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塔克拉玛干沙漠的大地貌格局是高大复合沙垄和宽广垄间地相间分布,而垄间地是研究简单沙丘发育过程的良好试验场地。对于防沙治沙工程,人们多关注的防沙治沙效益或防护工程自身维护和效益,对于防护工程影响下沙丘形态变化研究较少。本文对高立式沙障影响下垄间地新月形沙丘的形态变化及其作用机制进行了试验研究,主要结论如下:
(1)在自然状态下,垄间地新月形沙丘顺主风向趋于逆向演变,新月形沙丘各形态参数出现不同程度减小。新月形沙丘中轴线上风场都有一个明显的“U”型加速区,这个区域主要集中在新月形沙丘迎风坡中部到丘顶;沙丘不同部位风速廓线拟合函数主要是对数函数和二次函数。地表0-20cm高度范围内,在同一高度层(0-4cm、0-10cm和10-20cm),沙丘迎风坡脚与沙丘前后的垄间平地风沙流输沙分布比例相当;在0-10cm高度内,沙丘顶部比沙丘其它部位输沙分布比例大,而在10-20cm高度内,沙丘顶部则小于其它地貌部位;沙丘背风坡脚风沙流结构与其它部位差异很大,高层和底层输沙分布比例大于中间;沙丘不同部位近地表风沙流输沙率与高度满足指数函数、幂函数关系,幂函数相关系数较高,背风坡脚则满足二次函数。
(2)在高立式沙障影响下,上风侧新月形沙丘形态趋于正向发育,沙丘高度和迎风坡度呈明显增加,形状更趋于新月形,翼角对称性变好,且距离沙障越近,变化越明显;沙丘风场图也有“U”型加速区,但没有对照沙丘明显,且含有大量湍流区;沙丘风速廓线拟合函数满足对数函数、幂函数或二次函数;与对照新月形沙丘相比,上风侧新月形沙丘风沙流输沙在0-10cm分布比例增加,而在0-4cm相对减小,10-20cm也相对减小,沙丘背风坡脚风沙流结构变化更加明显,0-10cm内风沙流输沙分布比例与10-20cm相当,而不是主要集中在0-4cm。风沙流输沙率与高度的拟合函数与对照沙丘相似。
(3)高立式沙障作用下,下风侧新月形沙丘趋于逆向演变,与对照新月形沙丘变化趋势一致,沙丘高度和迎风坡度逐渐减小,翼角逐渐消失,沙丘变小,随远离沙障,变化趋势越明显,到一定距离后不受沙障影响,变为垄间地自由沙丘。沙丘风场图“U”型加速区出现在4m/s以上风速图中,湍流区范围和数量明显增多;沙丘风速廓线满足对数函数、幂函数和二次函数,对数函数相关系数小于对照沙丘;与对照新月形沙丘相比,沙障下风侧新月形沙丘风沙流输沙在0-10cm分布比例减小,在0-4cm高度也减小,而在10-20cm相对增加;风沙流输沙率与高度满足幂函数关系,背风坡脚依然是二次函数。
(4)高立式沙障对新月形沙丘作用机制是:沙障设置改变地表状况,引起风力和沙源的重新分布,导致风沙流饱和度在空间上发生变化,使沙障范围内的新月形沙丘表面侵蚀量和堆积量平衡关系被改变,进而影响沙丘形态变化。在上风侧,随靠近沙障,风力减小,风沙流饱和度逐渐增加,沙丘趋于正向发育;向沙障下风侧,正好相反,风力逐渐向旷野风速恢复,风沙流饱和度减小,沙丘呈逆向演变,且逆向演变速度逐渐加快,直到与旷野沙丘一致。