輸沙勢在風(fēng)蝕地貌中的應(yīng)用

1研究對象的選取及海表及區(qū)域分布丹氏地質(zhì)的研究始于19世紀，最初只是對這種地質(zhì)奇跡的恐懼。20世紀初斯文·赫定(SvenHedin)正式提出“雅丹”這一專業(yè)詞匯,并為廣大地學(xué)工作者接受。最近,人們又在火星表面發(fā)現(xiàn)雅丹地貌的分布,再加上高分辨率航空相片和衛(wèi)星影像的應(yīng)用,再次激起了人們對這一地貌形態(tài)的研究興趣。國內(nèi)對雅丹地貌的研究主要集中在羅布泊地區(qū)。一般認為雅丹地貌的形成受風(fēng)蝕、流水侵蝕、溝蝕、重力崩塌等多種因素的影響。研究表明,在這幾種因素中風(fēng)蝕起著最主要的作用,可將雅丹地貌歸結(jié)為風(fēng)蝕地貌的一種類型。因此對雅丹地貌分布區(qū)的風(fēng)況進行分析和研究就顯得十分必要。中國雅丹地貌分布較廣,主要分布在疏勒河中下游、新疆地區(qū)及柴達木盆地西北部,其中柴達木盆地為中國雅丹地貌分布面積最大的區(qū)域,但是對柴達木盆地雅丹地貌的研究卻很少。本文選取柴達木盆地的察爾汗鹽湖雅丹地貌區(qū)作為研究對象,分析了該區(qū)風(fēng)況。察爾汗鹽湖位于柴達木盆地東南部低洼區(qū),介于36°37′—37°12′N、93°42′—96°14′E之間,東西長168km,南北寬20~40km,面積約為5856km2,海拔在2675m以上,地勢較平坦,廣闊的鹽灘上分布有察爾汗干鹽湖和達布遜湖、大別勒湖、小別勒湖、團結(jié)湖、協(xié)作湖、南霍布遜湖、北霍布遜湖、東陵湖、達西湖等10余個邊緣鹵水湖泊。該地區(qū)年降雨量為10~30mm,年蒸發(fā)量達1900~3100mm,盛行西北風(fēng)。南北兩側(cè)山系海拔均在4500~5000m以上,南部為昆侖山脈,北部為錫鐵山。東西兩側(cè)地勢微高,為大范圍的緩坡地形(圖1)。2數(shù)據(jù)和方法2.1平均風(fēng)速風(fēng)向風(fēng)況數(shù)據(jù)取自建立在研究區(qū)中南部雅丹體上的自動氣象觀測儀,風(fēng)速風(fēng)向為在2m高度連續(xù)觀測記錄的每15min平均風(fēng)速風(fēng)向,數(shù)據(jù)周期為2009年8月至2010年7月。氣象觀測儀地理位置為37°08′8.88″N,95°06′42.48″E(圖1)。2.2方向變率指數(shù)法輸沙勢(DriftPotential,DP)表示在一定時間內(nèi)潛在最大輸沙量,在數(shù)值上以矢量單位(VectorU-nit,VU)表示。羅盤16方位輸沙勢合成方向和合成矢量,分別稱作合成輸沙方向(ResultantDriftDirection,RDD)和合成輸沙勢(ResultantDriftPotential,RDP)。方向變率指數(shù)(RDP/DP)是指合成輸沙勢與輸沙勢的比率。選擇原始數(shù)據(jù)中大于起沙風(fēng)速(5m·s-1)的記錄數(shù)據(jù),按羅盤16方位逐月統(tǒng)計各方位的起沙風(fēng),并計算不同方位大于起沙風(fēng)速的平均風(fēng)速、最大風(fēng)速及出現(xiàn)頻率。輸沙勢的計算采用目前國際上應(yīng)用最廣泛的Fryberger和Dean的方法,計算公式為:式中:Q為輸沙勢(單位:VU);V為風(fēng)速(單位:節(jié));Vt為起動風(fēng)速(單位:節(jié));t為起沙風(fēng)時間,一般為觀測時段內(nèi)所觀測的起沙風(fēng)時間數(shù)與總觀測時間數(shù)的百分比。3結(jié)果與討論3.1起沙風(fēng)速、頻率對風(fēng)速記錄數(shù)據(jù)分析可知,該區(qū)域年平均風(fēng)速為3.7m·s-1,記錄的最大風(fēng)速為15.0m·s-1,發(fā)生于4月。起沙風(fēng)(>5m·s-1)占全年風(fēng)速記錄的22.93%。春季平均風(fēng)速為4.5m·s-1,起沙風(fēng)占36.05%;夏季平均風(fēng)速為4.0m·s-1,起沙風(fēng)占28.61%;秋季平均風(fēng)速為3.2m·s-1,起沙風(fēng)占14.38%;冬季平均風(fēng)速為3.1m·s-1,起沙風(fēng)占12.36%(圖2)。圖3為研究區(qū)的起沙風(fēng)風(fēng)速及其頻率月變化圖。在1年之內(nèi),起沙風(fēng)風(fēng)速的月平均風(fēng)速在6.2~7.4m·s-1之間波動。其中,1月最低,為6.2m·s-1,從1月開始緩慢增加,至3月月平均起沙風(fēng)速達到最大值7.4m·s-1,之后又開始緩慢減小,至6月降為6.7m·s-1,之后波動式變化。月最大風(fēng)速變化范圍為9.9~15.0m·s-1,1月最大風(fēng)速為9.9m·s-1,4月達到15.0m·s-1,為年最大風(fēng)速,然后緩慢降低,至6月降為12.5m·s-1。7—10月最大風(fēng)速波動降低至10.0m·s-1,10—12月逐漸增大至13.1m·s-1。起沙風(fēng)月平均風(fēng)速與最大風(fēng)速的變化趨勢基本一致。由圖3還可以得知,起沙風(fēng)在4月和5月的發(fā)生頻率最大,分別為14.60%和14.31%,7月次之,為12.08%,3月和6月相差不大,分別為10.72%和10.59%。起沙風(fēng)發(fā)生頻率最小月份為12月,為3.48%,其次為10月和11月,分別為3.88%和4.34%?？梢娖鹕筹L(fēng)主要發(fā)生于春、夏兩季,發(fā)生頻率分別為39.63%和31.45%,秋、冬兩季起沙風(fēng)的發(fā)生頻率較小,分別為15.63%和12.19%。3.2從起沙風(fēng)的季節(jié)和季節(jié)分布看研究區(qū)起沙風(fēng)風(fēng)向以WNW和W為主,分別占年起沙風(fēng)頻率的41.05%和20.02%,在其余各方向的起沙風(fēng)中,除ESE和NW風(fēng)向所占頻率稍大(分別為9.40%和8.89%)外,其余均較少(圖4)。表明研究區(qū)起沙風(fēng)風(fēng)向變化范圍較小,風(fēng)向比較單一。從起沙風(fēng)在各月份的分配情況來看,3、4、5、9月和10月主要以WNW和W風(fēng)向為主,其余月份除WNW和W方向外,還有ESE和E方向的起沙風(fēng)(表1)。這說明研究區(qū)常年受西北氣流的影響,并伴隨有來自東南方向氣流的季節(jié)性進退。從起沙風(fēng)發(fā)生頻率(表1)的季節(jié)分配情況看,春季起沙風(fēng)主要以WNW、W和NW風(fēng)向為主,分別占年起沙風(fēng)頻率的20.45%、8.33%和6.41%;夏季起沙風(fēng)主要以WNW、W、ESE和E風(fēng)向為主,頻率分別為8.90%、5.44%、5.02%和3.19%;秋季起沙風(fēng)主要以WNW、W和ESE風(fēng)向為主,頻率分別為6.98%、3.77%和1.19%;冬季起沙風(fēng)主要以WNW、ESE和W風(fēng)向為主,頻率分別為4.72%、2.90%和2.49%?？梢?偏東南方向的氣流主要發(fā)生于夏季、秋末和冬季。其中,發(fā)生于夏季的偏東南風(fēng)是東南濕潤氣流在越過橫斷山脈后進入研究區(qū)形成的;而秋末和冬季的偏東南風(fēng)則是高原季風(fēng)的冬季風(fēng)在研究區(qū)周圍地形因素的影響下形成的。3.3風(fēng)能環(huán)境指標(biāo):我國沙輸沙勢是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動強度及風(fēng)沙地貌演變的一個非常重要的指標(biāo),同時也是區(qū)域風(fēng)能環(huán)境分類的重要參考標(biāo)準,在風(fēng)沙地貌研究中應(yīng)用廣泛[20,21,22,23,24,25]。3.3.1研究區(qū)風(fēng)壓環(huán)境計算表明,研究區(qū)年DP為326VU,RDP為235VU,RDD為290.14°,RDP/DP為0.72(圖5)。根據(jù)Fryberger區(qū)域風(fēng)能環(huán)境分類標(biāo)準(表2),研究區(qū)為中風(fēng)能環(huán)境。區(qū)內(nèi)凈輸沙方向為ESE。風(fēng)向變率指數(shù)(RDP/DP)0.72,為中比率,對應(yīng)風(fēng)向變率也為中變率,為鈍雙峰風(fēng)況(表3)。3.3.2不同季節(jié)和不同方向雅丹體的月變化受大氣環(huán)流的年際變化、下墊面性質(zhì)及區(qū)域地形地貌等因素的影響,研究區(qū)的風(fēng)沙活動強度的月變化差異較大。圖6為研究區(qū)2009年8月至2010年7月1年內(nèi)的輸沙勢月變化圖。分析圖6得知,研究區(qū)DP、RDP具有相同的變化趨勢,均是在8月至次年2月間較大,其余月份均較小。各月份DP變化范圍為8~66VU,9月DP最大,為66VU;10月和8月次之,分別為59VU和51VU;3月最小,為8VU。各月份RDP變化范圍為2~64VU,9月RDP最大,為64VU;10月和8月次之,分別為51VU和49VU;6月最小,為2VU。研究區(qū)RDD除6月為128.69°、11月為266.97°之外,其余月份均為290°左右。這也說明研究區(qū)常年主要受來自西北方向氣流的作用。6月和8月RDD的異常,主要是受來自東南方向氣流增強作用影響。在各月的方向變率指數(shù)(RDP/DP)中,6月和11月的值<0.3,分別為0.19和0.22,為小比率,風(fēng)向變率較大,對應(yīng)風(fēng)況均為鈍雙峰風(fēng)況,主要是由于在這兩個月中同時受西北和東南兩個方向氣流的作用,且來自東南方向的氣流較強;1、4、5、7月及12月的值介于0.3~0.8之間,為中比率,風(fēng)向變率也為中變率,對應(yīng)風(fēng)況也均為鈍雙峰風(fēng)況,也是由于受西北和東南兩個方向氣流的作用,但是相較于6月和11月的東南方向的氣流較弱;2、3、8、9月及10月的值>0.8,為大比率,風(fēng)向變率較小,對應(yīng)風(fēng)況均為窄/寬單峰風(fēng)況,這是由于此時研究區(qū)只受來自西北方向氣流的作用,風(fēng)向比較單一。選取研究區(qū)域高分辨率遙感影像,在其上量取雅丹體的走向,共計量取490個。結(jié)果表明,該區(qū)雅丹體長軸主要呈NW-ES、WNW-ESE和NNW-SSE三個方向。其中,NW-ES走向的雅丹體最多,占測量雅丹體總數(shù)的91%,其余兩個方向分別占4%和5%。雅丹地貌的形成主要受風(fēng)力、流水、重力崩塌等外力的作用。夏訓(xùn)誠在研究羅布泊地區(qū)的雅丹地貌時,認為雅丹地貌的成因主要包括3種類型,分別是以風(fēng)力作用為主、流水侵蝕作用為主、流水侵蝕作用基礎(chǔ)上再經(jīng)風(fēng)力作用形成的雅丹地貌。根據(jù)研究區(qū)雅丹體走向及風(fēng)況分析,我們認為該區(qū)雅丹地貌的形成以風(fēng)力作用為主。4沙風(fēng)特征及方向察爾汗鹽湖雅丹地貌分布區(qū)起沙風(fēng)的月平均風(fēng)速在6.2~7.4m·s-1之間變化,最大風(fēng)速變化范圍為9.9~15.0m·s-1,起沙風(fēng)月平均風(fēng)速與最大風(fēng)速的變化趨勢基本一致。起沙風(fēng)主要發(fā)生于春、夏兩季,發(fā)生頻率分別為39.63%、31.45%,秋、冬兩季起沙風(fēng)的發(fā)生頻率較小,分別為15.63%、12.19%。研究區(qū)起沙風(fēng)風(fēng)向以WNW及W為主,分別占年起沙風(fēng)頻率的41.05%和20.02%,其次是ESE和NW向,分別占年起沙風(fēng)頻率的9.40%和8.89%。不同月份、