不同扰动方式对沙砾质戈壁地表风蚀量的影响

通过野外风洞实验,测定了不同破坏方式、破坏面积和风速下的沙砾质戈壁风蚀量。结果表明：不同破坏方式引起的风蚀量不同,扰动强度越大造成的风蚀量越多;相同扰动方式下连续破坏造成的风蚀量稍高于间隔破坏。风蚀总量随破坏面积的增大而增加,且服从指数函数。风速为8～10 m·s^-1时,扰动的戈壁地表以轻微侵蚀为主;10～12 m·s^-1 是风蚀量增幅最大阶段;当风速大于 12 m·s^-1时,以强烈风蚀为主。风沙流中沙物质的主体是细沙和极细沙,在20 cm高度范围内,自风沙流下层至上层细沙含量比较稳定,极细沙含量逐渐降低,中沙含量逐渐上升。     

不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率定量模拟

通过风洞实验,利用称重传感器自动记录风蚀观测样方重量变化过程,对供沙条件下不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率进行了定量模拟研究。结果表明:砾石覆盖度是影响戈壁风蚀速率的关键因子,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加按指数规律递减。各实验风速下,砾石覆盖度>50%时,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加而减小量有限,甚至无风蚀发生;而盖度从10%到50%时,风蚀速率显著减小。因此,两种实验粒径砾石(3 cm与4 cm)至少在50%盖度时才能达到较好的风蚀防治效果。戈壁风蚀防护机理主要是砾石覆盖度的增加增大了砾石间沙粒的临界起动剪切风速,而且减少了作用在砾石间可蚀地表的剪切压。与沙质对照床面相比,10%~90%砾石盖度戈壁床面沙粒临界起动剪切风速增大了0.8~3.4倍,只有0.5％~28%的剪切压作用在砾石间可蚀地表。     

不同砾石覆盖度床面蚀积过程的野外风洞实验研究

野外风洞实验表明,砾石床面具有捕沙和过沙的双重功能,砾石床面的输、阻性质是不同覆盖度与风动力耦合的结果。当砾石盖度小于20%时,床面基本以风蚀作用为主;当砾石覆盖度在30%～50%时,低风速条件下(<10 m/s),床面以强烈风积作用为主,高风速条件下(>12 m/s),床面以强烈风蚀为主,其间[(10～12)m/s]床面趋于蚀积平衡状态;当砾石覆盖度大于60%时,随着风速的增大,床面蚀积量变化不大。研究结果可应用于莫高窟顶沙砾质戈壁的风沙防治,为风沙工程增添新的思路和新技术。     

戈壁砾石覆盖度与风蚀强度关系实验研究

戈壁表面的砾石覆盖度对风沙物质的运移有不可忽略的影响,在极端干旱区砾石覆盖是防沙治沙的重要手段。通过风洞实验模拟了阿拉善戈壁区砾石覆盖度与风蚀强度的关系。结果表明,当因地表风化作用等产生的松散颗粒物被吹蚀后,不同地点、不同样品之间风蚀强度有明显的差异,因而砾石覆盖度与风蚀强度之间的相关关系并不显著;但数据标准化后则表明,当砾石覆盖度在40%以下时,随砾石覆盖度的增加风蚀强度也有所增大。戈壁地区的风沙运动中,在砾石覆盖度小于40%条件下,不同风速下风蚀强度的变异系数是不同砾石覆盖度下的风蚀强度的变异系数的2倍左右。在极端干旱的戈壁区,影响风蚀强度的因素十分复杂,砾石覆盖度增大不仅不能控制风蚀现象的发生,反而增强气流对地表的风蚀能力,这一因素可能是阿拉善高原戈壁区成为中亚强沙尘暴主要源地的重要原因之一。     

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。     

莫高窟顶戈壁偏东风作用下输沙率变化的观测研究

通过一次沙尘暴天气过程对莫高窟顶不同观测点戈壁风沙流结构和输沙率的时空变化特征进行了系统同步观测。观测表明,偏东风条件下,当风速为10 m·s-1时,水平观测方向上存在一个各点输沙率平衡的阶段,即崖顶戈壁至鸣沙山边缘戈壁各观测点的输沙率相当;当风速大于10 m·s-1时,戈壁地表以风蚀搬运作用为主,出现了戈壁向鸣沙山的长距离风沙搬运;当风速小于10 m·s-1时,戈壁沙物质的长距离搬运作用不明显。不同风况及沙源条件下,风沙流结构和输沙特征会发生显著变化。借鉴Lattau输沙率方程,运用风速和输沙率推算各观测点输沙率的时空变化,计算结果表明,在风速为10 m·s-1左右时,窟顶戈壁带的输送效率约为60%。     

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。     

基于数字图像的中国西北地区戈壁表面砾石形貌特征研究

中国戈壁面积约66.08万km²,超过了流动沙丘和半固定沙丘的面积之和,但目前对戈壁沉积特征的研究程度相对较低。本文采用ImageJ软件,对中国西北地区戈壁原位无干扰的表面数字图像进行量算,获取了砾石覆盖度、粒径、磨圆度和形状比率等形貌参数。结果表明：中国西北地区戈壁表面的砾石覆盖度介于31.5%～84.6%,以中覆盖度为主,70%的戈壁属于空气动力学稳定表面;90%以上的戈壁表面砾石平均粒径为细砾和中砾。不同区域戈壁表面砾石磨圆度的平均值介于0.50～0.76,形状比率变化范围在1.38～2.46。戈壁表面砾石形貌特征与其成因类型密切相关：以剥蚀（侵蚀）-洪积作用为主形成的戈壁,砾石粒径较粗、形态比率较大、磨圆度低、覆盖度较高;以冲洪积为主形成的戈壁,砾石粒径和形态比率变小,磨圆度变好而覆盖度降低。砾石形貌特征可为追溯戈壁物源区和反演沉积物的搬运堆积过程提供参考。     

戈壁砾石防护效应的风洞实验与野外观测结果--以敦煌莫高窟顶戈壁的风蚀防护为例

为了解决威胁敦煌莫高窟安全的风蚀问题,将风洞实验与野外观测结合起来研究砾石覆盖对风蚀的抑制效应,发现①砾石的形状和高度在增加地表粗糙度、抑制风蚀危害中起着非常重要的作用。②风蚀作用停止后的稳定床而有其特定的粒径配置和砾石覆盖度。根据实验和野外观测的结果,对莫高窟顶戈壁地区的砾石床面进行分析并制定了具体的防护措施。本研究适合我国广大西北干旱区的风蚀防护。     

戈壁风蚀面与植被覆盖面地表性质粗糙度长度的确定

以Monin-Obukhov相似性理论为基础, 利用量纲分析法分别推导出不同层结稳定度下确定戈壁风蚀面与植被覆盖面空气动力学参数的物理模型, 并利用该模型研究了粗糙度长度与粗糙元性质, 流经近地层流体特征以及大气层结稳定度之间的关系。得出以下结论: 戈壁风蚀面上空气动力学粗糙度长度与砾石粒径、高度、覆盖度、自由风速、摩擦速度以及大气层结稳定度有关; 植被覆盖面空气动力学粗糙度长度取决于植被类型、植被高度、覆盖度、零平面位移高度、自由风速、摩擦速度以及大气层结稳定度。     

砾石级沙粒胶结体抗风蚀效益的实验研究

塔克拉玛干沙漠腹地部分垄间地表发育了一种由众多沙粒胶结而成的大颗粒物质,称为沙粒胶结体(sand cemented bodies,缩写为SCB),其直径达到粗沙级、极粗沙级和砾石级。为了研究其对地表风沙活动的影响,本研究以野外采集的砾石级沙粒胶结体(gravel-size sand cemented bodies,缩写为GSSCB)为实验材料,在净风和挟沙风条件下进行了GSSCB覆盖沙面的抗风蚀模拟实验。结果表明:床面的蚀积状态与来流条件、GSSCB覆盖度和风速均有关,净风时所有覆盖度床面均呈风蚀状态,挟沙风时随覆盖度和风速而变化,床面可呈3种状态-风蚀、蚀积平衡、风积;在风蚀状态时,床面风蚀率随覆盖度增大以指数形式降低,随风速增大而以多种函数形式增加,抗风蚀效率随覆盖度增大而逐渐增加,但不同覆盖度范围增加率不同;挟沙风条件下呈蚀积平衡状态时的床面覆盖度临界C_b值与风速大小有关,随风速增加呈幂函数形式增加;在挟沙风条件下,覆盖度大于C_b值时床面呈风积状态,积沙率与风速的关系较为复杂,80%覆盖度床面积沙率随风速增大呈对数形式增加,但40%覆盖度床面积沙率则随风速增加呈指数形式降低。可见,由于与砾石的物理性质相近,GSSCB覆盖确实具有与砾石相类似的抗风蚀效益,并且在一定覆盖度条件下还能捕获风沙流挟沙颗粒。因此,塔克拉玛干沙漠腹地丘间地天然发育的GSSCB对于地表蚀积过程具有重要影响。GSSCB可作为一种新型固沙技术进行开发。     

中国沙漠、沙地及砾质戈壁现状的遥感研究

根据一系例地表景观指征将沙漠、沙地分为流动、半流动、半固定和固定四种类型.据此标准以TM影像为信息源,在全数字方式下运用遥感技术与地理信息系统技术结合建立了我国1:10万比例尺的砾质戈壁和沙漠、沙地空间数据库.通过分析得出:2000年全国有砾质戈壁387,347km2,有沙漠、沙地1,242,301 km2,其主要以流动沙(丘)地为主,占41.46%;其次是半流动和半固定沙(丘)地,分别占24.21%和20.38%;固定沙(丘)地最少,仅占13.94%.全国沙漠、沙地分布在28个省区的719个县市的不同生物气候带,有62.33%分布在极干旱区,以流动与半流动类型为主;有21.94%分布在干旱区,固定半固定类型超过流动半流动类型之和.有8.78%分布在半干旱区,也以固定半固定类型为主.有6.78%分布在半湿润区,绝大部分是固定类型.有0.15%分布在湿润区,以固定半固定为主,但流动类型比例高于半流动与半固定类型.     

以计算流体动力学模型（CFD）模拟的戈壁地表风沙两相流运动特征

尘暴过程中沙砾质戈壁地表的风沙两相流运动,一直是风沙物理学关注的问题。但由于技术限制,野外观测及风洞实验难以捕捉大规模颗粒运动。为此,本文通过构建流体-颗粒碰撞互馈模型进行三维场域数值模拟,分析了不同砾石盖度下尘暴来流中的风沙两相流运动规律。结果表明：基于三维场流体-颗粒碰撞互馈模型修正后的求解结果能够较为准确地模拟戈壁地表风沙两相流运动过程。(1)不同来流尘暴过程,风相速度均会随砾石盖度的增大而减小,并在砾石盖度大于40%的戈壁近地表形成拜格诺焦点。相较于风相,沙相降速不明显。此外,距砾石床面4 cm以上,风沙两相速度基本保持一致。(2)当尘暴速度大于10 m·s^-1时,在距地1.5～2.1 m高度形成风沙两相流速度交点,交点上下表现为“风快沙慢”及“风慢沙快”现象。(3)尘暴过程中近地表沙尘浓度沿均值线呈“脉动”规律,表现为地表粉尘沉降与再释放循环过程,同时砾石盖度大小会直接影响沙尘沉积分布,当盖度大于40%时能够有效抑制沙尘释放。     

敦煌莫高窟顶几种典型床面蚀积量变化过程的初步观测

通过对莫高窟窟顶自然和人工床面的风蚀、输导及堆积沙量变化的野外监测,初步观测结果表明：在偏西风作用下,自然状况下的戈壁床面阻截了来自鸣沙山40％的沙量,其余60%的沙量进入窟区;而偏东风又可将偏西风、偏南风作用下沉积于窟顶90％的沙量吹回到鸣沙山边缘。床面阻、输性质与沙源供给状况密切相关。沙源丰富时,风沙流以较饱和形式输送,易形成输沙床面性质;沙源匮乏时,风沙流多以不饱和形式输送,形成阻沙-输沙床面性质。砾石直径较大（＞4 cm）的床面主要呈现堆积性质,对偏西的风沙流阻滞功效比较明显,每100 m阻沙率可达45％;偏东风作用下,每100 m阻沙率可达19％; 而砾石直径较小（1 cm）的床面,主要以风沙输沙功能为主,是一个非堆积搬运床面。     

中国风蚀景观面积变化与 地表风场强度的关系

利用遥感调查的1995－2000年中国土地利用成果进行中国风蚀景观变化过程的分类，对不同风蚀景观发展过程进行了地理分区。探讨风蚀景观变化的方向和速度，特别是土地发生风蚀沙漠化的趋势。在中国近400个气象站点1999年每日4次观测数据的基础上，进行风向频率、风场强度及风能参数的计算，分析风速频率Weibull分布的形状参数k和幅度参数c。利用GIS方法生成覆盖中国的1km网格，对风场强度等数据进行空间化处理，生成中国地表风速空间分布数据。在此基础上，分析1999年风速变化状况并探讨风场的变化过程。利用RWEQ风蚀预报模型中的计算方法生成了的风场强度指数。结合风场强度数据，进行风蚀区内风蚀景观变化类型分布数据的对比，指出强风场的存在促使中国西北广大干旱区的草地和耕地遭到破坏，并探讨了风能对土壤风力侵蚀和风蚀景观的驱动过程。同时，在分析风能与风蚀景观空间分布关系的基础上探讨了降低土壤风蚀的措施。最后指出了建立风速和风向驱动下的不同景观的土壤颗粒侵蚀和堆积量模型的重要性。     

中国西北戈壁区沙尘暴过程中近地层风沙运动特征北大核心CSCD

沙尘暴对人类生存的自然环境和社会经济健康发展造成严重影响。近70年来,中国西北沙尘暴天气总体减少,但自2021年开始,沙尘暴发生频率和范围明显增加。沙尘暴的发生和发展是气流与地表可蚀性物质的互馈过程,因此,沙尘在源区的起动过程决定了沙尘暴发生发展的整个过程。尽管目前对沙尘的运动过程进行了大量的数值模拟、遥感解译等研究,但野外实测资料缺乏,难以阐明沙尘暴期间的风沙活动强度及沙尘运动的物理机制。利用2021年1月在额济纳旗附近戈壁的野外实测输沙量和PM_(10)等沙尘资料,解释沙尘物质在源区的运动特征,阐明戈壁风沙运动机理,为沙尘源区风沙灾害防治提供理论依据。结果表明:(1)沙尘源区沙尘暴期间风速可大于19.6 m·s^(-1),远高于同期当地国家气象站数据(_(10).5 m·s^(-1))。(2)PM_(10)浓度_(10)0 mg·m^(-3),远高于同期当地国家环境监测站数据。(3)戈壁输沙量可达_(10) kg·m^(-1)·h^(-1),最大输沙量位于地表以上0.07 m高度,这一过程导致戈壁沙尘能够远距离运动。(4)1 m高度平均粒径为0.07 mm,意味着戈壁风沙流以极细沙、粉沙和黏粒为主,PM_(10)含量可达8%,粗沙含量可达9%,运动粗沙碰撞破坏戈壁地表,导致更多的沙尘物质进入空气。(5)车辆碾压戈壁地表导致输沙率是原始地表的2倍,PM_(10)浓度增加2.90倍,PM_(10)含量增加1.29倍,说明保护原始戈壁地表不受破坏,是减少戈壁地区风沙灾害的重要手段之一。     

小麦玉米田耕作模式的防风蚀效果

通过风洞实验,在5个风速下对6种耕作方式下农田土壤风蚀速率、0~20 cm风沙流结构进行了模拟研究。结果表明:保护性耕作土壤风蚀速率较传统耕作平均降低20%~40%;保护性耕作和传统耕作条件下土壤风蚀速率均随风速的增大呈幂函数递增,但在传统耕作条件下递增较快;风速14 m·s^-1是荒漠绿洲农田土壤风蚀加剧转折点,当风速>14m·s^-1时保护性耕作下风蚀速率较传统耕作明显降低;0~20 cm内,传统耕作和保护性耕作下输沙率与高度分别呈线性和指数关系,保护性耕作下0~4 cm输沙量和输沙量百分比(Q0~4/Q0~20)均低于传统耕作。     

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。     

艾比湖干涸湖底不同地表类型风蚀强度及粉尘输移通量的风洞试验研究

以新疆准格尔盆地西部艾比湖干涸湖底及相关邻近地区7种不同形态的原状土为研究对象,通过风洞模拟试验,揭示干涸湖底不同地表类型的风蚀强度和沙/盐尘低空输送通量。结果表明：粉状盐漠和含盐量较低的淤泥-粘土混合物临界启动风速最低,硬质盐壳的临界启动风速最大;大于16 m·s-1的大风是造成艾比湖干涸湖底风蚀的主要动力,7种地表类型中湖相沉积物、风积物、粉状盐漠的风蚀率最大,是风蚀尘暴的主要尘源;风蚀过程中颗粒的初始运动主要集中在0~10 cm高度范围内,以近地面跃移为主,风积物、湖相沉积物和粉状盐漠的输移通量最大。     

农田风蚀量随风速的变化

采用长期野外观测和风洞模拟实验相结合的手段就农田风蚀量随风速的变化问题进行研究。结果表明:无论是野外观测的农田输沙强度,还是风洞模拟得到的风蚀强度随风速变化趋势均符合指数函数。这与前人通过实验得到的其他地区农田和草地风蚀量随风速变化的趋势一致,说明农田和草地上风蚀量随风速增加呈指数规律变化是一种普遍存在的现象。表土抗蚀性因子和地表粗糙因子不同导致的沙源供应能力的差异,可能是不同地类之间风蚀量随风速变化规律不同的主要原因。农田和草地沙源供应有限,风蚀量随风速增大呈指数规律变化;沙漠地区沙源充足,风蚀量随风速增加呈幂函数变化。本研究对于确定沙源供应条件对于风蚀量与风速关系的影响,构建基于有限沙源供应的风蚀模型具有重要意义。