固定裸沙地粗糙度动力学特性的分析与研究

主要利用曲线拟合的方法,结合野外实测数据计算固定裸沙地的粗糙度,对计算出的粗糙度和风速进行回归分析和方差分析,由此对粗糙度的动力学特性进行分析与研究,结果表明:在下垫面不发生改变的情况下,空气动力学粗糙度与风速的增长呈负相关关系,即粗糙度具有动力学特性。但是由于两者相关程度并不显著,因此在实际工作中可以忽略风速对粗糙度的影响。     

均匀式沙蒿防风阻沙效益模拟试验研究

沙蒿广泛分布在半固定沙地、固定沙地,是固沙造林的理想植物,研究沙蒿的防风阻沙效益对沙区人工植被建设和土壤风蚀防控具有十分重要的理论指导意义。利用HOBO多剖面自计式遥测风速廓线仪和组合式多通道通风集沙仪,对盖度分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%的人工模拟均匀式沙蒿林内风速、粗糙度、近地表输沙率等进行了观测。结果表明,盖度50%是均匀式沙蒿的一个临界点,当植被盖度不大于50%时,随着植被盖度的增大,林内近地表风速逐渐降低,粗糙度逐渐增大,近地表输沙率逐渐减小;当植被盖度大于50%时,随着盖度增加,林内的近地表风速、粗糙度、近地表输沙率并无明显变化。     

植被对土壤风蚀影响的风洞实验研究

利用风洞模拟实验,系统研究了植被覆盖对土壤风蚀的影响。结果表明,临界侵蚀风速与植被盖度之间、风速与土壤风蚀发生的临界植被盖度之间均为非线性正相关关系;植被盖度与空气动力学粗糙度、摩阻速率之间具有良好的相关性;植被覆盖条件下空气动力学粗糙度和摩阻速率的增大对土壤风蚀具有显著的影响。     

塔里木盆地西南缘不同下垫面的摩阻风速和空气动力学粗糙度

[目的]分析各下垫面摩阻风速和地表空气动力学粗糙度变化特征,揭示不同下垫面的风蚀潜力大小。[方法]通过2010—2012年野外气象观测,尝试计算由流动沙漠到绿洲4个连续下垫面的摩阻风速和空气动力学粗糙度的变化并分析其变化原因,评价摩阻风速和空气动力学粗糙度其对风蚀敏感性的影响。[结果]流动沙地和半流动沙地摩阻风速(u*)和空气动力学粗糙度(z0)的年内变化不明显,固定沙地和绿洲的摩阻风速和空气动力学粗糙度年内变化呈现单调递增变化规律。摩阻风速在流动沙地、半流动沙地、固定沙地和绿洲4个下垫面分别为0.33,0.44,0.61,和0.81m/s。空气动力学粗糙度在流动沙地、半流动沙地、固定沙地和绿洲4个下垫面分别为0.39,13.58,39.51和310.8mm。[结论]流动沙地风蚀发生的潜力最大而绿洲风蚀发生的潜力最小。     

不同植被覆盖防治土壤风蚀对比研究

通过对毛乌素沙地不同下垫面上风速、地表粗糙度、临界起沙风速、风沙流结构的观测,发现植被覆盖可以有效防止地表风蚀：植被盖度为40%的固定沙地近地表0.2 m高度平均风速比流动沙地降低45%,侵蚀风的持续时数降低83%,临界起沙风速提高70%,地表粗糙度提高190倍;当风沙流速度相同时,20%覆盖度的半固定沙地较流动沙地可平均降低输沙79.4%;而植被盖度为40%的固定沙地较流动沙地可平均降低输沙95.6%。实验证明,单株植物同样可以降低风速。疏透结构和透风结构的单株沙蒿分别可以使植株后0.5 m高度的风速较植株前方平沙地同高度的风速下降59.4%和19.8%。     

天然灌草植被防治土壤风蚀机理

通过对毛乌素沙地不同下垫面上风速、地表粗糙度、临界起沙风速、风沙流结构的观测,发现植被覆盖可以有效防止地表风蚀。植被盖度为40％的固定沙地近地表0．2m高度平均风速比流动沙地降低43％,侵蚀风的持续时数降低85％,临界起沙风速提高70％,地表粗糙度提高180倍;当风沙流速度相同时,20％覆盖度的半同定沙地较流动沙地可平均降低输沙62．33％;而植被盖度为40％的同定沙地较流动沙地可平均降低输沙93．07％。实验证明,单株植物同样可以降低风速。疏透结构和透风结构的单株沙蒿分别可以使植株后0．5m高度的风速较植株前方平沙地同高度的风速下降59．4％和19．8％。     

毛乌素沙地常见灌木单株对土壤风蚀的影响

选取沙蒿、柠条、杨柴3种灌木单株为研究对象,对其周围风速及输沙量进行观测,应用空气动力学原理分析这3种植物单株对土壤风蚀的作用,结果表明：1）在春季植株尚未展叶的时期,相似横截面的3种单株,透风系数小的沙蒿植株比其他植物的防风阻沙作用显著,且防护距离最大;2）不合理的配置格局会导致灌丛之间形成的流场空间产生狭管效应,加重土壤的风蚀,今后的植被建设中,植株要进行合理的配置,才能使其产生更好的防护效果。     

不同配置方式沙蒿灌丛对土壤风蚀影响的对比分析

沙蒿灌丛广泛分布在半固定沙地、固定沙地、覆沙滩地、梁地等多种生境中,是固沙造林的理想植物。研究不同配置方式的沙蒿对土壤风蚀的影响对于干旱、半干旱地区生态建设和防治土壤风蚀具有十分重要的意义。本文选取毛乌素沙地常见的覆盖度在20%～25%的3种配置格局沙蒿灌木林进行分析研究,通过其对周围的风场分布以及风能变化两个方面出发进行研究,从量化的角度探讨灌木群落风场中粗糙度、风速廓线、风力衰减等问题,比较不同配置格局的林带对土壤风蚀的影响程度,综上所述,结果表明,行带式、均匀式、随机式沙蒿配置方式的风速廓线都遵循一元线性回归;覆盖度相同的3种配置方式,行带式配置的沙蒿林内地表粗糙度最稳定,平均防风效果最好。研究表明,行带式沙蒿对于土壤风蚀的防治效果最好。     

冀北坝上地区3种人工灌木林地防风蚀效果的比较

选取冀北坝上地区防风固沙林为研究对象,通过观测风速、地表粗糙度、临界起沙风速、输沙量、风沙流结构等指标,对比分析3种人工灌木林地(沙棘林地、柠条林地、沙柳林地)防风蚀效果。结果表明:人工植被能够增加地表粗糙度,改变近地表风场和风沙流结构,降低风速,减少输沙量,有效防治土壤风蚀。不同人工灌木林地防风蚀效果存在较大差异。从主要观测指标来看,粗糙度和临界起沙风速为柠条林地>沙棘林地>沙柳林地;输沙量为柠条林地<沙棘林地<沙柳林地;防风效应为沙棘林地>沙柳林地>柠条林地;固沙效应为柠条林地>沙棘林地>沙柳林地。冀北坝上地区应充分发挥林木防风固沙、保持水土的特性,采用生物治沙技术与措施,合理配置人工植被开展生态建设,防治土壤风蚀,改善生态环境。     

起沙风速的观测方式及其影响因素研究综述

起沙风速作为研究风沙运动规律、解决风沙工程问题的关键指标之一受到广泛关注。学者们根据研究目的及内容的不同总体主要采用两种研究方法:一是利用风速仪在野外进行直接测量;二是在之前学者研究的基础上,利用理论模型,通过计算临界摩擦速度等求得起沙风速。学者们在选择研究方法时会以研究内容作为参考,而起沙风速的影响因素是其中重要的一项。起沙风速受多种因素的影响,通常情况下:①起沙风速随粒径的增大而增大,但含水量变化会使这种现象发生改变;②植被覆盖度越大、植被类型越丰富、组合模式越复杂起沙风速越大;③地表结皮率、砾石覆盖度、地表粗糙度等均会对起沙风速产生影响。     

Aerodynamic roughness of cultivated soil and its influences on soil erosion by wind in a wind tunnel

Serious soil erosion on cultivated soil by wind occurs extensively in semiarid regions. Surface roughness of cultivated soil that can be characterized by aerodynamic roughness length (z₀) has important implications to wind erosion. Here we report the wind tunnel results of aerodynamic roughness lengths of five treated soils and soil wind erosion rates at different z₀ and wind velocities. The results suggest that the diameter of the largest soil clods exposed and uniformly distributed on the soil surface is an important factor that controls aerodynamic roughness length. Negatively related to aerodynamic roughness length under provided wind velocity, wind erosion rate is a function of z₀ and wind velocity for cultivated soil. Erosion rates decreased with aerodynamic roughness length especially when z₀ is smaller than 0.1 cm and increase non-linearly with wind velocity, and that the smaller the aerodynamic roughness is, the more rapid that increase will be. Regression model comprising z₀ and wind velocity is developed for predicting wind erosion rates for cultivated soil, which quantitatively reflects the influences of aerodynamic roughness length on soil erosion at various wind velocities.     

粗糙元覆盖对土壤风蚀的控制作用

应用湍流边界层中粗糙壁面的阻力分解规律研究土壤风蚀中的临界侵蚀风速、输沙率和风蚀率,建立了一个揭示地表粗糙元对土壤风蚀控制作用的理论模型。该模型给出了临界侵蚀风速与盖度之间的指数关系,临界侵蚀风速与农田茬高之间的指数关系,以及反映输沙率(或风蚀率)与盖度(或茬高)、风速之间依赖关系的理论公式。然后应用天然地表风蚀和农田风蚀的多家实验数据,对这些理论公式进行了广泛地检验和评价,发现具有很好的普适性。     

农田休闲期垄作地形对近地表风场的影响

垄作是旱作农田常用的保护性耕作技术,而其防风抗蚀的机制尚需研究。通过野外试验,对垄脊高25cm,垄沟宽1.5m的垄作田上风向、垄间及下风向地带0～4m的风流场进行了同步观测,对不同观测位置的时均风速、空气动力学粗糙度、摩阻速度和风速脉动进行了对比分析。结果表明,土垄间和下风向近地表0～1m内时均风速比上风向平坦地表明显降低,其中高0.3m处降低幅度最大。水平方向上风速降低幅度、空气动力学粗糙度和摩阻速度均随观测点与垄作地表距离的增大而减小。受风速递增的影响,风速的绝对脉动强度随高度呈对数关系递增。风速的相对脉动强度在0～1m内随高度增大而降低,1m以上基本无变化。高0.05m处风速的相对脉动强度在水平方向上随与垄作田距离的减小而增大,其中垄间最大,时均风速相同时对地面剪切力最大。     

灌木林盖度对风沙土风蚀作用的影响

通过野外实地调查和定位观测,系统研究了灌木林盖度对风沙土风蚀的影响.结果表明:临界侵蚀风速与灌木林盖度之间为非线性正相关关系;风速廓线受灌木林盖度的影响显著;风蚀率随灌木林盖度的减少呈指数增加;灌木林盖度、气流场特征及风蚀性质之间存在着较好的对应关系;空气动力学粗糙度及零风速平面位移高度均与灌木林盖度之间呈幂函数关系.     

作物残茬与生物篱组合对减轻土壤风蚀的作用

为了探究中国北方农牧交错带冬春风蚀季节生物篱与作物残茬组合对间作裸露秋翻地的防护作用,采用风蚀圈和野外移动式风洞试验的方法对研究区土壤风蚀情况进行监测,利用PC-3型自动气象站进行风速测定。结果表明,油葵秆生物篱减小了间作裸地近地面风速,提高了地表粗糙度;从防风蚀效果看草谷子茬优于油葵秆生物篱;在距油葵秆生物篱或草谷子茬下风向裸地不同位置处,土壤风蚀量基本呈先增加后减小的单峰曲线变化趋势,在4 m左右土壤风蚀量最大,在篱和茬的双重保护下,距茬5 m处发生了风积现象;土壤风蚀量降低率基本呈“V”字型分布;土壤风蚀模数随风速增大而增加,在生物篱的保护下5～15 m/s风速时土壤风蚀降低率为5.03%～20.53%。因此,油葵秆生物篱具有防风蚀作用,而且与草谷子残茬组合对间作裸地会起到更好的固土防蚀作用。     

留茬高度对带状留茬间作农田土壤防风蚀效果的影响

针对内蒙古阴山北麓农牧交错带土壤风蚀严重的问题,研究了带状留茬间作的防风蚀效果,通过测定风速、地表粗糙度和土壤风蚀量,揭示不同留茬高度对留茬地和相邻裸露地的防风蚀效果.结果表明,随着留茬高度的增加,作物残茬带近地表风速降低,且留高茬(30 cm)效果最明显;随着测定高度的增加,同一留茬高度对风速的降低程度减小.地表粗糙度随留茬高度的增加而增大,留高茬地(30 cm)和邻高茬裸地的地表粗糙度分别较对照增加了466.67％和126.98％.土壤风蚀量随留茬高度的增加而减少,留高茬地(30 cm)和邻高茬裸地的风蚀量分别较对照减少了90.21％和65.51％.因此,作物残茬既增强了自身带的防风蚀效果,又在一定程度上保护了邻茬裸露带,留茬高度30 cm时防风蚀效果最好,对相邻裸露带的保护作用最明显.     

甘肃河西冬小麦保护性耕作对土壤风蚀影响的风洞试验研究

土壤风蚀是指松散的土壤物质被风吹起、搬运和堆积的过程以及地表物质受到风吹起的颗粒的磨蚀过程,其实质是在风力的作用下,表层土壤中的细颗粒和营养物质的吹蚀、搬运与沉积的过程。我国受土壤风蚀及土地沙漠化影响的面积占国土总面积的1/2以上,主要分布于北方干旱、半干旱地区。甘肃河西走廊是我国荒漠化最严重的地带之一,该地区春小麦种植长期采用铧式犁翻耕是导致该地区农田土壤风蚀的主要原因。通过室内风洞试验揭示了冬小麦保护性耕作措施条件下风蚀量、起动风速、风速廓线、地表粗糙度的差异及相关关系。结果表明,各个处理风蚀量、起动风速均高于对照处理,风蚀量与风速存在幂函数关系,16 m s-1风速是土壤风蚀程度由轻变重的一个转折点;在距土样表面5~50 mm范围内,随着高度的递增免耕秸秆覆盖(NTS)、免耕不覆盖(NT)处理较秸秆翻压(TIS)、传统耕作(T)处理风速增加缓慢,每个处理高度(H)与风速(V)遵循指数函数。NT、NTS处理与对照(SWT)的粗糙度K的差异在0.01水平上达到了极显著,TIS处理与对照(SWT)在0.05水平上差异显著,而T处理与对照(SWT)差异不显著。风蚀率(Q)与地表粗糙度(K)之间存在显著负相关关系。起动风速与地表粗糙度存在显著负相关关系。     

库布齐沙漠含水率对风沙运动影响的风洞模拟

采用室内分析和风洞模拟试验的方法,研究了不同风速下库布齐沙漠沙丘沙含水率对粗糙度、风速廓线和风沙流结构变化的影响。根据风洞实际动力情况,确定试验进口风速为6,8,10,12,14,16m/s;除干沙外,人工配制了含水率为0.25%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%6组不同湿度的沙样,分别开展了风洞模拟试验。结果表明,地表粗糙度随着风速的增加而增大,但随湿度的增加整体呈减小趋势;试验所包含的湿度范围内,其风速廓线均随高度呈对数分布,随风速的增大,风速廓线的对数规律越好,风速梯度逐渐减小;湿度越大输沙率随风速增加的绝对量变小,但相对量有所增加;随着湿度的增加输沙率呈整体下降趋势;不同湿度输沙率都出现随高度增加而减少的趋势,当湿度达到2.5%时,不管任何高度风蚀过程几乎停止;干沙输沙量80%集中于近地表5cm内,但随着湿度增加,5cm以上输沙率所占比重呈增加趋势,当湿度介于0.25%~1.5%时,地表5~8cm之间输沙量占总输沙率的30%以上。说明在地表含水率较高的库布齐沙漠,采用格状沙障等增加地表粗糙度的机械防沙措施能收到比西部沙漠和戈壁地区更为理想的效果,而且采用固沙措施的高度也应高于干沙地区。