海岸横向沙脊表面风沙流结构粒度响应的野外观测研究

 风沙流中沙粒粒度组成的垂向变化及不同粒径沙粒的垂向分布特征等是风沙流结构粒度响应的基本研究内容,但一直较缺少野外观测实证证据。在我国海岸沙丘集中分布的河北昌黎黄金海岸,选择规模高大、形态典型的横向沙脊,采用野外梯度风速仪和平口式积沙仪对其顶部风沙流结构的粒度响应进行了野外实地观测。结果表明,海岸沙丘表面风力的分选作用明显,与横向沙脊表面相比风沙流所含沙物质中细沙组分比例增多、粗沙组分比例降低;粒度构成的垂向变化是,在风沙流0—10 cm、10—40 cm和40—60 cm三个高程段内,分别是以中沙为主、中沙与细沙并重和以中沙为主,其中中沙含量在三个高程段内分别呈现出自地表向上逐渐降低、含量比较稳定、向上逐渐升高的垂向变化,细沙则呈现相应的反向变化,随之平均粒径也呈现为自下而上逐步变细、比较稳定到逐渐变粗的变化,但分选系数、偏度和峰态无明显差异;横向沙脊顶部的风沙流结构整体符合指数分布,但不同粒径沙粒的垂向分布特征并不相同,其中粗沙为幂函数分布,细沙遵循指数函数递减,中沙的指数函数和幂函数拟合均有较高相关系数,但在0—40 cm高度内更符合指数函数分布。     

海岸沙丘表面不同部位风沙流中不同粒径沙粒垂向分布的变化

河北昌黎黄金海岸典型沙丘的实地观测表明,风沙流中中沙与细沙输沙量的垂向分布在沙丘表面不同部位的变化并无本质性差别但有一定变化幅度的差异,如绝对输沙量均在迎风坡至丘顶增加、丘顶至背风坡坡脚减小,但中沙输沙量在迎风坡增加的幅度小于细沙、在背风坡减少的幅度大于细沙;相对输沙量在沙丘不同部位的变化趋向类似,但细沙的变化幅度要小于中沙;中沙的垂向分布模式均为幂函数,细沙则表现为指数分布(0~10cm高度内)和幂函数分布(10~30cm高度内)。     

风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布实验研究

在非均匀沙床面上, 风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布, 是非均匀风沙运动研究的重点。研究首先通过风洞实验, 收集了风洞中垂线垂向输沙量分布沙样, 然后对集沙沙样进行了沙粒粒度分析实验, 实验分析结果得出了不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布规律, 基于稳定平衡风沙跃移运动模型和本文实验结果, 最后数值模拟研究了不同粒径组沙粒输沙量垂向分布, 与沙粒起跳速度和角度之间的关系。本文研究结果得出, 在非均匀风沙流中, 粗粒径组沙粒垂向输沙量上部符合指数递减分布但近床面区偏离指数分布, 呈现为偏大型分布, 粗粒径组对应的沙粒起跳速度和角度分布均为指数函数; 细粒径组沙粒垂向输沙量在整 个高度上均符合指数递减规律, 细粒径组沙粒对应的起跳速度分布为指数函数, 起跳角度分布为高斯函数。沙粒的平均起跳速度, 在0.4u*~2.2u* 之间变化, 随着气流风速(u*) 和沙粒粒径的增加而减小。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙粒胶结体的粒度特征

对塔克拉玛干沙漠腹地沙粒胶结体进行溶蚀分散获取组成沙粒,采用激光粒度仪分析粒度成分,并与区域内沙丘沙、垄间平地沙和风沙流输沙的粒度特征进行对比,分析沙粒胶结体的粒度特征。结果表明：（1）沙粒胶结体中沙粒粒径呈多峰态分布,垄间平地沙呈双峰态分布,而沙丘沙和风沙流输沙呈单峰态分布;（2）沙粒胶结体内沙粒分选性较差,偏度属正偏,平均粒径（3.17 Φ）介于沙丘沙（3.10 Φ）和垄间地沙（3.28 Φ）、风沙流输沙（3.67 Φ）之间;（3）沙粒胶结体中沙物质主要组分为细沙和极细沙,与沙丘沙、垄间平沙地沙一致,而与风沙流输沙（极细沙和粉沙）不一致。与沙丘沙、垄间平地沙以及风沙流输沙相比,沙粒胶结体中粉沙、黏土和中沙相对富集,是现代地表物质的混合物;（4）与沙丘沙、垄间平地沙和风沙流输沙相比,沙粒胶结体内沙粒的蠕移-跃移、跃移-悬移截点粒径均偏细,蠕移组分所占比重很高。从组成颗粒的粒度组成来看,沙粒胶结体的形成受局地沙源和风动力的共同影响,是特殊环境条件下现代地表过程的产物。     

库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面风沙流结构变异

对库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面气流和输沙率的野外观测和分析结果表明,沙丘表面约90%的风沙输移集中在距沙面0.10 m高度范围内,输沙率随高度递减的形式在沙丘各部位因风速、下垫面状况和坡面形态不同而发生变异。沙丘迎风坡坡脚因出露坚硬、含砾石地表,颗粒跃移高度大,风沙流上层相对输沙率大;迎风坡沙粒沿坡向上运动,颗粒跃移高度减小,风沙流中近地表相对输沙率大;沙丘背风坡沙粒沿坡向下运动,加之来自丘顶变型跃移物质的影响,风沙流上层相对输沙率较大;脊线受迎风坡各个断面地形差异的影响,各观测点间风沙流结构差异显著。风沙流结构在迎风坡和丘顶均遵循指数递减规律(Q=aexp(-z/b)),其中,指数函数拟合中系数a与输沙率具有良好的幂函数关系,随风速增加而增加,但二者关系较弱;b与二者无相关性。背风坡风沙流结构具有明显的分段现象,以0.10 m高度为界,下层符合指数函数,上层符合幂函数。     

策勒绿洲—沙漠过渡带风沙流挟沙粒度的垂直分异

在策勒绿洲一沙漠过渡带选取流动沙地、半流动沙地两个典型下垫面,采集下垫面地表0~1 cm沙样,利用梯度集沙仪收集风风沙流中垂直高度层中1~20 cm的沙通量,利用mastersizer2000分析所收集沙样的粒度。结果表明研究区风沙流挟沙粒度的垂直分布特征为:沙粒平均粒径随高度增加而减小,风沙流中沙粒的平均粒径小于床面沙粒平均粒径。其中粉沙含量随着高度的增加,其相对含量呈现幂函数增加,极细沙和细沙含量随高度的增加呈幂函数规律递减。风沙流中平均粒径(φ)值在3.58~3.81;分选系数集中在0.46~0.55,分选性较好;偏度值变化范围为-0.006~0.1,峰度变化值在0.94~0.96。半流动沙地风沙流中平均粒径小于流动沙地,分选性较好。平均粒径(φ)与分选系数、峰度和偏度均呈正相关,分选系数与偏度、峰态间呈现正相关,峰态与偏态之间呈现正相关。研究区沙粒主要以细沙、极细沙和粉沙为主,分选性较好,沙粒粒径分布符合正态。流动沙地较半流动沙地风蚀程度大,地表沙粒粒径粗。策勒地区地表风沙来源主要为风成沙,沙粒运动方式以跃移质为主,悬移质次之。     

非均匀沙的跃移计算

 为研究更加接近实际情况的风沙运动,并为实验研究提供一些理论分析和数值资料,本研究用数值计算的方法模拟了几种不同粒径分布方式相应的风沙跃移运动。分别计算了沙粒为单一粒径,以及粒径数学期望为该值时的伪随机分布和均匀分布共7种情况下的风沙跃移运动。计算结果表明,对于相同风速,气流对单一粒径组成的均匀沙的携带能力较弱,而对由多粒径组成的非均匀沙的携带能力较强。同时,因沙粒粒径组成的改变导致当跃移运动达到饱和时,风沙流饱和层的高度和沙粒的跃移长度、高度均有所变化。     

海岸横向沙脊表面风沙流结构的野外观测研究

选择中国规模最大、形态最为典型的河北昌黎黄金海岸的横向沙脊,采用野外梯度风速仪和平口式积沙仪对其顶部的风沙流结构进行了观测.观测结果表明,海岸横向沙脊表面的风沙流结构特征基本表现为0～40 cm高程内气流搬运的沙尘物质浓度或质量随高度递减并符合指数分布,20～60 cm高程内符合幂函数分布,40～60 cm高程内输沙量与高度之间则为多项式函数关系.同时,海岸横向沙脊表面的风沙流结构受风速与总输沙量的影响较大,随风速增大或总输沙量的增加,风沙流下层输沙量相对减少、上层则相应增加.     

腾格里沙漠东南缘不同发育阶段横向沙丘粒度特征

选取了腾格里沙漠东南缘风沙观测场内经人工平整后流动沙地上出现的新生横向沙丘和观测场外围未经人工干预的原始横向沙丘,采集了其表层的沉积物进行试验分析,探讨了不同发育阶段沙丘之间和沙丘表层不同部位之间沉积物粒度组成的空间差异及其所反映的近地层风沙运动过程.结果表明:腾格里沙漠东南缘横向沙丘以细沙为主(53.87%),其次为中沙(42.57%),粗沙和极细沙含量很少;新生沙丘表层沙粒的平均粒径(1.98 Φ)略大于原始沙丘(2.16 Φ),而分选性都很好.两类沙丘的偏度都表现为近对称,峰度都表现为中等类型;由于沙丘所处发育阶段和尺度不同,即使在同一种风能环境下,两类沙丘及其表层不同部位沙粒的粒径分布也存在明显差异.     

海岸湿沙表面风沙传输特征的风洞实验研究

通过湿沙表面风沙传输的风洞实验,研究了湿润海岸风沙流的垂直结构、输沙率随风速与表层湿度的变化规律。输沙测量使用60 cm高直立式积沙仪,湿度（M）为沙面表层1 mm厚的重量湿度值。结果表明,湿沙表面的输沙量和高度呈指数关系。一般,湿度增大,整体输沙率降低,高湿度床面的沙粒有相对更大的比例被传输到更高的位置。比起低湿度（M＜0.587%）沙粒,高湿度（0.587%＜M＜1.448%）沙粒的垂直运动对湿度变化的影响更加敏感,尤其是在跃移层的底部,当M＞1.448%时,输沙率已经很低,小于0.99 g·cm-1·s-1。伴随湿度0.587%和1.448%的过渡,风沙流垂向分布被分为3个不同坡度的区域,曲线坡度反映了沙粒间不同水分存在形式的影响差异。对于跃移沙粒,高湿度表面（M＞1.448%）仅起到了一个传输平台的作用;当表面变干到某种程度（M=0.587%）之前,表面湿度是跃移运动的主要控制因子,然后风速才重新开始影响输沙。     

河北昌黎黄金海岸横向沙脊表面的粒度分布模式

河北昌黎黄金海岸自然保护区内的横向沙脊规模高大、形态典型,对其表面采集的47个沙丘表面沉积物粒度样品的分析结果,该海岸横向沙脊表面粒度总体上是中砂、分选好、对称和中等峰态,但脊顶、坡部及坡脚的粒度分异明显,自沙脊两侧坡脚向脊顶粒径变细、分选变好,向陆背风坡的细化与分选优于向海迎风坡,脊顶粒径最细,向陆背风坡脚最粗,是一种新型的沙丘表面粒度分布模式。该粒度分布模式是该区域主风向与强风向交替变化及其风速差异、沙脊高大且两侧不对称等组合作用的结果。     

人为干扰下海岸沙丘表面粒度分布变异实证研究——以河北昌黎黄金海岸横向沙脊为例

选择我国海岸沙丘尤其是横向沙脊最为典型的河北昌黎黄金海岸,分别在人为干扰剧烈和人为干扰较少的区段,按垂直于横向沙脊走向各选择一个典型的横向沙脊断面,采集其表面沙质沉积物粒度样品,通过对样品粒度及其参数的分析与计算,对比分析人为干扰对海岸沙丘表面粒度分布的可能影响。结果表明,在滑沙和迎风坡脚沙质地表翻动与堆积沙堆等人为影响下,横向沙脊表面粒度分布发生了明显变异,由近自然状态下自沙脊两侧坡脚向脊顶粒径变细和分选变好、向陆背风坡的细化与分选优于向海迎风坡、脊顶沙粒最细及向陆背风坡脚最粗的自然分布模式转变为人为干扰下自两侧坡脚向沙脊坡部粒径变细与分选变好、向海迎风坡的细化与分选优于向陆背风坡、向海迎风坡粒径最细及迎风坡脚最粗的人为分布模式。     

Grain size and transport characteristics of non-uniform sand in aeolian saltation

Size frequency distributions of sediment particles in a wind tunnel containing a bed of non-uniform sand are investigated by re-interpreting existing experimental data using particle-size analysis. Each particle sample is classified into one of eight groups according to its size grading. The analysis reveals that the modal shape of the particle-size frequency distributions of the saltating sand at different elevations or longitudinal distances is similar to that of the mixed sand in the bed once the boundary layer is fully developed. The standard deviation of the grain-size frequency distribution increases with increasing elevation above the bed then stays constant, whereas its skewness decreases. The mean grain size decays exponentially with elevation. The aeolian sand mass flux is determined for each size grading at different vertical and horizontal measurement locations. The vertical profile of aeolian horizontal mass flux depends on the size grading. The distribution of the sand transport rate according to the mean grain size in each grading fits the normal distribution. A parameter w_i is defined to reflect the likelihood of saltation for sand particles of the i-th size grading, and the mean sand size corresponding to the maximum value of w_i is found to be 0.2 mm. In addition, wind velocity strongly influences the magnitudes of the particle-size distribution and the sand mass flux distribution in both vertical and longitudinal directions.     

VERTICAL DISTRIBUTION OF WIND-BLOWN SAND FLUX IN THE SURFACE LAYER,TAKLAMAKAN DESERT,CENTRAL ASIA

The vertical distribution of the wind-blown sand flux in a 40-cm flow layer above the ground surface was investigated through laboratory wind-tunnel tests and field measurements on the mobile dune surface during sand storms in the Taklamakan Desert of China. Results show that vertical distribution of the horizontal mass flux of drifting sand is a discontinuous function of height. More than 90% of the total material is transported in the flow layer from the surface to 14 cm. From 2 to 4 cm above the surface, a distinct transition zone occurs wherein mixed transport by creep, saltation, and suspension becomes saltation and suspension. The flow layer from 14 to 15 cm represents a further transition from saltation to suspension, where the distribution curves of the transport rate against height converge. The basic natural exponential function cannot describe well the vertical distribution of the saltation mass flux in the Taklamakan Desert. As a function of height, saltation mass flux follows a function q_salt = a'Z^-bZ, and the distribution of suspension mass flux fits the power function very well. A total transport rate from surface creep to saltation and suspension in the measured flow layer, which is directly proportional to the effective wind speed squared (V - V_t)², can be predicted by integrating Q = a'Z^-bZ + cZ^-d. The height distribution of the average quantities of transported materials varies as an exponential function of wind speed, and deceases with the increase in total transport quantity. Higher wind speed results in a higher transport rate and a higher vertical gradient for the particle concentration. The increment of relative transport quantity in the higher flux layer increases as wind speed increases, which generates a higher concentration of drifting particles in the upper flow layer. [Key words: aeolian geomorphology, aeolian transport, horizontal sand flux, sand dune, vertical sediment distribution, Taklamakan Desert.]     

海南岛东北部海岸沙丘的沉积构造特征及其发育模式

海岸沙丘沉积构造中既有大型交错层理,也具某些区别于内陆沙丘构造的特征,如厚层顶积层的保存及变形层理的普遍存在。 本区海岸沙丘形成于东北季风,沙源来自海滩砂。从海滩后滨向陆地的沙丘类型依次是海岸前丘、横向沙丘和新月形沙丘、抛物线沙丘、纵向沙丘、海岸沙席。其中海岸前丘和沙席为海岸沙丘区别于内陆沙丘的特有类型。本区海岸沙丘的发育开始于3000年前。     

偏西风作用下敦煌月牙泉金字塔沙山顶部风沙流初步观测研究

金字塔沙山丘体高大,形态复杂,坡面风沙动力过程实地观测困难,至今尚无坡面风沙流野外观测数据。通过新研制自动集沙仪,对偏西风作用下敦煌月牙泉北侧金字塔沙山顶部风沙流进行了实时观测,共观测8组近地表51.4 cm高度内输沙数据,各观测时段中2 m高度平均风速7.46～14.15 m·s^-1,各组观测时长18~95 min。结果表明：偏西风纵向气流作用下金字塔沙山风沙流结构与平坦地表一致,即输沙量随高度增加呈单一的指数规律递减,且风沙流主要在近地表30 cm高度内输移。风沙流结构特征值λ以大于1为主,且随风速增大而增大,表明金字塔沙山坡面过程主要表现为风蚀过程。偏西风作用下金字塔沙山风沙流中沙粒以细沙为主,平均粒径随高度增加而减小;沙山迎风坡沙粒从坡脚到沙脊线逐渐粗化,风蚀作用增强,细沙从而随风沙流搬运至沙山顶,对金字塔沙山多以细沙为主的格局形成起重要作用。     

海岸沙丘近表层粒度对台风的响应

根据“麦德姆”强台风登陆前后福建平潭岛海岸前丘、爬坡沙丘、横向沙丘和海岸沙席等海岸沙丘近表层的粒度数据,分析了台风登陆前后典型海岸沙丘近表层粒径组成与粒度参数的变化,初步总结了海岸沙丘近表层粒度对台风的响应特征。整体而言,平潭岛海岸沙丘在“麦德姆”登陆前后近表层的粒度变化较小,对台风的响应变化不大且基本无等级性的差别,但海岸沙丘不同类型及不同部位的响应程度并不一致,主要是由海岸沙丘沙与海滩沙粒度的相近性及台风过程中大风的非选择性风蚀所致,同时也受到不同类型沙丘的形态和规模等的影响。