科尔沁沙地西部响水河河水与其河岸相互作用的初步研究

近年来,半干旱地区的风水相互作用正成为风沙地貌研究的新热点,为探讨科尔沁沙地西部响水河河水与其河岸间的相互作用,通过对科尔沁沙地西部响水河的3个典型河段的6个断面的断面形态、流速进行现场实测,同步采集了31个水样,然后在室内对其泥沙含量进行测试,并推算断面流量。结果表明：由南向北3个河段瞬时流量和泥沙含量呈递增的趋势,集水效应十分明显;该河丰水期水量较为丰沛,河流与河岸间的相互作用明显且活跃,主要存在河水掏蚀河岸陡坡等5种相互作用的方式;当下风向陡岸弯道的法线方向与当地盛行风向一致时,气流发生明显汇聚,侵蚀加强,形成风蚀槽,且当风蚀槽接近谷底时,又为曲流的摆动创造了有利条件;河流受到沙丘前移的压迫与下风向河谷陡坡的阻挡,曲流较为发育但不完美,属于非自由曲流。     

栅栏对颗粒起动风速影响的实验研究

气流对栅栏的响应可以定量地用沙粒的起动风速来表征。通过风洞模拟实验研究了栅栏两侧不同距离处沙粒的起动风速及运动特征随疏透度和高度的变化关系。根据颗粒运动的不同典型特征,栅栏附近的水平区域可划分为5个区。栅栏的疏透度是决定其最终防护效果的关键因素,紧密型栅栏,尤其是不透风栅栏,其迎风侧脚容易形成堆积。栅栏疏透度为0.3～0.4时相对起动风速最大,疏透度0.3～0.6时能产生最大的有效防护距离。栅栏越低,产生最佳的防护效果所要求的疏透度就相对越小,反之亦然。疏透度0.3～0.4的栅栏在实际应用中可以起到最佳的防风阻沙效果。     

柽柳灌丛沙堆三维流场随背景植被变化的风洞实验

以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带广泛分布的柽柳灌丛沙堆及丘间地植物为原型,依据风沙运动相似理论,制作5组背景植被盖度灌丛沙堆模型,在风洞中进行风流场变化规律模拟实验。结果表明:柽柳沙堆三维流场结构可划分为6个区域,即沙堆前减速区、沙堆迎风坡加速区、沙堆两侧急流区、沙堆背风侧强涡流区、沙堆后尾流恢复区和沙堆上空混合加速区。灌丛沙堆对流场结构影响范围为沙堆前10H到沙堆后14H区段,旁侧影响宽度不超过沙堆宽度的3/4,垂直方向上主要影响灌丛沙堆总高度相对应的下方区域,最大不超过灌丛沙堆总高度的2倍。风速变化不构成对流场结构的影响,但背景植被变化对流场结构影响明显。随着植被盖度增大,沙堆前减速区和沙堆后尾流恢复区范围扩大,两侧急流区和背风侧涡流区范围缩小。背景植被的出现明显降低了其所在高度层的风速,柽柳沙堆各分区地表加速率均随背景植被盖度呈指数规律下降,当植被盖度在16%时加速率变化趋于平缓。从维护绿洲安全的角度出发,根据风沙动力学原理可将16%视为灌丛沙堆科学保育中可能的临界背景植被覆盖值。     

新疆和田河流域灌丛沙堆风洞流场的实验研究（Ⅰ）

灌丛沙堆是一种重要的风积地貌类型,风力、沙源、植物是影响灌丛沙堆发育的主要因素。依据风沙运动实验相似理论,以新疆和田河流域实测的灌丛沙堆数据为基础,按40∶1的比例缩小制作成无植被“灌丛沙堆”模型,在风洞中选用区间在6~14 m\5s-1的5组不同风速分别对沙堆模型作纯气流模拟实验流场观测,探讨在不同风力作用下灌丛沙堆表面的流场结构变化特征。模拟实验表明,气流在半球形沙堆迎风坡下部受到正面风压影响有较明显反射涡流,丘顶具有高速气流风蚀区域,而圆锥形沙堆迎风坡气流均匀爬坡加速,背风坡涡流强盛,因此两者在无沙情况下的纯气流流场结构特征、沙堆形态动力平衡特点有较明显差异。     

Field measurement and scaled-down wind-tunnel model measurement of airflow field over a barchan dune

Airflow is measured over a barchan dune in the field and over a scaled-down model in a wind tunnel. The change of the flow speed over the stoss side is represented by the change of speed-up ratio. According to the field measurement, the wind profiles within 0-3m above the stoss can be divided into two segments. The lower segment, about 0.66 m thick, is the inner-boundary layer, within which the friction velocities derived from the wind profiles increase from the upwind inter-dune region to the upper stoss, and then decrease near the dune top. This change, together with the changes of airflow field, speed-up ratio and sand flux, is related to the morphological change and contributes to the stable shape and height of a barchan dune. In the wind tunnel, airflow varies in a similar way as in the field, with the speed-up ratios constantly higher than 1.0 and increasing along the stoss slope. While the segmentation of wind profiles also occurs in the wind tunnel, friction velocities derived from the wind profiles decrease along the stoss, indicating a very thin inner-boundary layer above the wind tunnel model where the detailed wind-speed change becomes difficult to measure using the present instruments.     

响水河中游右岸沙丘群粒度分布特征

在野外实地考察和测量的基础上,沿盛行风向,对西辽河平原西部响水河中游右岸普遍发育的新月形沙丘链进行样品采集。经室内激光粒度仪测定,研究了河岸沙丘粒度分布规律。结果表明：（1）响水河右岸沙丘及丘间地以中沙为主,而河谷谷底细沙含量最多,平沙地次之。（2）滨岸沙丘由迎风坡脚到丘顶平均粒径变小,远岸沙丘由迎风坡脚到丘顶平均粒径变大;多数沙丘分选性由两侧坡脚到丘顶变好;多数沙丘丘顶偏度值和峰态值大于两侧坡脚。（3）滨岸沙丘受风、水两相作用,能从较深地层获得沙源;其下风向沙丘主要受风力作用,沙源主要为丘间地沙及上风向风沙流携带的较细沙。     

The effect of wind barriers on airflow in a wind tunnel

Porous wind barriers are widely used and proven more efficient than solid barriers. In this study, the shelter quality of wind barriers of different porosity, row space and row number was compared based on wind-tunnel measurements. The 14 cm-high (H) scaled models of wind barriers were placed perpendicularly to the wind direction in the wind tunnel, and rough elements were placed upwind of the models to obtain a reasonable self-simulation zone and Reynolds number. The results show that the airflow field changes little in the area above one-row wind barriers. In the area below the models, the airflow field is rearranged into four energy regions. The best shelter effect achieved downwind is always obtained using a 0.35-porosity wind barrier, so we suggest the optimal porosity of 0.3–0.4 for wind barriers in sand-control engineering. The shelter effect comparison of two-row 0.35-porosity wind barriers indicates that 6 H is the optimum row space. Two-row and three-row wind barriers obviously provide better shelter than one-row barriers. Therefore, we suggest 5–7 H as the optimal row spacing for multi-row wind barriers. Our results indicated good agreement with previous studies regarding porosity, row number and row space, with some exceptions about wind barrier design regarding porosity.     

反向沙丘近地层气流变化及其对沙丘形态的影响

反向沙丘形态-动力学过程是风沙地貌的重要研究内容.选择腾格里沙漠东南缘推平沙地发育的反向沙丘为研究对象,采用二维超声风速仪对沙丘表面5个位置0.25 m和0.5 m高度的气流进行野外观测.结果表明:(1)气流方向影响近地层气流特征.以沙丘脊线垂线为轴,0.25 m高度处沙丘脊线的垂线两侧风向变化不完全对称.当丘顶气流方...     

阿拉善高原东南部干涸湖盆沉积物粒度特征

干涸湖盆是西北干旱区广泛分布的地貌类型,也被认为是重要的沙尘源区,但目前对该类地表的土壤风蚀过程与特征研究较少。干涸湖盆沉积物和植被盖度的空间差异性导致沙尘释放过程和风蚀过程具有时空差异性。为了探讨干涸湖盆的土壤风蚀特征,选择阿拉善高原东南部的干涸湖盆为研究区域,沿主风向（西北-东南）方向,选择4个区域,野外实地收集湖相沉积物和灌丛沙丘样品,进行粒度特征分析。结果表明：（1）干涸湖盆地表沉积物粒度存在明显的空间差异性,一方面反映了物源的差异性,另一方面反映了风蚀过程的差异性。（2）受植被和风程长度的影响,上风向和下风向风蚀较弱,而中部地区风蚀最大。     

直立阻沙栅栏流场特征的风洞模拟实验

直立栅栏作用于地表深刻地影响了周围气流的流动特性,使原来流经地表的气流成为一种特殊形式的“次生流”。根据PIV所测的非对数-线性风速廓线形态及风速廓线所表现的不同速度梯度,栅栏周围的流场可以划分为6个典型区域。随着栅栏疏透度的增加,流动的区域会随着下风向距离的增加逐渐合并,划分的区域越来越少。这些典型的区域分别表现了气流的不同运移行为及能量传输特征,对栅栏周围的风沙沉积有很大的影响。     

半隐蔽式草方格沙障凹曲面形成的流场解析及沉积表征

利用野外风沙观测、沉积物粒度分析和等比例实体草方格风洞流场模拟,解析了草方格沙障内部凹曲面形成的风沙流场过程。草方格分别作为疏透沙障和地表粗糙元对贴地层和近地层风沙流具有不同的影响：床面蚀、积分布和方格中心凹曲面的形成发展,以及沉积物粒度变化,取决于草带之间的贴地层流场分布格局以及草带对风沙流中固体物质的截留;近地层风力普遍受到草方格粗糙元的削弱,促进了沙面稳定。高风速下输沙率垂向分布的“象鼻”结构,体现了草方格对促使风沙流结构变异、形成和维持草方格凹曲面的重要性。沙丘不同部位草方格沉积物粒度分布模式不同,显示沙丘部位也是影响草方格内部流场的一个因素,以迎风坡中部最有利于方格内凹曲面的形成。     

地形对包兰铁路沙坡头段防护体系的影响

选择沙坡头铁路防护体系典型断面,利用野外风场观测与风洞模拟,讨论地形在道路防沙体系中的作用。结果表明,防护体系前沿栅栏沙丘下风向10倍沙丘高度的水平范围内,地表摩阻风速通常小于临界值;风速递减系数随防护距离的增大而增大,地形倾斜和起伏对贴地层风力减弱的贡献占防护体系风速削弱程度的43%。自流沙区至铁路路基,潜在输沙率迅速波动降低,其中地形变化使得防护体系内潜在输沙率降低50%以上。这表明,地形是沙坡头铁路防护体系发挥卓越功能的重要因素,栅栏沙丘已成为防护体系的重要构成部分。     

Threshold wind velocity in the lee of two-dimensional transverse dunes

Secondary flow plays an important role in the development of dunes. To investigate this phenomenon, we simulated models of transverse dunes with different stoss slopes in a wind tunnel. We measured the threshold wind velocity at different locations in the lee of the dunes, and observed the corresponding particle movement characteristics under threshold conditions to assess the sedi-mentological significance of secondary airflow. Threshold wind velocity changed with both horizontal distance and stoss slope. Its variation with horizontal distance is characterized by a region in which a rapid reduction occurs, a region with a minimum value, and a region with high value. We confirmed the presence of reversal cells, irrespective of the stoss slope. Neither the variation in threshold wind velocity nor the variation in reattachment distance as a function of stoss slope followed a monotonic function. The 15° stoss slope had the greatest threshold wind velocity and reattachment distance.     

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。     

塔克拉玛干沙漠的流场特征与风沙活动强度的关系

近年来, 人们对于塔克拉玛干沙漠的风沙活动方向与活动强度, 以及由此而造成的沙漠化的严重程度争议较大, 特别是在沙漠的南缘和西南缘。本文利用沙漠周围气象站的风向和风速自记记录, 计算了最大可能输沙强度及其合成方向, 并结合该地区不同高度的高空流场资料, 对塔克拉玛干沙漠的风沙活动方向与活动强度进行分析研究, 结果表明: 最大可能输沙强度及其合成方向与沙丘移动方向和强度相当吻合。合成输沙强度的水平梯度是沙漠的形成、分布与演变的充分而必要的条件。特别是对高大复合型的沙丘的形成提供了有说服力的科学依据。     

盛行风条件下横向沙丘群丘间走廊中次生气流的研究初报

按照经典风沙物理学理论,横向沙丘下风侧由于气流分离会产生横轴涡旋,然而我们多年来在科尔沁沙地多处开展的沙丘群考察和观测中,经常观察到西北风天气条件下丘间走廊里发育着稳定的南向和西南向气流。为了解这种次生气流的基本特征,我们选择科尔沁沙地西部一片典型横向沙丘群,利用自动气象站进行了风季强风天气的风力观测。结果表明：（1）这种次生气流比较稳定,冬季基本以南风为主,春季以西南风为主;（2）风速会大幅度降低,幅度30%~50%;（3）冬季湍流强度明显小于春季,表明不同季节的局地大气层结状况影响丘间走廊的次生气流;（4）冬季的次生气流主要加深走廊底部,协助沙丘前移,而在春季除了加深走廊外,还促进了走廊的拓宽。     

金字塔沙丘流场的三维数值模拟

对位于敦煌莫高窟顶部鸣沙山东麓的金字塔沙丘流场形态进行数值模拟,分析了多风向条件下沙丘的压力场和速度场变化规律。使用地面立体摄影技术获取沙丘的控制点坐标,建立了与实地沙丘等比例的三维模型,以解决二维建模不能表达3组主风向差异的问题。使用计算流体动力学（CFD）方法,采用非结构网格划分技术以适应沙丘的高度不规则地形,通过剪切压力传输模型（SST）分析计算并与以往风洞试验和数值模拟结果进行对比。模型很好地预测了沙丘底部停滞区、坡上加速区、背风坡回流区以及沙丘表面压力和风速分布等流场信息,反映了多风向条件下沙丘形态与气流的交互作用。流场中速度场的分布与压力分布直接相关。     

低覆盖度乔木两种分布格局内风速流场和防风效果风洞实验

低覆盖度植被的防风固沙效果一直是防沙治沙工程中的关键问题。在风速为10 m·s-1和15 m·s-1的风洞实验条件下,模拟研究了覆盖度为20%的行带式分布和随机分布的乔木固沙林的风速流场和防风效果。结果表明:①在水平空间上,随机分布和行带式模式都形成了风影区和风速加速区相互组合的复杂水平流场结构,其中,随机分布要比行带式模式的流场结构更加复杂。②在垂直空间上,林冠下近地面(1.2 cm以下)风速都有微弱的增加,1.6~20 cm高度行带式模式内风速均有所减小,而随机分布模式风速变化无明显规律。③随机分布模式中两株植株相互组合时,不仅在植株两侧出现风速加速区,同时在两植株间出现风速加速区,出现 “狭管增速效应”。     

Variations of horizontal and vertical velocities over two-dimensional transverse dunes: A wind tunnel simulation of the effect of windward slope

The changes in wind velocity induced by dune topography have an important significance in dune dynamics. In this paper, the horizontal and vertical velocities over six transverse dune models were measured non-intrusively by means of Particle Image Velocimetry in a wind tunnel. The windward slope angle and the free-stream wind velocity both affected the horizontal and vertical velocity components. On the windward side, the acceleration of horizontal velocity depended mainly on the windward slope angle and the height above the dune surface, but was also affected by the free-stream wind velocity. The speed-up ratio increased with increasing slope angle but decreased with increasing height. The ascending vertical velocities also increased with increasing slope angle and free-stream wind velocity. The maximum values moved upper along the dune when the windward angle became steeper. In the leeward sides, the horizontal velocity decreased and reversed because of airflow separation; the maximum reverse velocity in the separation cell was about 17% of the free-stream wind velocity. Behind the dune crest, the airflow moves downwards, and its maximum downward velocity is found near the flow reattachment point. Finally, we discussed the significance of these velocity variations for sediment transport and dune dynamics.