民勤绿洲外围新月形沙丘宽高比与移动速率变化特证_何晨晨.pdf

第40卷第2期2023年2月Vol.40No.2Feb.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.02.12民勤绿洲外围新月形沙丘宽高比与移动速率变化特证何晨晨1,2，吴盈盈1,2，田永胜3，马瑞3，王振亭1（1.中国科学院西北生态环境资源研究院，沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃 兰州730000；2.中国科学院大学，北京100049；3.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州730070）摘要：对民勤绿洲外围新月形沙丘形态演变过程和移动规律的认识是当地防风固沙与生态建设的重要前提。本文通过野外实地测量和高分辨率遥感影像分析，探讨民勤绿洲外围上风向边缘区域内新月形沙丘形态参数之间及其与移动速率的关系。结果表明：（1）沙丘宽高比16 a来保持常数值16。（2）高大沙丘年均移动距离小于3 m，属中等移动速度，形态基本保持不变，仅在迎风坡基线、脊线和翼角处变化明显。低矮沙丘移动较快，年均移动距离大于10 m，属极快速移动速度。（3）沙丘顺风向移动速率反比于宽度，比例常数为718.52 m2a-1。该区域新月形沙丘以快速移动速度为主，移动速率大于5 ma-1，占比为52.63%。（4）沙粒在迎风坡侵蚀并在背风坡沉积的过程中，大沙丘保持形态稳定，移动缓慢。小沙丘形态变化剧烈，移动快速，沙丘发育有进一步缩小的趋势。关键词：民勤绿洲；新月形沙丘；几何参数；移动规律河西走廊毗邻腾格里、巴丹吉林和库姆塔格三大沙漠，饱受风沙危害，对中国北方生态安全屏障建设至关重要。走廊东端的民勤地区已有六十余年治沙历史，虽然取得了举世瞩目的成绩1，但是土地荒漠化形势依然严峻。绿洲外围水资源匮乏，风力强劲，极易发生风蚀荒漠化。以呈半环状包围着民勤绿洲的连古城国家级自然保护区为例，其总面积的98.41%属于风蚀荒漠化土地2。了解风沙地貌形成与运动规律是科学开展风沙工程设计与施工的重要前提。民勤绿洲外围上风向区域内的风沙地貌以固定和半固定的灌丛沙丘为主，新月形沙丘与沙丘链次之，小型风蚀坑偶有分布。流动沙丘在自身不断移动的同时，亦为其附近的风沙活动提供物质来源，对绿洲存在与发展的现实威胁最大。在众多沙丘类型中，新月形沙丘的研究程度较高3。早期野外观测主要以文字描述为主4，其工作量大、耗费时间长、形态特征描述不够准确。后来，插钎法、重复测量和航片分析等传统监测方法得到广泛应用5-6。目前，遥感影像、GIS、全站仪、实时动态差分GPS、三维激光扫描仪、无人机倾斜摄影测量等各种先进技术被应用于沙丘形态特征测量7-9，为深入探索沙丘形态动力学过程提供了宝贵资料。新月形沙丘的形态参数包括沙丘高度、宽度、迎风坡长度、落沙坡长度、迎风坡坡度、两翼长度、开展度和对称度等10。各参数之间的关系包括沙丘宽度与高度、迎风坡坡长与宽度、两翼长度与宽度、落沙坡倾角与高度、底面积与周长或体积等。其中，沙丘宽度和高度之间的关系研究最为广泛。由大量实测数据得出的一个经验关系是沙丘宽度与高度正相关11，可用线性关系描述10-12。按照新月形沙丘的迎风坡长与宽度的比值，将其形态分为肥的、矮胖的、标准的、苗条的13-14。按兽角形态将其分为线性的、串珠状的、打结的15。除了形态特征，沙丘的演变过程和移动速率是另一个研究重点。沙丘是风力、沙粒和下垫面三者相互作用的产物16，其形态演变和移动速率受沙源丰富程度、风速、风向、地形、植被等多种因素影响，不同地区的风沙运移特征有着不同的表现形式，看似普遍的经验和理论关系往往存在很大的区域差异。河西走廊绿洲边围2006年与20142015年两收稿日期：2022-09-05；修订日期：2022-11-21基金项目：国家自然科学基金区域创新发展联合基金（U21A2001）；国家自然基金面上项目（41971011）作者简介：何晨晨（1994-），男，博士研究生，主要从事风沙地貌与风沙工程研究.E-mail:280291页2期何晨晨等：民勤绿洲外围新月形沙丘宽高比与移动速率变化特证个时段的遥感影像显示2，民勤地区的新月形沙丘移动最快。本研究拟在前人工作的基础上，利用野外实地测量和高分辨率遥感影像分析沙丘形态特征和移动速率，给出民勤绿洲上风向边缘区域内新月形沙丘形态参数之间及其与移动速率的定量关系，探讨该地区多年防风固沙工程的实际效果。本研究不仅直接服务于当地的防风固沙与生态建设，而且对河西走廊其他地区相关工作具有重要参考价值与借鉴意义。1数据与方法1.1 研究区概况研究区位于甘肃省民勤县城西北约30 km范围内，主体南起红崖山水库北缘，北至莱菔山脚下（1024510350E，38253850N），如图 1 所示。该地区属温带干旱荒漠性气候，常年干燥、降水稀少、蒸发强烈、风大沙多。年均降水量 116.2mm17，气温7.8，年内风沙日数139 d，8级以上大风29 d。区域地形平坦，无地表径流，风向单一，植被稀疏，零星分布有梭梭、沙拐枣、灌丛白刺等植物。土地利用类型以沙地为主，林地占一定比例，耕地和草地零星分布。土壤类型以荒漠土为主。风蚀荒漠化土地既有历史时期自然形成18，也有最近几十年开垦后又弃耕退化。较为开阔的前后滩地是新月形沙丘及沙丘链存在所必须的环境条件，同时，该区位于巴丹吉林沙漠盛行风的下风向，沙源供应较为充足。因此，新月形沙丘及沙丘链是本区的主要沙丘类型19。该区域历来是当地防风固沙的重中之重。目前，治沙措施以大面积植树造林和围栏封育为主，已在乡道两侧35 km内及绿洲边缘部分地区形成了面积不等的防风固沙人工梭梭林。1.2 研究方法1.2.1 沙丘形态参数野外实地测量和高分遥感影像分析是获取沙丘形态参数的主要方法。新月形沙丘高度和宽度等形态参数利用NTS-352型全站仪直接测得。测量对象主要为形态完整、轮廓显著、相对独立的新月形沙丘。野外测量采用局部坐标系，落沙坡最高点与地面的垂直距离作为沙丘高度；在两翼之间任选一条平行于主风向的直线，两注：底图采用自然资源部标准地图制作，审图号为GS(2019)1822号，对底图边界无修改。图1 研究区示意图Fig.1 Map of the research area28140卷干旱区研究个翼角与其水平距离之和即为沙丘宽度。先后两次测量沙丘形态的时间为2006年3月与2022年7月，沙丘个数分别为27和25个。时隔16 a，第一次测量的沙丘20大多难以确定其具体位置。相较于上次测量，第二次的空间范围更大，基本覆盖了整个研究区。1.2.2 遥感影像来源与分析高分遥感影像数据购自高分辨率对地观测系统甘肃数据与应用中心。其中，2013年11月9日和2014年4月21日影像为高分一号卫星数据，其空间分辨率为2 m；2015年8月21日、2016年5月23日、2017年11月21日、2018年7月21日和2019年10月7日的空间分辨率为0.81m的高分二号影像；2020年8月5日、2021年8月9日和2022年5月23日为高分六号影像，其空间分辨率2 m。各时段影像预处理包括：遥感影像经正射校正、融合、镶嵌、几何校正。镶嵌处理过程需要注意选择合适的重采样方法，几何校正利用了地面控制点和几何校正数学模型来矫正非系统因素产生的误差。完成以上步骤后，利用ArcGIS软件从中提取流动新月形沙丘底面的轮廓线，最后计算沙丘宽度和底面质心位置。该地区新月形沙丘形态处于不断变化之中，难以选定轮廓线上的某个或某几个特征点代表沙丘位置。因此，以底面质心位置计算其年际移动距离。以遥感影像测量的沙丘主要位于薛百镇和大坝镇以西，仅有3个沙丘位于绿洲北缘的莱菔山下，具体位置见图1。影像分析采用整体坐标系，具体做法如下：（1）按以直代曲方法量测出每个沙丘底面轮廓处若干点在WGS-84坐标系下的坐标值，计算其在三维直角坐标系下的坐标；（2）利用最小二乘法拟合出包含所有沙丘底面轮廓点的最优平面；（3）在最优平面上任选一点为坐标原点，以主风向为x方向，建立平面直角坐标系，并将所有测量点向该坐标系投影。以投影后的轮廓线计算沙丘宽度与质心位置。其中，确定质心坐标时的底面面积和一阶矩由梯形法计算。因为研究区范围不大且地形非常平坦，这种影像分析方法能够比较准确地提取到沙丘底面轮廓。对于沙丘迎风坡长度和两翼宽度等形态参数，野外实测与遥感影像量测结果之间的相对误差小于5%。类似于前期探索20，仍然利用全站仪数据拟合新月形沙丘的形态参数关系。沙丘移动的具体规律则在理论推导基础上，由遥感影像数据最终确定。野外测量的新月形沙丘既有已被人工林固定的，也有完全流动的，遥感影像上量测的则均为流动沙丘。1.2.3风况特征民勤气象站20132021年逐小时风速数据来源于中国气象数据网（http:/ m高度的风速和起动风速，Ut取值为6 ms-1；t为起沙风作用的时间，一般用频率表示。风能环境评价包括总输沙势（DP）、合成输沙势（RDP）、合成输沙方向（RDD）和方向变率（RDP/DP）。根据矢量合成法则，对16个方位的输沙势合成得到合成输沙势和合成输沙方向，而合成输沙势与输沙势之比为方向变率。根据输沙势的大小，将风能环境21划分为低能（DP400）。根据方向变率，风能环境划分为高变率（RDP/DP0.8）。2结果与分析2.1 风况特征输沙势是反映一个区域风沙活动强度的重要指标之一22。民勤地区20132021年输沙玫瑰图如图2所示。年起沙风主要来自于西西北和西北风，历年合成输沙方向介于120135，总体搬运方向为ESESE，风况分布为窄单峰型。20132021年输沙势依次为 40 VU、34 VU、34 VU、26 VU、25VU、20 VU、20 VU、15 VU和35 VU，年际间输沙势虽有变化，但差异较小，风能环境基本稳定。多年平均输沙势为27.7 VU。根据风能环境划分标准21，该地区属于低风能环境（DP200）。另外，该区域合成输沙势与输沙势呈现出同样的年际变化，变化趋势基本一致。在20132020年间呈不断下降趋势，2021年出现上升（图3a）。合成输沙方向和方向变率处于不断波动状态（图3b），多年平均方向变率为0.84，属于低变率，表明该地区风向较为单一。但是，2013年、2014年、2019年方向变率小于0.8，属于中等变率。因此，研究区总体输沙势较小，部分年2822期何晨晨等：民勤绿洲外围新月形沙丘宽高比与移动速率变化特证份风向变化较大，新月形沙丘的移动主要受西西北和西北风的影响。2.2 高度-宽度关系新月形沙丘高度与宽度数据可用正比例函数20或幂函数23拟合。为了方便，进行正比例拟合，结果见图4。总体上看，虽然两次测量时隔16 a，但是形态参数关系基本没有变化，沙丘宽高比约为16。前人大量工作表明其值一般在818之间24，本研究符合这一规律。多年保持常数值，说明宽高比是新月形沙丘的特征参数。沙丘形态特征受风况、沙源和地形等因素影响。对于同一区域，上述风况特征表明多年输沙势变化不大，属于低风能环境。多年平均方向变率属于低变率，风向较为单一。在无人为干扰的情况下，新月形沙丘的参数关系也应无明显变化。2022年实测数据略显分散，主要原因有二：第一，部分沙丘迎风坡上的人工梭梭林影响了其形态-动力学过程。一般而言，气流在沙丘迎风坡加图2 20132021年民勤站输沙势玫瑰图Fig.2 Rose of drift potential at Minqin station from 2013 to 2021图3 20132021年民勤站风能环境变化Fig.3 The variations in the wind energy at Minqin station from 2013 to 202128340卷干旱区研究速，绕过沙丘顶部在背风坡形成回流，迎风坡气流加速和背风坡回流会影响沙丘的侵蚀速率，从而影响沙丘的宽度、高度等形态参数。对于不同宽高比的沙丘，这一过程也会有所变化。沙丘宽高比越小，气流在迎风坡加速越快，背风坡回流区长度和强度均会增大25。地表植被覆盖会引起下垫面粗糙度改变，地表抗风蚀能力增强，从而影响沙丘近地