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。     

风沙二相流运动特点的分析

本文以平坦沙漠上定常，充分发展的风沙二相流为例分析了颗粒的跃移运动，在这种运动中颗粒吸收气流的机械能和水平动量向下输送，并在落地时传递给床面。本文还用拟流体观点分析了固相运动的特点：在床面上有较大的滑移速度，有较大的垂向速度脉动，例题垂向的平均速度却为零，等等。     

风沙运动理论体系的创建与研究

确定风、沙源、风沙流、下垫面和沙地地表形态是构成风沙运动体系的5个基本要素。确定风速的强弱、沙粒的走停、气流含沙量的盈亏、下垫面的扬抑作用和沙地地表的蚀积变化是这些基本要素各自参与风沙运动的主要表现特征。这些表现特征都能一分为二, 于是10个对立侧面的相互作用构成了风沙运动发展变化的总体。系统地研究这些侧面的组合关系、揭示它们相互促进相互制约的演变机理, 进而依其内在联系进行排序, 将其串联成一体, 并绘出图式, 这样便形成了名之曰"强、弱、扬、抑、走、停、盈、亏、蚀、积十纲辩证"的风沙运动理论体系。其中"强、弱、走、停、盈、亏、蚀、积八纲辩证"是本理论体系的核心。     

高立式沙障处的风沙沉积及其表征的风沙运动规律

对高立式沙障处的风沙沉积情况与风沙活动强度之间的对应关系进行探讨。结果表明,在一定条件下,两者对应关系明显,相互间可进行换算。据此对应关系,在塔克拉玛干沙漠公路支线上选取合适路段,在不同地貌类型及不同地貌部位上,通过量测高立式沙障处的积沙量,得知风沙活动强度在不同区域的变化情况,从而进一步推断出塔克拉玛干沙漠腹地风沙运动的某些规律或特征:如最大输沙量可达17m³·m^-1·a^-1左右;在垄间低地中,一些小纵向沙垄可成为输送风沙的主要通道;在复合型纵向大沙垄中,沙垄体自身的运动形式与单个沙丘的运动形式相类似,等等。     

库姆塔格沙漠北部三垄沙地区风沙运动特征

风沙地貌发育受控于近地表风沙运动,目前这一领域的研究较多关注短时期内（几分钟至几小时）、单一方向（正对主风向）的风沙流结构特征,结果难以与长期的地貌过程联系起来。为此,我们采用八方位四层梯度集沙仪,于2014年5月至2015年5月,在库姆塔格沙漠北部三垄沙地区进行了一个完整年度的风沙运动观测。经过6个时段的连续观测,获取了不同方向、不同高度的192个运动沙粒样品。结果表明：（1）近地表1 m高度内,收集的样品总质量为405.2 kg,其中约75.3%集中在近地表0~0.2 m,反映了近地表输沙特征。（2）平均输沙率为55.2 kg·m^-1·d^-1,风沙运动的风向以北风、东北风和西北风为主;不同季节差异明显,春季输沙率最大,是年均输沙率的2.5倍,夏季次之,冬季最小。（3）年度平均输沙通量廓线（风沙流结构）呈指数函数递减趋势,部分通量廓线出现了戈壁风沙流的"象鼻效应"。（4）平均净输沙率1.159 kg·m^-1·d^-1,随高度增加呈递减趋势,合成输沙方向为193.2°;不同时段净输沙率随高度的变化基本与全年一致,合成输沙方向随高度增加有从东北向北偏的趋势。综上所述,该区域输沙强度以春季最为强烈,输沙方向以N、NE和NW方向为主,且春、夏两季节分别有一个次输沙方向,为S方向。本研究对于深入理解三垄沙地区风沙运动特征和揭示库姆塔格沙漠沙物质来源有重要意义。     

悬移层风沙运动数值模拟

针对沙尘暴天气的风沙气固两相流,采用FLUENT软件,对悬移层的风沙运动进行了,2D数值模拟分析．比较了流体边界条件对流场的影响。风沙起动后,用紧贴地面的平面作为风沙起动床面的简化模拟面。本文提出一个新的沙粒起动体积浓度的表达式,并在计算中作为边界条件。在模拟中,避免了对床面复杂状况的直接描述。计算结果揭示了风沙流起动阶段沙尘的速度、体积浓度分布规律及其在边界条件影响下的变化规律。     

潮汐作用下的风沙运动过程研究进展

潮汐作用下的滩面干湿交替是影响风沙运动的重要过程之一。从潮汐作用干湿交替影响下的海滩表层湿度时空变化及其对滩面风沙运动的影响、潮汐作用干湿交替影响下的海滩风区长度变化及其对滩面风沙运动的影响等方面,较为系统地概括和总结了关于潮汐作用下海滩风沙运动过程的研究进展和主要成果。主要结论为：（1）表层湿度与潮汐水位变化之间的关系是非线性的,存在地下水和毛细作用双重的滞后效应;（2）海滩临界起沙风速随表层湿度的变化关系在低于临界表层湿度时正相关,超过临界表层湿度则滩面风沙活动近乎停滞;（3）海滩风沙输送量随风区长度的变化关系按达到平衡状态前、中、后,可分为正相关、不相关和负相关3个不同的阶段。最后,针对当前国内外潮汐-海滩风沙作用模式的研究现状,提出中国未来急需加强的研究方向。     

戈壁风沙流若干特征研究

本文从理论推导入手，阐述了戈壁风沙流中沙粒起跃角度、跃移高度和风沙流结构、强度、能量分布状况等特征，指出与流沙地表风沙流的显著差异，并得到风洞实验验证。     

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...     

风沙环境中公路风沙灾害的数值模拟

为揭示沙漠公路两侧风沙流场的空间分布特性,采用欧拉-拉格朗日方法,把气流作为连续介质,把沙粒作为离散体系,利用ANSYS标准k-ε湍流模型和DPM离散相模型,模拟了不同沙粒粒径(150、200、250、300、350μm)、不同摩阻风速(0.20、0.35、0.50、0.65、0.80 m·s^-1)、不同挡风墙高度(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m)以及不同挡风墙开孔情况下的公路路基附近的沙粒跃移运动,统计了挡风墙前后的沙粒数目,给出了公路路基坡脚和坡顶等典型断面上的气流速度廓线。结果表明:气流通过挡风墙顶部时受压加速,有利于沙粒的输送,而在挡风墙前部气流遇阻减速,形成沙粒堆积。随着沙粒粒径的变大,沙粒跃过挡风墙的能力逐渐变低;随着摩阻风速的变大,气流输运能力增强,更多沙粒越过挡风墙;随着挡风墙高度的增加,阻挡沙粒数亦逐渐增多;挡风墙开孔的位置和大小亦影响着沙粒的运动。这表明离散相模型对复杂下垫面风沙跃移运动的计算具有良好的效果。     

脉动风场下风沙流结构的数值模拟

 基于野外观测实验和Langevin方程对风场脉动的描述, 研究了脉动风场下沙粒的跃移运动以及风沙流结构特征。结果表明,脉动风场对沙粒的跃移运动有着显著的影响,沙粒粒径越小,脉动风场对跃移运动轨迹的影响越大;考虑风场脉动时给出的风沙流结构具有明显的分层特征,并与实验测量结果吻合得更好。     

青藏铁路沱沱河路段风沙危害特征及其动力环境分析

利用青藏铁路沿线沱沱河站详细的风况资料,结合风沙灾害的实地调查数据,在分析沙害特点、来源及其危害特征的基础上,从输沙强度、合成输沙势、起沙风玫瑰及其季节变化等方面对沱沱河路段风沙活动特点及其动力环境做了详细研究。沱沱河路段起沙风向具有明显的季节性,冬春季风向单一,主导风向为西风,持续时间较长。夏季东北风有所增加,出现短暂的多风向季节。年输沙势DP为705.81VU,属于高能风能环境。年方向变率（RDP/DP）为0.84,年合成输沙势RDP为590.42VU,合成输沙方向RDD为89.1°,合成输沙风向以西风为主。     

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。     

青藏铁路格拉段风沙危害及其防治

青藏铁路地处高寒低压环境,地表风沙危害形成过程与干旱、半干旱沙漠和戈壁地区有较大差异。青藏铁路沿线多大风、风力强劲、风向相对单一,主导风向以西风为主;各站点年输沙势DP均高于400 VU,属于高风能环境,合成输沙方向间于85.8°~89.8°;"风旱同季",风水复合侵蚀和冻融作用时空交错,地表抗蚀能力差,从而加剧了铁路沿线风沙活动强度。通过对青藏铁路沿线风沙灾害特点、风动力环境、工程防沙措施及其防护机理等分析,提出了青藏铁路沿线风沙危害防治原则和防护体系:应逐步建立以阻沙栅栏、砾石方格、化学固沙、植被恢复相结合的综合防治体系。     

预北延津的风沙问题

半湿润地区的区域性风沙问题是制约经济发展的环境因子之一。通过对豫北延津地区历史上黄河改道泛溢与沙物质沉积过程的分析、风沙问题历史与现状的对比表明，历史时期风沙问题以流沙大规模活动形成各种风蚀风积地貌为特征；而现代风沙问题以沙地在冬春季的片状风蚀和夏秋季的恢复逆转交替为特点，指出本区以季相性为特征的风沙活动及风沙地貌发育规模的有限性。风沙问题的整治关键已不是大规模治理流沙，而是建立有效的防护体系，防     

基于高速摄影技术的风沙流输沙通量剖面的风洞实验测量

风沙研究者非常重视对输沙通量随高度变化特征的研究,并为寻找可靠的测量手段付出了不懈的努力。基于高速摄影技术获得的沙粒平均水平速度与沙粒数的垂直剖面,推导了较低风速下环境风洞内输沙通量的垂直剖面。结果表明：沙粒平均水平速度随高度呈幂函数增加,颗粒浓度随高度的算数平方根呈指数衰减。由颗粒平均水平速度剖面与浓度剖面的乘积可获得输沙通量剖面。所获得的输沙通量随高度变化曲线在距床面1~3 mm处均有一个明显的拐点,拐点上方输沙通量随高度呈指数衰减。在床面与拐点之间输沙通量没有明显的变化趋势,这可能是由于气流中颗粒间的碰撞以及颗粒与床面碰撞的影响。平均跃移高度和相对衰减系数是描述输沙通量随高度变化的两个重要参数,两者有着很好的相关性,表明了随着风速增加和沙粒粒径减小跃移颗粒可以达到更大的高度,随着风速减小与粒径增大,输沙通量迅速衰减。     

阿拉尔——和田沙漠公路风沙运动若干规律监测研究

以塔克拉玛干沙漠为研究区域,将覆盖塔克拉玛干沙漠的17个气象站近50 a(1961-2010年)历史资料与沙漠公路沿线近3 a(2007年4月~2010年4月)5层梯度风短期监测资料,以及沙漠公路7种防风阻沙体系下典型横断面5层梯度风监测资料进行信息化整编和规范化计算,对阿和沙漠公路风沙运动若干规律进行了系统研究。结果表明:(1)阿和沙漠公路沿线气象站10 m高度最大瞬时风速与沿线梯度风监测站及短期监测站距路面4 m高度最大瞬时风速具有空间相关性,平原路段空间代表性为20~40 km;特殊路段空间代表性为5~10 km;(2)沙漠公路沿线迎风侧最大瞬时风速比背风侧偏大1.15~1.30;(3)沙漠公路沿线2 a一遇最大瞬时风速水平分布规律是以沙漠公路中部向南北递减,最大值出现在k66.7~k326区间;(4)沙漠公路北部强风主风向WNW和N风,次强风主风向ENE和NE风;沙漠公路中部全年强风主风向ENE和NE风,次强风主风向为NNW风;沙漠公路南部全年强风主风向W风,次强风主风向为WNW风;(5)沙漠公路沿线起沙风是随7种防风阻沙体系的作用存在明显差异,以芦苇、草帘子方格防风阻沙体系下2 m高度的起沙风速和沙粒过路临界风速为最大,分别为8.0~9.0 m/s和10.0~11.0 m/s,对输沙贡献最大的有效瞬间风速在8.0~15.0 m/s之间;黑土工袋方格防风阻沙体系下起沙风速为4.0~5.0 m/s,沙粒过路临界风速为5.0~6.0 m/s,防风阻沙效应最差,建议更换。     

包兰铁路沙坡头段风沙运动规律及其与防护体系的相互作用

包兰铁路沙坡头段是穿越流动沙丘最长,受到风沙危害最为严重的路段,自建成运营45 a以来,其有效而稳定的防护体系受到世人的关注和公认。通过前期23 a的防沙实践和后期22 a的监测证实：①该地区存在着一个较为稳定的风沙流场,具有三组不同风向,主风向为W—NNW,次主风向为NE—E、WSW—S,此种风沙流场格局具有明显的季节变化,是塑造格状沙丘形态和造成对铁路危害的重要因素。②沙丘移动过程表现为格状沙丘主梁沿主风向前后摆动,以缓慢的速度向前推移,其移动量为2~5 m·a^-1,造成风沙危害的最直接的原因是格状沙丘副梁的迅速前移,22 a平均移动速度为0.527 m·a^-1。合成移动方向为318.6°(NW→SE )。③从理论上考虑,前移的沙体是一种对防护体系的潜在威胁,即可能在固沙带前缘形成高大的沙堤掩埋防护体系。可是,实际上随着防护体系的建立和逐步的完善,不但有效的保障铁路的安全,而且同时也抑制了年总输沙量的25%;并改变了风沙流场的某些性质或作用,进而控制了风沙活动的方向与活动强度。在迎风坡的风蚀和背风坡的积沙致使沙丘高度相应的降低,这种变化规律具有从流沙区向固沙区逐渐衰减的趋势。     

风沙床面颗粒起动临界受力平衡模型的对比分析

风沙颗粒起动的受力平衡模型是风沙起动机制研究的重要内容。根据已有的研究成果,论述风沙颗粒起动的临界条件,介绍几种代表性模型。认为,影响自然状况下颗粒起动过程的因素是复杂的,尽管对主要影响因素的作用还未获得深入的认识,但是已提出的风沙颗粒起动的受力平衡模型对于认识风沙起动过程和机理具有重要的指导和启发作用,然而这些模型往往包含了较多的简化、假设以及有待于通过实验测定的系数,所以,不能够在实践中直接应用。而且,这些模型都是在特定的条件下得出来的,其应用范围具有局限性。有鉴于此,关于风沙颗粒起动的机制研究仍有较多的创新空间。     

PIV技术及其在风沙边界层研究中的应用

为了考察粒子图像测速度技术在风沙环境风洞中的测量精度及在风沙边界层研究中的应用潜力,通过筛选适当的示踪颗粒,借助PIV测量系统重新测量了风沙环境风洞中的风廓线,并获得了风沙边界层内跃移沙粒的速度和浓度分布规律。实验结果表明：PIV测得的风速廓线与标准风速廓线仪所测结果相当吻合(R2≥0.99);沙粒跃移的平均水平速度和相对浓度（灰度）沿距离沙面高度分别呈幂函数和负指数分布,沙粒速度随高度和自由风速的增加而增大,相对浓度随高度的增加而快速衰减,风速越小衰减越快,风速越大衰减越慢,这一结果与前人的结论一致。PIV系统为将来能够进行更加精确的风沙运动微观机理研究提供了技术保证。