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。     

塔克拉玛干沙漠的起沙风速

起沙风速根据观测高度、风速时距以及流体或冲击起动性质分别确定。本文建立了塔克拉玛干沙漠腹地肖塘地区不同高度、不同时距的流体起动与冲击起动风速的相关方程。结果表明：该地天然沙的瞬时冲击起动风速（２ｍ高度）５．０ｍ／ｓ，流体起动风速６．０ｍ／ｓ；１分钟平均流体起动与冲击起动风速为５．２ｍ／ｓ和４．３ｍ／ｓ。气象站观测高度（１１．４ｍ）瞬时流体起动和冲击起动风速为７．８ｍ／ｓ和６．６ｍ／ｓ；１０分钟平均值为７．４ｍ／ｓ和５．９７（≈６．０）ｍ／ｓ。     

海滩湿润沙面起动摩阻风速的风洞实验

风蚀是一种重要的地貌过程和地质灾害,它影响海岸沙丘的增长,加速土地沙漠化并危害沿岸建筑。沙面湿度强烈影响沙粒的临界起动风速和沙面稳定性,因此,也是影响风蚀过程的一个重要因子。本项风洞实验使用华南热带湿润海岸的海滩沙,研究了表面湿度（1 mm 深）对海滩沙风蚀起动的影响,建立了一个新的预测热带湿润海滩湿沙起动摩阻风速的模型,该模型指明给定粒径下,湿沙的起动摩阻风速随ln100 M（M,重量湿度）线性增加。初步评价了7个预测湿沙起动摩阻风速的模型。实验结果表明,各模型的预测结果间存在着很大差异。在0.0124(M1.5)的湿度下,不同模型预测的湿沙起动摩阻风速比观测的干沙起动摩阻风速大了34%~195%。在湿度小于0.0062(0.5 M1.5)时,Chepil 和Saleh的理论模型和实验数据很吻合;在湿度大于0.0062(0.5 M1.5)时,Belly的实验模型和实验数据更趋一致。     

不均匀沙起动理论及戈壁风蚀层形成动力学

定义了不均匀沙有别于均匀沙的起动概念, 得出了不均匀沙中各粒径沙具有不同的流体起动风速, 且不等于对应粒径均匀沙流体起动风速的结论, 具体表现为: 不均匀沙中小粒径沙的流体起动风速大于相同粒径均匀沙的流体起动风速, 而其中大粒径沙的流体起动风速又小于相同粒径均匀沙的流体起动风速。然后应用不均匀沙起动风速理论, 讨论了戈壁风蚀层与环境风力之间动态平衡的建立过程。     

毛乌素沙地植被覆盖率与风蚀输沙率定量关系

基于毛乌素沙地不同植被覆盖条件下的风蚀输沙率实地观测数据，借鉴国外最新的建模思想，采用Matlab5.3软件对数据进行非线性回归，建立毛乌素沙地植被覆盖率与风蚀输沙率之间的定量关系模型，比较系统地考察了植被覆盖对沙粒起动风速和风蚀输沙率的影响，确定了不同风速下的有效植被覆盖率。结果表明，在毛乌素沙地要有效减少和防治风蚀，植被覆盖率必须达到40－50％的水平，而要保证在最高风速下风蚀输沙得到有效控制，植被覆盖率必须达到60－70％的水平。     

沙粒形状的不规则性及静电力对起动风速的影响

沙粒形状的不规则性使得沙粒的质心存在着偏心距,且沙粒所处位置的不同使其偏心角各异。笔者通过理论分析给出了起动风速与沙粒的粒径、偏心距、偏心角以及静电力之间的关系模型,并通过数值模拟研究了偏心距、偏心角以及静电力对起沙风速的影响。结果表明在风沙流形成的强电场中,沙粒偏心距为直径的0.05倍时与实验测量结果吻合得很好。     

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。     

沙粒起动风速的影响因素研究

通过对风场中沙床表面沙粒的受力分析,建立了坡面沙粒起动风速的理论公式,并将计算结果与已有实验研究结果进行了比较,结果表明,给出的理论计算公式是正确的。在此基础上,详细讨论了坡角、风向角、荷质比、电场力以及空气上升力对坡面沙粒起动风速的影响。其结果是：坡角一定时,沙粒的起动风速随风向角的增大而增大;风向一定时,背风坡沙粒的起动风速随坡角的增大而变小;弱电场中电场力对沙粒起动风速几乎没有影响,强电场中随着沙粒荷质比的增大,起动风速明显减小;空气上升力明显使沙粒起动风速减小。     

河北海滩开发模式选择的沉积参数影响

论述河北省海滩现代沉积环境特征及其对开发利用的影响。河北海滩沉积物质比较复杂、粒径变化从８．０－０．２６（粉砂质粘土－砂砾），分选变化从好到极差。沉积物组合可分为黄河泥沙沉积、滦河泥河沉积和沿海小河泥沙沉积三大类型。海滩的开发利用形式有港口、旅游、养殖几种方式，在海滩开发模式的选择中，沉积环境和沉积特征对其有明显的影响。     

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.     

风速正弦变化下的非平稳跃移风沙流模拟

 采用有限体积法模拟了风速正弦变化下的一维非平稳跃移风沙流发展过程。考虑风沙流跃移系统的4个子过程,沙粒的流体起动、沙粒的运动、击溅过程和沙粒对风场的反作用。给出在风速正弦变化时,风速变化频率和振幅对于沙粒输运的影响以及输沙率、风速廓线、床面剪切应力以及起跳沙粒数的变化规律。结果表明,输沙率随着振幅增大而增大,随着周期增大而减小;在初始的overshoot现象之后,床面剪切应力变化很小,但起跳的沙粒数随风速呈现类正弦周期变化。     

河北海滩开发模式选择的沉积参数影响

论述河北省海滩现代沉积环境特征及其对开发利用的影响。河北海滩沉积物质比较复杂，粒径变化从８．０Φ－０．２６Φ，分选变化从好到极差。沉积物组合可分为黄河泥沙沉积、滦河泥河沉积和沿海小河泥沙沉积三大类型海滩的开发形式有港口、旅游、养殖几种方式、，在海滩开发模式的选择中，沉积环境和沉积特征对其有明显的影响。     

布古里沙漠部分地区风沙环境特征分析

布古里沙漠位于喀什绿洲和叶尔羌河绿洲之间,具有独特的地貌特征和风沙环境特征。通过对布古里沙漠部分地区的气象资料分析和野外实地风沙观测,对其风沙环境特征进行了分析。结果表明：布古里沙漠的沙粒平均粒径是0.16 mm,起沙时间集中在每年的4～9月,风向主要是西北风和东北风,偏西北风略强;在2 m高处测量的裸露沙面起动风速的是3.0 m/s,植被覆盖率为7%,起动风速为5.2 m/s,植被覆盖率为14%,起动风速为6.8 m/s;当平均风速为6.7 m/s时,气流输运沙子主要在近地表面0～10 cm,,风沙流中含沙量随垂直高度呈指数衰减,给出了风沙流的含沙量随垂直高度分布的相关方程和参数。     

沙障成林的固沙工程及生态效益研究

温带亚湿润地区的流动沙地具有特殊的水分状况。某些风口地段的流动沙丘，植树难以成活，但利用活体杨树枝条扦插沙障，可以成活为林，是一项机械固沙与生物固沙相统一的治沙工程。沙障成林后，生态效益明显：春季大风日，林内风速削减１５％～４１．５％，夏季林内温度降低１～３℃，空气湿度增加１１％～２２％；林下土壤稳定发育，表土层粘粒增加５％～１０％，土壤有机质增加１％，土壤结构形成；沙丘植被逐渐演替，由裸沙地→沙蒿（Ａｒｔｅｍｉｓｉａｄｅｓｅｒｔｏｒｕｍ）＋沙蓬（Ａｇｒｉｏ－ｐｈｙｌｕｍｅｒｅｎａｒｉｕｍ）→沙地萎陵菜（ｐｏｔｅｎｔｉｌａｆｉｌｉｐｅｎｄｕｌａ）＋燕麦芨芨草（Ａｃｈｎａｔｈｅｒｕｍａｖｉｎｏｉｄｅｓ）→贝加尔针茅（Ｓｔｉｐａｂａｉｃａｌｅｎｓｉｓ）＋沙地萎陵菜、苔藓，使整个沙丘形成稳定的林草系统，并成为风口地段的防风屏障，改善了周边的生态环境     

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。     

不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率定量模拟

通过风洞实验,利用称重传感器自动记录风蚀观测样方重量变化过程,对供沙条件下不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率进行了定量模拟研究。结果表明:砾石覆盖度是影响戈壁风蚀速率的关键因子,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加按指数规律递减。各实验风速下,砾石覆盖度>50%时,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加而减小量有限,甚至无风蚀发生;而盖度从10%到50%时,风蚀速率显著减小。因此,两种实验粒径砾石(3 cm与4 cm)至少在50%盖度时才能达到较好的风蚀防治效果。戈壁风蚀防护机理主要是砾石覆盖度的增加增大了砾石间沙粒的临界起动剪切风速,而且减少了作用在砾石间可蚀地表的剪切压。与沙质对照床面相比,10%~90%砾石盖度戈壁床面沙粒临界起动剪切风速增大了0.8~3.4倍,只有0.5％~28%的剪切压作用在砾石间可蚀地表。     

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。     

非均匀风沙起动规律研究

文章将非均匀沙水流起动研究方法中采用的暴露度的概念引入到天然风沙起动的研究中, 对暴露度的统计规律进行了分析。利用风沙颗粒起动时力矩平衡的条件, 建立了天然风沙起动公式, 用风洞试验资料进行了验证。计算结果表明, 在非均匀沙起动粒径与平均粒径相当的条件下, 混合沙的起动风速较小的结论, 与实际情况相符。说明在天然风沙起动研究中采用暴露度来反映风沙不均匀性对起动的影响是合理的。     

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。     

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。