城镇防沙的理论框架与技术模式

城镇防沙是在国家需求推动下产生的新领域,在没有形成自身理论体系的情况下,只能以风沙物理学、治沙工程学、恢复生态学,以及沙漠化防治和可持续发展等相关理论与技术为基础,通过工程实践和理论研究逐步建立城镇防沙理论体系。初步总结出的城镇防沙理论体系包括风沙灾害成因与区域风沙流场特征、城镇周边土地利用空间格局优化、防沙工程体系优化配置、防沙工程效率评估与预测4个分支领域,14项主要研究内容和9个支撑学科;技术体系包括8个分支技术领域和一个总目标(即:城镇防沙技术优化模式)。除青藏高原外的城镇防沙技术模式具有圈层结构特征,第一圈层都是以市(镇)区为核心的绿化景观带。对于地处半湿润风沙区外缘的城镇,第二圈层为高效农牧业生产区,第三圈层为生态涵养圈,第四圈层为封禁保护圈。对于半湿润风沙区内部的城镇,第二圈层为农牧业生产与沙丘封禁区,第三圈层为封禁保护圈。对于半干旱风沙区城镇,第二圈层为沙丘(地)封禁与农牧业生产区,分为近郊设施农业圈、远郊沙丘(地)封禁与农牧户独立生产圈两个次级圈层,第三圈层为沙丘(地)封禁保护圈。对于干旱风沙区城镇,第二圈层为节水灌溉农业区,第三圈层为外围防护带,第四圈层为封禁保护带。对于地处青藏高原山间盆地的城镇,防沙工程一般采取近郊"防护林带+人工草地+灌溉系统",外层为"沙障+防护林带+人工草地+灌溉系统",再外层为"防护林带+草地改良+封禁保护"的布局模式。对于地处青藏高原河流宽谷的城镇,防沙工程技术模式在宏观上根据河道走向布局,局部充分考虑防沙治沙与河道整治、水土流失和地质灾害治理有机结合,细节上依据沙尘源地类型和分布地貌位置选择防沙技术。

半干旱区城镇周边防沙——以内蒙古乌审旗达布察克镇为例

中国半干旱区城镇众多,风沙灾害频发,开展城镇风沙灾害防治研究势在必行。以毛乌素沙地的乌审旗达布察克镇为例,对其周边沙尘源地和植被进行实地调查;在此基础上,结合单项植物、机械沙障防风原理的风洞模拟结果,提出各种沙尘源地亚类防沙治沙措施的合理配置。根据建立半干旱区城镇防沙工程体系的原则以及城镇周边不同下垫面的防沙治沙措施配置,达布察克镇防沙治沙模式可以概括为城镇周边的"三圈模式"。第一圈是以达布察克镇为核心的绿化景观带,这一圈层大致位于达布察克镇以外600～900m宽度范围内。第二圈层为沙丘(地)封禁与农牧业生产区,包括两个次级圈层:设施农业次级圈层的宽度约为1km;远郊沙丘(地)封禁与农牧户独立生产次级圈层的范围较大,这一次级圈层的显著特点是大面积用于生态环境建设和保护,小面积用于农牧业生产。第三圈层是沙丘(地)封禁保护圈。该圈层位于乌审旗的西北位置,圈层内主要包括流动、半流动沙丘链以及平坦流沙地,是达布察克镇上风向主要的沙尘源地,应按照防沙治沙原理对其进行封禁与保护。

毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征

基于野外实地观测,研究了毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征。平坦流沙地上的风速随高度呈对数分布;沙丘上的风速梯度在高度上的变化随植被盖度增大而增强;相近风速下,0～60cm高度范围内的输沙强度从大到小依次为流动沙丘丘顶>平坦流沙地>半流动沙丘丘顶>裸露黄土梁地>黄土梁翻耕地>玉米留茬地>半固定沙丘丘顶。同一植被盖度下,沙丘顶部输沙率随风速增加而增大,粗糙度随风速增加而减小。当风速小于起沙风速时,粗糙度随植被盖度的增加而增大;当风速大于起沙风速时,平坦流沙地和沙丘顶部的粗糙度随风速增大有增加趋势,产生这种现象的可能原因是跃移层沙物质对气流的阻力随风速增大而增大。根据各类沙源地的起沙强度和总面积,风沙灾害防治的重点是植被盖度较小的沙地和黄土梁地。

中国东部沙区表层沉积物粒度特征

通过分析中国东部沙区表层沉积物粒度特征及其与风力、植被覆盖的相关性,探讨了东部沙区现代风沙沉积环境及其区域差异性。结果显示:东部沙区各沙漠/沙地粒径级配相对一致,均以细沙、中沙为主,粒度分布整体呈单峰形态,中等分选,粒度分布和分选性均与西部沙区有较大不同。风力和植被覆盖状况的差异决定了各沙地所处的风沙环境性质和风沙活动强度不同,导致东部沙区表层沉积物粒度特征存在明显的区域差异性。其中,库布齐沙漠粒度特征与该区风蚀、搬运、堆积过程频繁交替的风沙活动方式密切关联;呼伦贝尔沙地粒度特征反映了风蚀主导的风沙环境;科尔沁沙地、浑善达克沙地、毛乌素沙地粒度特征和风沙活动方式相对复杂,与这3个沙地内部风蚀主导区和沙尘沉降主导区镶嵌分布的格局有关。东部沙区表层沉积物平均粒径和分选系数均与沙地年均风速和植被总盖度双因素之间具有显著的非线性相关性。

青藏高原沙漠化土地空间分布及区划

利用野外调查数据、遥感影像和已有研究成果,构建了一套适用于青藏高原沙漠化土地的分类分级指标体系及遥感解译标志。以此为基础,选取目视解译法监测青藏高原沙漠化土地的空间分布特征。结果表明:2015年青藏高原沙漠化土地面积392 913km^2,占高原土地总面积的15.1%,主要包括沙质沙漠化土地、砾质沙漠化土地和风蚀残丘3种类型。沙漠化土地以中度和轻度沙漠化土地为主,重度和极重度沙漠化土地面积仅占沙漠化土地总面积的12.2%。空间上,沙漠化土地集中分布在高原的北部和西部地区,其他地区零散分布。自东南向西北,沙漠化土地面积逐渐增大,沙漠化程度不断加重。以沙漠化土地空间分布数据(面积、类型、程度、空间特征和驱动因素)为基础,结合气候、地貌、第四纪沉积物和人类活动等数据,将青藏高原沙漠化区划分为雅鲁藏布江半干旱高山宽谷沙漠化区、藏北青南高寒高原面沙漠化区、柴达木干旱盆地沙漠化区、黄河上游半干旱河流盆地沙漠化区和"三江"流域湿润半湿润高山沙漠化区。

包兰铁路沙坡头段防护体系前沿栅栏沙丘形态与近地面流场

防护体系前沿阻沙栅栏不仅是维持栅栏沙丘形态、阻挡流沙进入防护带内的重要屏障,还是栅栏沙丘这一独特沙丘类型形成发育的首要条件。形态测定与流场观测表明,在沙坡头铁路防护体系前沿地带,栅栏沙丘迎风坡平均坡度大于天然沙丘,背风坡坡度小于天然沙丘,背风坡水平长度与迎风坡水平长度之比约为0.7,远大于天然沙丘(0.3)。阻沙栅栏显著影响沙丘表面流场,但栅栏缺失或沙埋后栅栏沙丘与天然沙丘表面流场结构具有很大的相似性。沙丘迎风坡剪切风速均沿坡面至丘顶呈先增大、后减小的趋势,但栅栏沙丘迎风坡脚至中上部剪切风速增长速度较快,中上部至丘顶剪切风速迅速降低而且幅度较大,这种变化对栅栏沙丘的成长具有重要意义。

包兰铁路沙坡头段防护体系内的风沙沉降规律

对沙坡头铁路防护体系内的风沙沉降进行了断面观测，据此分析了沉降速率、粒度组成和物源的时空变化规律。结果显示：防护体系前沿流沙区、防护距离50~300m的植被区和300m以外的植被区风沙沉降速率分别为108．6、17．1kg·m^-2·a^-2和1．5kg·m^-2·a^-2。随防护距离增大，沉降颗粒逐渐变细，分选变差，跃移组分含量逐渐减少而悬移组分含量逐渐增大，沉降来源逐渐由前沿流沙区近地面风沙运动颗粒转变为以大气降尘为主的悬移颗粒。年内风沙沉降的高峰期为3—5月，6—8月沉降减弱，9月至次年2月风沙沉降最弱，3个阶段内防护体系植被区月均沉降量分别为O．59、0．10kg·m^-2和0．04kg·m^-2。3—5月风沙沉降以上风向邻近区域的风蚀起沙为主，6—8月较远源的大气降尘相对增加而上风向邻近区域的风蚀起沙相对减少，9月至次年2月风沙沉降物源以大气降尘为主。

风沙流起动阶段沙粒输运特征

为了探究风沙流起动过程中沙粒输运特征,利用PTV测量技术在风洞中对风沙流起动过程进行了测量,分析了沙粒空间分布、沙粒平均水平速度、输沙率、沙粒数密度和输沙通量随时间的变化规律。结果表明:风沙流起动时间大约为1.5s。起动过程中,输沙率随时间迅速增加,气流中沙粒总数目随时间的变化可表示为指数函数,沙粒数密度和输沙通量随高度的变化均可近似表示为负指数衰减函数。在t=1.0s时刻的沙粒平均水平速度大于相同高度处以后时刻的沙粒平均水平速度,同一高度处t=1.5s以后的沙粒数密度大于t=0.5s、1.0s时刻的沙粒数密度,同一高度处t=1.5s以后的输沙通量大于t=1.0s时刻的输沙通量。沙粒数密度随高度的衰减率一般随时间的增加而减小,并在t=1.5s后逐渐接近稳定值。

国内外建筑施工扬尘排放因子测试方法概述

大气颗粒物来源解析技术包括源清单法、源模型法、受体模型法及组合方法,源模式法解析结果受源清单影响较大,导致源模型法和受体模型法的结果存在较大差异,尤其是建筑施工扬尘的贡献存在较大争议。对比分析了国内外建筑施工扬尘排放因子测试方法,结果发现:1)国内外现场测试建筑施工扬尘排放因子的方法较多,但不同测试方法比较的案例较少; 2)国内外建筑施工扬尘排放因子差异较大,缺乏造成差异原因的深入分析; 3)建议在某一典型建筑工地开展施工扬尘排放因子测试方法对比研究,确定最佳的测试方法,并在不同地区、不同季节和不同施工阶段开展排放因子研究,为编制建筑施工扬尘排放清单提供技术支撑。

稳态风沙流中沙粒体积浓度的模型分析

本文建立了一个简单有效的稳态风沙流中沙粒体积浓度的数学模型,包括3个部分:稳态风沙流的风速廓线描述、跃移沙粒轨迹的计算、床面沙粒起跳速度分布的描述。利用已知实验的风速廓线作为气流速度场输入参数,跃移沙粒轨迹的计算主要考虑重力和拖曳力,基于体积观点的床面起跳沙粒的水平速度和垂直速度概率密度分布函数分别采用正态分布和指数分布函数来描述。根据稳态风沙流中运动沙粒的动态平衡特征可推导计算沙粒体积浓度。计算的沙粒体积浓度与风洞实验结果基本一致,说明本模型有较好的预测能力。

风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线特征比较

为进一步认识风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线特征的异同,在风洞中分别对风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线进行了测量,风速采集时间间隔缩短至0.01s,分析了风沙流和净风场中瞬时水平风速、瞬时摩阻风速和瞬时空气动力学粗糙度的变化特征。结果表明:相同来流条件下,风沙流中水平风速脉动强度高于净风场,风沙流中瞬时摩阻风速、瞬时空气动力学粗糙度以及它们的脉动幅度均大于净风场;风沙流和净风场中瞬时摩阻风速概率密度分布均可以表示为正态分布,但其正态分布的特征值却存在一定差别;净风场中瞬时空气动力学粗糙度的概率密度分布表现出单调递减分布,而风沙流中瞬时空气动力学粗糙度的概率密度分布呈现出单峰分布。因此,在相同主流风速下风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线特征有明显差别。

青海湖东岸沙地风成沉积物粒度敏感组分及其古气候意义

粒级-标准偏差的计算可用来提取沉积序列的粒度敏感组分。采用线性粒级和对数粒级两种粒度划分方法 ,对青海湖东岸沙地多个风成砂-古土壤沉积剖面进行了系统分析。结果表明:粒级划分对于敏感组分提取结果具有一定的影响,对数粒级提取的粗粒敏感组分比细粒组分具有更大标准偏差,而线性粒级的提取结果则显示细粒组分对于环境变化更为敏感;两种方法提取的细粒敏感组分差异较大,而较粗组分和粗粒组分较为一致。在运用粒级-标准偏差法提取环境敏感粒度指标时,两种划分方法都能有效地提取粗粒敏感组分,而在提取细粒敏感组分方面线性粒级较对数粒级划分法能取得更好的效果。采用线性粒级-标准偏差法提取了青海湖东岸沙地风成沉积物粒度敏感组分,发现黏粒组分(0~4μm)可以作为夏季风强度变化的替代性指标,中细砂组分(144~321μm)可以指示风沙活动的强弱,极细砂组分(60~126μm)可能受局部地形的影响较大,其古气候意义有待进一步查明。

三维空间中沙粒旋转对其跃移轨迹的影响

风沙流中沙粒旋转通常具有明显的三维旋转特性。本文通过数值建模考察了三维空间中不同沙粒旋转状态所产生的Magnus力对其跃移运动轨迹特征的影响。在三维坐标系中,X、Y、Z轴分别表示水平、垂直和横向方向,气流沿X方向流动,沙粒起跳时位于XY平面内。结果表明,跃移沙粒仅绕Z轴旋转起跳时,初始起跳角速度的增大会导致在XY平面内的跃移高度和跃移距离减小而降落角增大,但Z方向没有运动发生。跃移沙粒仅绕X轴或Y轴旋转起跳时,绕X轴或Y轴的初始起跳角速度的变化对在XY平面内的跃移轨迹特征量没有显著影响,但沙粒偏离XY平面的偏离距离和偏离角的绝对值随起跳角速度绝对值的增加而增大。因此,沙粒起跳旋转状态对其跃移轨迹有重要的影响。

利用扫描电镜法统计颗粒粒径分布的最小样本量

对于微量沉积物,利用扫描电镜获得的颗粒图像统计粒度参数是一条有效的途径,但需要解决被统计颗粒的最小样本量这一基本问题。使用北京市区降尘、中国北方的淡黑钙土和栗钙土3种微量样品,利用S-4800型扫描电镜获得的图片,对颗粒平均粒径、标准差和标准误,以及偏度和峰态等粒度参数进行了统计分析,旨在确定不同平均粒径的微量样品的最小统计样本量。结果表明:对于平均粒径约25μm的降尘样品,最小样本量为800;平均粒径100μm的淡黑钙土,最小样本量为1 100;平均粒径约180μm的栗钙土,最小样本量为1 200。