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焦银霞, 穆媛芮, 张旺生, 郭洁, 陈奕霖, 李晓木. 新疆北山库姆塔格沙垄沙丘的形态特征分析[J]. 国土资源遥感, 2013,25(2): 138-142
JIAO Yinxia, MU Yuanrui, ZHANG Wangsheng, GUO Jie, CHEN Yilin, LI Xiaomu. Morphological characteristics of Kumtagh sand dunes in Beishan,Xinjiang Uygur Autonomous Region[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2013,25(2): 138-142  
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新疆北山库姆塔格沙垄沙丘的形态特征分析
焦银霞1,2, 穆媛芮1,3, 张旺生1, 郭洁1, 陈奕霖1, 李晓木2
1.中国地质大学(武汉)地球科学学院,武汉 430074
2.新疆维吾尔自治区喀什第六中学,喀什 844000
3.新疆地矿局十一大队,昌吉 831100
通讯作者:张旺生(1955-), 男, 博士, 教授, 研究方向为遥感地质学和地质灾害学。 E-mail:sd2411863@163.com。

第一作者简介: 焦银霞(1983-), 女, 硕士研究生, 研究方向为资源环境监测技术。 E-mail:jiaoyinxia83@163.com。

收稿日期: 2012-06-30
基金: 中国地质调查局1:5万区域地质调查项目(编号: 102-071913)资助
摘要

为进一步探讨新疆维吾尔自治区北山库姆塔格地区沙漠成因和保护生态环境提供依据,分析了该区沙垄的形态特征。对库姆塔格沙垄地区的ETM遥感图像裁剪出相对应的沙丘形态类型图像,并进行锐化增强处理; 基于SRTM数据,通过ArcGIS软件的三维分析模块得出库姆塔格沙垄的高程图; 根据当地的地形地貌特点绘制简易的主风向图; 详细分析每种类型沙丘的特征。研究表明: 库姆塔格沙垄由于其独特的自然地理特点,形成狭长的“S”型沙垄,沙丘形态复杂多样; 该区沙丘类型主要以新月形沙丘链和复合型纵向沙垄为主,单个新月形沙丘较零散,线性沙丘分布较少,树枝状沙丘还处于雏形。

关键词: 库姆塔格沙垄; 新月形沙丘链; 复合型纵向沙垄; 遥感
中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2013)02-0138-05 doi: 10.6046/gtzyyg.2013.02.23
Morphological characteristics of Kumtagh sand dunes in Beishan,Xinjiang Uygur Autonomous Region
JIAO Yinxia1,2, MU Yuanrui1,3, ZHANG Wangsheng1, GUO Jie1, CHEN Yilin1, LI Xiaomu2
1.Faculty of Earth Sciences, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China
2.The Sixth Middle School of Kashi in Xinjiang Uygur Autonomous Region, Kashi 844000, China
3.The Eleventh Team of Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources, Changji 831100, China;
Abstract

The purpose of this study is to provide the basis for further study of desertification origin and the protection of ecological environment in this region. The morphological characteristics of Kumtagh sand dunes in Beishan of Xinjiang Uygur Autonomous Region were analyzed, the Landsat ETM images of morphotype of Kumtagh sand dunes were cut out, and the sharp images were also enhanced. On the basis of SRTM data,the digital elevation mode for Kumtagh sand dunes were obtained by means of three-dimensional analysis module of ArcGIS software. Simple wind figures were drawn according to the local terrain and physiognomic characteristics. The characteristics of each type of sand dune were analyzed in detail. This study results that sand dunes in Kumtagh form a long and narrow “S” shaped ridge due to the unique natural geographic features,and the dune morphology is diverse and complex. The main types of sand dunes are crescent dune chains and complex longitudinal sand dunes. The single crescent dunes are scattered, the linear dunes are less distributed,and the dendrite dunes are in the early development stage.

Keyword: Kumtagh sand dunes; crescent dune chaines; complex longitudinal sand dunes; remote sensing
0 引言

对于沙丘类型, 很多内陆沙漠沙丘研究者利用不同指标进行了划分。费道洛维奇[1]根据气流和沙丘形态形成关系的成因原则, 将沙丘划分为4种基本动力类型: 对流型、信风型、季风-软风型、干扰型。Breed等[2]根据地球资源遥感图像的分析, 提出全球沙丘的简明形态分类, 即线形、新月形、金字塔形、穹状和抛物线形沙丘。Pye等[3]将沙丘分成3类: 地形障碍沙丘、自行堆积形成的沙丘和植被沙丘。吴正等[4]据形态成因原则, 采用3级分类系统对我国沙漠地区的沙丘进行分类, 首先按沙丘形态和风况之间的关系, 分为3种类型: 横向沙丘、纵向沙丘和多方向风作用下的沙丘; 然后根据沙丘的固定程度又将每一种类型划分为裸露的沙丘和有植被覆盖的沙丘2个亚类; 最后根据沙丘形态特征对每一亚类进行细分。综上所述, 对于内陆沙漠沙丘, 至今没有建立起统一的沙丘分类系统。综合考虑地形、植被、气候等环境因素对沙丘形态的影响, 目前应用比较广泛的分类方法是吴正等的3级分类系统[4]。本文对库姆塔格沙垄沙丘形态类型的划分也遵循此原则。

1 研究区概况与数据处理
1.1 研究区概况

库姆塔格的维吾尔语是“ 沙山” 的意思。库姆塔格沙垄分布在新疆东部哈密地区境内, 处于E 92° 51'~93° 15', N 40° 30'~42° 19'区域内, 横亘于北山之中形成一条近南北向的天然屏障。其具体位置在哈密的大南湖乡以南, 罗布泊低地的东北, 甘肃玉门关外柳园以西, 库姆塔格沙漠以北[5](图1)。

图1 库姆塔格沙垄位置图Fig.1 Location map of sand dunes in Kumtagh

由于库姆塔格沙垄处于东天山以南, 阿尔金山以北的北山之中, 四周被山地包围, 因此来自四面的湿润气流都不易到达, 形成降水稀少, 持续干旱的气候环境和植被稀疏的自然景观。库姆塔格沙垄南北长207 km, 东西最宽处19 km, 最窄处0.96 km, 面积约969.92 km2, 库姆塔格沙垄位于欧亚大陆最干旱的“ 欧亚大陆旱极” 地带, 自然条件恶劣, 生态环境极其脆弱, 因此对库姆塔格沙垄的分析研究可以为该地区生态环境保护和沙漠化预防提供依据。

1.2 数据处理

对库姆塔格沙垄地区的ETM遥感图像进行R(7), G(4), B(3)波段合成, 识别并裁剪出相对应的典型沙丘形态图像, 并且在ERDAS软件支持下对其进行锐化增强处理[6]; 下载分辨率为90 m的SRTM数据, 通过ArcGIS软件的三维分析模块得出库姆塔格沙垄的高程图; 根据当地的地形地貌特点绘制简易的主风向图。利用GlobalMapper和ERDAS的功能、GoogleEarth图像量测, 验证了沙丘的高度, 宽度和长度等参数。

2 地形地貌特征

沙漠地貌是大自然经过千百年风力堆积沙物质而形成的风积地貌[7]。在极端干旱的库姆塔格沙垄地区, 沙漠地貌几乎完全由风营力所控制, 其形态可反映主风向的长期变化特征, 如垂直于风向的横向沙丘形态和平行于风向的纵向沙丘形态[8]。分析这些沙漠地貌所反映的主要风向的状况, 可为重建库姆塔格沙垄地区的风场提供依据。

利用ArcGIS软件三维分析模块得出库姆塔格沙垄的高程图(图2)[9]。库姆塔格沙垄的最大高程1 540 m, 最小高程450 m, 平均高程964 m, 以中部的山区为最高点, 高程向两边递减。

图2 库姆塔格沙垄高程图Fig.2 DEM of sand dunes in Kumtagh

库姆塔格沙垄地区的地貌主要是由定向风蚀而成的基本平行的条条深壑组成, 方向为近南北走向。该区地面风系受北方或西北方冷空气南下的影响, 气流绕东天山山口而形成偏东气流进入库姆塔格沙垄地区, 风向多为NE, NNE和NW向。当北方冷空气南下时, 气流沿NE-SW向的深壑由库姆塔格沙垄吹向库姆塔格沙漠。而实际上其地貌也正是这种定常风长期作用的结果[10]。库姆塔格沙垄的主要风积地貌为近南北向的大型纵向沙丘, 呈“ S” 型展布, 暗示此区域盛行东北风与西北风(图3), 来自天山七角井风口的西北风和哈密伊吾的东北风, 沿途经过长风程, 挟带着大量沙子, 最后在库姆塔格沙垄地区相遇碰撞并沉积, 形成“ 有沙山的沙垄” 景观[11]。

图3 库姆塔格沙垄主风向示意图Fig.3 Schematic diagram main wind direction of sand dunes in Kumtagh

从大沙垄、复合沙丘链所反映的沙丘移动方向来看, 沙丘由北向西南迁移, 表明东部区域主要盛行东北风; 北部区域主要为NS走向的大型纵向型新月形沙丘及沙丘链, 新月形沙丘的背风坡在东南部, 表明此区域以西北风为主; 西部区域主要有2种类型的沙漠, 即横向型新月形沙丘、沙丘链和复合型沙丘链, 南部边缘几乎均为新月形沙丘和新月形沙丘链, 背风坡在西南部, 表明此区域盛行东北风; 中北部区域有大面积的呈初期形态的树枝状沙垄, 如道道伤痕镶嵌在岩石中。中南部区域的风积地貌比较复杂, 有大面积的沙窝, 长22.9 km, 最宽处约10.9 km。

综上所述, 库姆塔格沙垄风积地貌比较复杂, 主要有4大风沙地貌类型: ①以最北部的洼地为起点, 向南延伸大约30.5 km的区域为纵向型新月形沙丘及复合型新月形沙丘链区, 沙丘链中沙丘单体的走向为NE-SW; ②在中部偏北有一横向型新月型沙丘及复合型新月形沙丘链区, 总长约11.9 km, 沙丘走向为NNE-SWW; ③沙漠腹地沙丘的形态特征最为复杂, 为综合型纵向型沙丘区, 表明此区风系非常复杂, 纵型线性沙垄区为近似的NS走向, 树枝状沙垄区为NW-SE走向; ④最南部为零散的新月形沙丘链区, 沙丘大致平行分布, 且带有一定的向SW延伸的弯曲度, 背风侧在西南、南部, 表明该区主要以东北风和北风为主。

3 沙丘形态特征
3.1 横向沙丘

横向沙丘的走向和起沙风合成风向之间的夹角大于60° 或相互垂直。在库姆塔格沙垄地区横向沙丘的主要形态有: 新月形沙丘和沙丘链、复合新月形沙丘和复合型沙丘链以及格状沙丘。

3.1.1 新月形沙丘和沙丘链

新月形沙丘是风积地貌的基本形态之一, 其平面形态具有新月的图形, 沙丘的两侧有顺着风向向前伸出的2个夹端(称兽角或翼), 新月形沙丘的横剖面形态具有2个不对称的斜坡。在沙源比较丰富的情况下, 许多密集的新月形沙丘相互连接而成新月形沙丘链[12]。由锐化增强处理前后的库姆塔格沙垄地区新月形沙丘ETM图像(图4)看出: 新月形沙丘主要受东北风的作用, 呈现NE-SW方向展布。迎风坡凸出而平缓, 坡度介于5° ~20° 之间, 受风力, 移动的沙量, 沙粒的形状、大小和比重的控制; 背风坡是凹而陡的斜面, 即滑动面, 倾角为28° ~34° , 相当于沙子的最大休止角。2坡转折的地方有显著的弧形沙脊[13]。新月形沙丘的高度在1~8 m左右, 最高处达12 m。沙丘越高, 背风坡的横向涡流越发展, 其宽度一般为高度的十几倍。沙丘链呈NE-SW向展布, 在形态上仍然保持着原来单个新月形沙丘弯曲的弧形体特征, 两翼也较明显, 弯曲度较大, 两坡不对称[14]。沙丘链的长度最短445 m, 最长达10.79 km, 沙丘链之间的距离约238~440 m的范围, 高度小于10 m。

图4 新月形沙丘和沙丘链ETM图像Fig.4 ETM images of barchan dunes and dune chaines

3.1.2 复合新月形沙丘和复合型沙丘链

复合新月形沙丘是指在沙丘的迎风坡上层叠置着许多次一级的新月形沙丘的高大沙丘。许多复合新月形沙丘横向连接起来, 就成了复合型沙丘链[15]。由锐化增强处理前后的复合新月形沙丘和复合型沙丘链ETM图像(图5)看出: 沙丘高大, 复合新月形沙丘的两坡不对称, 高度小于20m; 沙丘链呈NNE-SWW, NE-SW向展布或者近NS向延伸, 宽度50~240 m, 长度1.7~5.5 km, 高度10~40 m ; 复合型沙丘链之间的距离0.11~1.32 km。

图5 复合新月形沙丘和复合型沙丘链ETM图像Fig.5 ETM images of complex barchan dunes and compound dune chaines

3.1.3 格状沙丘

格状沙丘也叫沙垄-蜂窝状沙丘, 其平面形态象格子状, 由纵横交错的沙梁组成, 即在沙丘链之间垂直分布着许多有低矮沙埂分割的丘间低地[16]。由锐化增强处理前后的格状沙丘ETM图像(图6)看出: 库姆塔格沙垄的格状沙丘是由NW-SE走向的沙丘链(主梁)和NE-SW走向的低矮沙埂(副梁)组成, 主梁丘高4~10 m, 副梁丘高1~3 m。

图6 格状沙丘ETM图像Fig.6 ETM images of checkerboard dunes

3.2 纵向沙丘

纵向沙丘的走向和起沙风合成风向之间的夹角小于30° 或近于平行。纵向沙垄由于气流中含沙量的比例较小, 风沙流没有达到饱和而形成。在纵向沙丘的发展过程中由于植被的大量死亡或地下水迅速降低, 成为裸露的沙丘, 按照纵向沙丘的发展规律使纵向沙丘增高, 并加速了纵向涡旋的作用。这样使得沙丘不断增高和延伸, 成为垄状沙链。

3.2.1 新月形沙垄

在2种风向呈锐角斜交的情况下, 新月形沙丘的一翼向前延伸很长, 而另一翼相对退缩, 形成外形像鱼钩状的新月形沙垄。它是介于新月形沙丘和线形沙丘之间的过渡沙丘类型[17]。由锐化增强处理前后的新月形沙垄ETM遥感图像(图7)看出: 沙垄近NS走向或者NNW-SES走向展布, 沙垄高度小于12 m, 长度1.29~8.55 km, 最长达16.38 km。

图7 新月形沙垄ETM图像Fig.7 ETM images of aymmetric barchanoid ridges

3.2.2 线性沙垄

新月形沙垄的发展结果, 最终会使尾部的新月形沙丘形态变得不明显, 甚至消失, 仅留下由一翼延伸所成的沙垄, 也就是所说的线性沙垄[18]。由锐化增强处理前后的线性沙垄遥感图像(图8)可看出: 沙垄比较平直, 两坡较对称, 顶部形如鱼脊, 长度在1~10 km之间, 高6~20 m。

图8 线性沙垄ETM图像Fig.8 ETM images of linear dunes

3.2.3 树枝状沙垄

线性沙垄不断延伸并且成锐角互接起来, 形似树枝, 称为树枝状沙垄[19]。由锐化增强处理前后的雏形树枝状沙垄ETM图像(图9)可看出: 库姆塔格沙垄地区的树枝状沙垄还处于初期阶段, 有沙堆和垄状沙链构成, 规模不大。

图9 雏形树枝状沙垄ETM图像Fig.9 ETM images of rudiment of dendritic longitudinal dunes

3.2.4 复合型纵向沙垄

由锐化增强处理前后的复合型纵向沙垄ETM图像(图10)看出: 垄体较平直, 两坡略微不对称, 坡面上叠置着许多新月形沙丘和沙丘链, 呈NNE-SWS向和近N-S向展布, 垄长3.7~11.4 km, 宽30~150 m, 高5~30 m, 有的地方高达40 m; 沙垄之间的低平地, 宽120~440 m不等, 分布着许多低矮的沙垄或沙丘链; 小沙垄之间又有许多沙埂, 垄长100~1.5 km; 呈流动性。

图10 复合型纵向沙垄ETM图像Fig.10 ETM images of compound longitudinal dunes

4 结论

通过数字高程模型(DEM)看出, 库姆塔格沙垄地区地势以中部山区为最高点, 高程向两边递减。独特的地理位置及地形使得库姆塔格沙垄境内主要受西风气流和东北风2大风向控制, 所形成的风积地貌主要为近南北向、狭长的“ S” 型展布的大型纵向沙垄。通过重建库姆塔格沙垄中的风场以及ETM遥感图像解译可清晰地识别出该区沙丘的形态类型及其分布特征。总体上说, 该区沙丘形态较复杂, 主要类型有: 横向的新月形沙丘和沙丘链、复合新月形沙丘和复合型沙丘链以及格状沙丘, 纵向的新月形沙垄、线性沙垄、树枝状沙垄和复合型纵向沙垄。其中新月形沙丘链复合新月形沙丘、复合型沙丘链、新月形沙垄和复合型纵向沙垄的分布广泛, 单个新月形沙丘较零散, 线性沙丘分布较少, 树枝状沙丘还处于初期阶段。本文研究可为该区生态环境的保护以及沙漠成因的探讨提供依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

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