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。     

新月形沙丘丘表流场与沙丘蚀积特征

对新月形沙丘和沙丘链丘表流场风向、风速和蚀积量进行测定。迎风坡均表现风蚀,背风坡和兽角处表现堆积,蚀积特征、速度与流场中风速、风向相吻合。     

横向沙丘背风侧气流重附风洞模拟

二次流在沙丘形成和形态维持过程中扮演着重要角色。沙丘迎风坡气流加速和背风侧气流分离是最常见的二次流形式。沙丘背风侧的二次流,尤其是气流分离形成的分离涡和气流重附对沙丘背风坡的塑造、沙丘间距和排列模式都具有重要的控制作用。因此,设计了一系列具有不同迎风坡坡度的横向沙丘模型,采用粒子图像测速技术,通过风洞实验模拟了沙丘背风侧的气流分离和重新附着。实验结果表明,当来流风速垂直于沙丘脊线时,沙丘背风侧的气流重附距离介于4\^8 H~10\^8 H之间(H为沙丘高度),最大重附距离出现在迎风坡坡度为15°的沙丘背风侧;沙丘迎风坡坡度是控制背风侧气流重附距离的主要因素,而自由风速对气流重附距离的控制作用较小。根据实验结果,还讨论了气流分离与重附对沙粒运移和沙丘形态维持的沉积学意义。     

关于风沙流中风速廓线的进一步实验研究

总结与分析了以前学者对风沙流中风速廓线的研究成果,指出了其中的不足之处。并通过实验测出两种较典型自然沙(沙丘沙与河滩冲积沙)所形成稳定状态下风沙流中的风速廓线,提出了新的风速廓线模型。实验结果表明风沙流中的风速廓线用幂函数u=az^b拟和最佳,拟合系数均大于0.95。经验证,实验结果可靠。     

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。     

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)。     

不同坡角公路路基流场的风洞实验

根据内蒙古S315一级公路黑风口路段风沙危害现状,基于风洞模拟实验,采用毕托管测定不同坡角路基模型断面的风速,通过对流场分布、风速廓线及风速减弱率的分析探讨沙漠公路风沙危害的形成机理。结果表明：坡角对路基两侧的积沙范围和风蚀强度有重要影响。风速一定时,坡角越大,路基两侧积沙范围越大,与之对应的防护范围也应加大。路基坡角一定时,路基背风侧积沙范围随风速增大整体可能呈扩大趋势,坡角越大,扩大趋势越不明显,导致大量沙粒堆积在背风坡脚附近,这就需在坡角较大的公路背风侧多设置几道阻沙栅栏和固沙方格来降低风速、防治沙害。风沙流对迎风坡脚和迎风坡肩的风蚀作用最强,在实际应用中,应重点对这两个部位进行工程砌护,以防路基塌陷造成交通事故威胁公路安全运营。     

新月形沙丘迎风坡形态及沉积物对表面气流的响应

对孤立新月形沙丘迎风坡风速的野外实测和计算表明,沙丘迎风坡表面风速廓线呈非对数关系,近地面剪切风速和输沙强度由坡脚至丘顶总体呈递增趋势,但同时随断面坡度的增减而发生相应的变化;沿断面输沙率的变化导致蚀积强度的改变,表现为沙丘迎风坡坡度变缓的部位沉积大于侵蚀,其它部位侵蚀大于沉积,其中丘顶输沙率和侵蚀强度最大。在沙丘形态上,表现为坡度减缓的部位沉积变凸、其它部位因侵蚀变凹以及坡脚和丘顶的前移。变凸和变凹部位反过来又制约着表面剪切风速的相应变化。粒度分析也表明,沙丘迎风坡表面粒度特征主要取决于表面蚀积状况,同断面形态表现出密切的相关性。     

新月形沙丘表面流场特征北大核心CSCD

目前对新月形沙丘表面流场尤其是涡流区的复杂流动结构缺乏全面的认识,新月形沙丘形态特征和来流风速对流场结构的影响需进一步研究。利用CFD数值模拟的方法,采用RNG k-ε湍流模型,研究了在不同几何参数和来流风速下新月形沙丘表面的流场特征,重点研究了背风侧涡流区的流动特征及范围与沙丘几何参数和来流风速的关系。结果表明:新月形沙丘高度越高、迎风坡坡度越大,其尾流涡流区长度越长,长度为沙丘高度的5~7倍;来流风速对尾流附着点的位置影响较小,不同来流风速导致的涡流区长度为沙丘高度的6~7倍;来流风速越大,尾流保护区长度越短,沙丘对流场的干扰范围越小。本研究深入解析了流场对新月形沙丘形态的塑造作用,进一步从流场的角度印证了新月形沙丘翼角下游小新月形沙丘形成的成因。     

新月形沙丘表面100cm高度内风沙流输沙量垂直分布函数分段拟合

为研究新月形沙丘表面不同层位风沙流输沙量的垂直分布函数,实测了塔克拉玛干沙漠腹地典型新月形沙丘表面100 cm高度内(以1 cm分隔)的输沙量。分段拟合分析表明:新月形沙丘迎风坡脚输沙量垂直分布规律不完全服从指数函数,出现与戈壁风沙流结构特征相似的"象鼻效应",在0~3 cm区间内输沙量逐渐增大,3cm以上输沙量随高度呈指数函数衰减;沙丘顶部0~10 cm区间输沙量随高度呈指数函数衰减,10 cm以上呈二次函数衰减;沙丘左翼端输沙量随高度呈幂函数分布,沙丘右翼端0~20 cm内以指数函数衰减,20 cm以上呈三次函数衰减;沙丘背风坡脚风沙流输沙量在0~60 cm和60 cm以上分别呈不同形式的三次函数分布。     

基于GIS空间分析技术的新月形沙丘表面输沙率模型研究

 输沙率研究是风沙物理学与风沙工程学的重要内容。为了尝试GIS空间分析技术在新月形沙丘表面不同部位输沙率分布及模型建立中的应用,选取塔克拉玛干沙漠腹地典型孤立新月形沙丘,对其表面进行粒度采样和风速采样,并对沙丘表面的五个典型部位进行输沙率的采集。经过对风速数据归一化处理之后,根据粒度和风速采样特点,分别应用克里格方法和反距离方法对粒度和风速样点插值,得到新月形沙丘表面栅格形式的粒径分布和风速分布图。利用3种常用输沙率模型分别对沙丘表面5个典型部位进行输沙率计算,并与实测值进行对比。选取拟合优度最佳的Srensen模型,整合粒径和风速分布图,利用地图代数方法对沙丘表面输沙率分布进行计算,得到栅格形式的沙丘表面输沙率分布图。利用GIS的空间分析技术研究沙丘表面的输沙率分布,克服了传统定点观测的诸多不足。     

新月形沙丘维持相对稳定的两种过程

新月形沙丘顶部稳定性是风沙地貌学尚未解决的科学问题。研究新月形沙丘的顶部稳定性,对于绿洲边缘风沙运动规律揭示、防沙工程建设和沙区生态环境保护等具有重要的现实意义。选择民勤沙区新月形沙丘,通过测定沙丘各部位风速、风蚀风积和粒度等,分析了新月形沙丘顶部稳定机理。主风向（NW）作用是新月形沙丘最高点与沙脊线重合、沙丘前移和高度降低的过程;反向风（SE）作用是沙丘最高点与沙脊线分离、沙丘背风坡风蚀与沙丘增高的过程。由于研究区以NW风为主,新月形沙丘沿NW-SE方向前移,SE风只能风蚀减缓沙丘背风坡的坡度。人为干预将会阻止或减少从迎风坡向沙丘顶部输送沙量,使得新月形沙丘背风坡尤其是背风坡上部风蚀过程增强,新月形沙丘逐渐过渡为抛物线形沙丘。     

Field measurement and scaled-down wind-tunnel model measurement of airflow field over a barchan dune

Airflow is measured over a barchan dune in the field and over a scaled-down model in a wind tunnel. The change of the flow speed over the stoss side is represented by the change of speed-up ratio. According to the field measurement, the wind profiles within 0-3m above the stoss can be divided into two segments. The lower segment, about 0.66 m thick, is the inner-boundary layer, within which the friction velocities derived from the wind profiles increase from the upwind inter-dune region to the upper stoss, and then decrease near the dune top. This change, together with the changes of airflow field, speed-up ratio and sand flux, is related to the morphological change and contributes to the stable shape and height of a barchan dune. In the wind tunnel, airflow varies in a similar way as in the field, with the speed-up ratios constantly higher than 1.0 and increasing along the stoss slope. While the segmentation of wind profiles also occurs in the wind tunnel, friction velocities derived from the wind profiles decrease along the stoss, indicating a very thin inner-boundary layer above the wind tunnel model where the detailed wind-speed change becomes difficult to measure using the present instruments.     

金字塔沙丘形成的动力条件分析

金字塔沙丘(或星状沙丘)形成的动力条件主要有三个方面:一是在非沙质床面的气流场辐合区,一般具有三个以上近似均布的主风向,各主风向的风力强度、出现频率及持续时间不尽相同,但年总输沙能力较为接近,而且月输沙能力具有明显的季节变化;二是不太充裕的沙源和高浓度不饱和风沙流;三是不同尺度地形条件的动力作用,和沙漠与戈壁下垫面的热力影响。在沙质床面,往往由于高浓度饱和或过饱和风沙流的作用,导致新月形沙丘或新月形沙丘链的变态,或重新组合成金字塔状的沙丘形态,但不可能发育为典型的金字塔沙丘。     

古尔班通古特沙漠西南缘新月形沙丘内部沉积构造特征研究

沙丘内部沉积构造保存了沙丘动力演变过程的重要信息。以古尔班通古特沙漠西南缘固定、半固定新月形沙丘区为研究区域,利用探地雷达在春、秋两季对固定、半固定新月形沙丘内部构造进行探测,获取了不同规模形态的固定、半固定新月形沙丘深约8 m的内部构造图像信息。通过图像增益处理、解译和对比分析表明：（1） 古尔班通古特沙漠固定、半固定新月形沙丘共有5种沙丘内部构造雷达相,即高倾角斜层理、楔状交错层理、上凸形交错层理、低倾角-近水平层理和块状层理,其中前4种主要分布在3~5 m的浅层,而块状层理主要分布在4~5 m以下的深度。（2） 高倾角斜层理、楔状交错层理主要分布在高大新月形沙丘（链）的迎风坡上部和丘顶地带,前者为背风坡前积层埋藏而成,反映高大新月形沙丘迎风坡上部和丘顶风沙活动较频繁,沙丘“固身缩顶”后埋藏的前积纹层因风蚀而出露,后者为迎风坡风蚀坑和风蚀槽中由风沙流充填而成的构造或在丘顶风向的季节性变化形成的构造。（3） 与灌丛沙丘相关的上凸形交错层理广泛分布在新月形沙丘的迎风坡中下部,在背风坡也有局部出现,表明灌丛沙丘在沙丘表层的风沙过程中占有重要地位;而深部的块状层理可能是早期风积层受到强烈的生物扰动,原生层理消失而产生。（4） 以上沙丘内部构造的类型与组合分布特点,反映了研究区新月形沙丘总体上趋于稳定或衰退状态,这与现代沙丘“固身缩顶”的地貌变化特征相一致。例如,迎风坡中上部和丘顶常见风蚀槽,背风坡因坡度变缓、前积层发育趋缓,现代风沙活动主要集中于新月形沙丘的上部和丘顶等。由此可见,研究区固定、半固定新月形沙丘内部构造及其组合分布特征异于流动新月形沙丘,也与半个多世纪以来北疆沙漠气候变暖变湿、平均风速减弱、植被盖度增加的区域自然地理环境变化趋势有一定的吻合性。     

新月形沙丘形态的模拟实验研究

新月形沙丘是风沙地貌基本形态之一,一般为高浓度非饱和风沙流所塑造。其形成过程始于风沙运动的“波粒二重性”,并经历沙物质积累（高浓度饱和风沙流）和形体塑造（高浓度不饱和风沙流）两个发育阶段,即耗散性增大和色散性减小过程;非沙质床面零星分布的单个新月形沙丘具有明显的移动性和形态的不稳定性（高大新月形沙山除外）。风洞实验条件下形成的新月形沙丘形态（其尺度比床面沙纹大一个数量级）,有助于新月形沙丘形成机制的了解。     

库姆塔格沙漠羽毛状沙垄形成机理研究

库姆塔格沙漠像一把扇子覆盖在了阿尔金山山前的倾斜平原上,沙丘类型复杂,而尤以羽毛状沙垄最为独特成为我国独有的沙丘形态。有关羽毛状沙垄形成发育机理研究,近几十年来进展甚微。通过野外观测、高精度航片解译和风洞模拟实验研究,结果表明：羽毛状沙垄形成条件是：①具有广大平坦倾斜的地面。②地表沙物质不甚丰富。③两组相近风向是其形成动力条件。④舌状沙丘是在新月形沙垄形成之后的次一级沙丘形态。二者组合成羽毛状沙垄。羽毛状沙垄形成过程可以归纳为下列图式：新月形沙丘→新月形沙垄→舌状沙丘→羽毛状沙垄。     

塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄间地新月形沙丘的逆向演变

通过对塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄间地新月形沙丘的形态变化、分布特征、移动特征进行测量,计算出沙丘移动输沙变化,证实该区存在新月形沙丘逆向演变。逆向演变过程的发生主要由于沙垄间地的高度不饱和风沙流和该区新月形沙丘较小的高度。高度不饱和风沙流形成于沙垄背风坡底到垄间地中部的加速过程和粗沙地表的作用,从沙垄底部到垄间地中部的粒度变化,风沙流垂直结构都有所反映。新月形沙丘为沙垄背风坡上覆沙丘脱离沙垄而成,高度在2m左右,该区次风向使新月形沙丘宽度减小以及粗沙地表在强弱风交替作用下增加沙丘移动过程中沙丘沙的滞留量都有利于沙丘逆向演变。