的認(rèn)識。為對沙漠內(nèi)部的風(fēng)沙規(guī)律有一個比較系統(tǒng)的認(rèn)識,筆者所在的課題組自1992年開始就分別在沙漠邊緣的肖塘、中部的滿參及沙漠腹地的塔中地區(qū)設(shè)立了氣象觀測站并進(jìn)行系統(tǒng)的氣象觀測,取得了實(shí)地的觀測資料,并進(jìn)行了野外實(shí)地風(fēng)沙觀測。為闡明塔克拉瑪干沙漠腹地風(fēng)沙環(huán)境提供了基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)。1丘間走廊下天然沙丘沙區(qū)u本文所指塔克拉瑪干沙漠中部部分地區(qū)以肖塘地區(qū)為起點(diǎn),沿沙漠公路延伸至塔中地區(qū)以南大約100km,以沙漠公路為軸,東西寬度大約80～100km左右的區(qū)域(圖1)。大致包括3個大的風(fēng)沙地貌類型區(qū):①塔里木河南沖積-淤積平原新月形沙丘及復(fù)合型新月形沙丘鏈區(qū)。以肖塘為起點(diǎn),向南延伸大約55km的區(qū)域。下伏地貌完全屬于古塔里木河沖積-泛濫平原。沙丘鏈中沙丘單體的走向?yàn)镹W-SE,高度大致為5～20m,寬度200～800m,長度2～5km左右。其間廣泛分布淤土平地、風(fēng)蝕殘臺等地貌類型。新月形沙丘多分布于淤土平地上,處于發(fā)育的中期或初期,一般寬6～15m,落沙坡高1～3m;②滿參北部穹狀沙丘區(qū)。包括滿參北部15km左右至南部約10km寬\,長度總共24km左右的地帶。沙丘走向?yàn)镹W\?SE,高度為20～60m,長度180～900m不等。丘間粗沙地上主要散布低矮的新月型沙丘單體和小型的沙丘鏈、紅柳灌叢沙堆和風(fēng)蝕殘臺等地貌類型;③沙漠腹地綜合型線形沙丘區(qū)。自滿參南部10km左右至民豐一帶均屬于這一區(qū)域,塔克拉瑪干沙海綜合型線形沙丘主要分布在這一區(qū)域,其分布面積占線形沙丘總面積的70%以上,形態(tài)特征也最為復(fù)雜。從北部往南部至沙漠中心,沙丘的高度由沙漠邊緣的30m增至70～100m左右,長度也在增加,形態(tài)亦愈趨復(fù)雜。該地區(qū)沙丘的平均走向?yàn)镹50°E-N60°E之間,且主要以NE坡為迎風(fēng)坡側(cè)。主要形態(tài)特征包括:迎風(fēng)坡側(cè)(NE坡)發(fā)育密集的新月形沙丘鏈,但其中一些沙丘單體呈現(xiàn)星狀沙丘形態(tài)。單個沙丘體較為高大,但大小差異明顯,平均高度在5～8m之間,沙丘寬度30～50m左右,迎風(fēng)坡長20～80m,有明顯的落沙坡,落沙坡長9～20m,走向總體上與綜合型線形沙丘有10°～30°的交角。從脊線上看,主要發(fā)育密集的新月形、穹狀和星狀等沙丘形態(tài),高度約10～20m,有明顯的落沙坡,但朝向沒有一定的規(guī)律,甚至與主風(fēng)向完全反向。這反映出脊線上的風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律的復(fù)雜性。背風(fēng)側(cè)(SW)發(fā)育的沙丘從形態(tài)上說較為低矮,且主要分布于脊線以下250m寬度以內(nèi)的區(qū)域,其走向與綜合型線形沙丘基本平行或成10°以下的交角。整個綜合型線形沙丘長度一般在4～10km,大致平行分布,走向并非平直,而帶有一定的彎曲度。在一些區(qū)域,兩綜合型線形沙丘之間有連接和分叉,呈現(xiàn)Y型或H型。迎風(fēng)側(cè)長800～1500m,坡度較緩,從丘間走廊帶的1°～2°過渡至8°～10°。背風(fēng)側(cè)較短,一般在250m以內(nèi),坡度較陡,為10°～20°。丘間走廊帶寬800～3000m,其上發(fā)育較為密集的小型沙脊、簡單線形沙丘和新月形沙丘等形態(tài)。其移動方向與合成輸沙方向的交角在10°以下,從北往南,丘間走廊上的簡單線形沙丘與綜合型線形沙丘的交角由北部的10°～20°增至南部的30°～45°。2丘間地沙物質(zhì)分布從粒度組成看,該區(qū)地表物質(zhì)主要以細(xì)沙和極細(xì)沙為主(表1)。但3個類型帶的粒徑分布又有明顯的差異。新月形沙丘區(qū)粒徑集中分布在0.25～0.1mm的范圍內(nèi),其基本含量在70%以上,不含>0.5mm的組分,平均粒徑3.07Φ(0.119mm);穹狀沙丘區(qū)和復(fù)合型縱向沙垅區(qū)則以0.1～0.05mm的沙物質(zhì)占優(yōu)勢,其中風(fēng)蝕強(qiáng)烈的丘間地有>0.5mm的組分,個別甚至含>2mm的細(xì)礫成分,但基本不含<0.005mm的粘土類物質(zhì),平均粒徑為3.29Φ(0.102mm)。從北往南,流動沙丘表層物質(zhì)逐漸變細(xì)。而從不同的沙丘部位上看,粒徑分布亦不相同,落沙坡中部沙物質(zhì)最細(xì),細(xì)沙和極細(xì)沙的含量達(dá)99.68%,沙丘頂部次之,為92.65%,而丘間粗沙地粒徑分布最廣也最粗,中沙以上占28.37%,細(xì)沙和極細(xì)沙的含量僅占68.23%,平均粒徑為2.69Φ(0.155mm),這說明丘間地風(fēng)沙活動復(fù)雜。整個區(qū)域內(nèi)平均粒徑大于0.088mm。從粒度參數(shù)看,該區(qū)域內(nèi)的沙物質(zhì)分選性(б1)十分復(fù)雜,在0.27～1.996之間均有分布,其中以落沙坡中部沙物質(zhì)分選性最好,沙丘頂部次之,丘間地上的沙物質(zhì)分選性最差。從Sk值看,與風(fēng)沙活動過程相一致,丘間地屬極負(fù)偏,迎風(fēng)坡底部和中部次之,落沙坡中部又次之,沙丘頂部則近似于對稱分布。3沙風(fēng)時間及強(qiáng)度的變化特征塔里木盆地西部為西風(fēng)氣流,東部被從盆地東北缺口入境的反氣旋控制,常年處于東風(fēng)風(fēng)系的影響下。但由于周邊地形影響和特殊的下墊面作用,發(fā)育了較強(qiáng)的地方性風(fēng)系。因此,在不同的區(qū)域風(fēng)況又存在顯著的差異,并反映在風(fēng)沙地貌類型和其發(fā)育的規(guī)模上。月、年平均風(fēng)速不能直接用來衡量一個地區(qū)的風(fēng)沙活動,要評價(jià)該區(qū)的風(fēng)沙活動,必須統(tǒng)計(jì)各時段內(nèi)的平均、極限風(fēng)速等。此外,大風(fēng)日、沙塵暴、揚(yáng)沙和浮塵等天氣過程也可以用來粗略地比較該區(qū)的風(fēng)沙活動程度。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,證實(shí)了前人的沙漠腹地沙塵暴高于邊緣的結(jié)論。從時間序列上看,三地區(qū)起沙風(fēng)頻數(shù)最高為7月份,占全年的20%左右。起沙風(fēng)均集中在4～9月份,大約占全年的90%以上,尤以5～7月份最為集中,占全年的50%以上。這與Carol.S.Breed等認(rèn)為的塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙活動主要集中在春季這一結(jié)論頗不一致。從起沙風(fēng)時間數(shù)和方位上的年變率看,起沙風(fēng)時間數(shù)上肖塘地區(qū)的變率在10%左右,而塔中地區(qū)的變率則在15%。這反映出沙漠腹地由于特殊的下墊面性質(zhì)可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的地方性起沙風(fēng)系或者疊加在外來風(fēng)系上合成起沙風(fēng)。從方位上看,沙漠腹地的起沙風(fēng)方位更加集中,主要表現(xiàn)為偏東方位,而沙漠邊緣地區(qū)則由于受周邊地區(qū)綠洲的影響,而且沙漠邊緣地區(qū)的植被蓋度等遠(yuǎn)大于沙漠腹地,因此,在風(fēng)沙地貌的走向上邊緣地區(qū)表現(xiàn)得遠(yuǎn)比沙漠腹地凌亂。4沙流活動特征與沉積物形成的分析4.1沙流活動突出風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)與地形、沙物質(zhì)的粒度組成、礦物成分和下墊面性質(zhì)等有很大的關(guān)系,但風(fēng)的性質(zhì)尤其是湍流和波動對風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)有更大的影響。由于塔克拉瑪干沙漠中部的絕大部分地區(qū)植被蓋度在10%以下,下墊面主要為流沙,因此風(fēng)沙流活動十分強(qiáng)烈。從風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)看(表2),各高度層內(nèi)輸沙百分率隨高度的增加急劇降低,風(fēng)沙流的沙通量主要集中在0～10cm,占總輸沙通量的80%以上,弱起沙風(fēng)主要從低層(0～10cm)輸送沙物質(zhì),沙通量隨高度的增加呈指數(shù)遞減;而強(qiáng)起沙風(fēng)上層(10～20cm)輸送的物質(zhì)明顯增多,沙通量隨高度呈冪函數(shù)遞減,相對弱起沙風(fēng)而言輸沙率也顯著增強(qiáng),這表明風(fēng)力作用愈強(qiáng),風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)向上躍遷,風(fēng)沙活動的高度范圍愈大。4.2沙區(qū)輸沙量與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系由于塔克拉瑪干沙漠腹地特定的區(qū)域條件的差異,該區(qū)域內(nèi)沙丘密度在0.6以上,雖然丘間地廣布,但平坦流沙地少見,而且絕大多數(shù)被一層粗沙覆蓋。因此,最大可能輸沙量的計(jì)算應(yīng)采用表3中的沙丘頂部輸沙方程。5形態(tài)和移動速度6沙化的主要成因(1)起沙風(fēng)和輸沙強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分析表明:自沙漠邊緣至腹地,起沙風(fēng)與輸沙方向在逐漸向東偏轉(zhuǎn),與沙丘的移動方向大體一致。(2)從邊緣至腹地,不同風(fēng)沙地貌類型帶上起沙風(fēng)與輸沙強(qiáng)度有明顯的差異,并分別與該地區(qū)的風(fēng)沙地貌形態(tài)相一致:沙漠邊緣地區(qū),沙丘體形態(tài)較小,因此其移動速度較快,并且體積處于增長階段;而至沙漠腹地,沙丘體積較大,已處于動態(tài)平衡,輸沙強(qiáng)度加大并不能使風(fēng)沙地貌形態(tài)有明顯的改變,沙丘向前運(yùn)動緩慢。(3)從年起沙風(fēng)和輸沙強(qiáng)度及其方向上看,邊緣地區(qū)的變率遠(yuǎn)較腹地小,腹地可以發(fā)育地方性風(fēng)系并疊加在外來風(fēng)系上形成起沙風(fēng),因此變率較大。此外,年輸沙量和輸沙方向并不完全一致;沙丘的運(yùn)動方向與合成輸沙方向有一個比較大的偏角。區(qū)域內(nèi)每年的合成輸沙方向也并不完全一致。(4)一般認(rèn)為,沙丘形態(tài)的發(fā)育與主風(fēng)向有密切的聯(lián)系。單一主風(fēng)向地區(qū)主要發(fā)育新月形沙丘及其體系,而線形沙丘的發(fā)育則主要與該地區(qū)發(fā)育兩個主風(fēng)向的起沙風(fēng)系有關(guān)。但從塔克拉瑪干沙漠中部地區(qū)的沙丘發(fā)育的形態(tài)看,與其并不一致