众所周知,风沙地貌的形成和发展主要受沙源供应、风况和植被等因素的影响。此外,风沙地貌也往往被障碍物分割、阻断,对沙漠化的形成过程、干旱区的人类活动造成重要影响。受下垫面地形起伏的影响,山脉等正地形会直接改变风沙地貌的沙源供应与风况条件,甚至改变局地气候环境。世界上广泛存在着受山脉影响的风沙地貌区域,如:非洲尼日尔Tibesti Massif山脉,中国巴丹吉林到腾格里的山脉,以及塔克拉玛干沙漠沙漠西南部麻扎塔格山和北民丰隆起等。沙漠内部山脉的影响主要表现在其迎风侧与背风侧风沙地貌的形态上,山体越高,其影响范围越大。此外,山脉会导致局地气候发生变化,从而对山体的侵蚀剥蚀、山谷、风影区及垭口风沙地貌的形态和格局产生明显影响(图1)。麻扎塔格山北麓出现的金字塔形沙丘,以及在北民丰隆起凹部出现密集高大的复合新月形沙山等均是这种影响的体现。
“山体河道等下垫面对风沙地貌格局的影响调查”是第三次新疆科考“塔里木河流域干旱与风沙灾害调查和风险评估”项目的重点考察内容之一。项目组围绕这一主题,重点针对阿尔金山、北民丰隆起和麻扎塔格山周围的风沙地貌类型、分布格局、形态特征等展开了系统考察。调查发现,盆地周围存在许多因山体等障碍物形成的风沙地貌类型,如:回涡沙丘、爬坡沙丘、崖顶沙丘、跌落沙丘及风影沙丘等(图1)。基于前人研究工作,项目组针对上述沙丘的发育机制进行了系统调研,并给出了每类沙丘形成发育的必要条件、控制因子及其作用机制。研究表明,在各类沙丘形成发育过程中,障碍物周围的二次流结构是沙丘形成发育的控制因子,而障碍物类型、形态、空间分布格局、来流风向、沙源供给条件、地形坡度等因子是控制二次流结构的关键因子,从而间接影响障碍物周围的蚀积动态和沙丘形态(图2)。
研究还发现,山脉等地形障碍物周围的风沙地貌形成发育机制与基础设施周围的风沙灾害形成机制极为相似。如:在沙区经常可以看到基础设施周围分布有大量的回涡沙丘,严重威胁设施的正常运行(图3)。基础设施不合理的形状和空间排列方式,导致其周围产生了显著的涡流区,致使沙粒在设施周围大量堆积。此外,在一些光伏基地桩基础附近,发现了大量的风蚀坑,严重影响光伏基地的稳定性。这些风蚀坑的发育源于桩基础附近产生的二次加速气流,因此,尽可能避免和削弱这些二次流的发生和强度是消除此类风沙灾害的关键环节。其次,还有一些公路出现了大量积沙,导致车辆通行受阻。这些积沙体的形成发育机制与崖顶沙丘极为相似。当气流遇到路基后,在其边缘产生了显著的分离气流,而风沙流中的部分沙粒被卷入分离涡,导致其不断在路面积累,形成沙害。因此,如何利用障碍物沙丘的形成发育机制,改善基础设施周围的防沙、阻沙和输沙能力,是今后研究的重要内容之一。
图3 沙区基础设施周围的风沙灾害