塔克拉瑪干沙漠中部地區風沙環境特征初探

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生黃土沉積的主要物源區之一。其壯觀的風沙地貌景觀和文化古跡吸引了大量的中外探險家和學者進行科考活動。但環境的惡劣使他們只能在沙漠的邊緣進行一些探索,對沙漠內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識。直至20世紀50～60年代,中國科學院治沙隊首次對該區進行了系統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沙地貌圖和進行相應的研究[2～5]。但對風沙環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,中外學者進行了一系列對塔克拉瑪干沙漠的考察活動,并取得了一些相應的成果。近10a來,隨著在塔里木盆地內石油、天然氣的開發和塔里木沙漠公路的建成通車,使沙漠腹地的沙丘形態和一些風沙環境特征得到進一步的認識。為對沙漠內部的風沙規律有一個比較系統的認識,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設立了氣象觀測站并進行系統的氣象觀測,取得了實地的觀測資料,并進行了野外實地風沙觀測。為闡明塔克拉瑪干沙漠腹地風沙環境提供了基礎資料和數據。1丘間走廊下天然沙丘沙區u本文所指塔克拉瑪干沙漠中部部分地區以肖塘地區為起點,沿沙漠公路延伸至塔中地區以南大約100km,以沙漠公路為軸,東西寬度大約80～100km左右的區域(圖1)。大致包括3個大的風沙地貌類型區:①塔里木河南沖積-淤積平原新月形沙丘及復合型新月形沙丘鏈區。以肖塘為起點,向南延伸大約55km的區域。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為NW-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。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。沙丘走向為NW\?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、紅柳灌叢沙堆和風蝕殘臺等地貌類型;③沙漠腹地綜合型線形沙丘區。自滿參南部10km左右至民豐一帶均屬于這一區域,塔克拉瑪干沙海綜合型線形沙丘主要分布在這一區域,其分布面積占線形沙丘總面積的70%以上,形態特征也最為復雜。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,形態亦愈趨復雜。該地區沙丘的平均走向為N50°E-N60°E之間,且主要以NE坡為迎風坡側。主要形態特征包括:迎風坡側(NE坡)發育密集的新月形沙丘鏈,但其中一些沙丘單體呈現星狀沙丘形態。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,主要發育密集的新月形、穹狀和星狀等沙丘形態,高度約10～20m,有明顯的落沙坡,但朝向沒有一定的規律,甚至與主風向完全反向。這反映出脊線上的風沙運動規律的復雜性。背風側(SW)發育的沙丘從形態上說較為低矮,且主要分布于脊線以下250m寬度以內的區域,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。在一些區域,兩綜合型線形沙丘之間有連接和分叉,呈現Y型或H型。迎風側長800～1500m,坡度較緩,從丘間走廊帶的1°～2°過渡至8°～10°。背風側較短,一般在250m以內,坡度較陡,為10°～20°。丘間走廊帶寬800～3000m,其上發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。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丘間地沙物質分布從粒度組成看,該區地表物質主要以細沙和極細沙為主(表1)。但3個類型帶的粒徑分布又有明顯的差異。新月形沙丘區粒徑集中分布在0.25～0.1mm的范圍內,其基本含量在70%以上,不含>0.5mm的組分,平均粒徑3.07Φ(0.119mm);穹狀沙丘區和復合型縱向沙垅區則以0.1～0.05mm的沙物質占優勢,其中風蝕強烈的丘間地有>0.5mm的組分,個別甚至含>2mm的細礫成分,但基本不含<0.005mm的粘土類物質,平均粒徑為3.29Φ(0.102mm)。從北往南,流動沙丘表層物質逐漸變細。而從不同的沙丘部位上看,粒徑分布亦不相同,落沙坡中部沙物質最細,細沙和極細沙的含量達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%,細沙和極細沙的含量僅占68.23%,平均粒徑為2.69Φ(0.155mm),這說明丘間地風沙活動復雜。整個區域內平均粒徑大于0.088mm。從粒度參數看,該區域內的沙物質分選性(б1)十分復雜,在0.27～1.996之間均有分布,其中以落沙坡中部沙物質分選性最好,沙丘頂部次之,丘間地上的沙物質分選性最差。從Sk值看,與風沙活動過程相一致,丘間地屬極負偏,迎風坡底部和中部次之,落沙坡中部又次之,沙丘頂部則近似于對稱分布。3沙風時間及強度的變化特征塔里木盆地西部為西風氣流,東部被從盆地東北缺口入境的反氣旋控制,常年處于東風風系的影響下。但由于周邊地形影響和特殊的下墊面作用,發育了較強的地方性風系。因此,在不同的區域風況又存在顯著的差異,并反映在風沙地貌類型和其發育的規模上。月、年平均風速不能直接用來衡量一個地區的風沙活動,要評價該區的風沙活動,必須統計各時段內的平均、極限風速等。此外,大風日、沙塵暴、揚沙和浮塵等天氣過程也可以用來粗略地比較該區的風沙活動程度。從統計結果看,證實了前人的沙漠腹地沙塵暴高于邊緣的結論。從時間序列上看,三地區起沙風頻數最高為7月份,占全年的20%左右。起沙風均集中在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等認為的塔克拉瑪干沙漠風沙活動主要集中在春季這一結論頗不一致。從起沙風時間數和方位上的年變率看,起沙風時間數上肖塘地區的變率在10%左右,而塔中地區的變率則在15%。這反映出沙漠腹地由于特殊的下墊面性質可以產生強烈的地方性起沙風系或者疊加在外來風系上合成起沙風。從方位上看,沙漠腹地的起沙風方位更加集中,主要表現為偏東方位,而沙漠邊緣地區則由于受周邊地區綠洲的影響,而且沙漠邊緣地區的植被蓋度等遠大于沙漠腹地,因此,在風沙地貌的走向上邊緣地區表現得遠比沙漠腹地凌亂。4沙流活動特征與沉積物形成的分析4.1沙流活動突出風沙流結構與地形、沙物質的粒度組成、礦物成分和下墊面性質等有很大的關系,但風的性質尤其是湍流和波動對風沙流結構有更大的影響。由于塔克拉瑪干沙漠中部的絕大部分地區植被蓋度在10%以下,下墊面主要為流沙,因此風沙流活動十分強烈。從風沙流的結構看(表2),各高度層內輸沙百分率隨高度的增加急劇降低,風沙流的沙通量主要集中在0～10cm,占總輸沙通量的80%以上,弱起沙風主要從低層(0～10cm)輸送沙物質,沙通量隨高度的增加呈指數遞減;而強起沙風上層(10～20cm)輸送的物質明顯增多,沙通量隨高度呈冪函數遞減,相對弱起沙風而言輸沙率也顯著增強,這表明風力作用愈強,風沙流中的沙物質向上躍遷,風沙活動的高度范圍愈大。4.2沙區輸沙量與風速的相關關系由于塔克拉瑪干沙漠腹地特定的區域條件的差異,該區域內沙丘密度在0.6以上,雖然丘間地廣布,但平坦流沙地少見,而且絕大多數被一層粗沙覆蓋。因此,最大可能輸沙量的計算應采用表3中的沙丘頂部輸沙方程。5形態和移動速度6沙化的主要成因(1)起沙風和輸沙強度的統計分析表明:自沙漠邊緣至腹地,起沙風與輸沙方向在逐漸向東偏轉,與沙丘的移動方向大體一致。(2)從邊緣至腹地,不同風沙地貌類型帶上起沙風與輸沙強度有明顯的差異,并分別與該地區的風沙地貌形態相一致:沙漠邊緣地區,沙丘體形態較小,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,已處于動態平衡,輸沙強度加大并不能使風沙地貌形態有明顯的改變,沙丘向前運動緩慢。(3)從年起沙風和輸沙強度及其方向上看,邊緣地區的變率遠較腹地小,腹地可以發育地方性風系并疊加在外來風系上形成起沙風,因此變率較大。此外,年輸沙量和輸沙方向并不完全一致;沙丘的運動方向與合成輸沙方向有一個比較大的偏角。區域內每年的合成輸沙方向也并不完全一致。(4)一般認為,沙丘形態的發育與主風向有密切的聯系。單一主風向地區主要發育新月形沙丘及其體系,而線形沙丘的發育則主要與該地區發育兩個主風向的起沙風系有關。但從塔克拉瑪干沙漠中部地區的沙丘發育的形態看,與其并不一致