新月形沙丘表面100cm高度内风沙流输沙量垂直分布函数分段拟合

为研究新月形沙丘表面不同层位风沙流输沙量的垂直分布函数,实测了塔克拉玛干沙漠腹地典型新月形沙丘表面100 cm高度内(以1 cm分隔)的输沙量。分段拟合分析表明:新月形沙丘迎风坡脚输沙量垂直分布规律不完全服从指数函数,出现与戈壁风沙流结构特征相似的"象鼻效应",在0~3 cm区间内输沙量逐渐增大,3cm以上输沙量随高度呈指数函数衰减;沙丘顶部0~10 cm区间输沙量随高度呈指数函数衰减,10 cm以上呈二次函数衰减;沙丘左翼端输沙量随高度呈幂函数分布,沙丘右翼端0~20 cm内以指数函数衰减,20 cm以上呈三次函数衰减;沙丘背风坡脚风沙流输沙量在0~60 cm和60 cm以上分别呈不同形式的三次函数分布。     

库姆塔格沙漠羽毛状沙垄风沙活动强度特征

以库姆塔格沙漠腹地的羽毛状沙垄为床面,通过风季实地观测与分析,研究了羽毛状沙垄的近地面风况、粒度特征及风沙流结构等。结果表明:羽毛状沙垄近地面风况具有明显的季节性,冬季盛行东风,其他季节盛行东北风;全年平均风速5.94 m·s-1,大于起沙风频率占总量的46.76%;新月形沙垄粒度变化在1.22～1.86之间,分选较好,垄间沙埂粒度变化在1.35～2.11之间,风选属于中偏差;随着风速的增大,地面以上0—2 cm高度层所含沙量有明显减少的趋势,2—20 cm所含沙量有增加的趋势,0—20 cm所含沙量占总输沙量的92.28%以上;在地面以上0—40 cm高度内,输沙率同2 m高处1 min平均风速为幂函数关系,不同性质的地表对输沙率有较大的影响;羽毛状沙垄的风速变化表现为新月形沙垄和垄间沙埂不同部位气流的增速和减速,风向变化表现为同风场下沙垄与沙埂风向夹角的存在。     

海岸横向沙脊表面风沙流结构的野外观测研究

选择中国规模最大、形态最为典型的河北昌黎黄金海岸的横向沙脊,采用野外梯度风速仪和平口式积沙仪对其顶部的风沙流结构进行了观测.观测结果表明,海岸横向沙脊表面的风沙流结构特征基本表现为0～40 cm高程内气流搬运的沙尘物质浓度或质量随高度递减并符合指数分布,20～60 cm高程内符合幂函数分布,40～60 cm高程内输沙量与高度之间则为多项式函数关系.同时,海岸横向沙脊表面的风沙流结构受风速与总输沙量的影响较大,随风速增大或总输沙量的增加,风沙流下层输沙量相对减少、上层则相应增加.     

不同防沙措施的风沙流及其携沙粒度垂直分异特征

为揭示不同防沙措施影响下风沙流结构及其携沙粒度变化规律,采用木质和尼龙网2种材料制作方格沙障、单行沙障、双行沙障与挡沙墙4种防沙措施模型,利用风洞实验对防沙措施前后风沙流结构进行测定,并结合Mastersizer3000激光粒度分布仪对沙样进行粒度组成分析。结果表明：（1） 不同防沙措施迎风侧风沙流垂直分布与未设置防沙措施时基本相似,输沙量随高度的增加而减小,88%以上的输沙量集中在0~10 cm高度层;而背风侧输沙量随高度表现为先增大后减小的变化规律,且随着沙障规格的减小、高度的增加、行间距的变窄、孔隙度的降低输沙量集中范围逐渐向上偏移,输沙量峰值出现的位置由高度较低的透风型方格沙障（7 cm）上移至高度较高的不透风型挡沙墙（26 cm）,且近地表0~10 cm高度层积沙量越少。（2） 受不同防沙措施影响,不同高度层沙粒粒度特征差异显著,整体表现出随着高度的增加沙粒的平均粒径逐渐减小的变化规律,细沙和中沙主要分布在近地表5~25 cm层,而近地表0~5 cm层则分布有细沙、中沙和粗沙,峰值出现在0.300 mm附近,平均含量约为12.09%;粒度参数变化受防沙措施规格变化影响较小,更多表现在高度层的差异,不同防沙措施各高度层沙粒分选性较好、极正偏,峰度随防沙措施参数的密集化由宽平向中等、尖窄变化,由方格沙障（0.990）、单行沙障（0.990）、双行沙障（0.996）向挡沙墙（1.086）变化,且上述变化规律随指示风速的增大逐渐增强。     

半湿润地区农田土壤粉尘释放的风洞模拟研究

采用风洞模拟手段对地处半湿润区的北京市农田土壤风蚀中的粉尘释放规律进行研究。结果表明,研究区农田粉尘释放强度随风速增大呈指数规律增大,粉尘在风蚀物的含量随风速增大呈指数规律降低。近地表粉尘质量流量随高度增加呈幂函数规律降低,在风蚀物中的含量随高度增加呈线性增大。粉尘粒径随风速增大而变粗,之后达到稳定状态。近地表粉尘粒度组成沿垂直方向的变化可以划分为两段,0～20 cm高度层的双峰态分布和20～60 cm高度层的三峰态分布。随着高度增加,释尘粒度组成变细。     

毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征

 基于野外实地观测,研究了毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征。平坦流沙地上的风速随高度呈对数分布; 沙丘上的风速梯度在高度上的变化随植被盖度增大而增强; 相近风速下,0~60 cm高度范围内的输沙强度从大到小依次为流动沙丘丘顶＞平坦流沙地＞半流动沙丘丘顶＞裸露黄土梁地＞黄土梁翻耕地＞玉米留茬地＞半固定沙丘丘顶。同一植被盖度下,沙丘顶部输沙率随风速增加而增大,粗糙度随风速增加而减小。当风速小于起沙风速时,粗糙度随植被盖度的增加而增大; 当风速大于起沙风速时,平坦流沙地和沙丘顶部的粗糙度随风速增大有增加趋势,产生这种现象的可能原因是跃移层沙物质对气流的阻力随风速增大而增大。根据各类沙源地的起沙强度和总面积,风沙灾害防治的重点是植被盖度较小的沙地和黄土梁地。     

沙漠绿洲过渡带典型下垫面风速脉动特征——以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲为例

以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲西部沙漠-绿洲过渡带为研究区,选择植被盖度 < 5%裸沙样地、植被盖度10%～15%柽柳样地和植被盖度20%～25%骆驼刺样地,利用可移动梯度风测量系统,获取了系统性天气过程中距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm高度的风速及200 cm高度的风向系列数据,对3个样地平均风速、风速脉动和风向脉动进行分析和研究。结果表明:(1)植被的存在大幅度消弱了平均风速,随着植物密度的增加平均风速逐渐降低,风速廓线显示平均风速发生明显降低的转折高度与植被冠层的平均高度相对应。(2)3个样地脉动风速均近似服从高斯分布,可见植被的存在并未改变风速脉动分布规律。各样地风速脉动强度均随指示风速的增大而增大,随距离地表高度的降低而下降。风速脉动相对值总体上呈现随植物密度增大而增大的趋势,植物群落结构的差异增加了相对风速脉动垂直分布的复杂性。(3)风向脉动幅度以裸沙样地最小、柽柳样地次之、骆驼刺样地最大,即随植物密度增加而增大。同一样地内风向脉动值不随指示风速的变化而发生明显变化。     

土壤含水率对风沙流结构及风蚀量的影响

通过对科尔沁沙地典型生境（流动沙丘、沙质草地和农田）的土壤进行风洞试验,分析了不同含水率下3类土壤的风沙流结构、输沙率及总输沙量的变化趋势。结果表明：（1）不同含水率下,3类土壤的输沙率随高度的增加均呈现减小趋势,且有良好的指数函数关系。（2）随含水率的增加,流动沙丘和沙质草地土壤风沙流沙粒的平均跃移高度增加、0—12 cm的输沙率占总输沙率之比增加,农田土壤则相反。（3）不同风速下,3类土壤输沙量与含水率的关系可用指数函数或三次函数关系来描述。（4）基于不同风速下输沙量随含水率增加的斜率变化程度,可将含水率分为3个区间：平稳下降区间、跃变区间和衰弱区间;流动沙丘、沙质草地和农田土壤的含水率跃变区间分别为0.79%—1.01%、1.14%—1.72%和2.77%—4.44%。（5）随土壤含水率上升,总输沙量大小排序发生变化：0.00—0.76%时流动沙丘>沙质草地>农田,0.76%—1.35%时沙质草地>流动沙丘>农田,1.35%以上时农田>沙质草地>流动沙丘。     

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%。     

直压立式纱网沙障对近地表输沙量及风速的影响

评价直压立式纱网沙障对流动沙地的固沙效果是其应用的前提。采用阶梯式集沙仪和HOBO风速仪野外测定了纱网沙障的输沙量及风速变化。结果表明:与对照相比,设置纱网沙障后,0~10 cm或0~20 cm高度范围内,带宽2、3、4、5 m带状沙障输沙量分别降低91.4%或89.7%、97.0%或96.4%、98.1%或96.7%、85.9%或84.2%;而2 m×2 m、3 m×3 m、 4 m×4 m、5 m×5 m网格沙障输沙量分别降低92.1%或91.2%、70.4%或65.6%、65.3%或65.2%、39.9%或30.0%。与对照相比,10、30、50 cm高度,带宽2、3、4 m带状沙障平均降低风速分别为26.7%、17.3%、11.8%,2 m×2 m、3 m×3 m、4 m×4 m、5 m×5 m网格沙障平均降低风速分别为55.3%、30.4%、23.0%。综合考虑,设置带宽3~4 m带状或网格纱网沙障能够满足工程固沙减少风沙危害的需求。     

小麦玉米田耕作模式的防风蚀效果

通过风洞实验，在5个风速下对6种耕作方式下农田土壤风蚀速率、0~20 cm风沙流结构进行了模拟研究。结果表明：保护性耕作土壤风蚀速率较传统耕作平均降低20%~40%；保护性耕作和传统耕作条件下土壤风蚀速率均随风速的增大呈幂函数递增，但在传统耕作条件下递增较快；风速14 m·s^-1是荒漠绿洲农田土壤风蚀加剧转折点，当风速>14 m·s^-1时保护性耕作下风蚀速率较传统耕作明显降低；0~20 cm内，传统耕作和保护性耕作下输沙率与高度分别呈线性和指数关系，保护性耕作下0~4 cm输沙量和输沙量百分比（Q_0~4/Q_0~20）均低于传统耕作。     

新月形沙丘脊线处的风沙流结构

分析流动沙丘脊线处的风沙流结构对认识其形态-动力学过程至关重要，进而为干旱区绿洲保护和生态重建提供基础数据支撑和理论依据。利用传统的被动式集沙仪，分别对正风向与反风向情况下新月形沙丘脊线附近0~60 cm高度内的风沙运动进行观测，通过函数拟合方法分析风沙流结构。结果表明：正风向时，输沙量随高度增加符合幂函数递减的规律，气流对沙物质的输运集中在近地表30 cm高度内；反风向时，输沙量随着高度的增加先增加后减少，变化趋势近似符合双高斯函数，气流含沙量在30~50 cm高度内最多。     

两种形状镁水泥板沙障防风积沙效益的风洞试验

对一种镁水泥新型材料制作的沙障的防风固沙效益进行了风洞模拟试验,对蜂巢形与正方形的镁水泥板沙障的流场结构、输沙量和蚀积情况进行对比。结果表明：（1）正方形和蜂巢形镁水泥板沙障均形成减速区,蜂巢形沙障减速区范围更小,沙障上方形成加速射流,蜂巢形沙障内部更容易形成气旋。（2）最明显的减速发生在第1个障格内,第2个障格内风速降低幅度减弱,第3个障格内风速降低幅度增强,在第3个障格后,风速降低幅度继续增强,直至到达一定距离,风速降低幅度开始减弱,随着距离增加趋于稳定。随着风速增加,沙障的减速区域并无明显减少。（3）布设镁水泥板沙障后,蜂巢形沙障总输沙量减少率低于正方形,风速≥12 m·s-1时,沙面上方输沙量分布规律归纳为2个部分：低于沙障高度时,输沙量分布遵循指数衰减函数分布;高于沙障高度时,输沙量分布遵循高斯分布。（4）蜂巢形沙障障格内沙面较正方形更为平稳,结合野外观测和材料成本方面,蜂巢形镁水泥板沙障在防风固沙领域有广泛的应用前景。     

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。     

古尔班通古特沙漠半固定沙垄表面风的脉动特征

利用DETI可移动测风系统,对古尔班通古特沙漠半固定沙垄进行实地观测,获取了主要风季沙垄表面7个典型部位200 cm高度的风向及距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm 5个高度的风速系列数据。对风速和风向的脉动特征进行分析研究,发现凸起的沙垄不仅影响平均风速在沙垄表面的变化,亦对风速及风向脉动产生显著影响。结果表明,平均风速沿迎风坡逐渐增大,至垄顶达到最大,在背风坡中上部剧烈降低,随后又缓慢恢复。随着入射角的增大,平均风速在沙垄表面的变化幅度也在增大;绝对风速脉动具有与平均风速相同的变化趋势,且随距地表高度的增加绝对风速脉动值亦在增大;就相对风速脉动（阵性度值）而言,背风坡阵性度值要高于迎风坡,其中背风坡中上部是整个沙垄表面阵性度最高的部位,这与背风侧涡流的存在密切相关;沙垄背风坡风向脉动强度远比迎风坡大,随着入射角的减小,背风坡风向的偏转作用也在加强,而涡旋作用相对减弱。     

风向对半固定沙垄表面风速影响——以古尔班通古特沙漠为例

利用DETI可移动测风系统对古尔班通古特沙漠半固定沙垄表面风速进行实地观测,获取了主要风季不同风向条件下沙垄表面7个典型部位距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm 5个高度的风速系列数据,系统研究风向对半固定沙垄表面坡面风速及风速廓线的影响。结果表明,迎风坡的气流加速和背风坡的风速降低现象在实际观测中得到证实,但受风向的影响甚大。垄顶风速放大率随入射角的增大呈指数关系递增,而背风坡风速占垄顶风速的比率则随入射角的增大呈线性关系递减。大角度入射气流速度变化主要受控于沙垄形态,小角度入射气流速度变化主要受控于地表植被状况。无论气流以何种角度入射,距沙垄表面20 cm高度气流的加速均较其他高度缓和。沙垄底部和坡中下部的风速廓线变化趋势基本一致,且呈较好的对数拟合关系;两坡中上部和垄顶部的对数拟合方程相关系数偏小;受回旋涡流的影响,风速廓线在背风坡上部有明显偏折,初步断定涡流中心在距地表40 cm左右的高度。     

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。     

低覆盖度羽翼袋沙障防风积沙效应的风洞试验

羽翼袋沙障是按照底袋固定流沙和袋上的羽翼片在风中波动削弱风速而设计出来的组合沙障，已获得专利授权。本试验针对羽翼袋沙障，在4种风速条件下，模拟了风速流场和阻沙固沙效果。结果表明：（1）与袋状沙障（对照）相比，羽翼袋沙障防风效果平均增加了48%，且风速越大降低风速效果越明显，说明羽翼片的波动能够显著消弱风速。（2）与对照相比，羽翼袋沙障的输沙量分别降低81.44%（翼高10 cm）、88.92%（翼高20 cm）。（3）同样是直径10 cm的袋，翼高20 cm的羽翼袋沙障风蚀量比翼高10 cm的降低风速13.6%，减少风蚀量19%。羽翼袋沙障具备固沙与削弱风速的作用，显著提高沙障的防风固沙效果，为防沙治沙开拓了新途径。     

塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区风沙流输沙特征研究

利用多种积沙仪,通过野外实时输沙观测,对塔克拉玛干沙漠腹地塔中的地表风沙流特征进行了分析,结论如下:(1)100 cm高度范围内,总输沙量的63.1%分布在20 cm高度内,72.4%分布在30 cm高度内,随高度的增加,输沙量呈负指数函数下降;由此可见,该地区的风沙活动主要集中在近地面20～30 cm高度范围内;(2...     

毛乌素沙地光伏电站项目区风速流场及风蚀防治措施

针对毛乌素沙地光伏电站项目,观测项目区的风速、风速廓线及风速流场特征,探讨有效的风蚀防治措施及其合理布局。结果表明:(1)太阳能板的存在使项目区风速流场的空间分布发生了明显变化,显著增加了板间近地面出风口处的风速,降低了板间远地面进风口处的风速,太阳能板间呈现出明显的掏蚀区和堆积区。(2)与项目区外围相比,太阳能板使20 cm及200 cm高度的风速分别降低了44.06%及63.68%。项目区外围及太阳能板正中间风速随高度的增加均呈上升趋势,而且太阳能板间60 cm高度以下风速增加更明显,不利于地表沙土的固定。(3)项目区外围麦草方格沙障、砾石压盖及红泥覆盖均起到一定的固沙作用,其中,以砾石压盖措施的固沙效果最优。(4)太阳能板间,除麦草方格沙障外,其余各措施均能起到固沙作用,其中以掏蚀区+砾石/堆积区+红泥覆盖的组合措施的固沙效果最优。