斜插板式沙障插板倾角影响下风沙流特征的数值模拟

[目的] 优化既有沙障的结构形式，以发挥最大挡沙功效，揭示铁路沿线斜插板式沙障的风沙流特征和规律，为风沙灾害防治提供相关的设计参考和科学依据。[方法] 基于欧拉双流体非定常模型对具有不同插板倾角（15°，30°，45°和60°）但孔隙率均为30%的斜插板式沙障进行数值模拟。[结果] ①随插板倾角逐渐增大，沙障迎风侧减速区范围无明显变化，上方加速区和背风侧涡流区范围逐渐增大，迎风侧气流向下弯曲运动的趋势逐渐增强，背风侧向上运动的气流与水平风向夹角逐渐增大。②不同风速下，4种斜插板式沙障周围风速均呈“U”型分布，对同一风速而言，背风侧涡流区内风速极小值与插板倾角呈负相关。[结论] 随插板倾角逐渐增大，沙障迎风侧积沙量逐渐增多，背风侧整体积沙量逐渐减少但背风侧1 H范围内积沙量逐渐增多，背风侧主要积沙分布范围与沙障之间的距离逐渐增大。     

挡沙堤—固沙砖综合型体系防风固沙效果的数值模拟

[目的] 针对河北省张家口市坝上地区风沙流对公路造成的沙埋问题,建立了挡沙堤—固沙砖综合型防风固沙体系,并对其防风固沙效果进行分析,以期为公路风沙灾害防治提供相关技术参数。[方法] 利用ANSYS软件对挡沙堤周围流场变化、沙粒运动轨迹、固沙砖沙障间距以及固沙砖沙障周围积沙情况进行数值模拟研究,评价挡沙堤—固沙砖综合体系的防风固沙效果。[结果] ①风沙流经过挡沙堤时,会在其周围形成减速区、加速区、紊流区和恢复区,通过风沙流减速区流场分析得到,边坡率为1∶1.2的挡沙堤防风固沙效果最佳。②利用离散相模型(DPM)模拟了沙粒跃移挡沙堤的运动轨迹。当风速为12～20 m/s时,沙粒落点在距挡沙堤11～21 m的位置,进而确定铺设固沙砖沙障的相对位置。③当固沙砖起始位置距离挡沙堤11 m,铺设成11排,1 m×1 m的方格形式时,固定地表流沙效果最佳。[结论] 挡沙堤—固沙砖综合体系通过“远阻近固”的方式来降低风速,阻挡地表流沙,固沙砖沙障能有效防止翻越挡沙堤沙粒的再次起动,改善公路沙埋现象,保证风沙灾害区域的行车安全。     

塔中地区近地层风沙流的结构特征

[目的]分析特定高度的风沙流结构,阐明其风沙流运动规律,为防沙治沙提供理论依据。[方法]采用全方位微梯度集沙仪和风速仪,收集2014年7月至2014年8月风沙流输沙样,通过对近地层0—85mm风沙流输沙率、风速进行分析。[结果]输沙率与风速的最佳拟合关系为幂函数,相关系数为0.968 7。随风速的增大,风沙流输沙率主要集中在0—35mm,0—5和15—35mm百分含量基本呈上升的趋势,5—15和35—85mm百分含量基本呈下降的趋势。[结论]风沙流运动是一种贴近地面沙物质的搬运过程,随风速的增大,输沙量越来越集中在0—35mm范围内。因此,采取各种措施改变近地表层的风状况及风沙流结构就能有效地削弱风沙活动的强度。     

两种不同配置灌木林防风固沙效益

[目的]探讨退化梭梭(Haloxylon ammodendron)林和仿真灌木+梭梭灌木林对风沙流的风速、输沙通量及其沙粒的分布影响,为干旱区退化的防风固沙林功能恢复和建立提供参考。[方法]同时测定不同高度下裸沙地、仿真灌木+梭梭林和梭梭林的风速、输沙通量及其沙粒径,比较分析其风速消减率、输沙通量变化及沙粒度随高度分布。[结果]在风速3.0~8.9m/s范围,仿真灌木+梭梭林内的20cm高度的风速平均削减率达到61.35%。梭梭林的输沙通量是仿真灌木+梭梭林的1.5倍,裸沙地平均输沙通量是仿真灌木+梭梭林输沙通量的4.13倍。梭梭林与仿真灌木+梭梭林的输沙通量随高度变化都呈指数递减,其风沙流含沙量及沙粒度的空间变化在10cm以下较大。[结论]仿真灌木+梭梭林降低了林地风沙流中黏粉粒(≤0.02mm)向空气中输送量,改变了风沙流的沙粒度空间结构,迫使风沙流的输沙集中在较低层。     

铁路高立式芦苇沙障防风阻沙的现场测试与流场模拟计算

[目的]调查在建库格铁路沿线布设的高立式芦苇沙障的阻沙与防风效果,判断高立式芦苇沙障能否满足防风阻沙的工程需要,为风沙灾害防治提供相关的科学依据。[方法]在沿线试验段进行了高立式芦苇沙障的阻沙率测试与梯度风监测,并采用数值模拟计算手段深入分析了高立式芦苇沙障的流场分布特征以及阻沙控沙规律。[结果]①现场测试发现单道芦苇沙障的阻沙率为93.85%,铁路沿线通常设置多道阻沙沙障,风沙流经过多道阻沙沙障后,基本被净化。②在单道芦苇沙障的作用下,风沙流在其周围的速度分布明显,沙障后形成的减速区较为均匀且没有涡流区的出现;芦苇沙障芦苇束的透隙率为36.5%,对风沙流的削弱影响区主要分布在沙障前3.5H(H=200 cm)和沙障后17H水平距离范围内,对来流的平均削弱程度为29.7%,最大值为48%。③当风速超过沙粒起动风速后,风沙颗粒主要分布在芦苇沙障前0.2H范围内,风沙流经过沙障后沙通量急剧降低。[结论]通过现场试验及数值模拟,揭示了高立式芦苇沙障的阻沙控沙规律。高立式芦苇沙障具有类似网式沙障的优良控沙能力,可在铁路沿线进行推广使用。     

青海省共和盆地光伏发电基地风沙灾害现状、成因及其防治措施

[目的]分析青海省共和盆地塔拉滩光伏发电基地风沙灾害现状,并探讨风沙灾害的成因,提出相应的防治对策。[方法]利用徕卡全站仪对光伏发电基地沙丘移动速率以及典型电站积沙量进行了实地测量,并结合气象资料分析了风沙灾害形成的区域风沙环境特征。[结果]沙丘前移与风沙流遇阻后在太阳能板间形成积沙是该区风沙危害的主要表现形式:该区沙丘类型以新月形沙丘为主,移动速度达12.56m/a;在一面积99hm2、风沙灾害最为严重的光伏园区内,2016年2—4月3个月内上风向光伏板间积沙可达3 090m3;研究区属中能风沙环境,为单峰风况,起沙风以西风和西北西风为主,两组风向占年输沙势的92.1%。[结论]风力强劲、风旱同期等自然特点以及过度放牧导致的土地沙漠化提供沙源是该区风沙灾害的主要成因,亟需建立固沙与阻沙措施相结合的风沙灾害综合防治体系进行风沙灾害防治。     

戈壁风沙流结构和风速廓线特征研究

通过对戈壁地表风沙流特性的风洞模拟实验,旨在探讨戈壁地表性质是如何影响气流的紊动性,并对风沙流的结构和风沙活动层内的风速廓线产生影响,从而对野外风沙工程的设计提供理论依据。实验发现:在戈壁地表风沙活动层主要集中在距地表20cm范围内;由于沙颗粒与戈壁地表的砾石发生碰撞,浓度分布不再简单的服从对数关系递减,其极值出现的高度随风速的增加而上移,呈现"象鼻效应";不同风速下风沙活动层内同一高度含沙颗粒浓度之间存在很好的相关性。     

沙漠地区高速公路防沙效应试验研究——以营双高速公路八步沙段为例

[目的]对沙漠地区高速公路防沙效应进行试验研究,旨在为我国沙漠地区高速公路防沙体系建设提供理论依据和实践经验。[方法]针对营盘水(甘宁界)至古浪(双塔)高速公路八步沙沙漠段沙害的成因、类型,采取工程措施与生物措施相结合的防沙固沙方法开展试验研究。[结果](1)无论风速大小,功能性固沙障网间的有效防护距离要远好于均一型,且在网前近地处风速降低幅度要大于均一型。功能性防沙网后的防沙效益略低于均一型防沙网,但前者可有效抬升风沙流运行高度,极大减少过境风沙流对地面的侵蚀和地表沙粒的撞击起动,加之网间风速低于沙粒起动风速,进而起到固沙作用;(2)功能性固沙障上疏下密的孔隙结构有利于气流的抬升,降低防沙网上的风压,缓解防沙网的兜风问题,能有效解决固沙障底部的掏蚀问题。[结论]所采用的两种防沙网各具优点,可作为不同的防沙措施用于防沙。其中均一型可用来制作高立式阻沙沙障,而功能性防沙网可用来制作低矮的半隐蔽式格状沙障,二者均可用于替代传统的防沙材料,具有极大的应用价值和推广前景。     

挟沙风对土壤风蚀的影响研究

风沙流的危害是多方面的,不仅破坏地表结构,削弱土壤的抗风蚀性,而且影响到植物的生长,损坏工农业设施。通过在便携式风洞内模拟挟沙气流,研究了风沙流对土壤风蚀的影响。结果表明,风沙流可不同程度地降低土壤地表结构的临界起沙风速,使土壤变得更易风蚀。风沙流因子对于土壤风蚀的影响,在不同的风速段具有不同的特征。在较低风速段,风蚀量随风速增加缓慢,当风速进一步加大,风蚀量则急剧增加,其差异最多可达4倍之多;而当风速增大到10m/s以上时,风蚀量反而有所减小,说明随着风速的加大,更多的沙粒具有了更大的动能,其运行高度增加,对土壤表面的影响作用减小,但风蚀量仍大于净风时的风蚀量。由于风沙流的磨蚀和撞击作用,削弱了土壤的抗风蚀性,使土壤变得更易风蚀。因此,采取综合措施对风沙源进行彻底治理,是控制沙漠化发展,改善生态环境的关键。     

施用PAM防治松散土风蚀的机理及其抵御风沙流能力研究

采用室内风洞试验方法,研究了内蒙古西部干旱半干旱地区荒漠沙地松散土风蚀规律、风沙流对风蚀量的影响和施用PAM防治松散土壤风蚀的机理及其抗风沙流的能力。风沙流对风蚀量的影响试验,采用试样接续放置的方法,前一试样为后一试样提供风沙流;施用PAM试样抗风沙流的能力试验,采用PAM使用量为1g/m2,2 g/m2和4 g/m2等3个处理水平和0,17.6%,36.4%,7.7%等4个吹角水平。试验结果表明,相同的风速条件下风沙流对土壤的侵蚀程度比净风侵蚀程度高得多,侵蚀量显著不同;PAM用量为1 g/m2时,在7~8m/s风速的风沙流作用下只能经历5~10 min的吹蚀试样即破坏;PAM用量为2 g/m2时可以抵御8~10 m/s风速的风沙流历时30 min的吹蚀;PAM用量达4 g/m2时,可以抵御10 m/s风速的风沙流历时30 min的吹蚀试样仍未破坏,几乎可以防止自然界99%的各级风速所引起的土壤风蚀。从经济方面考虑,推荐PAM用量为2g/m2可以防止自然界中大部分风力(约97%~99%)造成的风蚀,经济上是可行的。经PAM处理的试样破坏过程和切片分析得出,在松散土表面喷施PAM之所以能够有效地防止风蚀,最根本的原因是施用PAM溶液后松散土表面可形成较厚的结皮。     

格库铁路不同固沙措施的防护效益

[目的]确定格库铁路沿线最佳固沙措施,为沿线固沙措施布设提供理论依据。[方法]通过流体仿真(ANSYS fluent)模拟格库铁路沿线高密度聚乙烯(high density polyethylene,HDPE)板和固化沙垄方格周围的流场变化、防护距离和积沙形态变化过程。[结果]当气流通过HDPE板和固化沙垄方格时,在其周围形成6个速度分区:迎风侧低速区、遇阻抬升区、集流加速区、第1减速区、第2减速区和速度恢复区;在同等风速条件下,同一高度处固化沙垄方格的有效防护距离大于HDPE板的有效防护距离;HDPE板和固化沙垄方格内的积沙随时间动态变化,透风型HDPE板防沙形式以板内固沙为主,不透风型固化沙垄方格以沙垄前阻沙为主。[结论]综合考虑,HDPE板方格的经济性实用性以及防沙效果更好。     

双排高立式尼龙网阻沙障与草方格固沙障的优化配置及防沙效益

[目的]针对双排高立式尼龙网阻沙障与草方格固沙障联合应用,开展风洞试验研究,以优化联合沙障中尼龙网阻沙障孔隙度配置及探究各孔隙度下联合沙障的防沙效益。[方法]基于风洞模拟试验数据,开展不同孔隙度(40%,45%,55%)联合沙障,在不同风速下的风速流场、空气动力学粗糙度、摩阻风速、输沙率随高度和阻沙率方面的变化特征研究。[结果](1)相同风速下尼龙网阻沙障孔隙度40%时,联合沙障弱风区面积最大;(2)随着尼龙网阻沙障孔隙度的增大,空气动力学粗糙度和摩阻风速减小,相同风速和相同位置时,40%孔隙度下联合沙障空气动力学粗糙度和摩阻风速值最大;(3)风速增加地表输沙率也增加,联合沙障内部与背风侧输沙率随高度增加呈指数型递减,输沙主要集中在0～12 cm高度内;(4)风速大小与沙障阻沙率呈现负相关变化;阻沙率与孔隙度之间也呈负相关关系,孔隙度为40%的联合沙障具有较高阻沙率;双排高立式尼龙网阻沙措施与草方格固沙措施联合之间还存在阻沙率叠加。[结论] 40%孔隙度的双排高立式尼龙网和草方格的阻固联合可以实现较优的配置与防沙效益。     

新疆策勒县沙漠-绿洲过渡带风沙流结构及输沙粒度特征

[目的]为了分析3个不同下垫面近地表风沙流结构差异及输沙粒度特征,为输沙模型的建立提供理论依据。[方法]对策勒绿洲—沙漠过渡带风速梯度和输沙率进行野外观测,采用拟合函数回归方法分析。[结果]在0—200cm高度范围内,流沙地近地表输沙率或输沙通量与高度服从指数函数或对数函数关系,且拟合程度较高;半固定沙地近地表输沙率或输沙通量随高度服从指数函数关系,拟合程度中上等,稍差于流沙地;固定沙地输沙率随高度变化服从多项式函数关系,拟合程度中等—差。[结论]平均风速较大时,流沙地、半固定沙地地表输沙率或输沙通量随高度变化多服从指数关系,且拟合程度好于平均风速较小的输沙阶段;近地表跃移、蠕移沙粒无论在垂向还是在水平方向上,离地表越高或离绿洲越近其各高度输沙率和沙粒平均粒径都有变小和变细趋势,在水平方向上流沙地输沙沙粒分选性依次好于半固定沙地、固定沙地,分选性多属于中等或中等偏上;所有输沙沙粒的偏度值分布在-0.06~0.05之间,越靠近绿洲输沙沙粒越细;所有跃移、蠕移沙粒峰态值分布在0.92~1.05之间,属于中等峰态。     

高立式尼龙网沙障周围风沙运动特性的数值模拟与试验

为探究沙障影响下的风沙运动规律，明晰不同情况高立式尼龙网沙障周围的风速变化和积沙分布，补充野外试验数据不足的问题。该研究以磴口-乌斯太的穿沙公路为研究背景，基于FLUENT数值模拟的方法，对不同障排数量、沙障高度及入口风速下高立式尼龙网沙障周围的风速和积沙分布进行数值模拟，并通过野外试验进行验证。结果表明：不同情况高立式沙障沿水平方向的流场形式均以"V"和"W"型存在，而高立式沙障背风侧垂直方向的风速廓线形式主要以"S"型为主；风速为8 m/s，相邻障排间距为3 m条件下，分析不同障排数量对风沙运动的影响发现，单排、双排和三排高立式沙障的防护范围分别为第一排沙障至其后的6、13和20 m处，随沙障排数的增加总积沙量呈现递增趋势；风速为10 m/s，双排沙障间距8 m条件下分析沙障高度对风沙运动的影响发现，60、100、120和150 cm高立式沙障的水平流场分层点分别为0.8、1.2、1.5和2.0 m；沙障高度150 cm，双排沙障间距20 m条件下分析入口风速对风沙运动的影响发现，当风速增至15 m/s以上时，150 cm的双排沙障背风侧基本上无积沙分布，高立式沙障逐渐失去了防护作用。经野外验证真实值与模拟值的最大相对误差为8.18 %，最小相对误差为1.32 %，验证了模拟的合理性，该研究成果较好地反映了高立式沙障周围的风沙运动情况，为后续研究提供了数据基础和依据。     

直压立式纱网沙障不同取样季节输沙量变化特征

[目的] 对不同规格纱网沙障春季、夏秋季的输沙量变化特征进行定位连续测定,为进一步评价纱网沙障的固沙效果提供科学依据。[方法] 采用野外定位、定期观测方法,研究不同季节纱网沙障的输沙量变化特征。[结果] 无论是春季,还是夏秋季,设置2 m×2 m,3 m×3 m,3 m×4 m和4 m×4 m的纱网沙障对风沙流的拦截效果随着网格变小而增加,且输沙量随高度变化趋势线均呈现指数关系。来自西北风方向的输沙量大于东南风方向的输沙量,且春季输沙量大于夏秋季输沙量。和对照相比,春季3 m×4 m纱网沙障0—60 cm高度拦截的净输沙量降低了85.98%,而夏秋季降低了79.56%。[结论] 纱网沙障输沙量主要集中在地表20 cm及以下高度范围,并随着纱网沙障规格增加其降低输沙量能力减少。设置纱网沙障能有效减少风沙流危害。     

民勤绿洲灌区保护性耕作对土壤风蚀的影响

[目的]研究绿洲灌区保护性耕作对土壤风蚀的影响,评估保护性耕作在该区防治农田土壤风蚀的作用,为揭示相关机理提供参考。[方法]以甘肃省民勤治沙综合试验站为例,通过野外风洞试验,以传统耕作为对照,分析保护性耕作对风速廓线、风沙流结构(输沙量)、风蚀量的影响。[结果]保护性耕作近地表风速降低,大风时近地表风速随高度增加仍均匀增大,与传统耕作迅速增大不同,从而阻止风沙流结构出现"象鼻效应",输沙量在0—20 cm减小最为明显,土壤风蚀量减小。随试验风速的增大,保护性耕作土壤风蚀减小的程度越大。[结论]绿洲灌区保护性耕作能有效防止土壤风蚀,其中,立茬地表风速降低最多,输沙量、风蚀量较小,实施简便,适宜推广应用。     

民勤绿洲不同耕作方式农田表层土壤风蚀规律的风洞模拟研究

[目的]比较分析不同耕作方式下农田表层土壤防风蚀机理和效果,为区域社会经济和生态环境建设提供科学依据。[方法]利用室内风洞及相关配套设备对甘肃民勤绿洲区的免耕、少耕、秋翻和深松农田表层土壤进行风蚀测试,计算风蚀速率及输沙率,研究其风沙运动规律,分析各种耕作农田表层土壤防风蚀情况。[结果]耕作措施对土壤风蚀速率的影响与风速大小相关,风速较小时,不同耕作方式对风速的影响差异不显著,而当风速大于14 m/s后不同耕作农田表层土壤风蚀速率开始出现较明显差异;少耕、秋翻、深松等耕作方式对农田表层土壤风蚀速率和输沙率的影响差异不明显;免耕耕作方式下农田表层土壤风蚀速率和输沙率最低,风速越高,差距越大;风速、耕作以及两者交互作用对农田表层土壤风蚀速率和输沙率有极显著影响。[结论]免耕耕作能有效抵抗农田表层土壤的风蚀,大幅度减少输沙率,表现出极佳的抗风蚀效果。