WITSEG集沙仪:风洞用多路集沙仪

风沙流通量廓线(风沙流结构)是以不同轨迹运动的沙粒在垂直方向上的宏观反映。建立风沙流通量廓线函数需要测定不同高度的输沙率。为此,我们设计了适用于风洞实验的多路集沙仪(WITSEG集沙仪),并通过风洞实验对其进行了检验。WITSEG集沙仪高60 cm,由60个进沙口和集沙盒组成,每个进沙口高1 cm。该集沙仪可以测量风沙流中60个不同高度的输沙率。在设计WITSEG集沙仪时,着重实用性和集沙效率。为了使用方便,带有进沙口的入口段、集沙盒和保护盖板设计为活动式。为了提高集沙效率,入口段设计成楔形,使得进沙口宽0.5 cm,而集沙盒宽度为1.5 cm。每个集沙盒留有两个过滤网排气孔,以减小集沙盒内的静压、提高采集效率。风洞实验检验表明,用WITSEG集沙仪测得的风沙流结构和总输沙率与风速的关系与已广泛接受的结论非常一致。WITSEG集沙仪能观测输沙率随高度的详细变化,是研究风沙流结构的较好工具。     

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。     

多路风蚀沙尘采集仪

多路风蚀沙尘采集仪,采用机械式集沙结构原理。它主要由探头、引沙通道、排气通道、存沙盒、保护箱、排气孔等组成。当风沙流沿着水平方向进入探头的长方形孔中,由于该孔侧面与水平呈３０°角,风沙流受到阻挡,迫使风沙流减速,改变流动方向,沙粒开始降落。又由于引沙...     

自动连续称重式集沙仪设计及野外应用

集沙仪是定量监测风沙活动的重要工具。设计了一种自动连续称重式集沙仪,可以根据试验需要采集不同高度沙样,每分钟收集一次质量数据,实现高频连续集沙。试验结果显示,自动连续称重式集沙仪在15、30、60 cm高度的集沙量满足随高度增加呈指数减少的规律;在15 cm高度,风速与输沙通量呈指数函数关系(y=6E-05·e0.8417x,R2=0.6042),随集沙高度升高输沙通量与风速相关性减弱。自动连续称重式集沙仪与新型平口式集沙仪所测的输沙通量具有很好的一致性(y=0.8119x+0.2645,R2=0.7481)。自动连续称重式集沙仪虽然在稳固性方面需要改良,但能够很好地捕捉高度在15 cm以下沙物质的输移信息,野外应用效果良好,是一种适合野外高精度风沙活动自动监测的新型测量工具。     

遥测集沙仪(YC-82型)的研制

风沙流中的沙通量的测定, 是沙漠绿洲防护林效益的研究和铁路、公路工程防沙效益观测中所必须测量的数据之一。由于产生风沙流时现场观测条件恶劣很难进行观测记录, 沙通量这一数据的获得是比较困难的。迄今, 国内尚未见到能够测量这种数据的理想仪器。在实际工作中, 沙通量的测定需长期多点收集观测数据, 而且要求沙通量的观测结果与当地气象台站的风向、风速资料能建立相关关系, 以便进行风沙流的研究和工程计算。     

三种被动式积沙仪积沙效率的野外实验研究

积沙仪积沙效率的高低直接影响近地表输沙率的测定，从而影响着风沙地貌的研究和风沙工程设计，对目前三种常用积沙仪在相同条件下（同一下垫面、相同风速）的积沙进行了野外观测。结果表明：（1）相同条件下，楔形积沙仪积沙量远远大于其它两种；（2）近地面积沙量随高度分布上，楔形积沙仪能更好地反映风沙流结构；（3）与其它两种积沙仪相比，楔形积沙仪所采集沙子中的小粒径颗粒含量明显多于其它两种积沙仪结果，而较大粒径颗粒的含量呈相反趋势，造成这些差异的原因在于楔形积沙仪采用的流线型构造和网状结构，从而对风沙流的阻挡程度较小，今后应推广楔形积沙仪的使用。     

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。     

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。     

农田近地表风沙流风程效应变化特征研究

风沙流的风程效应研究是定量获取风沙流沿程变化的核心和难点,风程效应是指输沙率随沙床表面或地块长度的增加而不断增大,而后趋于稳定的变化特征,饱和输沙率（f_max）和饱和路径长度（L_sat）是风程效应的重要参数。采用自动连续称重式集沙仪,以河北坝上地区康保县境内典型旱作农田为研究对象,观测了2017、2018年和2021年内4次典型风蚀事件,分析近地表5 cm高度风沙流的风程效应在5 min时间尺度下的变化特征。结果表明：（1） 近地表输沙通量随风程距离的增大而增大。（2） 4次风蚀事件中L_sat的变化范围在11~280 m之间,并存在明显差异,其变化与风速无关。（3） 近地表风沙流的f_max与风速（U）呈幂函数关系。（4） 风程效应的变化特征与地表可蚀性因子、地表微地貌变化有着紧密联系,未来应对不同的土壤类型和质地农田的风程效应进行深入研究。     

3种典型地表风沙流通量廓线研究现状

风沙流研究越来越受到人们的重视,其中风沙流通量廓线研究起着重要作用。本文总结了3种典型地表(流沙地表、草方格地表、戈壁地表)风沙流通量廓线研究现状及存在问题。由于研究方法、研究区域及集沙效率的不同,风沙流通量廓线函数有指数函数、对数函数、幂函数、分段函数等多种,同一问题不同函数模拟结果差异可达到3倍,难以应用于实际。根据研究中存在的问题,提出风沙流通量廓线研究发展趋势。     

例析高考综合题的立意

题目（2014年高考文综课标乙卷第36题）阅读图文资料,完成下列要求。图6所示区域海拔在4500米以上,冬春季盛行西风,年平均大风（大于等于8级）日数157天,且多集中在10月至次年4月,青藏铁路在桑曲和巴索曲之间的路段风沙灾害较为严重,且主要为就地起沙,风沙流主要集中在近地面20~30厘米高度范围内。（1）分析错那湖东北部沿岸地区冬春季风沙活动的沙源。（2）说明上述沙源冬春季易起沙的原因。（3）简述风沙对该路段铁路及运行列车的危害。（4）针对该路段的风沙灾害,请提出防止措施。     

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。     

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。     

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。     

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。     

风沙现象的相似问题

风沙现象室内模型实验要做到与自然界的风沙现象完全相似是很难实现。第一,要做到模型与实物几何相似很困难,如气流中沙粒按模型缩尺缩小,其在与流中物理本质将完全改变;第二,满足相似的判据太复杂,技术上难以实现。如要同时满足两个最重要的判据雷诺数(Re)和福洛德数(Fr),就需要改变运动介质或改变地球的重大加速度,这在技术上实现很困难,故只能采用近似相似的方法,只考虑一个较重要的相似判据。风沙问题可以分为无沙与有沙气流两大类。无沙气流研究沙粒或其他物质在风力作用下的稳定性问题时(如沙粒起动,大风吹翻火车货车等).应主要考虑Fr数相同。而在研究固定的物体在风力作用下的绕流问题时(如防护林防风效益).应主要考虑Re数相同。研究风沙流的问题就较为复杂,在可能情况下加以简化,如只测流场,由流场中的风速大小、分布推测沙的蚀积情况;或采用不同比尺的模型实验,用系列模型法外推原型的情况。     

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。     

海岸沙丘沙运动特征若干问题的研究——以闽江口南岸为例

在海岸带,沙粒粒径和水分含量是决定沙粒起动风速的最主要因素。闽江口南岸海滩沙的平均粒径为2.0Φ,水分含量多在0.3%~1.0%之间。运用Johnson的经验公式,可计算出海滩沙的起动风速为6~7m/s。这一结果与实际观测值十分吻合。由于海岸环境因素的影响,使得同等条件下海岸带沙粒的起动风速明显大于内陆沙漠沙,而风沙流的输沙率明显小于内陆沙漠沙。海岸带是风速剧变带,在引用陆地气象台站的风速记录分析海岸风况和研究风沙运动规律时,必须对风速进行订正。     

蒙古国中部草原地区风蚀沙漠化的风沙活动特征——以乔伊尔市为例

蒙古国是中蒙俄经济走廊的重要区段,但面临严重的荒漠化问题,区域经济社会发展受到严重威胁,而蒙古国中部草原地区是主要的荒漠化新扩展区,正经历强烈的草原风蚀沙漠化过程。以戈壁苏木贝尔省首府乔伊尔市为研究区,利用自建自动气象观测站（2019年5月—2020年7月）、集沙仪观测站（2019年8月—2020年8月）及当地气象站（1990—2018年）数据,对当地风蚀沙漠化的风动力条件、风沙流输沙及其他影响因素等基本特征进行了研究。结果表明：（1） 乔伊尔市具有强劲的风动力条件,年输沙势可达735.96 VU,合成输沙势为428.76 VU,合成输沙方向为SSW（195.06°）,风向变率指数为0.58,属高风能环境、中等变率双峰风况。（2） 临界起沙风速因受土壤水分和植被盖度的共同影响而随季节变化,夏季最高,冬季最低,春季与秋季居中,且相差较小。（3） 地表具有强烈的风沙活动,年风沙流输沙通量可达2.135 t·m^-1·a^-1,Owen最大输沙量模型适于该区风沙流模拟。研究结果对于蒙古国中部草原区防沙治沙和生态恢复具有重要参考价值。