腾格里沙漠光伏阵列对气流场和风沙流的扰动作用

[目的]研究腾格里沙漠光伏(PV)阵列扰动下的近地层气流场与风沙流结构特征,评估光伏阵列的防风固沙效果,为沙漠地区风沙灾害治理和生态环境可持续发展提供理论支撑。[方法]采用梯度风速观测设备,实地观测光伏阵列(电板前沿、电板后沿和阵列间中线)和对照点的风速垂直分布、风速流场和风沙流结构,对比分析电站内外不同位置的气流场与输沙特征。[结果](1)电站内整体风速呈现降低特点,阵列间与电板后沿平均风速随高度上升而增加,电板前沿平均风速随着高度增加呈先降低后增加的趋势。(2)(1)草方格观测断面。电板前沿出风口处的风速明显增加,电板后沿进风口和阵列间中线100 cm以下的风速降低;(2)风蚀坑观测断面。光伏电板150 cm以下的风速降低,阵列间的风速脉动变化明显;(3)砾石观测断面。风速相对变化率与风速流场格局稳定,电板后沿150 cm以上部分风速增加。平均防风效果:砾石>草方格。(3)输沙量表现为:电板前沿>电板后沿>阵列间中线;流动沙丘参照点(上风向)与电板前沿λ(风沙流结构特征值)呈饱和状态,电板后沿和阵列间λ呈非饱和状态。[结论]与流动沙丘相比,光伏阵列扰动了风速流场格局,风速脉动和湍流度发生变化,输沙量明显下降,固沙效益明显。

戈壁风沙流地区铁路路基风沙防护方案分析

风沙是新疆戈壁风沙地区主要的不良铁路路基地质问题。为了研究戈壁风沙地区风沙对铁路路基的危害,结合格尔木至库尔勒铁路新疆段风沙防护试验段的施工,基于无人机影像、试验区段积沙特征及体系断面风沙观测数据,分析试验段防护效果,验证风沙防护形式和布置形式的有效性和安全性。结果表明,阻沙障对风速的影响主要集中在阻沙障防护高度以下,风沙在经过第一道沙障后,在0.2 m和0.8 m高度,距离沙障2个沙障高度处防风效应达到90.0%~95.0%,在第Ⅳ试验区段防风效应达到80.0%~90.0%,且随高度升高,防风效应逐渐减小。防沙效果最高的第Ⅰ防护区的积沙防护率高达95.3%。研究结果满足该地区铁路路基风沙防护安全需求,具有较好经济效益,能为铁路路基建设成本综合评价及后期风沙防护大面积施工及项目管理提供数据支撑。

风沙流环境地表剪切力测量

地表剪切力是风沙运动的关键驱动力,在风沙运动研究中非常重要,但目前针对风沙流环境地表剪切力的实验测量却较为匮乏,已经成为风沙运动研究深入发展的瓶颈。本文介绍了一种基于热膜技术的适用于风沙流环境地表剪切力精确测量的方法,使用热膜传感器和二维热线探头对净风条件下的地表剪切力进行了测量,结果显示:热膜传感器对地表剪切力有较好的响应,其与二维热线探头对摩阻风速的测量结果相差小于6.6%。热膜传感器对方柱绕流条件下地表剪切力的测量结果与OpenFOAM数值模拟结果具有较好的一致性,进一步证明了热膜传感器测量地表剪切力的可行性。热膜传感器的沙粒撞击实验结果表明:沙粒撞击对热膜信号的影响可以忽略,在风沙流环境中可以采用热膜传感器对地表剪切力进行有效测量。基于该技术测量了风沙流环境地表剪切力沿流向的空间分布特征,采用实测方式获得了风沙流环境地表剪切力的空间分布规律。

干枯植被覆盖对公路沿线地表风沙流结构的影响

[目的]以内蒙古S105草原公路沿线地表为研究对象,探讨挟沙风作用下干枯植被覆盖度对风沙流结构的影响,旨在为防治公路两侧土壤风蚀提供理论参考依据。[方法]采用风洞模拟试验,在0%,20%,40%和50%覆盖度水平下测定输沙率。[结果]在挟沙风作用下,输沙率随干枯植被覆盖度的增大而递减,最大输沙率点的高度层不断上升。覆盖度为0%时,输沙率随高度的增加呈指数函数规律降低;覆盖度为20%,40%和50%时,输沙率随高度的增加呈递减→递增→递减→趋于平缓的变化规律;在85 mm高度以下符合多项式函数关系,85 mm高度以上符合指数函数关系。随覆盖度的增大总输沙量递减,最大抗风蚀效率达65.73%。[结论]干枯植被覆盖显著影响地表风沙流结构,可削弱挟沙风侵蚀力,是抑制公路沿线地表土壤风蚀沙化的有效措施。

库布齐沙漠边缘不同下垫面风沙流物质再分配及对营养元素的富集作用

以库布齐沙漠流动沙地、封沙育草带、防风阻沙林、农田防护林和农田5种下垫面为研究对象,采用野外观测与室内分析的方法对其地表与0~100 cm风沙流中沉积物的粒度及其元素特征进行分析。结果表明:(1)农田和有植被覆盖地表的地表粗糙度较流动沙地明显增加,10 cm处风速减少18%以上,总输沙量平均减少85.6%。(2)不同粒度沙粒中Cu、Fe、Mn、Zn含量差异明显,Cu、Zn元素在粉砂中含量最高,Mn元素在极细砂中含量最高,Fe元素在细砂中含量最多。(3)在风沙流物质再分配作用下,风沙流中粉砂和极细砂含量随着高度的上升而增加,平均较地表增加了约14倍,Cu、Zn、Mn元素含量随之增加,风沙流中随高度上升细砂含量先增加后减少,Fe元素含量也呈现出先增加后减少的趋势,这与原地表中元素含量、地表沉积物不同粒径中元素含量特征密切相关。

戈壁风沙流若干特征研究

本文从理论推导入手，阐述了戈壁风沙流中沙粒起跃角度、跃移高度和风沙流结构、强度、能量分布状况等特征，指出与流沙地表风沙流的显著差异，并得到风洞实验验证。

塔克拉玛干沙漠平坦沙地风沙流结构的空间差异性研究

利用高频率全自动集沙仪,于2015年4月28日至2015年7月30日在塔克拉玛干沙漠腹地平坦流动沙地开展了风沙流的空间观测,分析了该地区平坦沙地风沙流结构的空间差异性.结果表明:(1)4次天气过程4组集沙仪风沙流结构都符合幂函数分布,但是4组集沙仪同一高度的输沙率和输沙量以及总水平输沙量差异较大.4次天气过程中,25cm高度平均输沙量在3.31~5.35g之间,随着高度增加,平均输沙量差异性呈现减小趋势,100cm高度时平均输沙量在0.22~0.49g之间;4次天气过程中,4组集沙仪平均总沙尘水平通量在1.22~233.47kg/m之间.风沙流的不均匀性是造成此现象的主要原因.(2)采样频率对风沙流结构没有影响,5min以后风沙流结构基本稳定.

塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区风沙流输沙特征研究

利用多种积沙仪,通过野外实时输沙观测,对塔克拉玛干沙漠腹地塔中的地表风沙流特征进行了分析,结论如下:(1)100 cm高度范围内,总输沙量的63.1%分布在20 cm高度内,72.4%分布在30 cm高度内,随高度的增加,输沙量呈负指数函数下降;由此可见,该地区的风沙活动主要集中在近地面20~30 cm高度范围内;(2)风沙流中跃移、蠕移输沙量的空间分布与风向频率分布存在显著的不一致性,蠕移沙量约占总输沙量的11.6%;(3)沙漠腹地风沙流输沙的粒径以细砂为主,各高度层细砂所占比例均达97%以上;风沙流输沙平均粒径随高度增加而减小,沙尘的含量随高度增加而加大。

保护性耕作农田地表风沙流特性

土壤风蚀是中国北方干旱半干旱地区农田土地退化的重要原因。该文利用移动式风蚀风洞对保护性耕作农田和传统翻耕农田进行原位测试,对比分析保护性耕作农田地表风沙流特性,探讨保护性耕作对土壤风蚀的影响机理,为防治农田土壤风蚀提供理论依据。研究表明,与对照秋翻地相比,由于直立残茬的作用,保护性耕作农田能迅速降低近地表风速,特别是在残茬高度内改变了风速随高度变化的对数规律,风速随高度的降低而急剧减小。其风沙流结构也发生了明显变异,风沙活动层主要集中在180～400mm高度范围内,占总输沙量的67.94%～69.28%,最大输沙率出现在距地表240mm高度上,风沙流结构呈现出类似象鼻形状的"象鼻效应"。风沙流总输沙率也明显小于对照秋翻地,保护性耕作是一种防治农田风蚀沙化的有效耕作措施。

戈壁风沙流结构特性及其意义

通过砾质戈壁风沙流野外实测数据的分析以及风洞模拟实验研究发现:戈壁风沙流结构具有与沙漠风沙流完全不同的风沙流特征,戈壁风沙地表的粗糙度随风速的增大而增加,其表面风沙流输沙量高度分布表现出独特的"象鼻"效应,在一定高度处呈现最大值,并随风速的增加而增高。该"象鼻"效应导致戈壁风沙流结构特征值λ远大于1,不论风速多大,风沙流都处于未饱和状态的非堆积搬运状态。这种特殊性质比较清楚地解释了敦煌莫高窟千年来不被沙山埋没的谜底。并且在风沙防治工程实践中,采用砾石压沙措施,构造类似与砾质戈壁的下垫面,人工促使风沙流结构呈现"象鼻"形状,可使防沙工程达到理想的输导作用。

不同下垫面对风沙流特性影响的风洞模拟研究

通过对戈壁、草方格和流沙地表风沙流特性的风洞模拟实验 ,探讨不同性质下垫面对风沙流结构和风沙活动层风速廓线的影响 ,从而为野外工程防沙的优化设计及其应用提供理论依据。实验结果表明 :戈壁地表风沙活动层主要集中在距地表 2 0cm高度范围内 ;由于沙颗粒与戈壁地表的砾石发生碰撞 ,输沙率随高度的分布不再简单的遵循对数关系 ,其极值出现的高度随风速的增加而上移。由于草方格构成的下垫面复杂多变 ,其对风沙流结构与风沙活动层风速廓线的影响很难确定。但对于特定的下垫面 ,在不同风速下 ,同一高度层含沙量具有很大的相关性。

风沙流持续吹袭对樟子松幼树光合蒸腾作用的影响

为了解风沙流持续吹袭对樟子松幼树光合蒸腾特征影响,2013年春季在内蒙古科尔沁沙地研究了0(CK)、6、9、12、15、18m/s等6个梯度风速处理30min持续风沙流吹袭下樟子松幼树光合蒸腾速率和水分利用效率等指标的变化规律。结果表明:随着风沙流吹袭强度的增加,光合速率、气孔导度和水分利用效率的日变化规律发生了明显改变,而蒸腾速率和胞间CO2浓度日变化曲线没有显著变化。和CK相比,6m/s和12m/s风沙流吹袭下其日均光合速率分别提高13.8%和38.9%,18m/s风沙流吹袭下则下降18.9%;6m/s和15m/s风沙流吹袭下其日均蒸腾速率分别提高16.9%和53.0%,18m/s风沙流吹袭下其日均蒸腾速率降低18.54%。和CK相比,其日均胞间CO2浓度在6—12m/s风沙流吹袭下没有显著变化,15m/s和18m/s风沙流吹袭下则分别提高16.2%和3.3%。6m/s和15m/s风沙流吹袭使其日均气孔导度较CK分别增加26.6%和45.2%,18m/s风沙流吹袭则使其降低13.7%。6、9、12、18m/s风沙流吹袭使其日均水分利用效率分别较CK增加7.3%、1.9%、18.2%和3.1%,而15m/s风沙流吹袭下其水分利用效率下降13.5%。

风沙流中风速脉动对输沙量的影响

通过对不同工程措施下风沙流中风速脉动特征与输沙量波动研究发现:不同孔隙度栅栏中各高度层瞬时风速的波动性具有很好的相关性,而且相邻高度之间的相关性非常显著。在不同风速下,典型工程措施中同一高度层输沙量具有相对应的变化特征;瞬时风速的波动性主要与其所在高度层沙粒的运动状态和工程效益有关。

科尔沁沙地不同下垫面风沙流结构与变异特征

对流动、半流动、半固定和固定沙地 4种不同下垫面 0～ 2 0 cm气流层的风沙流结构与变异特征研究表明 :(1 )不同退化沙地在总输沙量及各层输沙量上存在明显的差异 ,在 5月 1 5日的测定中 ,流动沙地的总输沙量是 83 .1g/ cm2 .h,分别是半流动、半固定和固定沙地的 2 .1倍、9.2倍和 33 .9倍 ;而在 5月 1 5日的测定中 ,流动沙地的总输沙量 1 0 5.7g/ cm2 .h,分别是半流动、半固定和固定沙地的 5.6倍、1 4.1倍和 75.6倍。(2 )总输沙量的 60以上分布在 1 0cm的高度内 ,随高度的增加 ,输沙量呈负指数函数下降。(3)风蚀物中粗粒 (粒径 1 .0～ 0 .5mm )与极细颗粒 (粒径0 .1～ 0 .0 5mm)和粉、粘粒 (<0 .0 5mm)的含量均很低 ,而细颗粒 (粒径 0 .2 5～ 0 .1 mm)的含量很高 ,占风蚀物的73 %～ 91 %,说明近地表层沙粒的运动以跃移为主。随高度的增加 ,风蚀物中中颗粒 (粒径 0 .5～ 0 .2 5mm)的含量下降 ,而极细颗粒和粉、粘粒含量增加 ,但其增幅因下垫面不同而异。(4) 0～ 2 0 cm总输沙量及各层输沙量与植被盖度呈显著负相关 ,与植株高度。

戈壁风沙流结构和风速廓线特征研究

通过对戈壁地表风沙流特性的风洞模拟实验,旨在探讨戈壁地表性质是如何影响气流的紊动性,并对风沙流的结构和风沙活动层内的风速廓线产生影响,从而对野外风沙工程的设计提供理论依据。实验发现:在戈壁地表风沙活动层主要集中在距地表20cm范围内;由于沙颗粒与戈壁地表的砾石发生碰撞,浓度分布不再简单的服从对数关系递减,其极值出现的高度随风速的增加而上移,呈现"象鼻效应";不同风速下风沙活动层内同一高度含沙颗粒浓度之间存在很好的相关性。

新疆策勒县沙漠-绿洲过渡带风沙流结构及输沙粒度特征

[目的]为了分析3个不同下垫面近地表风沙流结构差异及输沙粒度特征,为输沙模型的建立提供理论依据。[方法]对策勒绿洲—沙漠过渡带风速梯度和输沙率进行野外观测,采用拟合函数回归方法分析。[结果]在0—200cm高度范围内,流沙地近地表输沙率或输沙通量与高度服从指数函数或对数函数关系,且拟合程度较高;半固定沙地近地表输沙率或输沙通量随高度服从指数函数关系,拟合程度中上等,稍差于流沙地;固定沙地输沙率随高度变化服从多项式函数关系,拟合程度中等—差。[结论]平均风速较大时,流沙地、半固定沙地地表输沙率或输沙通量随高度变化多服从指数关系,且拟合程度好于平均风速较小的输沙阶段;近地表跃移、蠕移沙粒无论在垂向还是在水平方向上,离地表越高或离绿洲越近其各高度输沙率和沙粒平均粒径都有变小和变细趋势,在水平方向上流沙地输沙沙粒分选性依次好于半固定沙地、固定沙地,分选性多属于中等或中等偏上;所有输沙沙粒的偏度值分布在-0.06~0.05之间,越靠近绿洲输沙沙粒越细;所有跃移、蠕移沙粒峰态值分布在0.92~1.05之间,属于中等峰态。

近地表风沙流结构对过渡带不同下垫面的响应

在塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲—沙漠过渡上选取流动沙地、半流动沙地和固定沙地3个典型下垫面,利用梯度集沙仪测定其近地表10cm的风沙流结构。结果表明,流动沙地地表0~1cm的沙粒百分含量随着风速的增大而减小;2~10cm的沙通量随着风速的增大其百分含量增加,1~2cm的沙通量存在一个稳定层,幂函数、指数函数和对数函数均能较好地反映其沙通量垂直分布特征,并可以利用风沙流结构来判定地表的蚀积状况;半固定和固定沙地地表由于受到植被盖度影响,其风沙流结构特征表现为近地表0~1cm沙通量较流动沙地少,2~10cm的沙通量百分含量较多,且每层沙通量与风速的相关性较差,稳定层在植被盖度的扰动下抬高或者消失,对数函数能较好地反映其风沙流结构特征,地表蚀积状况不可用现存风沙流结构地表蚀积公式来判定。

关于风沙流中风速廓线的进一步实验研究

总结与分析了以前学者对风沙流中风速廓线的研究成果,指出了其中的不足之处。并通过实验测出两种较典型自然沙(沙丘沙与河滩冲积沙)所形成稳定状态下风沙流中的风速廓线,提出了新的风速廓线模型。实验结果表明风沙流中的风速廓线用幂函数u=azb拟和最佳,拟合系数均大于0 95。经验证,实验结果可靠。

风和风沙流对玉米幼苗叶片膜透性和膜保护系统的影响

为了解玉米幼苗对风和风沙流危害的生理响应机制,2013年春季在内蒙古自治区东部科尔沁沙地研究了0 m·s^-1（CK）、6 m·s^-1、9 m·s^-1、12 m·s^-1、15 m·s^-1和18 m·s^-1等6个风速下净风和风沙流（风沙流强度相应为0g·cm^-1·min^-1、1.00 g·cm^-1·min^-1、28.30 g·cm^-1·min^-1、63.28 g·cm^-1·min^-1、111.82 g·cm^-1·min^-1和172.93 g·cm^-1·min^-1）10 min吹袭对玉米幼苗叶片膜透性影响及其膜保护系统响应。结果表明,净风吹袭下,随风速增强,玉米幼苗丙二醛（MDA）含量和过氧化物酶（POD）活性趋于增加,膜透性和过氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性及可溶性糖、脯氨酸含量呈波动式变化;其中12-18 m·s^-1处理的SOD活性,6 m·s^-1和12-18 m·s^-1处理的POD活性,6 m·s^-1和12 m·s^-1处理的CAT活性,以及6 m·s^-1处理的可溶性糖含量和18 m·s^-1处理的脯氨酸含量显著高于CK。风沙流吹袭下,随着风沙流强度增大,玉米幼苗MDA含量、SOD活性和可溶性糖含量趋于下降,但膜透性和POD活性显著增强,除18 m·s^-1处理的脯氨酸外,其他处理的CAT活性和脯氨酸含量变化不显著。结果说明,短暂的净风吹袭对于玉米幼苗叶片的细胞膜危害不明显,而风沙流胁迫致其细胞膜结构受损严重;风和风沙流胁迫下对细胞膜起到保护作用的主要是POD,在18 m·s^-1大风和风沙流胁迫下脯氨酸起到了渗透调节作用。

风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布实验研究

在非均匀沙床面上,风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布,是非均匀风沙运动研究的重点。研究首先通过风洞实验,收集了风洞中垂线垂向输沙量分布沙样,然后对集沙沙样进行了沙粒粒度分析实验,实验分析结果得出了不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布规律,基于稳定平衡风沙跃移运动模型和本文实验结果,最后数值模拟研究了不同粒径组沙粒输沙量垂向分布,与沙粒起跳速度和角度之间的关系。本文研究结果得出,在非均匀风沙流中,粗粒径组沙粒垂向输沙量上部符合指数递减分布但近床面区偏离指数分布,呈现为偏大型分布,粗粒径组对应的沙粒起跳速度和角度分布均为指数函数;细粒径组沙粒垂向输沙量在整个高度上均符合指数递减规律,细粒径组沙粒对应的起跳速度分布为指数函数,起跳角度分布为高斯函数。沙粒的平均起跳速度,在0.4u*～2.2u*之间变化,随着气流风速(u*)和沙粒粒径的增加而减小。