双排高立式尼龙网阻沙障与草方格固沙障的优化配置及防沙效益

[目的]针对双排高立式尼龙网阻沙障与草方格固沙障联合应用,开展风洞试验研究,以优化联合沙障中尼龙网阻沙障孔隙度配置及探究各孔隙度下联合沙障的防沙效益。[方法]基于风洞模拟试验数据,开展不同孔隙度(40%,45%,55%)联合沙障,在不同风速下的风速流场、空气动力学粗糙度、摩阻风速、输沙率随高度和阻沙率方面的变化特征研究。[结果](1)相同风速下尼龙网阻沙障孔隙度40%时,联合沙障弱风区面积最大;(2)随着尼龙网阻沙障孔隙度的增大,空气动力学粗糙度和摩阻风速减小,相同风速和相同位置时,40%孔隙度下联合沙障空气动力学粗糙度和摩阻风速值最大;(3)风速增加地表输沙率也增加,联合沙障内部与背风侧输沙率随高度增加呈指数型递减,输沙主要集中在0~12 cm高度内;(4)风速大小与沙障阻沙率呈现负相关变化;阻沙率与孔隙度之间也呈负相关关系,孔隙度为40%的联合沙障具有较高阻沙率;双排高立式尼龙网阻沙措施与草方格固沙措施联合之间还存在阻沙率叠加。[结论]40%孔隙度的双排高立式尼龙网和草方格的阻固联合可以实现较优的配置与防沙效益。

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。

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。

沙漠化的分形特征研究

在国内外有关学者研究的基础上，运用分形理论研究沙漠化的分形特征。结果表明：①作为风沙地貌形成的物质基础──沙粒，其粒径分布具有分形特征，其分维值的大小差异体现了沙物质分布的区域差异性。②风沙地貌是一种典型的分形几何实体，沙丘分布具有分形特征，其分维值体现了风沙地貌的自相似性规律。③风沙流结构不但是分形，而且是多重分形，其分维值与风速有着极大的关系。④荒漠绿洲景观镶嵌结构具有分形特征，各景观要素的分维值大小代表着该要素镶嵌结构的复杂性和稳定性程度。在黑河流域，自然绿洲的镶嵌结构最具复杂性，也最具稳定性。⑤沙漠化过程具有多重分形特征，如果用降水和风速为标度度量沙漠化过程，都表现出某种不规则性。

黄河乌兰布和沙漠段沿岸风沙流结构与沙丘移动规律

为明确黄河乌兰布和沙漠段沿岸的风沙活动及沙丘移动特征,该文以黄河乌兰布和沙漠段沿岸的流动沙丘为研究对象,采用野外观测与实验室分析相结合的方法对沿岸沙丘的起沙风况、沙物质组成、风沙流结构及沙丘移动规律进行初步的定量研究。结果表明:起沙风的主风为西南—西风,集中于3-5月份,且5～6m/s风占起沙风的50.26%;沙物质粒径以细砂(0.1～0.25mm)为主,沿黄段沙丘粒径极细砂以下(≤0.1mm)的沙物质粒径组成比沙漠腹地减少8.92%;距地60cm高度范围内,81.75%的沙物质在0～10cm高的气层中通过。在沙丘的不同部位上,相对输沙量与高程之间有着良好的幂函数关系;沙丘向前移动的距离为8.19m/a,主要发生在3-5月份。该研究结果可为合理计算入黄风积沙量及完善黄河沿岸综合防护体系提供科学依据。

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。

土工格栅沙障防风积沙效应风洞模拟实验

模型按1∶10比例设计,在71、5和20m/s的实验风速下,对不同规格和孔隙度的土工格栅沙障模型进行风洞模拟实验,测定其防风与积沙效应。结果表明:不同规格格栅沙障的风速流场趋势相同,在障前、障中和障后形成4个减速区和3个加速区。障前、障后风速降低是土工格栅沙障防沙的主要机制;障中的增速区是引起沙障中部不积沙或少积沙的诱因。格栅沙障因障间互相连接而增强了防护功能,使得流沙被有效地控制在体系内部。同一规格的沙障,障内积沙厚度随着风速的增大而增大,随着距沙源距离的增加而减小。不同规格的沙障,障内积沙厚度随着规格的增大而减小,随着孔隙度的增大而减小。不同风速下,不同规格沙障间积沙厚度差异显著。从积沙厚度和防沙目的分析,10cm×10cm规格的沙障积沙效应最好,10cm×20cm次之,20cm×20cm最差。在设计与设置沙障时需要考虑成本、防护目的和沙源等多方面的因素。

青海湖克土沙地沙棘林的防风固沙机制与效益

沙棘造林是青海湖克土沙地主要治沙措施,通过改变风速廓线垂向风速增加幅度、增加地表粗糙度和改变风沙流结构的机制实现沙棘林的防风固沙效益。根据2010-2012年连续3 a的沙棘沙丘与流动沙丘的春季风沙观测和植被调查,沙棘沙丘的风速廓线对数递增规律、输沙量和沙粒粒径的指数递减规律均被破坏;2012年沙棘沙丘在1 m高度以下的防风作用增加到22.75%,总体固沙效益较2010年增加近10%;同时,沙棘林的防风固沙效益随着风速增大而减弱,随植株高度与冠幅增加而增强。综合风沙防护机制与效益,沙棘造林技术在克土沙地以及整个高寒沙地生态治理中极具推广意义。

乌兰布和沙区不同下垫面的土壤风蚀特征

【目的】研究荒漠生态系统典型植被群落对近地层风沙活动的影响,揭示荒漠生态系统中不同下垫面条件的土壤风蚀特征。【方法】在乌兰布和沙区东北缘荒漠-绿洲过渡带内,选取油蒿半固定沙丘(盖度约20%)、白刺半固定沙丘(盖度约30%)、油蒿固定沙丘(盖度约40%)、白刺固定沙丘(盖度约40%)、流动沙丘(CK)5种典型下垫面,运用风蚀钎和风沙流采集系统,实时监测5种下垫面的风蚀动态,定量分析不同下垫面条件下的土壤风蚀量、风蚀物的垂向分布及粒度组成的差异性。【结果】乌兰布和沙区不同下垫面同期土壤风蚀深度为:流动沙丘>油蒿半固定沙丘>白刺半固定沙丘>油蒿固定沙丘>白刺固定沙丘,当风速达到4.1 m·s^(-1)时,流动沙丘即可观察到沙粒蠕动,当风速达5.1 m·s^(-1)时积沙仪可收集到风蚀物。油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘的风速分别达到6.3,6.5,6.8,7.9 m·s^(-1)时方可发生风蚀;5种下垫面0~100 cm垂直断面上,67.6%~90.0%的风蚀输沙均分布于30 cm高度范围之内,挟沙气流中输沙率随高度增加呈幂函数规律递减,随风速增大呈幂函数规律递增,各高度层风蚀物粒度组成呈单峰态分布,峰值处在250~100μm之间,0~20 cm高度层峰值与其余各层的峰值范围差异明显且偏向粒径趋大的方向;自下而上,极细沙的粒度构成比例呈递增趋势,中沙的粒度构成比例呈递减趋势。【结论】随着植被盖度的增加,土壤风蚀程度显著减轻,流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年风蚀深度依次降低。盖度为40%的油蒿、白刺群落,其地表风蚀深度仅为流动沙丘同期风蚀深度的1.73%~1.52%,0~100 cm高度范围内的输沙率仅为流动沙丘输沙率的6.6%~5.1%。在荒漠生态系统中,植物群落主要通过覆盖地表、提高下垫面的粗糙度和拦截沙粒的运动来缓解气流对地表的侵蚀作用。因此,在防沙治沙工程实施过程中,要充分考虑和利用植被防风抗蚀的生态效应。

流动沙丘风沙流结构的定量研究

在对野外风沙流进行实测的基础上,运用拟合曲线、拟合方程等方法对0～48 cm垂直高度层内风沙流结构进行了分析研究。结果表明:0～48 cm高度内总输沙率及各高度层输沙率均与风速呈幂函数关系;各高度层输沙率百分比与风速呈指数函数关系;各高度层输沙率与高度呈幂函数或指数函数关系;上、中、下各层输沙率与总输沙率呈良好的幂函数关系。

天然灌草植被防治土壤风蚀机理

通过对毛乌素沙地不同下垫面上风速、地表粗糙度、临界起沙风速、风沙流结构的观测,发现植被覆盖可以有效防止地表风蚀。植被盖度为40%的固定沙地近地表0.2 m高度平均风速比流动沙地降低43%,侵蚀风的持续时数降低85%,临界起沙风速提高70%,地表粗糙度提高180倍;当风沙流速度相同时,20%覆盖度的半固定沙地较流动沙地可平均降低输沙62.33%;而植被盖度为40%的固定沙地较流动沙地可平均降低输沙93.07%。实验证明,单株植物同样可以降低风速。疏透结构和透风结构的单株沙蒿分别可以使植株后0.5 m高度的风速较植株前方平沙地同高度的风速下降59.4%和19.8%。

不同植被覆盖防治土壤风蚀对比研究

通过对毛乌素沙地不同下垫面上风速、地表粗糙度、临界起沙风速、风沙流结构的观测,发现植被覆盖可以有效防止地表风蚀:植被盖度为40%的固定沙地近地表0.2 m高度平均风速比流动沙地降低45%,侵蚀风的持续时数降低83%,临界起沙风速提高70%,地表粗糙度提高190倍;当风沙流速度相同时,20%覆盖度的半固定沙地较流动沙地可平均降低输沙79.4%;而植被盖度为40%的固定沙地较流动沙地可平均降低输沙95.6%。实验证明,单株植物同样可以降低风速。疏透结构和透风结构的单株沙蒿分别可以使植株后0.5 m高度的风速较植株前方平沙地同高度的风速下降59.4%和19.8%。

乌兰布和沙漠不同下垫面风沙流结构与变异特征

对乌兰布和沙漠流动、半固定、固定沙丘3种不同下垫面0—40cm气流层内的风沙流结构的研究表明:(1)0—40cm高度层,输沙量随风速的增加而增加;在不同的风速下,流动沙丘的总输沙量大于半固定沙丘,半固定沙丘的输沙量大于固定沙丘,且呈指数函数关系。(2)在同一风速下,0—40cm高度层,三种不同下垫面的相对输沙量随高度的增加呈幂函数递减趋势。(3)随高度的增加,中沙粒基本呈递减趋势,细沙粒呈现递增趋势,但增幅因下垫面的不同而异。(4)三种不同下垫面近地表0—10cm层风沙流结构特征数S值均小于3.8,而特征值λ均大于1,表明三种下垫面均处于风蚀或搬运状态。

土壤凝结剂沙障防沙机理的风洞模拟实验研究

模型按 1 :1 0比例设计 ,在 7m/s、1 5 m/s和 2 0 m/s的实验风速下 ,对不同浓度土壤凝结剂处理的沙障模型进行风洞实验 ,测定其蚀积状况。实验结果表明 :抗风蚀强度以 40 %浓度处理的固沙模型最强 ,2 0 %最弱 ,但 30 %浓度防风蚀效果较为实用。积沙状况与浓度关系不明显 ,水平放置与坡面 ( 30°)放置时均以 1× 1 m规格的沙障积沙最多 ,1 .5× 1 .5 cm次之 ,2×2 cm最差。风速在障前受阻减弱 ,而后沿流速方向在沙障间逐渐增大 ,在第二格上方障埂处出现最大值 ,障后逐渐减速 ,直至障高 1 0倍处趋于稳定。障前、障后风速降低是引起障前、障后积沙的主要原因 ,也是土壤凝结剂沙障的防沙机理。

乌兰布和沙漠流动沙丘风沙流结构的定量研究

为研究乌兰布和沙漠流动沙区0-50cm风沙流结构,揭示流动沙区风沙流的运动规律,在对乌兰布和沙漠流动沙丘风沙流实测的基础上,运用拟合曲线和拟合方程等方法对0-50cm垂直高度内的风沙流结构进行分析。结果表明：（1）0-50cm总输沙量与各高度层的输沙量与风速均呈幂函数关系。（2）各高度层输沙量与高度呈指数递减关系。（3）上、中、下3层的输沙量均与总输沙呈幂函数递增关系。

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.

可降解纤维沙障控制风蚀沙埋的作用规律

通过对吉兰泰盐湖周边流动沙丘铺设的1 m×1 m、2 m×2 m、3 m×3 m不同规格可降解纤维沙障设置前后沙丘不同部位输沙量、不同高度风速及不同种规格沙障凹曲面深度进行测定，比较分析了风速比、粗糙度、近地表风沙流结构、凹曲面深度与障埂长比值（Z/L）等指标。研究结果表明：在设置可降解纤维沙障后，增加了地表粗糙度，降低了近地表风速；改变了沙丘不同部位近地表风沙流结构，其中沙丘迎风坡下部0-4 cm层的相对含沙量明显大于沙丘中部和上部，特别是0-2 cm层更为显著；与裸沙丘相比，相对输沙量0-4 cm层减少，4-30 cm层增加。通过各规格粗糙度及Z/L值比较表明1 m×1 m规格对粗糙度增大最明显，凹曲面形成最稳定，对风蚀沙埋控制最明显。

青海湖湖东人工治理沙丘风沙流结构特征

采用SPSS软件定量分析青海湖湖东沙地人工治理沙丘风沙流结构中总输沙率与风速、不同高度处的输沙率与风速及不同风速下的输沙率与高度的关系,并比较人工治理沙丘和流动沙丘在风速相同和输沙率相近时的风沙流结构。结果表明:人工治理沙丘上总输沙率随风速的增大而增加,当风速大于11m·s-1时,增加显著;0～2cm高度层输沙率随风速增大变化规律不明显,有一定的偶然性及随机性,2～60cm的29个高度层输沙率随风速增大而变大,但是简单的曲线拟合无法反映其变化规律;2种沙丘输沙率随高度的变化均呈指数规律递减,当风速相等时人工治理沙丘的输沙率较小,当输沙率相近时人工治理沙丘的风速大于流动沙丘且风沙流结构同流动沙丘有明显不同。

海岸横向沙脊表面风沙流结构的野外观测研究

选择中国规模最大、形态最为典型的河北昌黎黄金海岸的横向沙脊，采用野外梯度风速仪和平口式积沙仪对其顶部的风沙流结构进行了观测。观测结果表明，海岸横向沙脊表面的风沙流结构特征基本表现为0～40cm高程内气流搬运的沙尘物质浓度或质量随高度递减并符合指数分布，20～60cm高程内符合幂函数分布，40～60cm高程内输沙量与高度之间则为多项式函数关系。同时，海岸横向沙脊表面的风沙流结构受风速与总输沙量的影响较大，随风速增大或总输沙量的增加，风沙流下层输沙量相对减少、上层则相应增加。

海岸横向沙脊表面风沙流结构粒度响应的野外观测研究

风沙流中沙粒粒度组成的垂向变化及不同粒径沙粒的垂向分布特征等是风沙流结构粒度响应的基本研究内容,但一直较缺少野外观测实证证据。在我国海岸沙丘集中分布的河北昌黎黄金海岸,选择规模高大、形态典型的横向沙脊,采用野外梯度风速仪和平口式积沙仪对其顶部风沙流结构的粒度响应进行了野外实地观测。结果表明,海岸沙丘表面风力的分选作用明显,与横向沙脊表面相比风沙流所含沙物质中细沙组分比例增多、粗沙组分比例降低;粒度构成的垂向变化是,在风沙流0—10 cm、10—40 cm和40—60 cm三个高程段内,分别是以中沙为主、中沙与细沙并重和以中沙为主,其中中沙含量在三个高程段内分别呈现出自地表向上逐渐降低、含量比较稳定、向上逐渐升高的垂向变化,细沙则呈现相应的反向变化,随之平均粒径也呈现为自下而上逐步变细、比较稳定到逐渐变粗的变化,但分选系数、偏度和峰态无明显差异;横向沙脊顶部的风沙流结构整体符合指数分布,但不同粒径沙粒的垂向分布特征并不相同,其中粗沙为幂函数分布,细沙遵循指数函数递减,中沙的指数函数和幂函数拟合均有较高相关系数,但在0—40 cm高度内更符合指数函数分布。