新疆S214公路台特玛湖干涸湖盆段风沙危害及防治

新疆S214（考干-米兰,考米线）公路位于库鲁克塔格沙漠东南缘,穿越台特玛湖干涸湖盆。由于该区气候干旱,风力强劲,沙源丰富,流动沙丘广布且快速移动,风沙危害对公路运输构成严重威胁。通过对风沙环境和风沙危害定位观测和土壤水盐特征系统调查,确定了风沙危害极为严重的公路区段,提出了合理的风沙防护措施及防沙体系结构。结果表明：该区具有明显的单风向风况,主要盛行ENE和NE风,偶有反向风沙活动,起沙风频率、输沙势、输沙率极高,属于高能-大比率风能环境;受土壤水分、盐分含量影响,地表紧实度差异较大,部分地段为极疏松的沙层,部分地段为紧实的盐壳;S214公路风沙危害防护区段为K4+900~K18+200,设计建造的阻-固-输相结合的机械-植物复合防沙体系,防沙效果明显,保障了道路安全运营。这一强风沙、高盐区公路防沙体系建设模式可为类似环境地区工程防沙提供借鉴。     

乌兰布和沙漠东北缘地表风沙流结构特征

在国家林业局磴口荒漠生态站长期监测的基础上,利用多种积沙仪,对乌兰布和沙漠东北缘流动沙丘、油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘5种典型下垫面近地面（0～100 cm）的风沙流输沙量进行了实地观测和对比分析。结果表明：（1） 输沙率（q）随高度（h）增加呈幂函数（q=ah^-b,R²≥0.8409）规律衰减,随风速（v）增大呈幂函数（q=av^b,R²≥0.9256）规律增加,42.8%～70.7%的输沙量分布在10 cm高度内,67.6%～90.0%的输沙量分布于30 cm高度内。当地表植被盖度达到40%以上时,输沙率下降至无植被覆盖地表输沙率的6.6%以下,可有效阻止地表风蚀。（2） 沙物质主要由粒径为50～250 μm的细沙和极细沙构成,各高度层风蚀物粒度组成服从单峰态分布,峰值在100～250 μm。随高度增加,风蚀物粒径范围趋于变窄,粒径趋于更细。（3） 起沙风多出现在WSW和NW方向,占全年起沙风的53.19%。风沙流中跃移输沙、蠕移输沙的空间分布在理论上应与风向频率分布基本一致,差异性主要由各方位风的强度和持续时间等因素导致。研究结果可为该区域防沙工程设计提供理论参考。     

不同防沙措施的风沙流及其携沙粒度垂直分异特征

为揭示不同防沙措施影响下风沙流结构及其携沙粒度变化规律,采用木质和尼龙网2种材料制作方格沙障、单行沙障、双行沙障与挡沙墙4种防沙措施模型,利用风洞实验对防沙措施前后风沙流结构进行测定,并结合Mastersizer3000激光粒度分布仪对沙样进行粒度组成分析。结果表明：（1） 不同防沙措施迎风侧风沙流垂直分布与未设置防沙措施时基本相似,输沙量随高度的增加而减小,88%以上的输沙量集中在0~10 cm高度层;而背风侧输沙量随高度表现为先增大后减小的变化规律,且随着沙障规格的减小、高度的增加、行间距的变窄、孔隙度的降低输沙量集中范围逐渐向上偏移,输沙量峰值出现的位置由高度较低的透风型方格沙障（7 cm）上移至高度较高的不透风型挡沙墙（26 cm）,且近地表0~10 cm高度层积沙量越少。（2） 受不同防沙措施影响,不同高度层沙粒粒度特征差异显著,整体表现出随着高度的增加沙粒的平均粒径逐渐减小的变化规律,细沙和中沙主要分布在近地表5~25 cm层,而近地表0~5 cm层则分布有细沙、中沙和粗沙,峰值出现在0.300 mm附近,平均含量约为12.09%;粒度参数变化受防沙措施规格变化影响较小,更多表现在高度层的差异,不同防沙措施各高度层沙粒分选性较好、极正偏,峰度随防沙措施参数的密集化由宽平向中等、尖窄变化,由方格沙障（0.990）、单行沙障（0.990）、双行沙障（0.996）向挡沙墙（1.086）变化,且上述变化规律随指示风速的增大逐渐增强。     

稳态风沙流中瞬态输沙特征

风沙流中沙粒运动在来流风速不变时也会表现出非稳态特征。在风洞内利用粒子图像测速系统（PIV）测量了风沙运动的时间序列,并基于PIV测量技术提出风沙流中沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量等参数在某一时刻的计算方法,其中输沙通量的计算考虑沙粒大小垂向分布的影响。结果表明：来流风速不变时,沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量随时间具有明显的波动性;沙粒平均直径和平均水平速度的标准偏差一般随高度增加而增加,沙粒数密度和输沙通量标准偏差随高度增大而减小;这些参数的相对标准偏差均随高度增加而增大。     

青藏铁路典型路段风沙灾害现状与机械防沙效益估算

通过对青藏铁路格尔木—拉萨段沿线风沙灾害的实地调查,发现该路段风沙灾害具有时空分布相对集中,沙源复杂多样,以轻微沙害为主,潜在危害严重的特征。对红梁河、北麓河、沱沱河、扎加藏布和错那湖段等典型路段的沙害进行现场实测,并结合Google Earth影像分析,利用三棱锥柱和趋势模拟的计算方法,估算出重点地段主要防沙设施的积沙量约为1.32×105 m3,为制定更加有效的防沙体系提供科学依据。     

兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质垂直分布特性

跃移质作为风沙流的主体,其近地表垂直分布规律是风沙物理学的重要研究内容,对防沙工程具有重要的指导意义。受研究条件与观测仪器限制,戈壁特别是极端大风区近地表风沙流结构特性研究较为薄弱。利用多梯度风蚀传感器与阶梯式集沙仪对兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质的垂直分布特性进行了观测研究。结果表明：兰新高铁烟墩风区戈壁沙粒发生跃移运动的2 m高临界风速达12 m·s^-1;戈壁近地表风沙流具有明显的阵性特征,沙粒跃移发生的时间比例在50%以下,与平均风速成正相关关系,与风速脉动强度无显著相关关系;2 m高阵风7级风速下,戈壁跃移沙粒主要集中于地表50 cm范围内,近地表风沙流结构呈"象鼻效应",跃移质最大质量通量出现在地表2.5~5 cm高度处,沙粒最大跃移高度可达2 m,且沙粒跃移高度随2 m高风速的增加呈指数规律递增。因此,兰新高铁烟墩风区2 m高阻沙栅栏不足以完全阻截戈壁风沙流,是造成烟墩风区兰新高铁轨道积沙的重要原因之一。     

半干旱区不同类型沙丘风沙流结构特征

采用两种阶梯式集沙仪和小型气象站于2017年4—5月对科尔沁沙地流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘0~75 cm气流层风沙流的总输沙量、输沙率、粒径组成分布和风蚀特征值进行了观测。结果表明：（1）随着高度增加,总输沙量下降,随着风速增加,总输沙量上升;92.20%~95.60%的输沙量发生在0~21 cm高度。（2）总输沙率（Q）流动沙丘>半固定沙丘>固定沙丘,将Q与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘幂函数最佳（R²=0.986）,半固定（R²=0.990）和固定沙丘（R²=0.956）指数函数最佳。（3）将各高度的输沙率与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘（R²≥0.905）和半固定沙丘（R²≥0.968）拟合度幂函数好于指数函数,固定沙丘（R²≥0.923）指数函数优于幂函数。（4）在一定高度下,3类沙丘输沙率均随着风速的增加而增加;在一定风速下,输沙率随着高度的增加而逐渐递减。（5）3类沙丘的特征值随着风速的增加呈现出逐渐递增的趋势;流动沙丘以λ>1为主,表现出持续侵蚀输送沙粒的能力;半固定沙丘当风速>9.0 m·s^-1时逐渐出现侵蚀状态;固定沙丘以λ<1为主,近地表风沙以堆积状态为主。（6）3类沙丘主要由粒径为0.1~0.25 mm的细沙构成,在0~30 cm高度,细沙占输沙量的50.09%~85.11%,在30~75 cm高度,细沙占输沙量的43.53%~75.53%。     

丘间低地不同部位风沙流结构特征

为了研究丘间低地不同部位风沙流结构特征,摸清风沙运动规律,为丘间低地风沙治理提供理论依据,使用阶梯式集沙仪对丘间低地风沙流进行了观测。结果表明,丘间低地不同部位风沙流结构存在明显差异,输沙率随沙源距离的增加而减小,风速越大,差异越明显,沙源丰富度和地形是造成差异的主要原因。在0~80 cm范围内,输沙量与风速呈指数函数关系,输沙率与高度呈幂函数关系。丘间低地风沙流结构特征值λ在沙源不同距离处均大于1,而且随着风速的增加,λ逐渐增加,风沙流趋向于更加不饱和状态。从近沙源处开始往后,λ基本呈增加趋势。     

风沙流中风速脉动对输沙量的影响

通过对不同工程措施下风沙流中风速脉动特征与输沙量波动研究发现：不同孔隙度栅栏中各高度层瞬时风速的波动性具有很好的相关性,而且相邻高度之间的相关性非常显著。在不同风速下,典型工程措施中同一高度层输沙量具有相对应的变化特征;瞬时风速的波动性主要与其所在高度层沙粒的运动状态和工程效益有关。     

野外近地表风沙流脉动特征分析

基于风沙流实时测量系统对流沙地表的输沙强度以及不同高度风速进行实时测量所获得的数据,分析野外实际风场中的风沙流脉动特征。结果表明:沙粒的存在削弱平均流场,但对风速的高阶统计矩和分布形式影响不大,不同高度、不同来流平均风速条件下,风沙流中风速仍近似符合高斯分布;瞬时输沙强度服从指数分布,滞后风速约1 s,脉动强烈;30 min输沙强度平均值和脉动标准差均随平均风速的增大而呈幂函数增加,但随风速脉动强度的变化呈先增大后减小的趋势。这意味着脉动风速对输沙率具有重要影响,需要在输沙率预测公式中予以考虑。     

A wind tunnel investigation on the transverse motion of aeolian sand

A wind tunnel experiment was performed to investigate aeolian grain motions in the transverse direction, which is perpendicular to the incoming flow and parallels the sand bed. The trajectories in the horizontal plane were recorded by high-speed camera. Statistical analysis of 630 trajectories shows that both the motion orientation and the time-averaged speed follow Gaussian distributions. An exclusive method was used to analyze the driving mechanism. It was concluded that the three-dimensional turbulent air flow, rather than the spin of grain or grain–bed collisions, controls the transverse motion.     

直压立式纱网沙障对近地表输沙量及风速的影响

评价直压立式纱网沙障对流动沙地的固沙效果是其应用的前提。采用阶梯式集沙仪和HOBO风速仪野外测定了纱网沙障的输沙量及风速变化。结果表明:与对照相比,设置纱网沙障后,0~10 cm或0~20 cm高度范围内,带宽2、3、4、5 m带状沙障输沙量分别降低91.4%或89.7%、97.0%或96.4%、98.1%或96.7%、85.9%或84.2%;而2 m×2 m、3 m×3 m、 4 m×4 m、5 m×5 m网格沙障输沙量分别降低92.1%或91.2%、70.4%或65.6%、65.3%或65.2%、39.9%或30.0%。与对照相比,10、30、50 cm高度,带宽2、3、4 m带状沙障平均降低风速分别为26.7%、17.3%、11.8%,2 m×2 m、3 m×3 m、4 m×4 m、5 m×5 m网格沙障平均降低风速分别为55.3%、30.4%、23.0%。综合考虑,设置带宽3~4 m带状或网格纱网沙障能够满足工程固沙减少风沙危害的需求。     

风沙对黄河宁蒙河段的影响研究进展

黄河宁蒙河段穿越腾格里沙漠、河东沙地、乌兰布和沙漠和库布齐沙漠,形成了沙漠包围河流的独特地貌景观.近50年来,由于气候变化和人类活动的影响,该河段水沙关系加剧恶化,河槽萎缩、加速形成"悬河",已引起国家高度重视和科技界的广泛关注.本文主要从风沙对河道的淤积、河道演变和高含沙洪水的影响3个方面阐述了风沙对黄河宁蒙河段的影...     

Grain-size features of aeolian sand on the east coast of Hainan Island and the revealed evolutionary processes of the sedimentary environment

The Mudui stratigraphic section represents the typical records of sedimentation processes of sand dunes and interdune depressions on the east coast of Hainan Island.Based on high-density sampling and optically stimulated luminescence(OSL) dating of the strata of the section,the grain-size composition,grain-size parameters,cumulative distribution probability curve,and grain-size-sensitivity indexes(SC/D) were analyzed.The analyzed results show that the grain-size features of aeolian sand,weakly developed sandy paleosol,two-facies(aeolian and aqueous) deposits,and lagoon deposits are all different.This indicates four evolutionary phases of the sedimentary environment of the east coast of Hainan Island since 38 ka B.P.Phase I:38-22 ka B.P.;phase II:22-17 ka B.P.;phase III:17-10 ka B.P.;phase IV:10 ka B.P.-present.The climate experienced the hot-wet/hot-dry,hot-wet/hot-dry,and warm-wet/hot-wet fluctuations,and the sedimentary environment also underwent lagoon deposition,dune and interdune depression deposition,dune stabilization and soil development,shifting sand deposition,and evolutionary processes.     

雅鲁藏布江中游不同地表输沙量特征

雅鲁藏布江河流宽谷区是青藏高原风沙活动最为强烈地区之一.输沙量是评价区域风沙活动的最主要指标之一,但目前对该地区输沙量的研究几乎是空白.利用旋转多路方口集沙仪对雅鲁藏布江流域中游河岸沙地、河漫滩沙地和山麓沙地3种地表类型、6个点2020年9-12月的输沙量进行野外实地观测,对比不同下垫面的输沙量,分析地表特征对输沙量的...     

雅鲁藏布江曲水-泽当段风沙活动动力条件分析与风沙灾害防治建议

雅鲁藏布江河流宽谷区是青藏高原风沙活动最为强烈地区之一.本文选择雅鲁藏布江曲水-泽当段为研究区,分析该地区1981-2010年以来的风动力条件变化特征.结果表明:1981年以来年平均风速明显降低,月平均风速2-4月最大.受河流-山地复合系统的影响,风向复杂且具有明显的空间差异性,贡嘎以西风和东风为主,泽当包括西风、南风...     

Numerical simulation of aeolian dusty sand transport in a marginal desert region at the early entrainment stage

Aeolian dusty sand transport in the marginal region of a desert is described numerically from first suspension motion at the early entrainment stage to the unsteady state within a moderate range (1000 m long × 500 m high). A two-dimensional model is built for wind-blown dust flow, and the calculations are carried out using Fluent software. The simulation results describe an integrated picture of aeolian dusty sand transport including uplift, suspension, diffusion, deposition and its space–time concentration. According to the features of a sand–dust storm near the surface, a volume concentration expression of ejection grains is developed as a boundary condition in the simulation approach. The model is verified by comparing results with both experimental data from a wind tunnel and an analytic solution. Uniform dust sizes and R–R distributions are used in the simulation. Gas–solid two-phase flow patterns with these grains are obtained in the downwind space, including the turbulence intensity, gas phase stream functions and solid volume concentration distributions. The influence of wind velocities and grain sizes is analyzed. From the simulation results, spatial distributions of dust volume concentration in the early entrainment stage are described clearly. Different from coarse sands, there is a clear band of uniformly saturated dust concentration in the region directly above the surface.     

中国沙区公路风沙危害及防治研究进展

本文聚焦公路风沙问题,回顾了中国沙区公路的发展历程、现状与特点,围绕公路沿线风动力环境、沙害特征、致灾机理、风沙防治措施、防护体系结构组成和防护效益等,系统总结了中国沙区公路风沙防治取得的成果以及存在的问题。针对公路沿线流沙和戈壁地表以及区域自然特征的差异,兼顾风沙防治、绿色廊道建植与景观功效,确保沙区公路防护体系持续稳定和效能发挥,系统梳理了中国沙区公路3种典型风沙防治模式。基于中国公路网络骨架体系日益完善的切实需求和沙区公路安全运营面临的挑战,侧重加强高速公路风沙防治工程技术的提升,提出了中国沙区公路未来的研究重点和发展趋势。     

兰新高铁烟墩大风区风沙地貌制图与风沙灾害成因

兰新高铁是中国首条穿越戈壁大风区和风沙区的高速铁路。哈密以东的烟墩大风区戈壁分布集中、地貌复杂,特殊的地貌和气候条件导致该区成为兰新高铁风沙灾害最严重的区域之一,风沙灾害影响路段占研究区路段全长的57%,其中K2810-K2817、K2820-K2840路段受灾最为严重,对高铁的安全运行造成威胁。研究表明：强劲风力和丰富沙源是造成兰新高铁风沙危害的主要原因,弃耕地、灌丛沙堆地、被破坏的戈壁地表和风蚀残丘是主要沙源。戈壁地表工程建设是高铁哈密东段地表疏松、沙害频发的另一成因。基于高分辨率遥感影像,结合实地调查,绘制了典型沙害形成模式下3个沙害路段的风沙地貌专题图,为今后建立科学合理的风沙灾害防治体系提供科学依据。