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。     

风沙地貌形成机制的几个问题

本文以新月形沙丘为例,分析了风沙运动物理过程,说明风沙地貌的发生和发展情况。作者认为,风沙有自动聚集成堆的收敛性,而沙粒一旦成堆,下层的沙粒将受到保护成为不可动粒子。另一方面,沙粒成堆后运动将变慢,上风的风沙流不断补充,致使沙堆逐渐增大而发育为典型的风沙地貌。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙粒胶结体的粒度特征

对塔克拉玛干沙漠腹地沙粒胶结体进行溶蚀分散获取组成沙粒,采用激光粒度仪分析粒度成分,并与区域内沙丘沙、垄间平地沙和风沙流输沙的粒度特征进行对比,分析沙粒胶结体的粒度特征。结果表明：（1）沙粒胶结体中沙粒粒径呈多峰态分布,垄间平地沙呈双峰态分布,而沙丘沙和风沙流输沙呈单峰态分布;（2）沙粒胶结体内沙粒分选性较差,偏度属正偏,平均粒径（3.17 Φ）介于沙丘沙（3.10 Φ）和垄间地沙（3.28 Φ）、风沙流输沙（3.67 Φ）之间;（3）沙粒胶结体中沙物质主要组分为细沙和极细沙,与沙丘沙、垄间平沙地沙一致,而与风沙流输沙（极细沙和粉沙）不一致。与沙丘沙、垄间平地沙以及风沙流输沙相比,沙粒胶结体中粉沙、黏土和中沙相对富集,是现代地表物质的混合物;（4）与沙丘沙、垄间平地沙和风沙流输沙相比,沙粒胶结体内沙粒的蠕移-跃移、跃移-悬移截点粒径均偏细,蠕移组分所占比重很高。从组成颗粒的粒度组成来看,沙粒胶结体的形成受局地沙源和风动力的共同影响,是特殊环境条件下现代地表过程的产物。     

库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面风沙流结构变异

对库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面气流和输沙率的野外观测和分析结果表明,沙丘表面约90%的风沙输移集中在距沙面0.10 m高度范围内,输沙率随高度递减的形式在沙丘各部位因风速、下垫面状况和坡面形态不同而发生变异。沙丘迎风坡坡脚因出露坚硬、含砾石地表,颗粒跃移高度大,风沙流上层相对输沙率大;迎风坡沙粒沿坡向上运动,颗粒跃移高度减小,风沙流中近地表相对输沙率大;沙丘背风坡沙粒沿坡向下运动,加之来自丘顶变型跃移物质的影响,风沙流上层相对输沙率较大;脊线受迎风坡各个断面地形差异的影响,各观测点间风沙流结构差异显著。风沙流结构在迎风坡和丘顶均遵循指数递减规律(Q=aexp(-z/b)),其中,指数函数拟合中系数a与输沙率具有良好的幂函数关系,随风速增加而增加,但二者关系较弱;b与二者无相关性。背风坡风沙流结构具有明显的分段现象,以0.10 m高度为界,下层符合指数函数,上层符合幂函数。     

脉动风场下风沙流结构的数值模拟

 基于野外观测实验和Langevin方程对风场脉动的描述, 研究了脉动风场下沙粒的跃移运动以及风沙流结构特征。结果表明,脉动风场对沙粒的跃移运动有着显著的影响,沙粒粒径越小,脉动风场对跃移运动轨迹的影响越大;考虑风场脉动时给出的风沙流结构具有明显的分层特征,并与实验测量结果吻合得更好。     

新月形沙丘表面风速廓线与风沙流结构变异研究

在风沙地貌学中,跃移沙粒与风场的耦合作用下,其最直观的表现形式为风速廓线和风沙流结构的变异。通过对塔克拉玛干沙漠腹地新月形沙丘迎风坡坡脚、沙丘顶部、沙丘的两个兽角前端、沙丘背风坡坡脚5个典型部位的风速廓线和风沙流结构进行了实地观测,并与参照点（丘间粗沙地）的风速廓线和风沙流结构进行了对比。发现受地形扰动作用,沙丘背风坡坡脚处和沙丘的两个兽角前端的风速廓线形式均呈现非对数形式分布。除迎风坡坡脚处风沙流结构与参照点处相似之外,其余各个部位风沙流均表现出不同于参照点的结构形式。直接采用曲线拟合方法对风沙流结构函数进行拟合,并针对有明显分段现象的风沙流结构形式,采取分段拟合,并对造成风速廓线和风沙流结构变异的原因进行了讨论。     

新月形沙丘形态的模拟实验研究

新月形沙丘是风沙地貌基本形态之一,一般为高浓度非饱和风沙流所塑造。其形成过程始于风沙运动的“波粒二重性”,并经历沙物质积累（高浓度饱和风沙流）和形体塑造（高浓度不饱和风沙流）两个发育阶段,即耗散性增大和色散性减小过程;非沙质床面零星分布的单个新月形沙丘具有明显的移动性和形态的不稳定性（高大新月形沙山除外）。风洞实验条件下形成的新月形沙丘形态（其尺度比床面沙纹大一个数量级）,有助于新月形沙丘形成机制的了解。     

敦煌月牙泉景区沙丘粒度特征

对月牙泉外围沙山表面沉积物进行系统采样,结合区域风况,分析了沙山典型部位的粒度分布及其参数特征。月牙泉北侧金字塔沙丘沙粒较粗,分选性较差,正偏趋势显著;月牙泉南侧线形沙丘以细沙为主,分选性较好,分布属正偏态。北侧金字塔沙丘从西南和西北两个坡面到东侧坡面,粗颗粒减少、分选性变好,但趋势不明显,说明金字塔沙丘未发生明显移动;而南侧线形沙丘自南侧坡面向北侧坡面沙粒粒径变小、分选变好,较细的沙粒被搬运并沉积北侧坡面,搬运作用十分明显,即线形沙丘向月牙泉方向发生明显移动。通过粒度分析风沙动力环境表明,月牙泉风沙危害主要来自南侧沙山北移。     

风沙物理学中两个焦点问题研究现状与未来研究思路刍议

风沙物理学经过数十年的发展与完善,可以说基本上自成体系。但由于学科的起步较晚,加之现象的复杂性,目前仍有很多重要的理论问题没能彻底解决,至少还未达成共识,成为学术界长期以来争论的焦点,从而影响了学科的继续发展。对“沙粒起动机制”和“风成沙纹的形成机理”两个焦点问题在进行研究现状剖析的基础上,浅析未来研究思路。提出沙粒起动主要驱动力是驻点升力的观点,以空气动力学理论为基础的沙粒起动机制研究将是未来该领域的发展趋势;关于沙纹的形成,认为沙粒粒径的不均匀性以及所导致的非平衡运动是前提和基础,风沙流运动过程中类似左右沙丘运动的蚀积转换规律是使沙纹能够维持其稳定形态的必要条件,而沙纹有规律、整齐划一的分布与排列可能与背风面气流小尺度的涡流有关。     

腾格里沙漠东南缘不同发育阶段横向沙丘粒度特征

选取了腾格里沙漠东南缘风沙观测场内经人工平整后流动沙地上出现的新生横向沙丘和观测场外围未经人工干预的原始横向沙丘,采集了其表层的沉积物进行试验分析,探讨了不同发育阶段沙丘之间和沙丘表层不同部位之间沉积物粒度组成的空间差异及其所反映的近地层风沙运动过程.结果表明:腾格里沙漠东南缘横向沙丘以细沙为主(53.87%),其次为中沙(42.57%),粗沙和极细沙含量很少;新生沙丘表层沙粒的平均粒径(1.98 Φ)略大于原始沙丘(2.16 Φ),而分选性都很好.两类沙丘的偏度都表现为近对称,峰度都表现为中等类型;由于沙丘所处发育阶段和尺度不同,即使在同一种风能环境下,两类沙丘及其表层不同部位沙粒的粒径分布也存在明显差异.     

西藏雅鲁藏布江中游下段沙地植被研究

沙地植被主要有沙地高山松林、巨柏疏林、砂生槐群系和固沙草群系。砂生槐＋多花亚菊群落是本区沙地植被演替的顶极群落，高山松林疏林可能会成为本区人为演替顶极群落，风沙活动是影响本区植被演替的主导因子，半固定沙区仅生长砂生槐灌丛阶段是沙地植被正逆向演替的临界状态。砂生槐和高山松在沙地具有天然更新能力和生长快的特点。     

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。     

不同类型防沙堤流场的风洞实验模拟研究

防沙堤在风沙防护体系中发挥着重要的作用。对不同形状、不同倾角和不同高度防沙堤的流场结构进行风洞模拟实验,对不同类型防沙堤的防护效益进行评价。研究结果表明:①防沙堤强烈地影响了周围的气流流动特性,根据不同流场特征将其划分为5个典型区域:迎风坡脚低速区、遇阻抬升区、集流加速区、减速沉降区和消散恢复区,其中迎风坡脚低速区和背风侧减速沉降区能有效降低风速、阻滞风沙流。②梯形较三角形防沙堤形成的迎风坡脚低速区范围更大,而三角形较梯形防沙堤形成的有效防护距离更大。③三角形防沙堤的防护范围随风速的增大而减小。三角形防沙堤形成的有效防护距离随迎风坡倾角的增加而增大;迎风坡脚低速区范围随倾角增大而减小。④倾角40°的三角形防沙堤模型在各组风速下均形成最大的有效防护距离。⑤防沙堤背风侧的有效防护距离与沙堤高度呈正相关。     

几种典型戈壁床面风沙流特性比较

通过不同材料覆盖的戈壁床面风沙流特性风洞模拟实验,发现对于棱角状砾石戈壁床面,地表动力学粗糙度随风速的增加而增加;而卵石床面,地表动力学粗糙度随风速的增加呈减小趋势。戈壁床面风速随高度的分布同样满足对数规律,棱角状砾石床面对风速的减弱程度相对于卵石床面更趋于显著。沙粒与戈壁床面棱角状砾石发生碰撞时其起跳高度增大,引起含沙量随高度分布不再满足流沙地表的指数衰减规律,而呈“象鼻效应”,出现拐点。戈壁地表输沙率与风速服从幂函数关系,但其幂指数远大于流沙地表。输沙率与风速之间幂函数关系中幂指数的取值主要受控于地表粒度组成。     

Patterns of sand transport on vegetated foredunes

The aeolian development of coastal foredunes is studied at two sites along the Dutch coast. Amounts of sand transport are measured in cross-sections over the foredunes, and changes in surface height are monitored. Sand transport decreases rapidly landward of the vegetation boundary. Near the dunefoot, changes in surface roughness and topography generate turbulence and upward flow, causing a small part of the sand to be transported in suspension. Patterns of transport are found to be closely related to air flow, which in turn is related to topography and vegetation density. With steeper topography, the amounts of sand transported landward from the dunefoot increase, if vegetation density is low. During oblique onshore winds, most of the sand accumulates at the dune front. During perpendicular onshore winds, a large proportion of the sand is deposited landward of the slope. When deflection of flow occurs, landward transport of sand is interrupted.     

沙源供给条件对风沙流结构的影响

 针对风沙运动的气固两相流特点,利用FLUNET 软件,对不同沙源供给条件下各种床面的风沙积蚀平衡进行了数值模拟,给出了风速分布和沙粒体积分数随沙源供给条件和下垫面变化的线图,比较了流动边界条件对流场的影响。计算结果揭示了风沙运动中沙粒的体积浓度分布在风速变化和床面形态变化下的变化规律,为沙漠化的防治和理论研究提供了基础。     

流场中集沙仪集沙效率的数值模拟

 以管状集沙仪为例,数值模拟了它在风沙流结构中的流动特征以及集沙效率。为了使模拟更加符合真实情况,对计算区域的网格进行加密,计算了集沙仪周围的风场,并分析了网格划分对计算结果的影响。通过分析计算结果,讨论了不同薄膜渗透率对集沙仪周围风场流动特征的影响,以及不同渗透率下不同粒径沙粒的轨迹以及集沙效率。在模拟集沙效率时发现集沙仪薄膜的渗透率是影响集沙效率的一个重要参数,通过分析结果,发现选择集沙仪薄膜的时候应选择渗透率,这样随着沙粒粒径的变化,集沙效率变化趋于稳定。有两个影响集沙效率的重要因素:粒径和集沙仪进口处的流线。当颗粒粒径相对较大的时候,惯性起主要作用,对于粒径大于200 μm的沙粒来说,集沙效率几乎都在90%;当颗粒粒径相对较小的时候,流线起主要作用。     

A new theoretical treatment of compaction and the advective-diffusive processes in sediments: a reviewed basis for radiometric dating models

Classical treatment of mass conservation of solids in growing sediments states an advection-diffusion equation for the bulk sediment density. Thus, the diffusion coefficient has to account for elemental processes of exchange of solid particles by pore water or reciprocally. Nevertheless, in a gravity field, these exchanges are forced and cannot be treated as diffusion but as mass flow. A compaction potential energy is defined so that its spatial gradients force a mass flow involving a conductivity function. This leads to a more consistent definition of mass sedimentation rates and to a writing of the continuity equation for density involving only an advection term. Typical bulk density profiles show an asymptotic increase with depth. With the present formulation, this can be obtained as a steady-state solution under constant sedimentation rate and constant conductivity, while the classical formulation fails to do it. Alternatively, it can be found that under these conditions, the compaction potential is a linear function of the bulk density. The mass flow due to compaction and the compaction potential are found for several sediment cores from literature data. From this basis, the advection-diffusion equation for a particle-associated tracer is rewritten. In particular, when the mass flow term due to compaction is considered, the resulting sub-grid scale processes lead to a different formulation of the diffusive fluxes: they are proportional to the gradients of specific concentration in solids instead of the concentration per unit bulk volume. This new formulation is most suitable to find out analytical solutions for radiometric dating models involving mixing and compaction. Numerical solutions are found for the new and the classical treatment for some particular cases to illustrate differences.     

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。     

科尔沁沙质草甸土壤微生物数量的垂直分布及季节动态

通过对中国农牧交错带科尔沁沙质草甸土壤微生物数量的垂直分布及其季节动态的研究分析表明:(1)微生物总数、细菌和放线菌数量均表现出与降雨量同步的季节动态,即6月份较5月份有所减少,7月份增至最多,7月份以后微生物数量逐渐下降,真菌则表现出从5月份到8月份一直增加,9月份开始回落;(2)土壤微生物具有明显的垂直分布差异.细菌和放线菌的垂直分布表现出随土壤深度增加逐渐减少的趋势,真菌数量表层最高,20 cm以下变化不够规律;(3)土壤微生物的层化比率均大于2(5月份放线菌除外);(4)不同土壤生态因子对微生物的影响不同,相同因子对不同微生物类群的影响也不相同.细菌受水分影响较大,真菌与地温的变化趋势相近,放线菌与水热条件的共同作用有关.土壤养分(有机碳和全氮)与微生物数量呈显著的正相关.