风沙流中颗粒跃移研究的某些进展与问题

风沙流研究是风沙物理学的主要内容,研究方法上大致分宏观和微观研究两个方面。宏观研究着眼于风沙流的整体结构和动力学过程,微观研究侧重于单一颗粒的运动状态。宏观和微观研究相结合是解决风沙物理学中一系列问题的一条合理路线。但长期以来,由于在颗粒运动机理研究方面进展缓慢且不成熟,对联系宏观和微观研究的纽带——起跳粒子的运动状态分布的重要性认识不够,造成风沙流宏观研究和微观研究的严重脱节。本文综述国内外在这两方面的研究历史和现状,指出了现存问题和解决途径,并对风沙物理学的发展方向提出了一些建议。     

中国风沙物理研究50a(Ⅱ)

1998年初中国科学院知识创新工程得到了国家的批准,在建设国家创新体系的战略背景下,风沙物理研究得到了新的发展机遇。为了适应国家创新体系的要求,风沙物理学首先重新凝练了学科方向和目标,改善研究手段、拓展研究内容、创新研究思路,使我国风沙物理学研究的国际影响不断增加。笔者从风沙颗粒运动、风沙流、风沙边界层、风沙地貌动力学、土壤风蚀、防沙工程原理和风沙电等几个方面比较全面地回顾了中国科学院知识创新工程实施以来,我国风沙物理学研究所取得的主要成就。     

Advances and Problems of Study on Saltation Particles in Wind-Sand Current

风沙流研究是风沙物理学的主要内容,研究方法上大致分宏观和微观研究两个方面。宏观研究着眼于风沙流的整体结构和动力学过程,微观研究侧重于单一颗粒的运动状态。宏观和微观研究相结合是解决风沙物理学中一系列问题的一条合理路线。但长期以来,由于在颗粒运动机理研究方面进展缓慢且不成熟,对联系宏观和微观研究的纽带——起跳粒子的运动状态分布的重要性认识不够,造成风沙流宏观研究和微观研究的严重脱节。本文综述国内外在这两方面的研究历史和现状,指出了现存问题和解决途径,并对风沙物理学的发展方向提出了一些建议。     

中国风沙物理研究五十年(Ⅰ)

2005年中国沙漠研究已经走过了50a的历程,作为沙漠科学重要组成部分的风沙物理学研究在中国亦有50a的历史了。本文较为详细地全面回顾了20世纪50年代中后期至90年代后期中国科学院知识创新工程实施之前我国风沙物理研究所做的主要工作和取得的成就,以期对相关的研究者有所帮助。这一时期的工作可以分为两个阶段。20世纪50年代中后期至60年代中期为理论准备和野外观测积累阶段,引进西方和前苏联在风沙物理学方面的研究成果,配合我国防沙治沙实践的需要开展野外观测研究。研究手段以大面积考察、半定位试验观测和定位试验为主。研究成果体现在风沙移动规律的初步认识、沙丘移动规律、中国沙丘活动的总体规律、防沙措施的布设原则和风沙运动理论的初步探讨等几个方面。1967年我国第一个风沙环境风洞建成使用,使风沙物理学的实验研究成为可能。自20世纪80年代开始同时向微观领域深入和向宏观领域扩展,风沙颗粒运动学、风沙流、风沙地貌动力、土壤风蚀和防沙原理等风沙物理学的主要领域得到了全面发展,在一些前沿探索领域亦有重要成就。     

拜格诺的风沙物理学研究思想

拜格诺是风沙物理学的奠基人。文章评价了拜格诺对风沙物理学的主要贡献,论述了他的主要学术思想.指出了其研究工作的局限性,供风沙物理学研究者参考。     

风沙灾害风险评估研究进展

风沙灾害是气象灾害的重要组成部分,具有影响范围大、季节性强、灾害损失大等特点,已成为中国北方沙区的生态灾难,严重影响人居环境和社会经济的可持续发展。为了评估风沙灾害对中国社会经济的影响,已有学者对中国风沙灾害问题进行了长期研究,但对区域风沙灾害风险系统评估研究相对较少,尚未建立系统的风沙灾害风险评价体系。在综合分析近30年相关文献的基础上,借鉴其他自然灾害评估方法,从风沙灾害风险评估理论内涵、评估指标及评估方法等方面对相关研究进行了全面的分析,指出目前风沙灾害风险评估还存在理论不完善、评估模型不合理、孕灾环境指标量化不细致和指标体系繁杂、风险评估方法单一、指标分级和权重计算的主观性强、社会经济数据不能空间化等问题。因此,未来在风沙灾害评估研究时需借鉴、引入和融合其他自然灾害风险评估理论和技术方法,综合近年来在风沙物理学、风沙地貌学、防沙治沙工程学、沙漠化遥感技术和理论等方面的成果,建立多指标的综合风沙灾害评估模型,为预防区域风沙灾害、降低风沙灾害损失和保障"一带一路"经济发展提供理论依据。     

系统的研究 实践的总结评──《实验风沙物理与风沙工程学》

风作为一种地质营力在全球各地留下了广泛的地质记录,风沙作为一种自然灾害远在古代就为人类所感知。但人类对风沙现象的科学认识直至１９世纪中后期才有所萌发。早期的风沙研究主要体现在地学领域。直至本世纪３０年代现代流体力学的诞生才为风沙现象的物理学研究奠定了...     

3种典型地表风沙流通量廓线研究现状

风沙流研究越来越受到人们的重视,其中风沙流通量廓线研究起着重要作用。本文总结了3种典型地表(流沙地表、草方格地表、戈壁地表)风沙流通量廓线研究现状及存在问题。由于研究方法、研究区域及集沙效率的不同,风沙流通量廓线函数有指数函数、对数函数、幂函数、分段函数等多种,同一问题不同函数模拟结果差异可达到3倍,难以应用于实际。根据研究中存在的问题,提出风沙流通量廓线研究发展趋势。     

近40年中国海岸风沙地貌研究回顾

基于20世纪80年代后中国海岸风沙地貌研究的主要发展,总结了包括海岸风沙地貌类型、发育模式、风沙运动、沉积特征、发育演变及海岸风沙防治等中国海岸风沙地貌研究的主要进展,并针对当前研究存在问题提出了包括海岸风蚀地貌调查、风沙地貌形态动力学机制、波浪-海滩-沙丘相互作用、风沙地貌发育演化与全球变化以及海岸风沙资源利用与防治...     

兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质垂直分布特性

跃移质作为风沙流的主体,其近地表垂直分布规律是风沙物理学的重要研究内容,对防沙工程具有重要的指导意义。受研究条件与观测仪器限制,戈壁特别是极端大风区近地表风沙流结构特性研究较为薄弱。利用多梯度风蚀传感器与阶梯式集沙仪对兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质的垂直分布特性进行了观测研究。结果表明：兰新高铁烟墩风区戈壁沙粒发生跃移运动的2 m高临界风速达12 m·s^-1;戈壁近地表风沙流具有明显的阵性特征,沙粒跃移发生的时间比例在50%以下,与平均风速成正相关关系,与风速脉动强度无显著相关关系;2 m高阵风7级风速下,戈壁跃移沙粒主要集中于地表50 cm范围内,近地表风沙流结构呈"象鼻效应",跃移质最大质量通量出现在地表2.5~5 cm高度处,沙粒最大跃移高度可达2 m,且沙粒跃移高度随2 m高风速的增加呈指数规律递增。因此,兰新高铁烟墩风区2 m高阻沙栅栏不足以完全阻截戈壁风沙流,是造成烟墩风区兰新高铁轨道积沙的重要原因之一。     

粒子图像测速(PIV)技术在风沙环境风洞中的应用

粒子图像测速技术是一种全新的非接触、瞬时、全场流速测量方法,广泛应用于流体力学实验中。笔者将其引入风沙运动研究是一个尝试,旨在为风沙物理和防沙工程研究提供新的测量手段。通过分析一系列的风洞实验结果,我们认为,在风沙流中颗粒速度分布、浓度分布、风沙地貌形成演化、防沙工程原理及应用方面,粒子图像测速技术具有一定优势,可以克服传统测量手段的某些不足。     

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。     

敦煌-格尔木铁路高大沙丘区的风沙环境特征及风沙危害综合防护体系

新建敦煌-格尔木铁路途经库姆塔格沙漠东部的沙山沟,沟内沙源非常丰富,高大沙丘广布,其风沙危害对铁路造成了严重威胁。本研究选择党河上游流动沙丘和黑山嘴流动沙丘两个具有代表性的高大沙丘区域,系统调查与观测了该区域高大沙丘土壤水分、植被、风沙环境和风沙危害,在掌握和分析两试验区环境特征的基础上,在党河上游流动沙丘区建立以工程措施为主的风沙防治试验示范区,在黑山嘴流动沙丘区建立工程与生物相结合的风沙防治试验示范区。研究旨在取得敦煌-格尔木铁路途经高大沙丘区风沙防护的相关工程经验,合理确定风沙防治措施,为铁路通过该区的风沙防护提供了理论依据和实践参考,对保证敦煌-格尔木铁路安全畅通运营具有重要意义。     

公路防沙设计中夸大沙害严重性原因分析

在多年实践的基础上逐渐认识到,在多种因素影响下,研究人员在进行公路防沙设计时,往往会夸大沙害的严重性。要解决这一问题,首先应认识到,当有风沙吹向公路时,并不一定会有较为严重的沙害;其次,要认识到在沙漠的不同区域,如沙丘分布区与平坦的流沙地等,其风沙运动规律及沙害特征等,会有很大不同;此外,还应注意到防沙工程对外侧来沙的容纳量要比我们以前所认为的要大得多。本文从沙害强度与输沙率之间的关系、阻沙栅栏的导沙与阻沙作用、固沙带中积沙的不均匀性、公路的输沙作用、沙害防治的评价标准等方面入手,对此问题进行较为全面地探讨。     

The flux profile of a blowing sand cloud: a wind tunnel investigation

The flux profile of a blowing sand cloud, or the variation of blown sand flux with height, is the reflection of blown sand particles that move in different trajectories, and also the basis for checking drifting sand. Here we report the wind tunnel results of systematic tests of the flux profiles of different sized sands at different free-stream wind velocities. The results reveal that within the 60-cm near-surface layer, the decay of blown sand flux with height can be expressed by an exponential function: q_h=aexp(−h/b), where, q_h is the blown sand transport rate at height h, a and b are parameters that vary with wind velocity and sand size. The significance of coefficient a and b in the function is defined: a represents the transport rate in true creep and b implies the relative decay rate with height of the blown sand transport rate. The true creep fraction, the ratio of the sand transported on the surface (h=0) to the total transport varies widely, decreasing with both sand size and wind speed. The flux profiles are converted to straight lines by plotting sand transport rate, q_h, on a log-scale. The slope of the straight lines that represents the relative decay rate with height of sand transport rate decreases with an increase in free-stream wind velocity and sand grain size, implying that relatively more of the blown sand is transported to greater heights as grain size and wind speed increase. The average saltating height represented by the height where 50% of the cumulative flux percentage occurs increases with both wind speed and grain size, implying that saltation becomes more intense as grain size and/or wind velocity increase.     

风沙危害防治的主要工程措施及其机理

对风沙危害防治的主要工程措施及其物理机理进行了深入研究,从理论上得出格状沙障内最大风蚀深度与方格边长之间的解析关系,利用流体力学理论计算了不同草头高度h₀所对应的最大间距L_max,得出格状沙障中心沙粒的起动风速随沙障规格和深宽比h/L的增加而减小,建立了栅栏下风侧风速为来流风速的百分率与栅栏下风向距离的关系,并对不同孔隙度尼纶网栅栏的风沙阻导效应、直立植物及戈壁砾石覆盖防沙措施的粗糙特征、化学工程固沙措施等进行了广泛研究。通过对已有研究成果的综合评述,剖析了风沙工程学面临的主要问题与任务,指出与生态环境治理、资源开发及可持续发展问题紧密结合,是风沙危害防治研究发展的方向,并亟待加强与生态环境恢复-资源高效开发一体化的风沙危害防治措施的理论研究与技术示范。     

塔里木沙漠公路风沙危害分异规律的研究

从塔里木沙漠公路风沙危害的影响因素入手,分析了公路沙害水平分异和垂直分异的原因,并给出相应的分异规律。公路沙害的水平分异是在不同风沙地貌背景上不同的风力及组合综合作用的结果,同时受人为因素对防沙体系设置的影响;公路沙害的垂直分异通过不同地貌部位体现出来,它是由地形地貌对风动力、有效沙物质量、公路断面形式和防沙体系防护作用等因素的分异作用来实现的。     

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。