兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质垂直分布特性

跃移质作为风沙流的主体,其近地表垂直分布规律是风沙物理学的重要研究内容,对防沙工程具有重要的指导意义。受研究条件与观测仪器限制,戈壁特别是极端大风区近地表风沙流结构特性研究较为薄弱。利用多梯度风蚀传感器与阶梯式集沙仪对兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质的垂直分布特性进行了观测研究。结果表明：兰新高铁烟墩风区戈壁沙粒发生跃移运动的2 m高临界风速达12 m·s^-1;戈壁近地表风沙流具有明显的阵性特征,沙粒跃移发生的时间比例在50%以下,与平均风速成正相关关系,与风速脉动强度无显著相关关系;2 m高阵风7级风速下,戈壁跃移沙粒主要集中于地表50 cm范围内,近地表风沙流结构呈"象鼻效应",跃移质最大质量通量出现在地表2.5~5 cm高度处,沙粒最大跃移高度可达2 m,且沙粒跃移高度随2 m高风速的增加呈指数规律递增。因此,兰新高铁烟墩风区2 m高阻沙栅栏不足以完全阻截戈壁风沙流,是造成烟墩风区兰新高铁轨道积沙的重要原因之一。     

风沙流中不同粒径组沙粒的 输沙量垂向分布实验研究

在非均匀沙床面上, 风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布, 是非均匀风沙运动研究的重点。研究首先通过风洞实验, 收集了风洞中垂线垂向输沙量分布沙样, 然后对集沙沙样进行了沙粒粒度分析实验, 实验分析结果得出了不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布规律, 基于稳定平衡风沙跃移运动模型和本文实验结果, 最后数值模拟研究了不同粒径组沙粒输沙量垂向分布, 与沙粒起跳速度和角度之间的关系。本文研究结果得出, 在非均匀风沙流中, 粗粒径组沙粒垂向输沙量上部符合指数递减分布但近床面区偏离指数分布, 呈现为偏大型分布, 粗粒径组对应的沙粒起跳速度和角度分布均为指数函数; 细粒径组沙粒垂向输沙量在整 个高度上均符合指数递减规律, 细粒径组沙粒对应的起跳速度分布为指数函数, 起跳角度分布为高斯函数。沙粒的平均起跳速度, 在0.4u*~2.2u* 之间变化, 随着气流风速(u*) 和沙粒粒径的增加而减小。     

计算蒸发力的М.И.БудьΙко方法之化简及与H.L.Penman法的比较

文献所给计算蒸发力E_0的М·И·Будыко公式为:E_0=ρD(q_s-q'_a),(1)其中,ρ为空气密度,D为外扩散系数,q_s为与蒸发面温度T_s相应的饱和比湿,q'_a为空气的实际比湿.由方程R_0-Q=L_ρD(q_s-q'_a)+(4δσT_a~3+ρC_pD)(T_s-T_a)(2)解得.其中,R_0表示据气温算出有效辐射时所得的蒸发面湿润状况下的辐射平衡值,Q表示蒸发面与其下层土壤间的热交换量,δ是灰体辐射系数,σ是史蒂芬-波尔兹曼常数,     

阿拉尔——和田沙漠公路风沙运动若干规律监测研究

以塔克拉玛干沙漠为研究区域,将覆盖塔克拉玛干沙漠的17个气象站近50 a(1961-2010年)历史资料与沙漠公路沿线近3 a(2007年4月~2010年4月)5层梯度风短期监测资料,以及沙漠公路7种防风阻沙体系下典型横断面5层梯度风监测资料进行信息化整编和规范化计算,对阿和沙漠公路风沙运动若干规律进行了系统研究。结果表明:(1)阿和沙漠公路沿线气象站10 m高度最大瞬时风速与沿线梯度风监测站及短期监测站距路面4 m高度最大瞬时风速具有空间相关性,平原路段空间代表性为20~40 km;特殊路段空间代表性为5~10 km;(2)沙漠公路沿线迎风侧最大瞬时风速比背风侧偏大1.15~1.30;(3)沙漠公路沿线2 a一遇最大瞬时风速水平分布规律是以沙漠公路中部向南北递减,最大值出现在k66.7~k326区间;(4)沙漠公路北部强风主风向WNW和N风,次强风主风向ENE和NE风;沙漠公路中部全年强风主风向ENE和NE风,次强风主风向为NNW风;沙漠公路南部全年强风主风向W风,次强风主风向为WNW风;(5)沙漠公路沿线起沙风是随7种防风阻沙体系的作用存在明显差异,以芦苇、草帘子方格防风阻沙体系下2 m高度的起沙风速和沙粒过路临界风速为最大,分别为8.0~9.0 m/s和10.0~11.0 m/s,对输沙贡献最大的有效瞬间风速在8.0~15.0 m/s之间;黑土工袋方格防风阻沙体系下起沙风速为4.0~5.0 m/s,沙粒过路临界风速为5.0~6.0 m/s,防风阻沙效应最差,建议更换。     

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。     

颗粒阻力系数的风洞实验模拟研究

利用风洞实验研究风力作用下颗粒阻力系数变化规律。以乒乓球(直径3.9 cm)模拟自然界大颗粒,采用三分量传感器直接测量颗粒水平受力,并与表面风速测量同步进行,采样频率设为125 Hz。结果表明:颗粒水平阻力与颗粒表面风速的变化趋势一致,并随着来流风速及高度的增加而增大;在实验范围内(雷诺数约在9 000~40 000),水平阻力(Fx)与表面风速(Ux)的关系符合Fx=0.514(1/2AρU2x)+0.019,式中A为颗粒的迎风投影面积,ρ为空气密度,取1.285 kg·m-3,可以看出,阻力系数CD为0.514,略大于水流中颗粒的阻力系数CD值(0.44);常数项0.019表明其他力(如附加质量力和历史作用力等)的作用不可忽略。     

半干旱区不同类型沙丘风沙流结构特征

采用两种阶梯式集沙仪和小型气象站于2017年4—5月对科尔沁沙地流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘0~75 cm气流层风沙流的总输沙量、输沙率、粒径组成分布和风蚀特征值进行了观测。结果表明：（1）随着高度增加,总输沙量下降,随着风速增加,总输沙量上升;92.20%~95.60%的输沙量发生在0~21 cm高度。（2）总输沙率（Q）流动沙丘>半固定沙丘>固定沙丘,将Q与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘幂函数最佳（R²=0.986）,半固定（R²=0.990）和固定沙丘（R²=0.956）指数函数最佳。（3）将各高度的输沙率与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘（R²≥0.905）和半固定沙丘（R²≥0.968）拟合度幂函数好于指数函数,固定沙丘（R²≥0.923）指数函数优于幂函数。（4）在一定高度下,3类沙丘输沙率均随着风速的增加而增加;在一定风速下,输沙率随着高度的增加而逐渐递减。（5）3类沙丘的特征值随着风速的增加呈现出逐渐递增的趋势;流动沙丘以λ>1为主,表现出持续侵蚀输送沙粒的能力;半固定沙丘当风速>9.0 m·s^-1时逐渐出现侵蚀状态;固定沙丘以λ<1为主,近地表风沙以堆积状态为主。（6）3类沙丘主要由粒径为0.1~0.25 mm的细沙构成,在0~30 cm高度,细沙占输沙量的50.09%~85.11%,在30~75 cm高度,细沙占输沙量的43.53%~75.53%。     

风沙运动的理论模拟和风洞实验对比研究

针对输沙率这一风沙运动的重要问题,在沙坡头野外风洞进行了实验观测,同时建立热对流-扩散作用下的风沙运动多场耦合模型,采用大涡模拟方法对其进行数值模拟研究。通过对比实验观测和理论模拟,结果表明:实验和理论模拟得到的风速和输沙率都比较吻合,风速近似可分为两部分,在35 cm高度以上,风场受沙粒的影响较弱,风速服从对数分布,与净风场一致;在0~35 cm高度区间,受大量跃移运动沙粒的阻滞作用使得风速单调减小,随着风速加强,跃移运动沙粒的数量也在增大,风速梯度逐渐减小。在风沙流发展过程中,开始阶段输沙率随时间呈指数增大,而后逐渐减小,直至达到动态稳定;随着风速加强,输沙率变大,风沙运动达到动态稳定的时间变短。风洞实验和理论模拟的输沙率结果在10 cm以上吻合得很好,但在10 cm以下,风洞实验和理论模拟差别较大。同一风速下,采用最小二乘法对风洞实验和理论模拟的输沙率进行拟合并得到拟合公式:输沙率沿高度呈指数规律递减。同时,在不同风速下对同一高度层输沙率对比分析表明,贴近地表处(0~10 cm)高度层内输沙率随风速增大所占的百分率降低;而在10 cm以上高度层内,随着风速的增大,其输沙率所占总输沙率的百分比却有明显增加。     

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。     

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。     

尼龙网方格沙障风沙流携沙粒度的空间分异特征

为了探究塔克拉玛干沙漠腹地尼龙网方格沙障对风沙流携沙粒度的空间分异作用,于2015年4-6月,选取裸沙地和尼龙网2种下垫面,利用方口集沙仪和全方位集沙仪分别收集风沙流中垂直高度层中2~100 cm和16个方位的输沙量,利用BT-2001激光粒度分布仪对沙样进行粒度组成分析。结果表明：沙粒的粒度频率曲线形态表现为单峰分布特征,与下垫面沙粒组成有关。在垂直方向上,沙粒的平均粒径在L1（裸沙地）、L2（沙障前部）处随着高度的增加沙粒平均粒径减小,L3（沙障中部）处平均粒径先增加后趋于稳定;风沙流进入沙障后,分选性变差,偏度增大,峰度减小;L1和L2处沙粒随平均粒径的减小,分选性变差、细尾越来越明显、沙粒粒径分布范围变窄,且L1处分选系数、峰度和偏度与沙粒平均粒径在双变量图上的变化率大于L2处。在水平方位上,沙粒的平均粒径在T1（裸沙地）-T2（沙障前部）-T3（沙障中部）的过程中先增后减,在T2处,分选性最好,偏度系数和峰度最小;3个观测点的粒度参数与平均粒径没有明显的相关关系。     

塔克拉玛干沙漠风蚀起沙观测研究——试验介绍与观测结果初报

介绍了中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所在塔克拉玛干沙漠开展的风蚀起沙观测试验。对观测试验所获观测资料进行了初步分析,获得了一些有关塔克拉玛干沙漠风沙运动的特征。主要结果为,下垫面状况影响风沙流结构,塔中、若羌0~100 cm高程风沙流结构完全符合指数分布,肖塘则上部偏离指数分布;3地0~100 cm高程风沙流分别有72.4％、47.3%、62.6%的输沙量分布在0~30 cm高程内;3地风沙流输沙的粒径以细沙、极细沙、粉沙为主,其中极细沙可占到输沙量的43.8%~75.5%;风沙流中贴地层风速廓线受风沙相互作用的影响,不再符合对数分布,更加符合幂函数u=azb分布,拟合系数均大于0.93;沙尘撞击颗粒数与2 m高度风速变化趋势一致,塔中、肖塘、若羌3地的临界摩擦速度分别为0.25 m·s-1,0.27 m·s-1,0.21 m·s-1。     

关于风沙流中风速廓线的进一步实验研究

总结与分析了以前学者对风沙流中风速廓线的研究成果,指出了其中的不足之处。并通过实验测出两种较典型自然沙(沙丘沙与河滩冲积沙)所形成稳定状态下风沙流中的风速廓线,提出了新的风速廓线模型。实验结果表明风沙流中的风速廓线用幂函数u=az^b拟和最佳,拟合系数均大于0.95。经验证,实验结果可靠。     

塔克拉玛干沙漠腹地垄间沙粒胶结体的基本特性及研究价值

在塔克拉玛干沙漠腹地的部分垄间平沙地中,天然分布有一种特殊物质——沙粒胶结体,其与地表的粗沙和极粗沙呈复区分布,共同构成了覆盖沙面的大颗粒层。实地调查和取样分析表明:沙粒胶结体直径不一,能达到粗沙级、极粗沙级和砾石级(细粒和中砾),最大可达23.5 mm;颗粒形状不规则,质地较硬,手捏不碎;密度为2.51 g·cm^-3,略小于砾石和当地沙丘沙;可溶物的pH值呈中性,电导率2.56 mS·cm^-1,主要成分为CaSO₄。砾石尺度的沙粒胶结体在地表的分布密度可达807粒·m^-2,覆盖度2%~3%,由于其尺度和密度与砾石接近,它也应具有与砾石类似的风沙效应。沙粒胶结体也是一种天然固沙材料,研究其形成机制有助于开发新型固沙技术和固沙产品;沙粒胶结体可以抑制沙面风蚀、调节风沙流输沙强度、影响沙丘形态演变,探讨其风沙效应有助于深入认识塔克拉玛干沙漠垄间地的沙面稳定机制。沙粒胶结体的形成应与特殊的地质历史环境背景有关,可以作为沙漠地区历史时期气候变化的一个证据。因此,沙粒胶结体在防沙治沙技术开发、沙漠地区特殊下垫面风沙运动过程、沙漠环境形成演变等方面具有重要的研究价值,值得今后进行深入研究。     

敦煌莫高窟顶灌木林带防护效应研究

风洞模拟实验和野外观测结果表明,平均林带高H=1 5m,疏透度β=50%的两条灌木林带周围的气流场分为7个能量区。在贴地层,有林带前的拐角绕流阻滞减速区,林带中的灌丛阻挡湍流衰减区,林带后的回流涡旋减速及速度恢复区,林带远方的气流附体加速区。在林带上部,有林带间的阻滞减速区和林带后的涡旋减速区,在林带顶后部有集流加速区。风沙流在阻滞、涡旋回流减速区沉积,而在加速区则会产生风蚀,在林带顶上下层气流交换加强。在低速时林带阻沙能力较强,当风速为10m·s-1时,有林带的输沙量可减少一个量级,即阻滞90%的风沙流;在中高风速时(风速为15m·s-1及以上),林带对风沙流的阻滞作用明显减弱,只阻滞20%。     

砾石级沙粒胶结体抗风蚀效益的实验研究

塔克拉玛干沙漠腹地部分垄间地表发育了一种由众多沙粒胶结而成的大颗粒物质,称为沙粒胶结体(sand cemented bodies,缩写为SCB),其直径达到粗沙级、极粗沙级和砾石级。为了研究其对地表风沙活动的影响,本研究以野外采集的砾石级沙粒胶结体(gravel-size sand cemented bodies,缩写为GSSCB)为实验材料,在净风和挟沙风条件下进行了GSSCB覆盖沙面的抗风蚀模拟实验。结果表明:床面的蚀积状态与来流条件、GSSCB覆盖度和风速均有关,净风时所有覆盖度床面均呈风蚀状态,挟沙风时随覆盖度和风速而变化,床面可呈3种状态-风蚀、蚀积平衡、风积;在风蚀状态时,床面风蚀率随覆盖度增大以指数形式降低,随风速增大而以多种函数形式增加,抗风蚀效率随覆盖度增大而逐渐增加,但不同覆盖度范围增加率不同;挟沙风条件下呈蚀积平衡状态时的床面覆盖度临界C_b值与风速大小有关,随风速增加呈幂函数形式增加;在挟沙风条件下,覆盖度大于C_b值时床面呈风积状态,积沙率与风速的关系较为复杂,80%覆盖度床面积沙率随风速增大呈对数形式增加,但40%覆盖度床面积沙率则随风速增加呈指数形式降低。可见,由于与砾石的物理性质相近,GSSCB覆盖确实具有与砾石相类似的抗风蚀效益,并且在一定覆盖度条件下还能捕获风沙流挟沙颗粒。因此,塔克拉玛干沙漠腹地丘间地天然发育的GSSCB对于地表蚀积过程具有重要影响。GSSCB可作为一种新型固沙技术进行开发。     

雅鲁藏布江中游平坦流沙地表空气动力学特征北大核心CSCD

近地层空气动力学过程及特征是影响风沙运动过程及强度的重要因素,受地表粗糙元特征和空气密度等多种因子的影响,是风沙科学研究的重要内容。雅鲁藏布江中游是青藏高原风沙活动最频繁的地区之一,但对其流沙地表空气动力学过程的研究较为薄弱。基于日喀则宽谷和山南宽谷的野外实测风速资料,对流沙地表的风速廓线、空气动力学粗糙度(z_(0))和摩阻风速(u_(*))进行分析,旨在为高海拔风沙运动过程、机理提供理论依据,同时为该地区风沙灾害的防治提供思路。结果表明:(1)空气密度为0.84±0.02 kg·m^(-3)时,流沙地表的风速廓线满足对数函数关系。高海拔地区风速廓线平均截距和斜率大于低海拔地区,说明由海拔引起的空气密度影响近地层气流运动。(2)雅鲁藏布江中游摩阻风速随风速增大而线性增大(R^(2)>0.75),但二者的拟合系数大于前人的研究结果,进一步说明空气密度影响近地层气流运动。(3)u_(*)和z_(0)满足指数模型z_(0)=b_(1)exp(u_(*)/b_(2))+b_(3)。(4)相似均质下垫面条件下,u_(*)和z_(0)与气温、湿度和海拔呈显著正相关,气温的影响最大。     

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。     

固定沙质床面的空气动力学粗糙度

通过固定沙质床面的空气动力学粗糙度z₀的风洞实验研究,结果表明,z₀与沙粒粒径的关系为:z₀=a₁+b₁D²ln(D),并非Bagnold的1/30定律,也不是其他研究者的z₀与沙粒粒径D的固定关系。Bagnold的1/30定律仅对有限风速情况和非常狭窄的颗粒粒径范围有效。风也是影响空气动力学粗糙度的活跃因子。z₀与沙粒粒径,z₀与摩阻速度,z₀与摩阻雷诺数之间的关系都与风速有关。类似于水利学粗糙度,将空气动力学粗糙度划分为空气动力学完全光滑区、过渡区和完全粗糙区三个区域。     

青海湖东克土沙区风沙运动规律及防治对策

起沙风况、输沙势和输沙量是反映风沙活动强度的3个重要指标。以青海湖东克土流沙区的风况资料为依据,结合实地风沙观测数据,分析了区域的风沙活动特征。结果表明:(1)3\,4\,5月(主要风沙活动期)起沙风出现的比率分别是0.40、0.47\,0.53,起沙风速集中于6~16 m·s^-1,占统计时段的91%,高能起沙风速(达到16 m·s^-1及其以上的风速)集中在16:00-20:00。(2)研究区域总体上属于高能风况环境,3月和5月输沙势的风向变率都小于0.3,表明风向变幅大,风能不集中,对于沙区周围公路和草原的危害从不同的方向推进。(3)观测期间各方位输沙量总和为503.67 kg,NE、ENE、E和ESE 4个方位的输沙量最大,占总输沙量的43.56%。