藻类结皮自然恢复后抗风蚀特性研究

从风沙物理学的角度出发,通过风洞实验研究藻类结皮对起动风速、摩阻风速、空气动力学粗糙度等的影响,探讨未破坏藻类结皮和一定程度破坏后自然恢复藻类结皮抗土壤风蚀特性。实验结果表明:无论是完好结皮还是自然恢复后的结皮,都可以提高结皮的起动风速、摩阻风速和空气动力学粗糙度长度。结皮的起动风速大于17 m·s^-1,摩阻风速在0.62~1.21 m·s^-1之间,空气动力学粗糙度长度在0.03~0.13 cm之间。同时给出了摩阻风速和风速之间以及空气动力学粗糙度长度和摩阻风速之间的经验公式。     

植被覆盖地表空气动力学粗糙度与零平面位移高度的模拟分析

 空气动力学粗糙度、零平面位移高度是植被覆盖地表的两个重要的空气动力学特征参数,利用数值计算的方法,运用Matlab软件编程,对内蒙古四子王旗草地地表的空气动学粗糙度、零平面位移高度进行模拟计算、绘图及分析。得到了在8种植被密度和6种植被高度情况下摩阻速度、空气动学粗糙度、零平面位移高度与风速的关系,并与野外实验数据进行对比分析,发现模拟值可以很好的反映空气动力学参数的性质。进而分别得到了包括植被密度的风速与摩阻速度、空气动学粗糙度的关系式和包括植被高度的风速与摩阻速度、空气动学粗糙度的关系式,这有助于进一步研究该地区草地风沙运动机理,以及床面与近地层气流相互作用的力学性质。     

砾石床面的空气动力学粗糙度

通过砾石床面的空气动力学粗糙度(Z₀)的风洞实验研究,结果表明,砾石床面的空气动力学粗糙度(Z₀)与砾石粒径、砾石覆盖度和自由风速有关,Bagnold的1/30定律和其它有关空气动力学粗糙度与粗糙元高度的固定比例对砾石床面都不适用。在各种一定砾石覆盖度条件下,砾石床面的Z₀随自由风速的增加而呈指数衰减。在各种一定自由风速条件下,Z₀随砾石覆盖度C的变化遵循二次曲线:Z₀=F₁+F₂C+F₃C^1.5+F₄C²,砾石覆盖度为40%~75%时,Z₀达到最大值。建立了包含自由风速和砾石覆盖度两个因子的Z₀的双因子综合模型。     

草原区植被对土壤风蚀影响的风洞模拟试验研究

在前期研究的基础上,选择内蒙古乌兰察布荒漠草原区为研究区域,通过野外移动风洞模拟试验,开展荒漠草原植被对土壤风力侵蚀影响的定量化分析研究,旨在探讨不同植被盖度下空气动力学粗糙度的变化、不同植被盖度下的风沙流结构特征及植被盖度与风蚀输沙率的定量关系,从而为水土流失机理研究提供理论依据。试验研究表明：空气动力学粗糙度随着地表植被盖度的增加呈三次函数关系增加,拟合函数为Z0=ax3+bx2+cx+d;随着距地高度的增加,各层收集到的风蚀量呈不同程度降低,随着地表植被盖度的增加,各层输沙量也均降低;不同风速下植被盖度与风蚀输沙率之间呈幂函数相关。     

农田休闲期不同保护性耕作措施的防风效应研究

保护性耕作是旱作农田土壤风蚀防治的必要措施\.通过野外试验,对深松、浅耕、翻耕覆盖、免耕油菜低茬和高茬、免耕小麦低茬和高茬等7种保护性耕作措施和传统翻耕、草地两种对照下0～4 m的风流场进行了观测,对各种下垫面上空气动力学粗糙度、摩阻速度、风速绝对脉动强度和相对脉动强度进行对比分析。结果显示,不同保护性耕作措施降低风的侵蚀力,防治土壤风蚀的机制不同。留茬主要通过增加地表空气动力学粗糙度和摩阻速度,利用作物残茬和秸秆等粗糙元分解风对地表的剪切应力,降低风蚀强度。而深松、浅耕、翻耕覆盖等措施在增加地表粗糙度和摩阻速度上效果不如留茬,但近地表0\^05 m处风速脉动较弱,相同风速下对地表的剪切应力较小,土壤风蚀速率降低。此外,作物残茬、秸秆和牧草等粗糙元的高度、密度及直立性均对下垫面的空气动力学粗糙度、摩阻速度及风速脉动有一定影响。     

植被盖度对沙丘风沙流结构及风蚀量的影响

以科尔沁沙地不同植被盖度沙丘为研究对象,采用野外可移动风洞进行原位测试,开展了沙丘植被盖度对风沙流输沙率影响的研究,探讨了地表风蚀量与风速及植被盖度的关系。结果表明：空气动力学粗糙度随植被盖度增加先平缓后剧烈,与植被盖度相关关系呈三次函数增长。在各植被盖度下各层输沙率均随高度增加而递减,随风速增加而递增。同一植被盖度下风蚀量随风速增加而增大,符合幂函数或二次函数关系,但二次函数相关性更高。同一风速下风蚀量随植被盖度的增加呈阶梯式降低,在盖度小于27%时风蚀量平缓下降,盖度27%~43%时风蚀量急剧下降,盖度43%以上时风蚀量下降重新趋于平缓。相对截留率随风速增大而减小,随植被盖度增加而增大,沙丘草本植被盖度43%以上时具有较好的防风固沙效果,此时平均截留率达88.02%。     

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。     

两种柔性植株地表风速廓线特征比较的风洞模拟

植株减小风速从而抑制风蚀,风速廓线可以反映植株对风速的影响。在风洞中测量了细长状植株和上大下小形状植株在不同覆盖密度、不同来流风速下的风速廓线,并对这两种植株地表上空气动力学粗糙度、零平面位移高度进行了比较。结果表明:两种植株地表的空气动力学粗糙度均随植株密度按幂函数规律增加,其与植株高度之比也随侧影盖度按幂函数规律增加。在相同覆盖密度或侧影盖度条件下,上大下小形状植株地表的空气动力学粗糙度大于细长状植株。细长状植株地表的零平面位移高度随植株密度的增加先增加而后减小,而上大下小形状植株地表的零平面位移高度则基本不受植株密度的影响。     

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。     

耕作土壤表面的空气动力学粗糙度及其对土壤风蚀的影响

土壤表面粗糙度是影响耕作土壤抗风蚀能力的一个重要因素。根据风速廓线计算得到的空气动力学粗糙度,可以简捷而有效地刻画土壤表面的空气动力学性质。风洞模拟实验表明,耕作土壤表面的空气动力学粗糙度主要取决于暴露地表的土块直径,在土块大致均匀分布的条件下,直径愈大,空气动力学粗糙度愈大。土壤风蚀速率则随空气动力学粗糙度的增大而迅速减小,二者具有良好的相关性。     

砾石覆盖对边界层风速梯度的影响

通过莫高窟窟顶野外风洞实验对不同覆盖度砾石床面风速梯度的变化规律进行了研究。结果表明,床面砾石平均高度以下风速梯度随砾石覆盖度变化比较杂乱,而砾石平均高度以上风速梯度随覆盖度增加呈现出有规律的变化。从覆盖度5%到35%风速逐渐减小, 40%~80%趋于稳定,35%最小。据此,大气边界层可明显分为两层,约以砾石平均高度为界,下层定义为粗糙亚层,上层定义为惯性亚层。粗糙亚层风速梯度随砾石间距高度比D/H值的变化同样比较杂乱;惯性亚层风速梯度随砾石间距高度比D/H值的变化规律比较一致:风速在D/H值0.3~1.5段趋于稳定,2.0~4.0段风速逐渐增大,1.5处风速最小。另外,对砾石床面不同高度阻风效应的计算表明,砾石床面的阻风作用在砾石床面表面附近最强(0.75 H~1.1 H),粗糙亚层阻风作用随高度增大而增大,惯性亚层阻风作用随高度增大逐渐减小。该粒径砾石阻风效应最优间距高度比D/H值为1.5,最优间距为3 cm,最优覆盖度为35%,为砾石防沙工程的铺设提供了一定的参考作用。     

几种典型地表粗糙度计算方法的比较研究

本文分别利用最小二乘拟合迭代法、牛顿迭代法、TVM法和Martano法计算2003年长白山森林地表粗糙度。结果表明,Martano法计算结果偏小,其他三种方法结果基本一致。不确定性分析表明,Martano法的不确定性与参与计算的数据量有关。拟合迭代法和牛顿迭代法的不确定性在于,通常假设u_*不随观测高度而变化,而实际u_*随观测高度变化。若相邻两个观测高度之间的u_*变化1％,地表粗糙度计算误差8.3%。TVM法由于参数C₁的选取范围为0.9~1.05,引起地表粗糙度不确定性平均值为29.9%。经计算得到长白山森林在各种大气层结条件下的地表粗糙度,拟合迭代法得到的2003年稳定、中性和不稳定条件下的地表粗糙度年平均值分别为2.642、2.103和1.616m。     

Field determination for roughness length above the different non-erodible surfaces

Non-erodible elements, for its disturbance to the near-surface airflow, have been widely used in arid and semi-arid regions to protect the surface from wind erosion. Roughness length was usually used to evaluate the protection effect of non-erodible elements from wind erosion. In this study, the wind profiles above five types of non-erodible surfaces including gravel, wheat straw checkerboard barriers, cotton stem checkerboard barriers, shrubs, and herbs were measured and analyzed. The wind velocities above these surfaces increased with height approximately in logarithmic functions. The roughness length of different non-erodible surfaces was calculated by the functions of wind profiles. The results reveal that:(1) Roughness length increased with wind velocity in given wind velocity ranges. (2) On vegetative surfaces, wind did not effectively bend the stems. The threshold wind velocity for bending the stems of Achnatherum splendens was 4 m/s, 10 m/s for Agropyron cristatum, and for Artemisia ordosica, no obvious bending of stems even for wind velocity reaching 12 m/s. (3) Correlation analysis results show that the vegetation''s coverage and frontal area affect the roughness length more significantly than the other parameters. (4) The protective results of these non-erodible elements were evaluated. The checkerboard sand barriers made of cotton stem could provide more effective protection than that made of wheat straw. In the same coverage conditions, vegetation could provide more effective protection from wind erosion than gravel, and the blending of different non-erodible elements especially the combination of blending of vegeation and checkerboard sand barriers could provide more effective protection to the surface.     

数值模拟气流特征和砾石几何参数对床面空气动力学粗糙度的影响

本文应用流体计算软件FLUENT6.3,采用非结构化网格划分技术模拟了气流特征和砾石几何参数对床面空气动力学粗糙度的影响。结果表明：空气动力学粗糙度（z₀）与风速（u）、摩阻速度（u_*）之间存在定量关系：z₀=a exp（bu/u_*）。砾石高度对空气动力学粗糙度的影响显著优于砾石直径,空气动力学粗糙度随砾石密度的变化比较复杂,先增加后减小。FLUENT在模拟风洞砾石床面动力学过程中的成功应用,是我们在研究方法上的一次有益尝试。     

塔克拉玛干沙漠肖塘地区空气动力学粗糙度分析

利用塔克拉玛干沙漠北部肖塘地区梯度自动站2007年1月1日至2007年5月31日的观测数据,计算出该区域中性条件下粗糙度范围是1.00×10-11~1.65×10-3 m,平均粗糙度为6.05×10-5 m,接近沙粒粒径的1/30,与平坦沙面粗糙度相似。摩擦速度的范围是0.14~2.33 m·s-1,平均值1.24 m·s-1。粗糙度随下垫面性质变化明显,与稳定度呈正相关,与风速呈负相关,摩擦速度随粗糙度增大而减小。     

直立植被粗糙度和阻力分解的风洞实验研究

直立植被覆盖的床面上,由于直立植被消耗风动量,裸露床面上的剪切力因之降低,从而抑制风蚀。在风洞中用圆柱形木棒模拟直立植被,研究了地表总阻力系数C_D、直立植被阻力系数C_f和粗糙度z₀及其影响因素。实验结果表明,直立植被高度和密度对地表总阻力系数C_D和粗糙度z₀都有影响,但是程度不同。地表总剪切力分解为作用在直立植被上的剪切力和作用在裸露地表上的剪切力,表达式为τ=F_r/S+τ_s·S'/S。随着植被密度和高度增加,作用在植被上的剪切力增加,而作用在裸露地表上的剪切力减少。当侧影盖度L_c≥0.03时,τ_s可以忽略不计,用C_D=2u_*²/ u_z²+C_fL_c计算植被阻力系数C_f。计算出的直立植被阻力系数C_f与1/√L_c之间成线性关系,而与AR无关。这与Marshall在风洞中通过直接测量粗糙元的阻力计算出的粗糙元阻力系数遵循类似的规律。地表总阻力系数C_D与粗糙度z₀之间较好的相关性说明,只要采用适当的测量方法,用曲线拟合方法获得直立植被覆盖地表总阻力系数C_D和粗糙度z₀是可靠的。     

Aeolian shear stress ratio measurements within mesquite-dominated landscapes of the Chihuahuan Desert, New Mexico, USA

A field study was conducted to ascertain the amount of protection that mesquite-dominated communities provide to the surface from wind erosion. The dynamics of the locally accelerated evolution of a mesquite/coppice dune landscape and the undetermined spatial dependence of potential erosion by wind from a shear stress partition model were investigated. Sediment transport and dust emission processes are governed by the amount of protection that can be provided by roughness elements. Although shear stress partition models exist that can describe this, their accuracy has only been tested against a limited dataset because instrumentation has previously been unable to provide the necessary measurements. This study combines the use of meteorological towers and surface shear stress measurements with Irwin sensors to measure the partition of shear stress in situ. The surface shear stress within preferentially aligned vegetation (within coppice dune development) exhibited highly skewed distributions, while a more homogenous surface stress was recorded at a site with less developed coppice dunes. Above the vegetation, the logarithmic velocity profile deduced roughness length (based on 10-min averages) exhibited a distinct correlation with compass direction for the site with vegetation preferentially aligned, while the site with more homogenously distributed vegetation showed very little variation in the roughness length. This distribution in roughness length within an area, defines a distribution of a resolved shear stress partitioning model based on these measurements, ultimately providing potential closure to a previously uncorrelated model parameter.