戈壁地表风沙运动特征的野外观测研究

通过野外观测实验探讨了戈壁地表风沙运动的若干特征。结果表明：戈壁地表风沙活动层主要集中在距地表60 cm高度内;不同粒径沙粒输沙强度的垂向分布不同,以0.25~0.5mm为过渡区,〈0.25mm颗粒输沙强度随高度增大先增加而后按指数规律递减,〉0.5mm颗粒则随高度增加呈线性递减,且粒径越大,递减的梯度越小;风沙流中颗粒的粒度组成不仅受风速和颗粒起动风速影响,而且还与地表粒度组成直接相关;输沙率与风速之间关系服从指数规律,公式形式为q=α.eβ.u,其中α、β为相关系数,u为地面2m高处风速。

民勤绿洲外围不同下垫面条件下风沙流流量的观测

对民勤绿洲外围特定环境背景条件下无盖度流动沙丘、白刺平坦砾质沙地、白刺沙包、梭梭林地、麦草沙障、尼龙网沙障以及粘土沙障的风沙流流量进行了实地观测和对比研究。结果表明,无盖度流动沙丘和白刺平坦砾质沙地上风速(v)与0～50cm输沙率Q(g·cm-1·min-1)之间的数学关系曲线都遵循幂函数曲线(Q=avb),它们的风沙流总流量分布均为沙丘顶部>沙丘中部>沙丘底部;白刺沙包从全年度风沙流总流量来看:Q背风坡底部>Q迎风坡底部>Q顶部,且白刺沙包上白刺的盖度对风沙流流量影响显著;从防风固沙的效果来看,尼龙网沙障的防沙能力最好,麦草沙障次之,粘土沙障最弱;在梭梭林地上,随着疏透度的增大,风沙流流量成多项式Q=1992L2-6522.7L+5914.3(R2=0.9767)或指数函数Q=412.38e0.7877L(R2=0.9127)递增;从测定的全年度风沙流总流量看,无盖度流动沙丘>白刺平坦砾质沙地>梭梭林>白刺包>粘土沙障。

民勤绿洲外围不同下垫面条件下风沙流结构的观测研究

对民勤绿洲外围特定环境背景条件下不同下垫面的风沙流结构进行了实地观测和对比研究。结果表明：相同条件下无盖度流动沙丘输沙率顶部〉中部〉底部,白刺平坦砾质沙地上输沙率的大小与地表粗糙度成反比,与沙丘盖度成反比,且这两种下垫面风沙流结构（0-30 cm）都遵循负指数曲线（Q=aebh）;白刺沙包不同部位风沙流结构遵循幂函数规律（Q=ahb）变化;不论梭梭疏透度如何变化,风沙流结构都遵循幂函数规律（Q=ahb）;从防风固沙的效果来看,尼龙网沙障的防沙能力最好,麦草沙障次之,粘土沙障最弱;而从整个研究时段总的输沙率来看,流动沙丘〉丘间砾质沙地〉梭梭林〉白刺包〉黏土沙障〉麦草沙障〉尼龙网沙障。

毛乌素沙地新垦地土壤风蚀特征

为了理解近期沙地农业开发的土壤风蚀风险及其对区域沙漠化的影响。该文对毛乌素沙地灌丛沙堆地、沙质草地以及耕地不同位置进行了多组风沙同步观测,并对所收集的沙物质进行粒度分析。结果表明:草地与灌丛地被开垦为耕地后,土壤风蚀强度成倍数增长。在可蚀性颗粒充足的耕地,输沙率顺风向趋于增加的同时,随高度的增加,输沙率在0~10 cm高度内以指数函数规律递减,在10~20 cm高度内以幂函数规律递减;总输沙率与风速呈较好的幂函数关系,侵蚀模数约为9 657 t/(km^2·a)。该文认为,新垦地的出现对区域沙漠化具有重要影响,其面积应作为评价区域沙漠化的重要指标;减小裸露耕地面积,建立防风固沙林,保留一定高度的留茬,可有效控制新垦地的土壤风蚀问题。

海岸湿沙表面风沙传输特征的风洞实验研究

通过湿沙表面风沙传输的风洞实验,研究了湿润海岸风沙流的垂直结构、输沙率随风速与表层湿度的变化规律。输沙测量使用60cm高直立式积沙仪,湿度(M)为沙面表层1mm厚的重量湿度值。结果表明,湿沙表面的输沙量和高度呈指数关系。一般,湿度增大,整体输沙率降低,高湿度床面的沙粒有相对更大的比例被传输到更高的位置。比起低湿度(M<0.587%)沙粒,高湿度(0.587%<M<1.448%)沙粒的垂直运动对湿度变化的影响更加敏感,尤其是在跃移层的底部,当M>1.448%时,输沙率已经很低,小于0.99g.cm-1.s-1。伴随湿度0.587%和1.448%的过渡,风沙流垂向分布被分为3个不同坡度的区域,曲线坡度反映了沙粒间不同水分存在形式的影响差异。对于跃移沙粒,高湿度表面(M>1.448%)仅起到了一个传输平台的作用;当表面变干到某种程度(M=0.587%)之前,表面湿度是跃移运动的主要控制因子,然后风速才重新开始影响输沙。

塔里木沙漠公路对近地表风沙运动过程的影响

通过对塔克拉玛干沙漠腹地野外试验数据的分析,探讨了塔里木沙漠公路对近地表风沙运动过程的影响。结果表明:①阻沙栅栏和草方格固沙带对近地表气流的速度和风速廓线形成很大影响,风速整体被削弱,而且越接近地表,削弱程度越大,风速廓线的垂直梯度增加;②在防沙体系内,地表输沙率急剧下降,风沙流结构发生很大变化,下层含沙量下降,而上层含沙量相对变化较少,在阻沙栅栏的积沙带和草方格固沙带内上层含沙量趋于均匀分布;(3)阻沙栅栏和草方格固沙带也影响沙丘的移动。当主导输沙风向与栅栏相交呈小角度时,靠近栅栏的沙丘顺栅栏走向侧向移动相交呈大角度时,移动方向变化不大,草方格固沙带不影响沙丘的移动方向;阻沙栅栏和草方格固沙带能降低沙丘的移动速度,而在固沙带内部,由于沙丘的逆向演变,沙丘体积减小,移动速度较快。

海岸风沙流中不同粒径组沙粒的垂向分布模式

通过对河北昌黎黄金海岸沙丘风沙流的野外实地观测与室内风洞模拟实验数据的数值模拟,探讨了我国典型海岸沙丘风沙流中不同粒径组沙粒输沙量的垂向分布模式。结果表明,河北昌黎黄金海岸沙丘表面风沙流中不同粒径组沙粒输沙量的垂向分布特征并不一致,其中细沙和中沙符合典型的指数递减分布规律,但粗沙则为负幂函数分布。究其原因,主要与不同粒径组沙粒输沙量的分布高度及运动方式差异有关。在实际非均匀沙床面上,粗沙主要集中分布于沙丘表面4cm高度内湍流发育的近地表层,运动方式以蠕移为主,沙丘表面湍流的主导作用使其输沙量随高度的变化满足负幂律关系,但中沙和细沙则以跃移运动为主,跃移沙粒输沙量的垂向分布呈现指数递减特征。

风沙运动中的若干力学问题研究

风沙运动机理研究是认识风沙灾害本质进而实现有效防治的基础,所涉及的诸如多尺度、多场耦合、随机性、非线性、尺度效应和复杂系统等科学问题也是科学前沿所关注的共性和热点课题。近：年来兰州大学风沙环境力学研究组从力学和地学的学科交叉角度,通过风洞实验、理论建模和计算机模拟研究,揭示了风沙流中沙粒带电量和风沙电场的基本规律及其对风沙流和无线电通讯的影响,实现了对考虑多物理场耦合作用的风沙流发展过程的理论预测以及对风成沙波纹主要特征的计算机模拟,取得一些具有原创性的实质进展。

二维沙丘迎风坡沙粒跃移运动的数值模拟

为了研究沙丘迎风坡面上沙粒的跃移运动,本文根据风工程和空气动力学的最新理论,给出了沙丘迎风坡面上风场的空间分布规律,在此基础上对沙粒跃移运动进行了数值计算。由于沙丘周围流场情况较为复杂,各处的风速廓线也不同,故选取不同的坡面位置进行跃移计算,其中各处的起沙率由已有的实验结果或拟合公式给出。计算结果表明:从坡脚到坡顶,平均风速加速比和摩阻风速逐渐增加,到沙丘顶部达到最大值;同时沿坡面向上,各截面处单宽输沙率和距离当地地面相同高度处输沙浓度逐渐加强,这与已有文献报道的结果吻合良好。

两种戈壁地表风沙流特征的野外观测

分析植被覆盖和人工扰动下戈壁地表的风沙流结构和摩阻风速与输沙率之间的关系,对保护戈壁区的生态环境具有重要意义。本文分别对植被覆盖下的戈壁地表和人工清除植被后的戈壁地表进行研究。结果显示:在不同的地表条件下,风沙流结构的变化趋势基本相同,大致可以分为3类:波动减少、先增加后减少和单调减少。受扰地表的输沙率密度大于原始地表。将摩阻风速以0.50 m·s^-1为界分为高、低风速。在植被覆盖的地表中,高、低风速区的输沙率与摩阻风速之间没有明显的线性相关性;而在人工清除植被后的地表,高风速区内,输沙率与摩阻风速之间满足传统的低阶多项式的关系,低风速区内两者之间则没有线性关系。

半干旱区不同类型沙丘风沙流结构特征

采用两种阶梯式集沙仪和小型气象站于2017年4—5月对科尔沁沙地流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘0~75 cm气流层风沙流的总输沙量、输沙率、粒径组成分布和风蚀特征值进行了观测。结果表明:(1)随着高度增加,总输沙量下降,随着风速增加,总输沙量上升; 92.20%~95.60%的输沙量发生在0~21 cm高度。(2)总输沙率(Q)流动沙丘>半固定沙丘>固定沙丘,将Q与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘幂函数最佳(R2=0.986),半固定(R2=0.990)和固定沙丘(R2=0.956)指数函数最佳。(3)将各高度的输沙率与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘(R2≥0.905)和半固定沙丘(R2≥0.968)拟合度幂函数好于指数函数,固定沙丘(R2≥0.923)指数函数优于幂函数。(4)在一定高度下,3类沙丘输沙率均随着风速的增加而增加;在一定风速下,输沙率随着高度的增加而逐渐递减。(5) 3类沙丘的特征值随着风速的增加呈现出逐渐递增的趋势;流动沙丘以λ>1为主,表现出持续侵蚀输送沙粒的能力;半固定沙丘当风速>9.0 m·s-1时逐渐出现侵蚀状态;固定沙丘以λ<1为主,近地表风沙以堆积状态为主。(6) 3类沙丘主要由粒径为0.1~0.25 mm的细沙构成,在0~30 cm高度,细沙占输沙量的50.09%~85.11%,在30~75 cm高度,细沙占输沙量的43.53%~75.53%。