不同沙源供给条件下砾石床面的风沙流结构与蚀积量变化风洞实验研究

通过对不同沙源供给条件下各种砾石床面的风沙流结构、床面风蚀及堆积沙量变化的风洞实验,结果表明,风沙流结构是判断戈壁风沙流饱和与不饱和的一个重要途径,不同的戈壁风沙流结构对床面输、阻沙特性具有不同的指示意义。近地表0～6 cm高度内的风沙流结构决定了床面的输、阻性质,而6 cm以上的风沙流结构反映了风力对沙物质的输送状况。沙源供给的丰富与否,决定了风沙流的饱和程度,以及风沙流在砾石床面产生的蚀积状况。同等风速条件下,饱和风沙流的输沙率是非饱和风沙流输沙率的2～8倍。在饱和风沙流情形下,床面过程总体以积沙为主,且随风力的增强,床面积沙量急剧增加。在不饱和风沙流情形下,砾石床面总体以风蚀和输送沙物质过程为主,风沙流结构在0～2 cm高度内反映出砾石床面具有明显的阻沙功能,在2～5 cm高度上出现最大输沙值。     

敦煌莫高窟顶几种典型床面蚀积量变化过程的初步观测

通过对莫高窟窟顶自然和人工床面的风蚀、输导及堆积沙量变化的野外监测,初步观测结果表明：在偏西风作用下,自然状况下的戈壁床面阻截了来自鸣沙山40％的沙量,其余60%的沙量进入窟区;而偏东风又可将偏西风、偏南风作用下沉积于窟顶90％的沙量吹回到鸣沙山边缘。床面阻、输性质与沙源供给状况密切相关。沙源丰富时,风沙流以较饱和形式输送,易形成输沙床面性质;沙源匮乏时,风沙流多以不饱和形式输送,形成阻沙-输沙床面性质。砾石直径较大（＞4 cm）的床面主要呈现堆积性质,对偏西的风沙流阻滞功效比较明显,每100 m阻沙率可达45％;偏东风作用下,每100 m阻沙率可达19％; 而砾石直径较小（1 cm）的床面,主要以风沙输沙功能为主,是一个非堆积搬运床面。     

敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系探讨

通过对敦煌莫高窟防沙历史的综合总结和分析,认为莫高窟作为我国乃至世界古代灿烂文化艺术的瑰宝,是甘肃对外交流的主要窗口之一,也是我国重要的旅游地之一。单纯的消极人工清沙已远远不能适应现代社会对生态环境质量的需要和旅游业作为该地区经济发展基本点的要求。那么,创造一个良好的旅游生态环境及文物保护工作环境,不仅有利于整个窟区生态环境的改善,且其示范效应将带动本地区乃至整个河西地区的荒漠化治理。根据风沙环境特征,提出了莫高窟防护体系建立的主导思想是:以防治西北、西南主害风为主,根据鸣沙山、砂(砾)质戈壁、窟顶崖面等不同地带的具体风沙运动规律,采取以固为主,固、阻、输、导相结合的防护原则,以切断或削弱鸣沙山沙源和固定流沙,并消除沙砾质戈壁面的就地起沙为目的,建立一个由工程、生物、化学措施组成的多层次、多功能的综合防护体系,从根本上消除风沙活动对莫高窟的危害。同时对莫高窟综合防护体系建设的总体布局及防护宽度、砾石铺压的基本原理作了一个初步的探讨。     

青藏铁路北麓河路段风沙防护体系阻沙效益

在分析青藏铁路北麓河路段风沙灾害现状和风沙环境的基础上,将三维激光扫描技术应用于风沙工程防护体系的效益评价中,利用Leica C10三维激光扫描仪精确测量青藏铁路两侧典型防沙措施及防护体系积沙形态特征和风沙堆积量,评估防护效益。百叶窗条形阻沙栅栏单宽积沙体积最大,为18.31 m³,其次为不通风条形阻沙栅栏,单宽积沙体积为13.66 m³。阻沙栅栏最大防护距离为12 H,即上风向-3~0 H范围和下风向0~9 H范围内,双排结构的阻沙栅栏无论积沙范围或积沙量均较单排结构阻沙栅栏好。在栅栏上风向,沙粒自距栅栏5 m处开始沉降堆积,越靠近栅栏,积沙厚度越大。在阻沙栅栏的下风向,单排结构阻沙栅栏积沙范围为15 m,双排结构阻沙栅栏积沙范围可达20 m。     

莫高窟顶戈壁偏东风作用下输沙率变化的观测研究

通过一次沙尘暴天气过程对莫高窟顶不同观测点戈壁风沙流结构和输沙率的时空变化特征进行了系统同步观测。观测表明,偏东风条件下,当风速为10 m·s-1时,水平观测方向上存在一个各点输沙率平衡的阶段,即崖顶戈壁至鸣沙山边缘戈壁各观测点的输沙率相当;当风速大于10 m·s-1时,戈壁地表以风蚀搬运作用为主,出现了戈壁向鸣沙山的长距离风沙搬运;当风速小于10 m·s-1时,戈壁沙物质的长距离搬运作用不明显。不同风况及沙源条件下,风沙流结构和输沙特征会发生显著变化。借鉴Lattau输沙率方程,运用风速和输沙率推算各观测点输沙率的时空变化,计算结果表明,在风速为10 m·s-1左右时,窟顶戈壁带的输送效率约为60%。     

青藏铁路格拉段风沙危害及其防治

青藏铁路地处高寒低压环境,地表风沙危害形成过程与干旱、半干旱沙漠和戈壁地区有较大差异。青藏铁路沿线多大风、风力强劲、风向相对单一,主导风向以西风为主;各站点年输沙势DP均高于400 VU,属于高风能环境,合成输沙方向间于85.8°~89.8°;"风旱同季",风水复合侵蚀和冻融作用时空交错,地表抗蚀能力差,从而加剧了铁路沿线风沙活动强度。通过对青藏铁路沿线风沙灾害特点、风动力环境、工程防沙措施及其防护机理等分析,提出了青藏铁路沿线风沙危害防治原则和防护体系:应逐步建立以阻沙栅栏、砾石方格、化学固沙、植被恢复相结合的综合防治体系。     

兰新线玉门段戈壁风沙流地区铁路沙害的治理

兰新铁路通过戈壁地区线路长达1050km,铁路营建后受到戈壁风沙流危害,兰铁玉门段向阳湖、垦场区间长约30公里,危害尤烈。产生的原因是戈壁铁路修建中,破坏地表使蕴藏的沙粒失去掩蔽,成为风沙的来源和加强风沙流活动,并在铁路上形成积沙。经二十多年努力,采取"以林养障(沙障)","林外截沙源,路内消积沙"的防护措施,取得了成效。     

以计算流体动力学模型（CFD）模拟的戈壁地表风沙两相流运动特征

尘暴过程中沙砾质戈壁地表的风沙两相流运动,一直是风沙物理学关注的问题。但由于技术限制,野外观测及风洞实验难以捕捉大规模颗粒运动。为此,本文通过构建流体-颗粒碰撞互馈模型进行三维场域数值模拟,分析了不同砾石盖度下尘暴来流中的风沙两相流运动规律。结果表明：基于三维场流体-颗粒碰撞互馈模型修正后的求解结果能够较为准确地模拟戈壁地表风沙两相流运动过程。(1)不同来流尘暴过程,风相速度均会随砾石盖度的增大而减小,并在砾石盖度大于40%的戈壁近地表形成拜格诺焦点。相较于风相,沙相降速不明显。此外,距砾石床面4 cm以上,风沙两相速度基本保持一致。(2)当尘暴速度大于10 m·s^-1时,在距地1.5～2.1 m高度形成风沙两相流速度交点,交点上下表现为“风快沙慢”及“风慢沙快”现象。(3)尘暴过程中近地表沙尘浓度沿均值线呈“脉动”规律,表现为地表粉尘沉降与再释放循环过程,同时砾石盖度大小会直接影响沙尘沉积分布,当盖度大于40%时能够有效抑制沙尘释放。     

敦煌莫高窟顶尼龙网栅栏防护效应研究

野外监测和风洞模拟实验结果表明,孔隙度为20%~25%的尼龙网栅栏,其保护范围达23.5H~29.5H,栅栏前后的积沙范围主要集中在2H(栏前)~3H(栏后)。砂砾质戈壁区尼龙网栅栏直接阻止了偏西风向洞窟搬运沙量的80%以上,但其侧导能力微弱,外围栅栏对来自主风向的外侧积沙的侧导率平均达到35%;对其内侧的侧导作用,在偏东风时为57.51%,偏西风时平均为15.89%,反映了防护效益的季节变化特征。在网后1H处,20cm、50cm、100cm和150cm高处的风速分别降到网前3H的48.6%、38.6%、40.7%和66%。在NW风作用下,网后10m、2m的输沙量分别是网前10m、2m的1/29和1/43,并受栅栏设置等因素的影响。流沙区尼龙网栅栏的防沙效益亦表现出在三组不同风向上的差异。栅栏的阻沙效益与沙源供给关系密切,沙源充足时以风积为主,相反,则出现较强的风蚀作用。3~5月间,对比分析前方沙源充足(1992年)、基本控制(2002年)和较好控制(2003年)3种情况,窟前栈道不同部位洞前积沙分别减少39.4%~83.3%、75.4%~95.2%和94.0%~98.7%。尼龙网栅栏是比其他材料更优的一种防沙材料,不仅价格便宜,施工简单,而且在沙障被埋后容易移动重设,在阻止沙丘前移和防止过境风沙流具有优势。目前在网栅周围形成的局部积沙,在综合防护体系逐渐建立,前方沙源截留的前提下,利用窟顶输沙能力的季节变化特别是偏东方的反向搬运功能,局部积沙可以得到较好的输导。同时建议维护调整现有砂砾质戈壁区尼龙网栅栏防护体系。     

不同砾石覆盖度床面蚀积过程的野外风洞实验研究

野外风洞实验表明,砾石床面具有捕沙和过沙的双重功能,砾石床面的输、阻性质是不同覆盖度与风动力耦合的结果。当砾石盖度小于20%时,床面基本以风蚀作用为主;当砾石覆盖度在30%～50%时,低风速条件下(<10 m/s),床面以强烈风积作用为主,高风速条件下(>12 m/s),床面以强烈风蚀为主,其间[(10～12)m/s]床面趋于蚀积平衡状态;当砾石覆盖度大于60%时,随着风速的增大,床面蚀积量变化不大。研究结果可应用于莫高窟顶沙砾质戈壁的风沙防治,为风沙工程增添新的思路和新技术。     

普若岗日冰原西侧冰前风沙地貌的形成与我国冰川型沙漠的发现

在青藏高原中央、普若岗日冰原西侧流石坡地带山麓面上,分布有约100 km²的由戈壁与沙丘组成的地貌,这是世界罕见的、也是我国发现的首例中纬度、高海拔地区冰前沙漠沉积。野外地貌、地层测量和室内样品的粒度、矿物、¹⁴C测年分析等结果表明,其形成时代约为16 ka BP以来;沉积特征在沙丘沉积序列中表现为风成砂夹零星腐殖质层,在戈壁中表现为砾石表面具次生方解石或碳酸钙沉淀层;演化模式为冷直线式;形成条件为以下伏冰碛物为主要砂源,以行星西风环流和高原冬季风引起的地面西风为主要动力,以持续的寒冷半干旱为气候背景;成因主要与冰原西缘冰川作用形成丰富的冰碛物砂源有关;因此,这类沙漠与一般冰缘沙漠以河湖相砂为源具有显著区别,可称为"冰川型沙漠"。由于其形成兼与冰原、气候和环流的变化密切相关,所以它是高原腹地全新世气候环境变化的重要记录。     

库姆塔格沙漠东部复杂地貌地表沉积物化学元素组成初步研究

通过对库姆塔格沙漠东部的沙漠、戈壁、绿洲、湿地、干河床等地貌单元地表沉积物化学元素的分析,研究了不同类型沉积物常量、微量元素的UCC标准值、Ba-Sr含量比值、化学蚀变指数等特征。结果表明：各类型沉积物的元素特征差异显著,但都处于低等风化阶段。库姆塔格沙漠东北端的平沙地、灌丛沙地与北侧戈壁地表沉积物元素特征相近,物源是北山;沙漠东缘沙物质有相近的主元素含量和Ba-Sr含量比值,化学风化特征和Fe、Mg含量自北向南呈现渐变趋势,表明受到偏北风的搬运混合作用,其可能的物源包括南部阿尔金山洪冲积物、东侧的干河床和戈壁。沙漠与敦煌绿洲间的戈壁地带化学风化微弱,区域差异不明显,但不同部位沙物质的元素含量有近源性。鸣沙山西侧的沙物质元素不同于库姆塔格沙漠,而与之相近的党河漫滩相近,因此其最有可能的物源是党河。     

Overall efficiency of a V-shaped nylon net fence in preventing sand damage to the Mogao Grottoes

A V-shaped nylon net fence installed in 1990 on top of the Mogao Grottoes is shown to be effectively resisting aeolian sand damage to the grottoes. The structure guides and causes deposition of sand from westerly wind (the primary hard wind), but to some extent hinders the inverse function of easterly wind carrying sand away from the grottoes toward Mount Mingsha. The gobi side by the fence experiences higher wind speed, so that on which are easily formed undercutting pits, and the deposited sands on it generally form double-peak structures due to abundant sand sources. If the earth surface characteristics in gobi areas by both sides of the fence are quite varied, the erosion and deposition features of the accumulating sand section are similar in different seasons; however, if the earth surface characteristics are similar, the features become irregular in different seasons. Sand depositions with long slope feet are formed along the south and north sides of V-shaped nylon net fence. Disrupted by strong westerly wind and northwesterly wind, sand accumulations by north of the fence are in form of single peaks. Although the operation duration of the V-shaped nylon net fence has exceeded its design life (10 years), our observations indicate that it is still effective in reducing wind-driven sand damages to the Mogao Grottoes, so it should not be withdrawn.     

库姆塔格沙漠羽毛状沙垄形成机理研究

库姆塔格沙漠像一把扇子覆盖在了阿尔金山山前的倾斜平原上,沙丘类型复杂,而尤以羽毛状沙垄最为独特成为我国独有的沙丘形态。有关羽毛状沙垄形成发育机理研究,近几十年来进展甚微。通过野外观测、高精度航片解译和风洞模拟实验研究,结果表明：羽毛状沙垄形成条件是：①具有广大平坦倾斜的地面。②地表沙物质不甚丰富。③两组相近风向是其形成动力条件。④舌状沙丘是在新月形沙垄形成之后的次一级沙丘形态。二者组合成羽毛状沙垄。羽毛状沙垄形成过程可以归纳为下列图式：新月形沙丘→新月形沙垄→舌状沙丘→羽毛状沙垄。     

戈壁砾石覆盖度与风蚀强度关系实验研究

戈壁表面的砾石覆盖度对风沙物质的运移有不可忽略的影响,在极端干旱区砾石覆盖是防沙治沙的重要手段。通过风洞实验模拟了阿拉善戈壁区砾石覆盖度与风蚀强度的关系。结果表明,当因地表风化作用等产生的松散颗粒物被吹蚀后,不同地点、不同样品之间风蚀强度有明显的差异,因而砾石覆盖度与风蚀强度之间的相关关系并不显著;但数据标准化后则表明,当砾石覆盖度在40%以下时,随砾石覆盖度的增加风蚀强度也有所增大。戈壁地区的风沙运动中,在砾石覆盖度小于40%条件下,不同风速下风蚀强度的变异系数是不同砾石覆盖度下的风蚀强度的变异系数的2倍左右。在极端干旱的戈壁区,影响风蚀强度的因素十分复杂,砾石覆盖度增大不仅不能控制风蚀现象的发生,反而增强气流对地表的风蚀能力,这一因素可能是阿拉善高原戈壁区成为中亚强沙尘暴主要源地的重要原因之一。     

不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率定量模拟

通过风洞实验,利用称重传感器自动记录风蚀观测样方重量变化过程,对供沙条件下不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率进行了定量模拟研究。结果表明:砾石覆盖度是影响戈壁风蚀速率的关键因子,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加按指数规律递减。各实验风速下,砾石覆盖度>50%时,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加而减小量有限,甚至无风蚀发生;而盖度从10%到50%时,风蚀速率显著减小。因此,两种实验粒径砾石(3 cm与4 cm)至少在50%盖度时才能达到较好的风蚀防治效果。戈壁风蚀防护机理主要是砾石覆盖度的增加增大了砾石间沙粒的临界起动剪切风速,而且减少了作用在砾石间可蚀地表的剪切压。与沙质对照床面相比,10%~90%砾石盖度戈壁床面沙粒临界起动剪切风速增大了0.8~3.4倍,只有0.5％~28%的剪切压作用在砾石间可蚀地表。     

呼伦贝尔沙质草原碟形风蚀坑表面气流及其意义

呼伦贝尔沙质草原风蚀坑发育于宽单峰中能风况环境,是该区主要风沙地貌类型。对碟形坑表面气流的观测结果显示,气流进入风蚀坑后,在入风口扩散,风速开始降低至坑底达到最低;在坑后缘出风口汇集形成急流,风速剧增至坑后积沙顶部风速达到最高值。风蚀坑后缘在风沙流的磨蚀作用下后退,风蚀坑顺风向扩展,同时此处较大的剪切风速和输沙率使大量来自坑内的沙物质沉积到坑后草地上呈扇状蔓延。呼伦贝尔沙质草原风蚀坑在来自西北、西和西南方向风的交替作用下,向东南、东和东北方向扩展而生成。随着风蚀坑深度和水平尺度的增加,最终可能沿强风能方向或合成输沙方向扩展成为大型的槽形坑。