风成沙波纹数学模型综述

风成沙波纹是风力作用下地表形成的最基本的地貌类型。近年来,随着计算机技术的迅猛发展,风成沙波纹数值模拟研究越来越引起重视。本文简要介绍了风成沙波纹数学建模的理论基础,并将已有的风成沙波纹数学模型划分为3类,着重介绍了几个经典的风成沙波纹数学模型,详细列举了这些模型的假设条件和数学表达,分析了他们的优缺点。目前,风成沙波纹数学建模的两个基本理论依据为:一个是地表坡度变化导致的蠕移沙通量的变化;另一个是跃移长度随沙床面高度变化的规律,但目前关于此理论的研究并不多。最后,总结和展望了这一领域的研究方向和前景。     

风成沙波纹脊线提取与应用计算

风成沙波纹是沙质地表在风力作用下形成的最小地貌单元,对研究风沙的起动过程和运动过程极其重要,同时,沙波纹形态特征的研究为了解大尺度范围风沙地貌形态演变提供理论基础。然而由于风成沙波纹尺度较小,形成速度较快,导致对其形态特征的观测比较困难。近些年,随着计算机图形学的迅猛发展,数字图像处理方法得到了较大发展,使得测量和计算更加便捷。本文基于高清相机拍摄的风成沙波纹图像,借助于Matlab平台,采用数字图像处理技术,对沙波纹脊线进行提取,并应用于沙波纹形态参数计算。本文选取腾格里沙漠东南缘的沙波纹进行验证分析,得到风成沙波纹波长的正态分布规律,沙波纹的波长随时间逐渐增长,在40 min的时间范围内,波长由不足1 cm逐步发展到接近10 cm。最后,采用数字图像处理方法,计算了沙波纹脊线长度和波长。采用数字图像处理方法,波长等数据更易于获取和统计,数据采集效率大大提高,为风成沙波纹的研究提供了新的方法。     

蠕移沙粒流体起动风速的实验研究

 设计制作了能够有效避免沙槽下风端沙粒塌陷的蠕移沙粒集沙仪,并分析了该集沙仪中集沙槽的高度和厚度对单宽蠕移输沙率实验测量结果的影响,给出了集沙槽的合理高度和厚度;利用该集沙仪在风洞中测量了不同风速下的单宽蠕移输沙率,外推给出了沙粒的流体起动风速。     

基于GIS的小流域土壤侵蚀与产沙的简化模拟

将泥沙输移能力公式与USLE公式相结合,建立了一个简化的分布式小流域产沙模型,并将其应用于川中丘陵区小流域的土壤侵蚀与泥沙输移的空间分布模拟。得到的主要结论:1.该模型适用于川中丘陵区小流域产沙的模拟;2.魏城河流域1980—1987年8 a平均土壤侵蚀量为16.8×104t,侵蚀模数为675.8 t/(km2.a),模拟得到的输沙模数为238.6 t/(km2.a),泥沙输移比为0.35;3.魏城河流域主要以微度侵蚀为主,占到全流域总面积的68%,强度侵蚀占流域面积的1%,主要分布在坡度较陡的流域边缘地带;4.相对其他因子,降雨与坡度对该流域侵蚀产沙的影响更为突出。     

瓯江河口输沙模式与应用研究

本文从河口塑造与输沙关系、流域泄沙与输移模式,以及口外来沙与潮流输移特征等三方面,探讨河口区的泥沙运移规律和补给来源。并在此基础上,提出粗细不同粒级的造床泥沙按不同方式治理的设想。     

基于激光垂直照射沙床面的风成沙波纹二维形态特征分析

风成沙波纹因其规则的波浪形几何图案吸引着研究者的兴趣,但是对其发育过程的认识还比较薄弱。原因之一就是缺少高精度和高分辨率的沙波纹形态动态测量方法。传统的风成沙波纹形态动态测量方法采用的倾斜光源照射方式忽略了沙波纹脊线高度和走向的变化,会导致沙波纹高度测量错误和形态变形。本研究建立的激光片光源垂直照射沙波纹表面的方式纠正了这一问题,并分析了沙波纹形态及其参数随时间的变化规律。结果表明：（1）沙波纹发育形成过程的初始形成阶段、增长阶段和稳定阶段的时长都随风程长度的增加呈减小趋势,且风程长度越短沙波纹的发育进程越滞后,形成 “倒游现象”。（2）沙波纹的波高和波长都随时间先快速增大然后趋于稳定,而且波高增长速度随风程长度增加而增大。稳定阶段沙波纹平均高度和波长呈现随风程长度的增加而增大的趋势。（3）沙波纹指数、迎风坡指数和背风坡指数都随时间先快速减小然后基本保持不变,服从指数函数分布。稳定阶段平均沙波纹指数随风程长度增加而减小。（4）沙波纹移动速度总体上随高度增大而减小,平均移动速度随时间按幂函数减小,而且在风沙流未饱和时平均移动速度总体上呈随风程长度增加而减小的趋势。可见,风程长度是沙波纹定量中不可忽略的一个因素。     

瓯江河口输沙模式与应用研究*

本文从河口塑造与输沙关系、流域泄沙与输移模式,以及口外来沙与潮流输移特征等三方面,探讨河口区的泥沙运移规律和补给来源。并在此基础上,提出粗细不同粒级的造床泥沙按不同方式治理的设想。     

风力作用下沙粒蠕移概率的转化特征

建立了沙粒从蠕移状态向静止、跳跃转化以及继续滚动的概率模型.根据滚动沙粒简化的运动方程,结合两个关键随机变量-沙床表面风速和床面位置参数,求出了静止概率、滚动概率、跳跃概率随时间变化的表达式.在此基础上通过对时间求极限得到稳定情况下沙粒处于三种运动状态的概率.利用沙粒蠕移概率除蠕移概率和跃移概率之和,得到沙粒相对蠕移概率,并以此反映蠕移输沙量占总输沙量的比例.计算结果表明,三种转移概率是时间、沙床表面风速和沙粒直径的函数.静止概率随时间增大而增大,但随粒径增大而减小;滚动概率随时间的变化根据粒径的不同表现出不同的特点.粒径较小,滚动概率随时间的增大先增大后减小,存在极大值;粒径较大时,滚动概率随时间的增大逐渐增大,不存在峰值.跳跃概率随时间的增大而增大.三种概率达到稳定状态所需要的时间随粒径的增大而减少.同粒径的沙粒在相同的时间内,三种转移概率会趋于定值.稳定概率和相对蠕移概率由沙床表面风速分布和粒径大小来确定,具有很大的取值范围;静止稳定概率和跳跃稳定概率随粒径的增大分别增大和减小;而滚动稳定概率随粒径的增大逐步先增大后减小.在一定风速条件下,相对蠕移概率随风速和方差的变化都不大,沙粒粒径是最主要的影响因素.     

沙波纹生成的耦合映射格子模型

应用耦合映射格子模型模拟了三维、不对称、带有Y形连结的沙波纹的形成与演化过程。模拟显示了在风力作用下,平坦床面上的沙粒通过自组织形成沙波纹,其波长通过合并逐渐增长,而成熟后的沙波纹具有长而缓的迎风坡和短而陡的背风坡,并以确定的速度向下风方向迁移,这些特征很接近自然界中的沙波纹。此外,还模拟了双风向下沙波纹形态的变化,结果与Rubin等人关于横向、斜向床面形态形成条件的论断相符合。     

黄河下游泥沙输移数值模拟

本文从数学模型入手,探讨黄河下游在多年平均来水来沙条件下,泥沙输移与泥沙淤积的特性,得出黄河下游泥沙沿程淤积分布不均匀主要是由于粗沙、中沙沿程淤积不均匀造成的,如果使来沙减少42.6%,黄河下游可望达到冲淤平衡.     

风成沙纹的研究进展

近半个多世纪以来国内外学者对沙纹各方面有了详尽的研究,使沙纹研究理论逐渐趋向系统化和完善化。在扼要回顾了风成沙纹的研究历史的同时,分别从沙纹形态、沙纹形成过程和沙纹形成中的颗粒分异机制等几方面阐述了沙纹研究的现状及主要进展。最后根据沙纹研究的现状和目前沙纹研究中存在的问题,对将来的研究趋势作了初步探讨。     

应用近景摄影法研究沙纹的移动

近景摄影能够在无干扰的条件下,精确地测定正在发育阶段的风成沙纹,以波动方式整体移动的平均移动速度V_R(cm·min^-1),和相应的沙纹波长L(cm)波高Δh(mm)及其平均值。同时,求得沙纹移动速度V_R与局地风速V_L之间的实验关系式为V_R=158×(V_L-5.5)^0.67,沙纹移动是缓慢的,其数量级变化于10^-1~10¹cm·min^-1之间。沙纹波长与波高与直接测定值相当吻合。     

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。     

Complex systems in aeolian geomorphology

Aeolian geomorphology provides a rich ground for investigating Earth surface processes and landforms as complex systems. Sand transport by wind is a classic dissipative process with non-linear dynamics, while dune field evolution is a prototypical self-organisation phenomenon. Both of these broad areas of aeolian geomorphology are discussed and analysed in the context of complexity and a systems approach. A feedback loop analysis of the aeolian boundary-layer-flow/sediment-transport/bedform interactions, based on contemporary physical models, reveals that the system is fundamentally unstable (or at most meta-stable) and likely to exhibit chaotic behaviour. Recent field-experimental research on aeolian streamers and spatio-temporal transport patterns, however, indicates that sand transport by wind may be wholly controlled by a self-similar turbulence cascade in the boundary layer flow, and that key aspects of transport event time-series can be fully reproduced from a combination of (self-organised) 1/f forcing, motion threshold, and saltation inertia. The evolution of various types of bare-sand dunes and dune field patterns have been simulated successfully with self-organising cellular automata that incorporate only simplified physically-based interactions (rules). Because of their undefined physical scale, however, it not clear whether they in fact simulate ripples (bedforms) or dunes (landforms), raising fundamental cross-cutting questions regarding the difference between aeolian dunes, impact ripples, and subaqueous (current) ripples and dunes. An extended cellular automaton (CA) model, currently under development, incorporates the effects of vegetation in the aeolian environment and is capable of simulating the development of nebkhas, blow-outs, and parabolic coastal dunes. Preliminary results indicate the potential for establishing phase diagrams and attractor trajectories for vegetated aeolian dunescapes. Progress is limited, however, by a serious lack of appropriate concepts for quantifying meaningful state variables at the landscape scale. State variables currently used in the bare-sand models are far from capturing the rich 3D topography and patterns and are not sufficiently discriminative to distinguish different attractors. The vegetation component in the extended model, and indeed ecogeomorphic systems in general, pose even graver challenges to establishing appropriate state variables. A re-examination of older concepts, such as landscape entropy, perhaps complemented by recent developments in information theory, may be a potentially fruitful avenue for research, although the outlines of such an implementation are still rather vague.     

火星风沙地貌研究进展

作为最活跃的地貌塑造外营力,风力作用在火星表面塑造了各种各样的地貌形态。对火星风沙活动及风沙地貌的认识是随着观测和探测技术的进步而逐渐明确的。火星沙丘在北极地区连绵成带状分布,在其他地区分布比较零散,且主要与撞击坑、河谷和山谷相伴分布。火星风沙地貌与地球上相应的地貌类型形态相似而规模更大,表明两个星球上塑造风沙地貌的动力系统具有一定的相似性。火星沙丘主要由玄武岩质（北极部分沙丘为石膏质）颗粒堆积而成,沉积物粒度比地球粗,主要是由中沙和粗纱组成。随着获取影像时空分辨率的提高和着陆器在火星近表面的观测,发现火星上部分区域的沙丘和沙波纹比较活跃。同地球一样,火星风沙地貌也可指示火星气候的变化。     

非均匀沙的跃移计算

 为研究更加接近实际情况的风沙运动,并为实验研究提供一些理论分析和数值资料,本研究用数值计算的方法模拟了几种不同粒径分布方式相应的风沙跃移运动。分别计算了沙粒为单一粒径,以及粒径数学期望为该值时的伪随机分布和均匀分布共7种情况下的风沙跃移运动。计算结果表明,对于相同风速,气流对单一粒径组成的均匀沙的携带能力较弱,而对由多粒径组成的非均匀沙的携带能力较强。同时,因沙粒粒径组成的改变导致当跃移运动达到饱和时,风沙流饱和层的高度和沙粒的跃移长度、高度均有所变化。     

悬移层风沙运动数值模拟

针对沙尘暴天气的风沙气固两相流,采用FLUENT软件,对悬移层的风沙运动进行了,2D数值模拟分析．比较了流体边界条件对流场的影响。风沙起动后,用紧贴地面的平面作为风沙起动床面的简化模拟面。本文提出一个新的沙粒起动体积浓度的表达式,并在计算中作为边界条件。在模拟中,避免了对床面复杂状况的直接描述。计算结果揭示了风沙流起动阶段沙尘的速度、体积浓度分布规律及其在边界条件影响下的变化规律。     

雅鲁藏布江米林宽谷段新月形沙丘粒度分异研究

雅鲁藏布江中游米林宽谷段阶地面上广泛发育带状延伸,由上段风蚀槽、中段过渡区和下段堆积区组成的风沙活动带。风沙活动带各段新月形沙丘表面沉积物粒度分析表明,沙丘表面沉积物总体为细沙、中等分选、极细偏、多峰,表面粒度分布模式多属丘顶最粗型。受沙源和分选距离的影响,沙丘沙粒度特征在风沙活动带内表现出一定的空间差异性,上段风蚀槽内发育的沙丘规模小,粒径细,分选差,极细偏,多峰;中段和下段沙丘表面沉积物粒径变粗,分选变好,正偏转向近对称,多峰转为单峰。