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。     

半湿润区农田土壤风蚀的风洞模拟研究

 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特征进行研究。结果表明,几类农田的风蚀特征存在较大差距,秋季翻耕不耙平地风蚀强度最大,玉米留茬地次之,翻耕耙平地最弱,垄向和风速对农田风蚀特征影响显著。各类农田风蚀强度均随风速增大呈指数规律增加,初始风蚀强度与风蚀强度增幅之间具有反对应关系,低风速时风蚀强度越大的地类,其风蚀强度随风速增加的越慢。输沙量随高度增加而减少,近地表减少较快,向上随着高度的增加减幅逐渐变缓。低风速时,风蚀物的垂向分布服从幂函数递减规律。随着风速增加,风蚀物粒径不断变粗,风蚀物的垂向分布在近地面服从指数函数递减规律,向上服从幂函数递减规律,并且风速越大,指数函数规律递减层的高度越大。     

防护林降解近地表沙尘的风洞模拟研究

在总结前人研究的基本理论基础上,依据相似性理论,采用风洞模拟实验的方法,研究不同结构类型防护林降解近地表沙尘的基本规律及特征。研究结果表明：防护林内不同位置降尘量分布规律是第二：条林带后或第二网格内降尘量最多,然后依次减少。在同一网格内风速低时,从网格的前端到后端降尘量在逐渐增加;风速高时,网格中间降尘量少,两端降尘量多。从每一点的绝对降尘量来看,网格的前端是高风速降尘量人于低风速,中间往后是低风速的降尘量大于高风速降尘量。     

风成沙纹形成的风洞模拟研究

风成沙纹形成于沙质床面下游的沙粒蠕移,发展于沙粒跃移－风沙流的“波粒二重性”作用,消亡于气流与风沙流的正弦波共振。以细沙和极细沙为优势粒级的天然沙丘沙是风成沙纹形成的最佳粒配。沙纹移动速度ＶＲ是缓慢的,其数量级为１０－１ｃｍ·ｍｉｎ－１～１０１ｃｍ·ｍｉｎ－１,实验关系式为：ＶＲ＝１．５８×（ＶＬ－５．５）０．６７。     

不同下垫面对风沙流特性影响的风洞模拟研究

通过对戈壁、草方格和流沙地表风沙流特性的风洞模拟实验,探讨不同性质下垫面对风沙流结构和风沙活动层风速廓线的影响,从而为野外工程防沙的优化设计及其应用提供理论依据。实验结果表明：戈壁地表风沙活动层主要集中在距地表20cm高度范围内;由于沙颗粒与戈壁地表的砾石发生碰撞．输沙率随高度的分布不再简单的遵循对数关系,其极值出现的高度随风速的增加而上移。由于草方格构成的下垫面复杂多变,其对风沙流结构与风沙活动层风速廓线的影响很难确定。但对于特定的下垫面,在不同风速下．同一高度层含沙量具有很大的相关性。     

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。     

草原区植被对土壤风蚀影响的风洞模拟试验研究

在前期研究的基础上,选择内蒙古乌兰察布荒漠草原区为研究区域,通过野外移动风洞模拟试验,开展荒漠草原植被对土壤风力侵蚀影响的定量化分析研究,旨在探讨不同植被盖度下空气动力学粗糙度的变化、不同植被盖度下的风沙流结构特征及植被盖度与风蚀输沙率的定量关系,从而为水土流失机理研究提供理论依据。试验研究表明：空气动力学粗糙度随着地表植被盖度的增加呈三次函数关系增加,拟合函数为Z0=ax3+bx2+cx+d;随着距地高度的增加,各层收集到的风蚀量呈不同程度降低,随着地表植被盖度的增加,各层输沙量也均降低;不同风速下植被盖度与风蚀输沙率之间呈幂函数相关。     

横向沙丘背风侧沙粒风蚀起动的风洞模拟

通过风洞实验,探讨了横向沙丘背风侧“二次流”的沉积学和形态-动力学意义。在不同迎风坡坡度的横向沙丘模型背风侧,我们观测了不同位置沙粒的起动风速以及在临界状态下沙粒的运动特征。结果表明,沙丘背风侧的颗粒起动风速不仅与其距沙丘顶部的距离有关,也与沙丘迎风坡坡度有密切关系。根据沙丘背风侧颗粒运动特征,可以将其划分为向后运动区域、晃动或摆动区域以及向前运动区域,产生这一现象的原因是在沙丘背风坡气流分离、反向涡和气流重新辐合共同作用的结果。在所有的观测结果中,迎风坡坡度为15°的沙丘具有最大的沙粒起动风速和最远的气流重新辐合距离,其原因尚需进一步研究。     

横向沙丘气流平均速度变化规律的风洞模拟

在沙丘动力系统中,存在沙丘形态、气流、沙粒运移三者之间复杂的相互作用。通过风洞实验的方法,针对不同形态的6组横向沙丘模型,采用粒子图像测速系统,测量了模型沙丘周围气流水平速度和垂直速度的变化规律。实验结果表明,横向沙丘迎风坡水平气流存在1.28～1.89之间的加速率,垂直气流存在上扬趋势,这二者均有随沙丘迎风坡坡度增大而增大的趋势。在横向沙丘背风坡,由于气流的分离,水平气流速度减小并出现反向,其大小约为自由风速的17％;垂直气流速度存在下沉趋势,其最大沉速出现在气流重附点附近;背风坡气流速度的变化受沙丘迎风坡坡度影响较小,受自由风速的影响较大。沙丘对气流速度的改变在近地层较为显著,随着高度的增加地形影响逐渐减小。     

坡面地表下的风场的风洞实验与数值模拟

 针对传统近地层风沙流的理论与数值模拟研究以及风洞实验大多是基于理想条件（平坦床面、定常风速）,而实际风沙运动通常发生在复杂环境下（如复杂地形、湍流结构风场等）,沙漠最基本的地貌形态如沙丘、沙波纹等迎风面坡度对颗粒起动和输沙率影响很大。基于此,应用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）对坡面近地表风场进行测量,得到迎风坡及背风坡的风场特性,并且采用SIMPLE算法对坡面风场进行了数值模拟。通过对数值模拟及风洞实验结果进行对比分析后,发现数值模型不仅能够有效地模拟风洞实验中坡面地表的风场特性,而且能够较为直观全面的展现迎风坡面、特别是背风坡面的风场结构特性。     

几种典型戈壁床面风沙流特性比较

通过不同材料覆盖的戈壁床面风沙流特性风洞模拟实验,发现对于棱角状砾石戈壁床面,地表动力学粗糙度随风速的增加而增加;而卵石床面,地表动力学粗糙度随风速的增加呈减小趋势。戈壁床面风速随高度的分布同样满足对数规律,棱角状砾石床面对风速的减弱程度相对于卵石床面更趋于显著。沙粒与戈壁床面棱角状砾石发生碰撞时其起跳高度增大,引起含沙量随高度分布不再满足流沙地表的指数衰减规律,而呈“象鼻效应”,出现拐点。戈壁地表输沙率与风速服从幂函数关系,但其幂指数远大于流沙地表。输沙率与风速之间幂函数关系中幂指数的取值主要受控于地表粒度组成。     

流域尺度土壤水研究进展

占全球粮食产量60%的旱作农业完全依赖土壤水,我国土壤水通量占降水总量的67.2%,传统水资源管理经常忽略土壤水。自李沃维奇首次使用“土壤水资源”的术语和Falkenmark提出“绿水”概念以来,土壤水的重要作用逐渐受到重视。本文介绍了土壤水研究理念和方法的演进,综述了土壤水尺度转换方法,讨论了流域尺度土壤水研究进展;指出目前国内在流域尺度的土壤水研究还局限于小流域尺度评价土壤水分时空分异和建立简单的预测模型,有必要发展较大的流域尺度的基于遥感和GIS的分布式水文模型;流域尺度土壤水评价和预测是流域水平衡和水循环的重要组成部分,也是流域水资源综合管理的主要内容。     

两种柔性植株地表风速廓线特征比较的风洞模拟

植株减小风速从而抑制风蚀,风速廓线可以反映植株对风速的影响。在风洞中测量了细长状植株和上大下小形状植株在不同覆盖密度、不同来流风速下的风速廓线,并对这两种植株地表上空气动力学粗糙度、零平面位移高度进行了比较。结果表明:两种植株地表的空气动力学粗糙度均随植株密度按幂函数规律增加,其与植株高度之比也随侧影盖度按幂函数规律增加。在相同覆盖密度或侧影盖度条件下,上大下小形状植株地表的空气动力学粗糙度大于细长状植株。细长状植株地表的零平面位移高度随植株密度的增加先增加而后减小,而上大下小形状植株地表的零平面位移高度则基本不受植株密度的影响。     

小网窄带防护林叠加防风效果风洞实验

小网窄带防护林在干旱区防护林构建中发挥着重要作用,研究小网窄带防护林叠加防风效果对指导防风固沙林空间配置与结构优化具有重要意义。选取两种典型小网窄带防护林网,对连续6个林网叠加的防护林开展基于流场分析防风效果的风洞模拟试验。结果表明:小网窄带防护林叠加后随着林网数量的增加各林网内的风速逐渐减小且在中间林网位置趋于稳定,乔木纯林林网在第3林网基本达到稳定,乔灌混交林网在第2林网达到稳定;两种防护林各林网内风速均符合正态分布特征,风速稳定后多为右偏态高狭峰;16 m·s^-1风速下,乔木纯林网叠加(0~252 cm)的防风效能分布范围为16%~74%,整体在60%防风效能下发挥着良好防风效果,乔灌混交林林网叠加的防风效能分布范围为15%~89%,整体在70%防风效能下发挥着良好防风效果;16 m·s^-1风速下,乔木纯林林网叠加(0~42H,H=6 cm)的风速加速率为0.25~0.94,乔灌混交林林网叠加的风速加速率为0.1~0.94;根据风速加速率的分布特征划分出4个不同的风速分布区,分析还发现灌木对林带枝下高范围的近地层气流影响显著,对削弱近地层风速起到了重要作用。     

耕作土壤表面的空气动力学粗糙度及其对土壤风蚀的影响

土壤表面粗糙度是影响耕作土壤抗风蚀能力的一个重要因素。根据风速廓线计算得到的空气动力学粗糙度,可以简捷而有效地刻画土壤表面的空气动力学性质。风洞模拟实验表明,耕作土壤表面的空气动力学粗糙度主要取决于暴露地表的土块直径,在土块大致均匀分布的条件下,直径愈大,空气动力学粗糙度愈大。土壤风蚀速率则随空气动力学粗糙度的增大而迅速减小,二者具有良好的相关性。     

基于SMOS的黄土高原区域尺度表层土壤水分时空变化

用SMOS土壤水分数据、MODIS植被指数数据和TRMM月降水数据,通过对黄土高原区域尺度表层土壤水分含量时空变化的研究,对表层土壤水分的时空变化特征及其对降水的响应进行了分析。结果表明：黄土高原表层土壤水分空间分布主要表现为西部和东北部低、东南部较高。青海石质高山区及山西西南部等区域土壤水分含量与整个区域存在差异。黄土高原西部与河套平原部分区域表层土壤水分含量季节性变化较大。在不同降水条件下,土壤水分含量与降水量相关性呈显著差异。     

不同结构的尼龙网和塑料网防沙效应研究

通过不同结构的尼龙网和塑料网对风沙流减弱作用的风洞实验研究,旨在为探求各种防沙新材料的防护功能,并为防沙新材料的开发、野外工程防沙的优化设计及其应用提供理论依据。笔者在前人研究的基础上,以平均净阻沙率、网后平均输沙率和风沙流动态变化趋势为参考指标,初步证实了尼龙网和塑料网与常规的防沙材料,在防沙功能上具有同等的作用,且当孔隙度β在40%左右时防护效益最佳。     

台特玛湖干涸湖盆两种典型风蚀坑的三维流场特征及对风蚀的影响

台特玛湖干涸湖盆区风蚀沙漠化快速发展,发育了以新月形沙丘和风蚀坑（主要为槽状坑和碟状坑）为主的风沙地貌。风蚀坑的发育不仅受来流风影响,还与坑内三维流场有关。基于风洞实验和计算机流体力学（Computational fluid dynamics, CFD）数值模拟,对风蚀坑三维流场进行了探究。结果表明：（1） 从入风侧到出风侧,槽状风蚀坑和碟状风蚀坑底面的风速均呈减速—加速—减速—加速的变化模式,上口所在水平面的风速变化呈加速—减速—加速变化模式,上口气流压强也相应地发生变化,槽状风蚀坑和碟状风蚀坑整体呈低压—高压—低压变化模式,其中槽状坑变化更为明显。（2） 两种形状风蚀坑对气流均具有一定的吸附效应,使坑外一定范围的风沙流被吸入坑内,聚集能量和风沙流,加剧风蚀坑风蚀发育。（3） 风蚀坑加剧了地表侵蚀,侵蚀程度与风蚀坑尺度有关,风蚀坑尺度越大,对地表侵蚀越强。本文直观展示了两种典型风蚀坑中的三维速度、压力、风沙流流向分布,揭示了风蚀坑的风沙流吸附机制,研究结果可加深对风蚀坑形态动力学的理解,也可为内陆干涸湖盆沙漠化防治提供理论指导。