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。     

毛乌素沙地现代沙丘沙的粒度特征及其意义

对毛乌素沙地不同类型41个现代沙丘的沙粒度分析结果表明,流动沙丘沙主要由细沙和中沙组成,平均粒径为2.17 Φ;固定-半固定沙丘沙的主要粒级是细沙和极细沙,平均粒径为3.09 Φ。流动沙丘沙平均粒径整体自西北到东南减小,而分选性总体表现为中等-较好,无明显空间变化规律。概率累计曲线和粒度特征参数散点图表明,毛乌素沙地沙丘沙以跃移搬运方式为主,存在着就地起沙和就地堆积的可能。平均粒径和分选性空间变化规律的差异,是在频繁强烈的风沙活动环境下物源和大气环流共同作用的结果。     

策勒绿洲—沙漠过渡带风沙流挟沙粒度的垂直分异

在策勒绿洲一沙漠过渡带选取流动沙地、半流动沙地两个典型下垫面,采集下垫面地表0~1 cm沙样,利用梯度集沙仪收集风风沙流中垂直高度层中1~20 cm的沙通量,利用mastersizer2000分析所收集沙样的粒度。结果表明研究区风沙流挟沙粒度的垂直分布特征为:沙粒平均粒径随高度增加而减小,风沙流中沙粒的平均粒径小于床面沙粒平均粒径。其中粉沙含量随着高度的增加,其相对含量呈现幂函数增加,极细沙和细沙含量随高度的增加呈幂函数规律递减。风沙流中平均粒径(φ)值在3.58~3.81;分选系数集中在0.46~0.55,分选性较好;偏度值变化范围为-0.006~0.1,峰度变化值在0.94~0.96。半流动沙地风沙流中平均粒径小于流动沙地,分选性较好。平均粒径(φ)与分选系数、峰度和偏度均呈正相关,分选系数与偏度、峰态间呈现正相关,峰态与偏态之间呈现正相关。研究区沙粒主要以细沙、极细沙和粉沙为主,分选性较好,沙粒粒径分布符合正态。流动沙地较半流动沙地风蚀程度大,地表沙粒粒径粗。策勒地区地表风沙来源主要为风成沙,沙粒运动方式以跃移质为主,悬移质次之。     

西藏朋曲流域不同地貌部位流动沙丘粒度特征

沙丘粒度特征不仅能反映沙丘沙物质的来源与动力,也可以体现地形对风沙流运移的改变。对西藏朋曲流域不同地貌部位流动沙丘表层沉积物的粒度特征进行分析。结果表明：（1）朋曲流域流动沙丘表层沉积物粒度组分以中沙（46.51%）和细沙（40.52%）为主,粗沙（5.87%）与极细沙（5.87%）次之,黏土（0.37%）与粉沙（0.85%）含量最低。流动沙丘表层沉积物平均粒径1.41—2.32 Φ,分选系数0.45—0.79 Φ,偏度0.01—0.24,峰度0.98—1.80。（2）从河漫滩到河流阶地到山坡,流动沙丘粒度逐渐变小,频率分布曲线逐渐变高变窄,粒径越来越集中,沿主导风向自西南向东北概率累积曲线斜率逐渐增大,分选性逐渐变好。（3）河漫滩至河流高级阶地流动沙丘表层沉积物随海拔升高粒径变小,坡麓至坡顶随海拔升高粒径变大,分选却变好,表明山坡上沙丘与阶地上沙丘的沙物质来自于不同河段的河床或河漫滩。     

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。     

风成沙纹形成的风洞模拟研究

风成沙纹形成于沙质床面下游的沙粒蠕移,发展于沙粒跃移－风沙流的“波粒二重性”作用,消亡于气流与风沙流的正弦波共振。以细沙和极细沙为优势粒级的天然沙丘沙是风成沙纹形成的最佳粒配。沙纹移动速度ＶＲ是缓慢的,其数量级为１０－１ｃｍ·ｍｉｎ－１～１０１ｃｍ·ｍｉｎ－１,实验关系式为：ＶＲ＝１．５８×（ＶＬ－５．５）０．６７。     

巴丹吉林沙漠地表沉积物粒度特征及区域差异

对巴丹吉林沙漠不同区域、不同类型沙丘、不同地貌部位的223个地表沉积物样品进行粒度分析表明,该沙漠的流动沙丘主要由细沙组成,其含量可达49.5%～66.1％;沙丘沙的平均粒径介于2.104～2.706 Φ之间,粗于塔克拉玛干沙漠和腾格里沙漠,与世界其他沙海中沙物质粒径相比处于中等粗细。粒径最细者为灌丛沙丘表面沙粒,最粗者为横向沙山迎风坡;分选度好至极好,均为正偏中等峰态。丘间地物质粗于沙丘沙,平均粒径为1.409 Φ,分选较好,正偏窄峰态。从频率曲线来看,沙丘沙为单峰,丘间地多为双峰或三峰。在典型横向沙山剖面上,自迎风坡坡脚至沙丘顶部平均粒径变细而分选性变好,最粗的沙粒出现在靠近迎风坡坡脚的丘间地,而最细和分选最好的沙粒出现在紧邻沙丘顶部的背风坡。尽管横向沙山与新月形沙丘和沙丘链的尺度不同,但二者同属横向沙丘系统,具有相似的沙丘动力机制,因而粒度参数之间关系的表现趋同。从区域上来看,在平行于主导风向的3条NW—SE向断面上,沙漠中北部高大沙山之间低矮“通道”上的沙粒平均粒径存在微弱的变细趋势,而高大沙山区则不存在明显的变化规律;在平行于雅布赖山的3条SW—NE向断面上,粒度参数沿断面方向无明显的变化规律,但断面越靠近雅布赖山平均粒径越粗。一般认为巴丹吉林沙漠是中国重要的沙尘源区之一,然而粒度分析结果表明,沙漠中北部几乎不含粉沙黏土（<0.0625 mm）组分,而东南部的横向沙山区含量则相对较高,这就需要进一步推断巴丹吉林沙漠具体的沙尘源区和沙尘释放过程。以上变化规律说明,除了物源和主导风向等宏观因素外,引起局地气流改变进而影响沙粒跃移过程的地形起伏、植被覆盖等微观因素也对沙粒分选过程起着重要的控制作用;宏观和微观因素共同作用,最终形成的粒度参数规律性在沙丘尺度上要好于区域尺度上。该粒度分析结果,对于分析巴丹吉林沙漠沙物质来源和形成演变过程、反演高大沙山形成机理、估算地表沙尘释放量等均具有重要参考意义。     

乌兰布和沙漠东北缘地表风沙流结构特征

在国家林业局磴口荒漠生态站长期监测的基础上,利用多种积沙仪,对乌兰布和沙漠东北缘流动沙丘、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5种典型下垫面近地面（0～100 cm）的风沙流输沙量进行了实地观测和对比分析。结果表明：（1） 输沙率（q）随高度（h）增加呈幂函数（q=ah^-b,R²≥0.8409）规律衰减,随风速（v）增大呈幂函数（q=av^b,R²≥0.9256）规律增加,42.8%～70.7%的输沙量分布在10 cm高度内,67.6%～90.0%的输沙量分布于30 cm高度内。当地表植被盖度达到40%以上时,输沙率下降至无植被覆盖地表输沙率的6.6%以下,可有效阻止地表风蚀。（2） 沙物质主要由粒径为50～250 μm的细沙和极细沙构成,各高度层风蚀物粒度组成服从单峰态分布,峰值在100～250 μm。随高度增加,风蚀物粒径范围趋于变窄,粒径趋于更细。（3） 起沙风多出现在WSW和NW方向,占全年起沙风的53.19%。风沙流中跃移输沙、蠕移输沙的空间分布在理论上应与风向频率分布基本一致,差异性主要由各方位风的强度和持续时间等因素导致。研究结果可为该区域防沙工程设计提供理论参考。     

青藏铁路察尔汗盐湖段风沙活动特征

研究青藏铁路沿线的风沙活动特征,可以为认识高原铁路风沙危害的形成机理、建立完善有效的护路防沙体系提供参考。在实地考察风沙地貌的基础上,架设测风塔获取风况信息,采集了沙丘表层沉积物样品,对铁路沿线察尔汗盐湖段的风动力条件、沙丘沉积物粒度特征和沙丘形态特征进行了分析。结果表明：（1）研究区域年平均风速为3.7 m·s^-1,风速最大值出现在春季。起沙风以WNW方向为主,属于中风能环境,低风向变率,宽单峰型风况。合成输沙方向（298.14°）与铁路走向（208.86°）垂直相交。稳定的西北风、风沙流与铁路线路走向垂直的风况特征是青藏铁路沙害形成的动力条件。（2）沉积物以中沙、细沙为主,但细沙组分占优;分选性较好,粒径分布表现出与铁路线越近、颗粒越粗的规律。粒径0.063~0.04 mm的沙粒为青藏铁路风沙危害提供了物质条件。（3）铁路线两侧沙丘分布特征及变化指示该路段风沙活动强烈,现有防沙体系退化严重,风沙危害日益突出。     

塔克拉玛干沙漠东北部纵向沙垄粒度分布特征

塔克拉玛干沙漠东北部纵向沙垄广泛发育,但沉积物粒度特征鲜有报道。基于筛析法测定了塔克拉玛干沙漠东北部一条上覆次级沙丘的纵向沙垄断面沉积物粒度特征。结果显示：（1）沙垄沉积物颗粒自垄顶向两侧坡底逐渐变细,分选变差;沙垄上覆次级沙丘亦同。（2）沙垄沙的频率分布曲线以双峰为主。（3）沙垄迎风坡中部沉积物平均粒径细于中下部;上覆次级沙丘迎风坡底部沉积物颗粒粗于迎风坡中部。该区域纵向沙垄粒度分布特征与前人提出的“脊部较粗型”一致。沉积物样品所表现的双峰分布特征受物源、风选影响显著。上覆沙丘断面上迎风坡底部粗化,可能是粗颗粒无法被带走而发生富集的缘故。沙垄上覆次级沙丘局部形态的变化影响了风沙流,从而导致了平均粒径和分选系数局部上的变化。在沙垄迎风坡一侧存在风沙流的二次输移过程。     

青海湖湖东沙地风沙沉积物的粒度特征

通过对青海湖湖东沙地克土沙区不同类型沙丘地表沉积物粒度特征的水平变化和0～20 cm垂直变化的分析,可知自然固定沙丘的表层沉积物以细砂为主,其他沙丘以中砂为主,粒度参数随着地形起伏有不同的变化特征;随着深度的增加,粗颗粒逐渐增多,细颗粒逐渐减少,粒度参数随着深度的增加呈波动减小的趋势。通过比较分析,可得出人工治理措施对沙地地表环境的影响较大,能促进细颗粒物质的沉积,有效减少地表的风蚀量。     

荒漠人工固沙植被区土壤结皮斥水性发展特征

土壤结皮深刻影响绿洲边缘固沙植被区的土壤水文过程。土壤结皮斥水性是量化上述影响的潜在指标。采用滴水穿透时间（WDPT）法，研究了河西走廊荒漠边缘不同建植年限梭梭植被区固定沙丘土壤结皮斥水性的时间演变规律及影响因素。结果表明：建植20 a后，丘顶与丘间地土壤结皮出现显著斥水性（WDPT>5 s），而丘坡土壤结皮无斥水性（WDPT<5 s）。丘顶土壤结皮斥水性与总有机碳、微生物量碳、有机碳C-H组分以及电导率显著相关（P<0.01）；而丘间地土壤结皮斥水性与黏、粉粒含量显著相关（P<0.01）。植被形成的“碳岛”及“盐岛”效应是丘顶土壤结皮斥水性形成的主要原因，而黏、粉粒在土壤表层的积聚是丘间地土壤结皮斥水性形成的主要原因。     

偏西风作用下敦煌月牙泉金字塔沙山顶部风沙流初步观测研究

金字塔沙山丘体高大,形态复杂,坡面风沙动力过程实地观测困难,至今尚无坡面风沙流野外观测数据。通过新研制自动集沙仪,对偏西风作用下敦煌月牙泉北侧金字塔沙山顶部风沙流进行了实时观测,共观测8组近地表51.4 cm高度内输沙数据,各观测时段中2 m高度平均风速7.46～14.15 m·s^-1,各组观测时长18~95 min。结果表明：偏西风纵向气流作用下金字塔沙山风沙流结构与平坦地表一致,即输沙量随高度增加呈单一的指数规律递减,且风沙流主要在近地表30 cm高度内输移。风沙流结构特征值λ以大于1为主,且随风速增大而增大,表明金字塔沙山坡面过程主要表现为风蚀过程。偏西风作用下金字塔沙山风沙流中沙粒以细沙为主,平均粒径随高度增加而减小;沙山迎风坡沙粒从坡脚到沙脊线逐渐粗化,风蚀作用增强,细沙从而随风沙流搬运至沙山顶,对金字塔沙山多以细沙为主的格局形成起重要作用。     

海岸沙丘表面不同部位风沙流中不同粒径沙粒垂向分布的变化

河北昌黎黄金海岸典型沙丘的实地观测表明,风沙流中中沙与细沙输沙量的垂向分布在沙丘表面不同部位的变化并无本质性差别但有一定变化幅度的差异,如绝对输沙量均在迎风坡至丘顶增加、丘顶至背风坡坡脚减小,但中沙输沙量在迎风坡增加的幅度小于细沙、在背风坡减少的幅度大于细沙;相对输沙量在沙丘不同部位的变化趋向类似,但细沙的变化幅度要小于中沙;中沙的垂向分布模式均为幂函数,细沙则表现为指数分布(0~10cm高度内)和幂函数分布(10~30cm高度内)。     

乌兰布和沙漠流动沙丘下风向降尘粒度特征

选择乌兰布和沙漠典型流动沙丘进行定点野外观测,分析了沙丘下风向不同距离及不同高度降尘的粒度特征及其来源。结果表明:乌兰布和沙漠降尘空间变化大,降尘以细沙为主,随着距离的增加,细沙物质逐渐减少,粉沙和极细沙含量显著增加。降尘平均粒径2.5~3.1 Φ,且随距离、高度的增加而变大。分选系数随着距离、高度的增加而变差; 2 m高度偏度近乎对称,若设沙丘高度为H,则只有在距离为8 H时正偏,高0.5 m处降尘在距沙丘0.5~1 H近对称,2~8 H皆是正偏;峰度随距离的增加逐渐变窄,且2 m高度的变化晚于0.5 m高度。乌兰布和沙漠降尘以局地物质为主,远源物质及区域物质比例很低。<70 μm的远源物质及区域物质的降尘与下风向距离呈正相关,主要来源于沙漠边缘的荒地、河湖沉积物、农田草地,而>70 μm的局地物质的降尘与下风向距离呈负相关,主要来源于沙丘下垫面沙粒的气流短距离输送。     

库姆塔格沙漠北部三垄沙地区风成沉积物粒度特征

对位于库姆塔格沙漠北部的三垄沙地区,迄今尚未开展详细的风沙地貌研究。对该区域地表沉积物样品进行粒度分析,旨在探讨不同区域、不同沙丘类型以及沙丘不同地貌部位的沉积物特征差异。结果表明:三垄沙地区地表沉积物以中沙和细沙为主,二者平均含量之和为63.20%,平均粒径为0.95~1.89Φ,分选系数为0.55~1.55,粗于库姆塔格沙漠和塔克拉玛干沙漠,与世界其他沙海沙物质相比属于偏粗粒径。三垄沙地区的主要沙丘类型为新月形沙丘或沙丘链,其北部发育有线形沙丘;这两种沙丘表层沉积物平均粒径均属于中沙范围,且从沙丘底部到丘顶平均粒径变大、分选变好,最粗的沙粒出现在沙丘顶部,平均粒径分别为1.64Φ和0.71Φ,不同于其他地区沙丘顶部沉积物最细的分布模式。从概率累积曲线来看,流动沙丘多为二段或三段式,风成沙砾浪和剥蚀残丘多为三段或四段式,表明后者经历的分选过程较短。本区地表沉积物的平均粒径沿主导风向有变小的趋势,其中,新月形沙丘和线形沙丘的这一特征最为明显。     

腾格里沙漠沙丘沉积物粒度特征及其空间差异

沉积物粒度特征对于研究物源、衡量搬运能量具有重要意义。分析了腾格里沙漠45个沙丘顶部样品的粒度特征,并计算了30 a输沙势。结果表明：（1）沙丘沙以细沙（71%）和中沙（20%）为主,平均粒径2.38 Φ,分选系数0.40 Φ;平均粒径与分选系数、偏度呈良好的线性关系。（2）分选为“极好”和“好”的样品整体分布在沙漠中部和西南部,前者概率累计曲线趋于近对称、中等峰态,为二段式,后者趋于正偏、中等或尖窄峰态,为三段式;而沙漠边缘分选较差,概率累计曲线为多段式。（3）盛行起沙风为西北风。西北和东北部属中风能环境,风况属单峰型和复杂型;南部和东南部分别属低、中风能环境,均双峰型风况。研究区沙丘沙源应以下伏河湖相沉积物就地起沙为主。沙漠边缘河湖相沉积物应该为中部区沙丘沙提供了物源,西南部沙丘沙可能源自石羊河下游的冲洪积物,风力分选作用较长,边缘沙丘沙则应来源于该区河湖相沉积物就地起沙,风力分选不充分。粒度参数空间分布特征与沙丘类型和规模之间存在一定的耦合关系。     

新疆喀拉库姆沙漠新月形沙丘不同部位粒度特征

对新疆叶尔羌河流域绿洲边缘喀拉库姆沙漠高度在3～12 m的新月形沙丘进行了粒度分析。结果表明:表层和下层沉积物均以细砂和极细砂为主,二者含量达82%以上。表层沉积物较下层稍粗,平均粒径分别为2.09 Φ和2.16 Φ。下层沉积物较表层分选性好,σ均值分别为0.48和0.62。表层和下层沉积物偏度均为正偏,SK均值分别为0.21和0.24。峰态均为尖窄,Kg均值分别为1.18和1.11。表层和下层沉积物平均粒径均表现为丘顶最粗,背风坡坡脚最细,由两侧坡脚至丘顶平均粒径变粗,平均粒径与其他粒度特征参数之间均存在良好的相关性。分析表明,喀拉库姆沙漠沙丘沉积物粒度特征除受物源这一背景制约外,还与区域构造、沙漠地貌、植被、气候和较为复杂的风沙动力学过程等众多因素有关。     

西藏安多剖面沉积物粒度特征及环境意义

对西藏安多剖面的3个层位沉积物与两个现代流动沙丘表层沉积物粒度组成、传统粒度参数及体积分维值进行了对比分析,探讨其粒度特征以及环境指示意义。结果表明：安多剖面的3层代表了3个不同的气候阶段,第一层（0～172 cm）沉积动力为风,其中在0.44～1.08 m深度处是一次风力加强的阶段,第二层（172～224 cm）、第三层（224～232 cm）均在6 Φ附近出现次峰,悬浮组分明显增加,推断为远距离输送的粉砂级颗粒沉降,表明这两个阶段风力有所减弱;安多剖面颗粒比研究区现代流动沙丘颗粒细,表明剖面可能为固定或半固定沙丘沉积;本研究区样品的体积分维值在0.215～1.77,虽然没有实际的物理意义,但作为粒度参数指标,在指示环境变化上是有效的,并且与粘粒、粉砂含量呈现明显的正相关关系,与细砂呈现明显的负相关关系。