Wind tunnel modeling and measurements of the flux of wind-blown sand

This paper presents a way to empirically fit experimental data for the horizontal flux of various sizes of wind-blown dry sand using data from wind tunnel experiments. We measured vertical wind profiles to derive threshold shear velocity and estimated shear velocity and the flux of sand mass as a function of the height for nine different grain sizes. We propose a fitting model based on the experimental data and a least-squares method and derive an explicit form of sand flux as a function of height and shear velocity for these grain sizes. We also obtained an explicit form of the empirical equation for the measurement of sand transport per unit width and unit time by integrating the empirical equation as a function of height. Finally, we compared the effectiveness of Bagnold's equation, Kawamura's expression and Lettau and Lettau's equation, for predicting sand transport with the results of our empirical equation. The results show that the transport predicted by all of the equations were always lower than the measured results from the empirical equation for all grain sizes and shear velocities. However, the empirical equation matched Bagnold's equation, Kawamura's equation, and Lettau and Lettau's equation if the coefficients in these equations were adjusted instead of using their original coefficients. The empirical equation for sand transport in the present study contradicts previous conclusions generated by Bagnold's equation, which predict that for a given wind drag, the transport of a coarse sand is greater than that of a fine sand.     

巴丹吉林沙漠湖泊-沙山近地表风沙动力环境

高大沙山与湖泊交错发育的地貌景观多年来引起了学术界的广泛关注。基于巴丹吉林沙漠腹地大沙枣海子及其周边5个气象站点的同步风况资料,探讨了区域起沙风况、输沙势以及主导输沙风向的空间分布特征。并结合湖泊-沙山独特的地貌格局,初步揭示了大沙枣海子局地环流以及风沙动力环境。由于受高大沙山的影响,大沙枣海子及其外围局地环流非常明显,合成输沙方向自湖泊中心向外围呈反向发散分布。从沙山外围至湖泊中心,起沙风次数呈同心圆状递减。合成输沙势[RDP]和合成输沙方向空间变化较大,湖泊西侧合成输沙方向以东南向为主,而东侧以西南向为主,区域风能属于低能环境。     

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。     

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。     

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。     

海岸风沙流中不同粒径组沙粒的垂向分布模式

通过对河北昌黎黄金海岸沙丘风沙流的野外实地观测与室内风洞模拟实验数据的数值模拟,探讨了我国典型海岸沙丘风沙流中不同粒径组沙粒输沙量的垂向分布模式。结果表明,河北昌黎黄金海岸沙丘表面风沙流中不同粒径组沙粒输沙量的垂向分布特征并不一致,其中细沙和中沙符合典型的指数递减分布规律,但粗沙则为负幂函数分布。究其原因,主要与不同粒径组沙粒输沙量的分布高度及运动方式差异有关。在实际非均匀沙床面上,粗沙主要集中分布于沙丘表面4cm高度内湍流发育的近地表层,运动方式以蠕移为主,沙丘表面湍流的主导作用使其输沙量随高度的变化满足负幂律关系,但中沙和细沙则以跃移运动为主,跃移沙粒输沙量的垂向分布呈现指数递减特征。     

蠕移沙粒流体起动风速的实验研究

 设计制作了能够有效避免沙槽下风端沙粒塌陷的蠕移沙粒集沙仪,并分析了该集沙仪中集沙槽的高度和厚度对单宽蠕移输沙率实验测量结果的影响,给出了集沙槽的合理高度和厚度;利用该集沙仪在风洞中测量了不同风速下的单宽蠕移输沙率,外推给出了沙粒的流体起动风速。     

横向沙丘背风侧沙粒风蚀起动的风洞模拟

通过风洞实验,探讨了横向沙丘背风侧“二次流”的沉积学和形态-动力学意义。在不同迎风坡坡度的横向沙丘模型背风侧,我们观测了不同位置沙粒的起动风速以及在临界状态下沙粒的运动特征。结果表明,沙丘背风侧的颗粒起动风速不仅与其距沙丘顶部的距离有关,也与沙丘迎风坡坡度有密切关系。根据沙丘背风侧颗粒运动特征,可以将其划分为向后运动区域、晃动或摆动区域以及向前运动区域,产生这一现象的原因是在沙丘背风坡气流分离、反向涡和气流重新辐合共同作用的结果。在所有的观测结果中,迎风坡坡度为15°的沙丘具有最大的沙粒起动风速和最远的气流重新辐合距离,其原因尚需进一步研究。     

非均匀风沙起动规律研究

文章将非均匀沙水流起动研究方法中采用的暴露度的概念引入到天然风沙起动的研究中, 对暴露度的统计规律进行了分析。利用风沙颗粒起动时力矩平衡的条件, 建立了天然风沙起动公式, 用风洞试验资料进行了验证。计算结果表明, 在非均匀沙起动粒径与平均粒径相当的条件下, 混合沙的起动风速较小的结论, 与实际情况相符。说明在天然风沙起动研究中采用暴露度来反映风沙不均匀性对起动的影响是合理的。     

不同时间尺度下农田土壤风蚀可蚀性的变化

土壤风蚀可蚀性(简称土壤可蚀性)作为风蚀模型的必要输入参数之一,会随风蚀事件过程、耕作措施以及气象气候等因素发生显著变化,但目前对其变化趋势尚认识不足.本文采用野外观测、采样分析与空间换时间的方法,就次风蚀事件、风蚀月、风蚀季、多年4个时间尺度下坝上地区农田土壤可蚀性变化问题进行研究.结果 表明:严重风蚀事件过程中,地...     

土壤风蚀过程颗粒释放机理研究

针对目前土壤风蚀中土壤颗粒释放过程机理研究存在的不足,建立了颗粒在土壤表面起动、滚动、起跳的土壤颗粒释放力学模型,同时考虑了太阳辐射及地表温度产生的向上垂向风速对颗粒起动风速的影响,并采用前人的实验结果与本文模型数值计算结果进行了对比分析,证明其模型的合理性。数值结果表明：起动风速随颗粒粒径的增大先减小后增大,其中在0.12~0.14 mm粒径范围内颗粒最容易起动,同时床面温度越高对颗粒的起动风速影响也越明显,同一粒径下床面温度越高起动风速越小。颗粒在床面上的运动不是纯滚动,而是滚动中有滑动。颗粒起跳速度主要分布在0.3~0.65 m/s之间;起跳角度30°~35°之间;颗粒起跳的角速度主要分布在600~1 200 rev/s。土壤颗粒释放微观过程的研究将对改进土壤风蚀输送过程中的宏观监测与预报起到重要作用。     

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。     

Prevention and management of wind-blown sand damage along Qinghai-Tibet Railway in Cuonahu Lake area

This paper analyzes the characteristics of climate, geology and geomorphology, vegetation, and sand dune distribution in the Cuonahu Lake area beside the Qinghai-Tibet Railway. The types and causes of railway blown-sand hazards are discussed, and the effectiveness of various sand-controlling measures is assessed. From the perspective of integrated management, a sand-controlling system that combines several engineering measures, including nylon net sand barriers, concrete sand barriers, movable-board sand barriers, sand interception ditches, gravel/rock cover, film sandbags, and permanent vegetation is most beneficial.     

塔克拉玛干沙漠塔中地区春夏季风蚀起沙研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的观测资料,对塔中地区春夏季地表土壤风蚀起沙的临界摩擦速度及其变化特征和起沙风速进行了分析研究,并计算了2008年4月19日和7月19日两次沙尘暴天气过程沙漠地表的风蚀起沙量。结果表明:塔中地区春夏季地表起沙的临界摩擦速度为0.26 m·s-1;2 m高度的临界起沙风速约为4.1 m·s-1;两次沙尘暴过程的顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量的平均值分别为17.44×10-4 kg·m-1·s-1 、13.8×10-8 kg·m-2·s-1、164.69×10-4 kg·m-1·s-1和799.77×10-8 kg·m-2·s-1;沙尘通量的变化与风速及摩擦速度的变化具有一致性。     

曹振, 胡克, 张永光, 介冬梅, 赵亮

 通过对地表沉积物的粒度分析,研究了科尔沁沙地四种主要土地类型地表沉积物的粒度分布特征;结合该地区多年气候状况,对不同土地类型的可风蚀性进行了定量研究;分析了不同土地类型的潜在可风蚀性。同时,对玉米地、谷子地等七种农作物种植地的表土做了粒度分析,认为不同农作物对地表可风蚀性的影响较小。     

沙粒起动风速的影响因素研究

通过对风场中沙床表面沙粒的受力分析,建立了坡面沙粒起动风速的理论公式,并将计算结果与已有实验研究结果进行了比较,结果表明,给出的理论计算公式是正确的。在此基础上,详细讨论了坡角、风向角、荷质比、电场力以及空气上升力对坡面沙粒起动风速的影响。其结果是：坡角一定时,沙粒的起动风速随风向角的增大而增大;风向一定时,背风坡沙粒的起动风速随坡角的增大而变小;弱电场中电场力对沙粒起动风速几乎没有影响,强电场中随着沙粒荷质比的增大,起动风速明显减小;空气上升力明显使沙粒起动风速减小。     

鄱阳湖湖滨十万年来沙山的演化

鄱阳湖湖滨及湖口－彭泽段长江南岸有成群沙垄、沙山分布。2005年调查发现,可分为4个风成沙山期及7类沉积物。4个风成沙山期分别为95kaB. P.的老红沙山期、46kaB. P.的红沙山期、27kaB. P.~15kaB. P.左右的黄沙山期、250年来的近代沙山期。此外还有温暖时期沟谷里水动力作用下的次生堆积,湖滩上的风蚀残余沙以及黄沙山表面现代松散沙。比较不同时期风沙沉积的粒度组成,4个时期的风力大小基本呈现黄沙山期>近代沙山期>红沙山期>老红沙山期的状态,以上特点与末次间冰期以来多个亚冰期全球气候寒冷程度的变化具有可比性。     

古尔班通古特沙漠树枝状沙丘沉积物粒度和微形态特征的空间分异

树枝状沙丘是古尔班通古特沙漠独特的沙丘地貌类型.分析了古尔班通古特沙漠树枝状沙丘表层沉积物的粒度和微形态特征.结果表明:(1)树枝状沙丘以中砂为主,其次是细砂和粗砂;平均粒径与分选系数有较好的线性关系,平均粒径越小,分选系数越好;沉积环境以河流湖泊环境为主;石英颗粒形态以圆形和长形为主,磨圆度适中,碟形坑分布广泛,同时...     

沙漠绿洲过渡带典型下垫面风速脉动特征——以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲为例

以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲西部沙漠-绿洲过渡带为研究区,选择植被盖度 < 5%裸沙样地、植被盖度10%～15%柽柳样地和植被盖度20%～25%骆驼刺样地,利用可移动梯度风测量系统,获取了系统性天气过程中距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm高度的风速及200 cm高度的风向系列数据,对3个样地平均风速、风速脉动和风向脉动进行分析和研究。结果表明:(1)植被的存在大幅度消弱了平均风速,随着植物密度的增加平均风速逐渐降低,风速廓线显示平均风速发生明显降低的转折高度与植被冠层的平均高度相对应。(2)3个样地脉动风速均近似服从高斯分布,可见植被的存在并未改变风速脉动分布规律。各样地风速脉动强度均随指示风速的增大而增大,随距离地表高度的降低而下降。风速脉动相对值总体上呈现随植物密度增大而增大的趋势,植物群落结构的差异增加了相对风速脉动垂直分布的复杂性。(3)风向脉动幅度以裸沙样地最小、柽柳样地次之、骆驼刺样地最大,即随植物密度增加而增大。同一样地内风向脉动值不随指示风速的变化而发生明显变化。