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。     

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。     

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。     

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%。     

光电子集沙仪对毛乌素沙地沙丘蚀积过程的观测

本实验是由3台改装后的法国光电子集沙仪(每隔10s自动记录1次)对毛乌素沙地高大流动沙丘的7a观测的37万个数据,结合风速资料,绘制出相应各年、月、日、时的风沙流风蚀和堆积的实量图。详尽准确地描述了各种风速对新月型沙丘的迎风坡、丘顶、背风坡的具体蚀积变化。该实验弥补了国内外在野外长期实地观测沙丘移动规律的空白。     

金字塔沙丘粒度变化及表面过程的初步研究

莫高窟顶金字塔沙丘粒径集中分布在2.44～2.94 Φ,属细砂。标准差介于0.24～0.65之间,偏度在0.03～0.31,属于正偏级。峰度在0.78～1.72,介于宽峰态至尖峰态。沙粒粒径级配是风况、地貌与沙物质相互均衡作用的结果。金字塔沙丘存在着沙臂顶部沙最细或最粗两种粒度模式。金字塔沙丘沙丘主臂(WNW—ESE)属于在双向风环境作用下,类似于横向沙丘粒度变化模式,两坡下部以风蚀为主,丘顶附近以堆积过程为主,导致沙臂两坡粒径与分选性由下而上变细与变好。频率高、风速不大的局地气流,可将大量细沙物质搬运到金字塔沙丘主臂,造成丘底到丘顶的粒度变化不大。副臂(SW)受较强NW风力作用,具有横向及纵向沙丘粒度变化模式,整个坡面处于风蚀状态,沙臂顶部风蚀最为强烈,导致从底部到顶部的粒度逐渐由细变粗。     

柽柳灌丛沙堆及丘间地蚀积分布随背景植被变化的风洞实验

以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带广泛分布的柽柳灌丛沙堆及丘间地植物为原型,依据风沙运动相似理论,制作背景植被盖度依次为0%、4%、10%、16%和26%五组灌丛沙堆模型,在风洞中进行蚀积变化规律模拟实验。结果表明：柽柳灌丛沙堆及丘间地蚀积分布可划分为6个区域,依次为沙堆前积沙区、沙堆迎风坡风蚀区、沙堆两侧风蚀区、沙堆背风侧涡流积沙区、沙堆后尾流积沙区和不受沙堆影响区。随着指示风速增大,沙堆前积沙区和尾流积沙区范围缩小而沙堆两侧风蚀区面积明显增大。随着背景植被盖度的增大,沙堆前积沙区和尾流积沙区范围增大而沙堆两侧风蚀区范围明显减小。灌丛沙堆及丘间地整体风蚀面积比、风蚀率、各分区蚀积强度均呈指数规律递减。背景植被盖度为0%时,灌丛沙堆影响区风蚀率明显高于不受沙堆影响区,说明裸露地表条件下灌丛沙堆的存在会加剧地表风蚀;当背景植被盖度为4%~16%时,灌丛沙堆影响区风蚀率均低于不受沙堆影响区,可见丘间地植被存在可使灌丛沙堆起到一定的防风阻沙作用。当背景植被盖度>16%时,柽柳灌丛沙堆及丘间地整体蚀积强度和风蚀率变化趋于平稳。据此认为维持不低于16%的背景植被覆盖,是沙漠-绿洲过渡带柽柳灌丛沙堆科学保育的关键。     

土地利用/覆盖变化对地表蚀积过程的影响——来自137Cs示踪的证据

 土地利用/覆盖变化不仅影响地表137Cs总量的再分配，而且显著影响土壤137Cs剖面分布。坝上地区各类土地利用/覆盖条件下137Cs总量的再分配，显示该区总体处于风蚀环境，其中农田和撂荒地是风蚀最严重的土地利用类型；137Cs剖面分布则指示了土地利用/覆盖变化过程中的土壤风蚀/堆积过程的转换，蚀积过程的转换证实了风蚀重灾区退耕还林还草，特别是退耕还草，对控制土壤风蚀、改善生态环境的重要意义。分析还认为，利用137Cs示踪方法计算土壤风蚀/堆积速率时，应格外注意样地的土地利用/覆盖变化过程。     

莫高窟窟顶风况及输沙势研究

以1998—2001年莫高窟窟顶自动气象观测站记录的风资料为基础,通过对风况的统计和输沙势的计算,从风沙环境特征阐明了研究区主要受西北、东北和偏南三组风向共同作用。三组风况出现频率明显不同,其输沙势有一定差异。研究区风向变率指数较小,风况复杂,属于中风能环境。通过对风况的分析及输沙势的理论计算,以期对莫高窟的风沙危害防治提供科学理论依据。最后通过对莫高窟2001年输沙势（量）的对比计算,指出了现有输沙势公式存在的局限与不足。     

敦煌莫高窟顶尼龙网栅栏防护效应研究

野外监测和风洞模拟实验结果表明,孔隙度为20%~25%的尼龙网栅栏,其保护范围达23.5H~29.5H,栅栏前后的积沙范围主要集中在2H(栏前)~3H(栏后)。砂砾质戈壁区尼龙网栅栏直接阻止了偏西风向洞窟搬运沙量的80%以上,但其侧导能力微弱,外围栅栏对来自主风向的外侧积沙的侧导率平均达到35%;对其内侧的侧导作用,在偏东风时为57.51%,偏西风时平均为15.89%,反映了防护效益的季节变化特征。在网后1H处,20cm、50cm、100cm和150cm高处的风速分别降到网前3H的48.6%、38.6%、40.7%和66%。在NW风作用下,网后10m、2m的输沙量分别是网前10m、2m的1/29和1/43,并受栅栏设置等因素的影响。流沙区尼龙网栅栏的防沙效益亦表现出在三组不同风向上的差异。栅栏的阻沙效益与沙源供给关系密切,沙源充足时以风积为主,相反,则出现较强的风蚀作用。3~5月间,对比分析前方沙源充足(1992年)、基本控制(2002年)和较好控制(2003年)3种情况,窟前栈道不同部位洞前积沙分别减少39.4%~83.3%、75.4%~95.2%和94.0%~98.7%。尼龙网栅栏是比其他材料更优的一种防沙材料,不仅价格便宜,施工简单,而且在沙障被埋后容易移动重设,在阻止沙丘前移和防止过境风沙流具有优势。目前在网栅周围形成的局部积沙,在综合防护体系逐渐建立,前方沙源截留的前提下,利用窟顶输沙能力的季节变化特别是偏东方的反向搬运功能,局部积沙可以得到较好的输导。同时建议维护调整现有砂砾质戈壁区尼龙网栅栏防护体系。     

敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系探讨

通过对敦煌莫高窟防沙历史的综合总结和分析,认为莫高窟作为我国乃至世界古代灿烂文化艺术的瑰宝,是甘肃对外交流的主要窗口之一,也是我国重要的旅游地之一。单纯的消极人工清沙已远远不能适应现代社会对生态环境质量的需要和旅游业作为该地区经济发展基本点的要求。那么,创造一个良好的旅游生态环境及文物保护工作环境,不仅有利于整个窟区生态环境的改善,且其示范效应将带动本地区乃至整个河西地区的荒漠化治理。根据风沙环境特征,提出了莫高窟防护体系建立的主导思想是:以防治西北、西南主害风为主,根据鸣沙山、砂(砾)质戈壁、窟顶崖面等不同地带的具体风沙运动规律,采取以固为主,固、阻、输、导相结合的防护原则,以切断或削弱鸣沙山沙源和固定流沙,并消除沙砾质戈壁面的就地起沙为目的,建立一个由工程、生物、化学措施组成的多层次、多功能的综合防护体系,从根本上消除风沙活动对莫高窟的危害。同时对莫高窟综合防护体系建设的总体布局及防护宽度、砾石铺压的基本原理作了一个初步的探讨。     

莫高窟窟顶戈壁防护带阻截和输导功能研究

多风信条件下, 沙砾质戈壁与鸣沙山进行着往复式的能量交换及物质运动。部分沙物质在砾石的保护下, 形成阻沙。部分沙物质在跃移沙粒的激化下形成戈壁风沙流并对洞窟产生危害。戈壁风沙流是造成沙砾质戈壁从稳定向不稳定状态演化的主要动力因素; 而上风向沙源的供给状况又是决定砾石床面阻沙和导沙的主要因素。基于此, 戈壁防护带应首先控制来自鸣沙山的沙源, 采取以阻断或减少外来沙源, 通过固定和覆盖沙砾质戈壁地表以及增加下垫面粗糙度等, 来造成一种既利于沙子堆积的条件, 又能促进形成天然戈壁输沙场, 从而为偏东风反向搬运创造一个适宜场。因此, 如何因势利导, 使窟顶流场与风沙地貌达到一种动力平衡, 是莫高窟综合防护体系成功与否的关键之一。这与以往单风向或双风向条件下所探讨的防护体系效应有着本质的区别。     

敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系设计研究

风沙危害是敦煌莫高窟保护面临的主要环境问题之一,建立一个完整的防护体系是解决这一问题的有效途径。在对20世纪80年代以来建立的防沙治沙试验工程防护效应分析研究的基础上,对敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系设计进行了讨论。根据因地制宜,因害设防;以固为主,固、阻、输、导相结合;以工程和生物措施为主,兼顾化学固沙;高新技术与常规治理技术相结合;重点治理,分阶段实施与长远目标相结合的设计原则,认为根据不同地貌特征及地表组成物质,依次建立鸣沙山前缘流动沙丘和平坦沙地阻固区、窟顶戈壁防护区、洞体崖面固结区、石窟对面流动沙丘固定区、窟区防护林带建设区及天然植被封育保护区,可使危害莫高窟的风沙灾害得到有效控制,并达到莫高窟作为世界文化遗产和全国重点文物保护单位对环境质量的要求。     

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。     

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。     

敦煌莫高窟窟前林带防护效应的风洞实验

洞窟环境包括窟内的温度、湿度、光照、气流等环境因素的适宜程度,对保护洞窟内的壁画和彩塑是十分重要的。洞窟环境不仅因洞窟所处的位置、大小、型制、有无窟门及窟门形式等而异,而且与窟外整个大环境密切相关。不同风况对洞窟内的气流交换起着重要的作用,也是造成石窟壁画彩塑风沙尘粒沉积、崖面风蚀的主要原因。通过风洞模拟实验,从窟前流场、洞窟环流、崖角形状及其受力等几个方面研究了窟前林带的防护效应和崖角防风蚀机理。结果表明：从控制洞窟水汽因素来讲,窟前以通风结构林带最佳,疏透结构林带次之,紧密结构林带欠佳。控制窟前林带灌溉强度,建立多次、少量的窟前林带灌溉制度,同时,在偏东风条件下尽量减少对窟前林带的灌溉,是控制林带生长和底层洞窟侧渗的重要一环。考虑到促进洞窟自然通风的需求,采用一定疏透度的窟门和采取必要的强迫通风,能够较大改善洞窟的自然通风和环境适宜状况。