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。     

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。     

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。     

高立式阻沙网的阻沙效果对比

设计了高120cm的4种结构HDPE阻沙网：均匀结构阻沙网（a）、大条带上疏下密式阻沙网（b,60cm宽条带）、小条带疏密相间式阻沙网（c,20或10cm宽条带）和中条带上密下疏式阻沙网（d,40cm宽条带）,布设在塔克拉玛干沙漠腹地的垄间平地。阻沙试验结果表明：（1）4种结构阻沙网积沙纵断面的蚀积形态均呈单峰,但积沙宽度和高度不同,3种非均匀结构的阻沙网积沙高度均高于均匀结构阻沙网,积沙高度c> b> d> a。（2）4种结构阻沙网积沙量c> a> b> d,积沙量均集中在下风侧分布,但b和c阻沙网积沙在上风侧的积沙量高于a和d阻沙网。（3）不同结构阻沙网积沙量及其空间分布差异主要与阻沙网结构的特殊风场结构有关。     

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。     

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。     

塔里木沙漠公路试验段防沙工程效益分析

塔克拉玛干沙漠石油公路试验路段风沙流流场结构观测表明：（１）草方格外露高度在１５－２０ｃｍ，就能有效控制风沙流；（２）在风速大致相同时，相同地貌部位上草方格固沙区输沙率只有流沙区的数千分之一；（３）当风沙流通过阻沙栅栏时能量被重新分配并急剧衰减，达到有效阻沙目的；（４）在其它条件一定时路基的零断弧形断面是较理想的过沙断面；路堤式断面的路基高度要适当控制并加强边坡防护。     

机械防沙体系防沙功能的衰退过程

作为一种十分有效的防治流沙的方法,机械防沙体系在防止风沙前移显示出很大的优越性,其目的就是要把流沙滞留在体系内,体系在发挥其功能的同时也是逐步丧失其功能的过程。在平坦地形条件下,草方格沙障积沙是从前沿向纵深发展的。在复杂地形地貌条件下,流沙的堆积具有不平衡性,且积沙形式多样。无论积沙形式如何,都有整体向前推进的趋势。阻沙栅栏的积沙形式因材料及孔隙度的大小而异,阻沙栅栏在初期时,可以拦截较多的沙量（75%）,草方格固沙带只承担25%的积沙量,随着时间推移,阻沙栅栏的效益逐渐降低,草方格固沙带则要承担较多的积沙量。从阻滞的沙量来看,一道栅栏阻拦的沙量至少等于40行草方格滞留的沙量,在工程实践中应优先考虑栅栏的应用。     

拦沙环工程抗风蚀性能研究

拦沙环治沙是一种新的治沙、防沙、抗风蚀技术。其利用风沙搬运功能, 将拦截到的沙子筑成拦沙大坝, 并且不断提升和拦截, 从而实现以沙治沙目的。通过在野外风沙环境风洞内, 对不同尺寸规格的拦沙环在不同风速条件下进行测试。并计算积沙量、观察和分析其拦沙效应、抗风蚀性能, 从而最终得出该技术可行性的结论。     

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...     

闽江口海岸沙丘的形成与演化

闽江口海岸沙丘的物质来源于以闽江泥沙为沙源的海滩沙，宽广的海滩、强劲的向岸风与干旱的时空耦合，适宜的地形空间构成了海岸沙丘发育的基本条件。海岸沙丘起源于约２５００ａＢ．Ｐ．，其活动是多幕次的，唐、宋及近代几次气候干冷期的出现，人口陡增以及垦荒规模扩大等人为因素，促进了海岸沙丘的发育进程。海岸沙丘从海向陆按雏形沙丘，岸前沙丘，横向沙丘及沙丘链，圆形、抛物线型或Ｕ型沙丘及风积平原依次演化。     

用创新思维破解风沙运动机理——两种理论体系核心的剖析

从地理学视角首次将风沙运动分解为内核和外延两部分,提出沙粒起动是风沙运动的内核,将沙粒起动后的一切输移表现界定为外延。流体起动和跃移质冲击起动是构成内核的两个实体。利用这一创新理念,对风沙物理学和风沙地理学两种理论体系的不同核心展开讨论。结果表明:能否区分内核两个实体的不同本质属性和能否摆正两个实体的互动机理是导致两种理论不同核心的形成和出现许多分歧的根源。本文深化了对风沙运动内涵的理解,从理论上突破了R.A.拜格诺长期用一扬一贬沙粒两种起动观引领沙坛学术潮流的核心理念。     

毛乌素沙地砒砂岩与沙复配农田的固沙效应及其微观机理

砒砂岩与沙复配成土及其工程化核心技术的提出与应用,为毛乌素沙地合理利用土地资源、科学推进生态建设提供了新的思路与技术支撑。前期研究对利用层面的技术问题给予了较多关注并取得显著进展,而在潜在风险层面特别是关于复配土壤的固沙效应及其微观机理的探索则相对薄弱。基于集沙仪、扫描电镜及激光粒度仪,结合野外定位试验和室内仪器观测,对毛乌素典型原状沙地及复配农田的输沙特征差异及其固沙微观机理进行探索。结果表明：（1）观测周期内,原状沙地输沙总量为4 951 g,远高于复配农田2 436 g的输沙总量,原状沙地更易受风蚀,而复配农田土壤起沙风速大、输沙量较小,具有明显的固沙效应;（2）扫描电镜图像显示,原状沙地土粒（沙粒）粗骨化、无粘结,而耕种两年的复配农田土壤中已出现团聚体;（3）激光粒度仪分析显示,原状沙地的粉、黏粒含量仅为2.74%,而复配农田这一比例增至15.12%;（4）复配土防风固沙效应的形成与粉粒和黏粒含量及土壤结构等紧密相关。鉴于复配农田输沙固沙能力的动态差异性和风力敏感性,进一步实施复配成土造田工程时,宜在复配农田主导风向的上风向区域及成片农田内适当布设具有防风功能的适生草类或灌木条带。     

内蒙古流动沙地治理技术发展回顾

归纳总结了内蒙古防沙治沙技术发展历程,并按照时间顺序划分了群众经验总结阶段、试验与观测研究阶段、快速发展阶段和新发展阶段等4个阶段。重点介绍了8项典型沙障固沙技术和4项治沙造林配置模式等具体内容,展望了产业治沙技术模式、沙障新材料及其铺设装备以及沙障+乔灌草疏林型配置技术模式等流动沙地治理技术发展趋势。     

基于缓解沙漠高速公路风沙危害的路基参数优化——以榆靖高速公路为例

在沙漠地区修筑高速公路时,风沙对公路路基的危害是公路安全和运营的最大影响因子之一。为了寻求最适合沙漠地区高速公路风沙危害最经济的理论路基断面形式,通过对榆（林）靖（边）沙漠高速公路各种路基实测数据应用数学模型进行定量分析,查明了影响路基沙害程度的主要参数,提出了减少路基沙害程度的设计理念,并对不同路基形式的沙害程度进行了比较,给出了路基沙害程度较小的路基断面形式及参数值。研究成果对今后在沙漠地区修筑高速公路设计及施工具有一定的指导意义。     

青海湖东岸沙地风沙活动特征

风况、输沙势和输沙量是评价区域风沙活动特征的重要指标。以青海湖东岸的克土沙区为研究区域，利用2013-2014年和2016-2017年风速风向数据及全方位集沙仪的集沙数据，比较分析本区的风沙活动特征。结果表明：（1）2013-2014年，研究区平均风速为2.79 m·s^-1，起沙风出现频率为6.76%；2016-2017年，研究区平均风速为2.63 m·s^-1，起沙风出现频率为6.13%；（2）起沙风风向均以WSW-WNW和ESE-SSE两个方向为主，偏西方向的起沙风增加而东南方向起沙风减少；（3）输沙势季节变化特征基本一致，均表现为春季输沙势最大，夏季输沙势最小；从输沙势年变化趋势来看，本区总体上属于低风能环境；（4）输沙量差异显著，2016-2017年观测点的输沙量比2013-2014年少77.18 kg，但输沙量分布的方向基本一致。植被盖度增加是输沙量减少的主要原因。     

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%。     

风沙跃移运动发展过程的离散动力学模拟

采用类似分子动力学的离散方法对二维风沙跃移过程运用高性能并行计算进行理论模拟。在本模拟模型中,考虑了沙粒与床面的碰撞、跃移沙粒与气流的相互作用等基本力学过程组成的复杂系统。通过并行运算技术使计算沙粒数达到72000的巨量计算得以实现。初步结果显示：自然跃移运动的基本特征如风沙流层内输沙率廓线可以较为成功的得以模拟。