戈壁、流沙地表风沙流特性研究

通过对戈壁、流沙地表风沙流特性的风洞模拟实验研究,风沙流中的风速廓线分布满足幂函数的形式,其幂指数在0.20左右。对于戈壁地表,在不同风速下,相同高度层含沙量具有很大的相关性,风沙活动层主要集中在距地表20cm范围内;由于沙粒与戈壁地表的砾石发生碰撞,风沙流不再服从对数关系递减,其极值出现的高度随风速的增加而上移,呈现"象鼻效应"。     

沙漠地区风沙活动特征——以中国科学院风沙观测场为例

运用中国科学院风沙科学观测场的实测资料,对腾格里沙漠风沙环境特征进行初步分析,内容包括起沙风、风沙活动强度、风沙流结构和沙漠边界层的风速廓线.该地区的起沙风以6～8 m/s为主,占总起沙风的71.63%,其次为8～10 m/s,占19.24%,两者之和占90.87%;大风日数为4天;风向以W-N组风向为主;占全年的53.14%.年输沙势为36.56VU,风能属于低风能环境,单一主风向和单风态风环境.风沙流主要集中在地表的0.1 m,占总输沙量的95.46%.观测场近地层厚度大于50 m.     

近地表风沙流结构对不同植被覆盖度的响应

在不同植被覆盖度条件下,通过对风速与输沙率之间对应函数关系的比较,揭示了风沙流结构与植被覆盖度之间的数量关系,从而定量化表达风沙流结构特征。     

毛乌素沙地风沙流结构的研究

运用曲线拟合、拟合方程等方法,对毛乌素沙地南缘流动沙丘0～30cm垂直高度范围内的风沙流结构进行了分析研究。结果表明:在0～30cm高度,输沙率均与风速成正比,与高度成反比,幂函数拟合关系最佳。其中,各高度层输沙率随风速的变化分别呈幂函数或指数函数关系,同风速下输沙率随着高度的增加而减小,呈幂函数或指数函数关系;随着风速和气流中总输沙率的增加,0～30cm高度范围内的绝对输沙率增加,相对输沙率(%)的变化为下层趋于减少,中层略变,上层增加,风沙流结构的特征值λ增大;风沙流中沙粒粒度沿垂向变化为细沙增加,中沙减少,沙粒平均粒径变细。     

沙障工程防治格状沙丘前移的风洞实验研究

分析研究表明，格状沙丘主梁是在主风作用下形成的横向新月形沙丘链；而副梁是在两个次主风的共同作用下，在横向沙丘链迎风坡上逆向形成的纵向沙丘。风洞实验和野外观测结果证明，延缓格状沙丘前移，可以在其主、副梁上采用高立式加半隐蔽式沙障，构成复合沙障，利用其抬高阻滞作用而达到目的。     

乌兰布和沙漠沿黄段不同治理措施的风沙运移特征及其防护效果

为科学治理黄河乌兰布和沙漠沿岸风沙入黄问题,以该河段沿线流沙为对照,开展了麦草沙障、沙柳沙障、葵花杆沙障和梭梭林为代表的工程与植物固沙实验,对不同治理措施下的风速廓线、粗糙度、风沙流结构、防护效果及其相互关系进行了野外观测与室内分析。结果表明:1)各沙障和梭梭林内风速廓线发生改变,近地表风速显著降低,地表粗糙度和摩阻风速显著增加。2)流沙表面输沙量分布随高度增加呈对数递减,90%集中在0~10cm范围,98%分布在0~30m范围内。3)不同措施的输沙率随风速的增加呈增加趋势,但输沙率仅为流沙的1.07%~38.27%,可很好的控制近地表的流沙活动。4)各类固沙措施的实施效果排序葵花杆沙障>梭梭林>沙柳沙障>麦草沙障,控制流沙效果均达到75%以上,对固定流沙均能起到积极作用。综合考虑固沙效果、成本、运输以及使用寿命等,该地区选择葵花杆沙障和梭梭较为合适。该研究结果可为解决风沙入黄问题、完善黄河沿岸风沙防护体系提供参考。     

塔里木沙漠公路对近地表风沙运动过程的影响

通过对塔克拉玛干沙漠腹地野外试验数据的分析,探讨了塔里木沙漠公路对近地表风沙运动过程的影响.结果表明:①阻沙栅栏和草方格固沙带对近地表气流的速度和风速廓线形成很大影响,风速整体被削弱,而且越接近地表,削弱程度越大,风速廓线的垂直梯度增加;②在防沙体系内,地表输沙率急剧下降,风沙流结构发生很大变化,下层含沙量下降,而上层含沙量相对变化较少,在阻沙栅栏的积沙带和草方格固沙带内上层含沙量趋于均匀分布;(3) 阻沙栅栏和草方格固沙带也影响沙丘的移动.当主导输沙风向与栅栏相交呈小角度时,靠近栅栏的沙丘顺栅栏走向侧向移动相交呈大角度时,移动方向变化不大,草方格固沙带不影响沙丘的移动方向;阻沙栅栏和草方格固沙带能降低沙丘的移动速度,而在固沙带内部,由于沙丘的逆向演变,沙丘体积减小,移动速度较快.     

土壤凝结剂沙障防沙机理的风洞模拟实验研究

模型按 1 :1 0比例设计 ,在 7m/s、1 5 m/s和 2 0 m/s的实验风速下 ,对不同浓度土壤凝结剂处理的沙障模型进行风洞实验 ,测定其蚀积状况。实验结果表明 :抗风蚀强度以 40 %浓度处理的固沙模型最强 ,2 0 %最弱 ,但 30 %浓度防风蚀效果较为实用。积沙状况与浓度关系不明显 ,水平放置与坡面 ( 30°)放置时均以 1× 1 m规格的沙障积沙最多 ,1 .5× 1 .5 cm次之 ,2×2 cm最差。风速在障前受阻减弱 ,而后沿流速方向在沙障间逐渐增大 ,在第二格上方障埂处出现最大值 ,障后逐渐减速 ,直至障高 1 0倍处趋于稳定。障前、障后风速降低是引起障前、障后积沙的主要原因 ,也是土壤凝结剂沙障的防沙机理。     

巴丹吉林沙漠拐子湖地区贴地层风速廓线和风沙流结构特征

野外监测试验表明：自由风和风沙流廓线拟合虽都以Z=A·exp(-X/T)+Z₁形式分布,但在风沙流中拟合系数更高;风沙流结构中,在20 cm以下随着高度的增加,各高度的输沙率百分比、含沙浓度、运动颗粒能量都呈增大趋势;20 cm以上随高度增加,各高度输沙率百分比变小,输沙率占总输沙率的51%左右,含沙量主要集中在离地面20 cm以内;风沙流在垂直方向上,高度与含沙平均粒径呈负相关,风速与含沙平均粒径变化呈正相关。这些结论对拐子湖地区防风治沙有重要的指导意义。     

来流廓线对风沙流场和风沙堆积影响的数值模拟——以挡沙墙为例

来流风速廓线是控制与影响风沙流场变化的关键因素。基于CFD欧拉非定常模型,通过对不同来流廓线形式在特定粗糙度下垫面的数值分析,探究来流廓线对流场风速与积沙形态的影响。结果表明:2种来流廓线形式均在挡沙墙周围形成速度分区。其中,在背风侧,均匀流时回流区不明显,对数流时则回流区较明显;在迎风侧,均匀流时速度发生突变,对数流时则呈对数规律递增;不同来流形式下挡沙墙积沙分布不同,均匀流时只在背风侧形成积沙,而对数流时两侧均有积沙,且迎风侧积沙多于背风侧,来流速度越大,迎风侧积沙减小,而背风侧增多。     

策勒绿洲-荒漠过渡带风沙前沿近地面不同方向的输沙特征

利用策勒绿洲-荒漠过渡带风沙前沿输沙资料及风速风向资料,分析这一区域近地面输沙的方向分布特征。结果表明：① 风沙前沿起沙风风向以W、WNW为主,风向变化比较单一;② 观测点输沙量集中于NW、WNW、W、SW、WSW 5个方位,合计占总输沙量的68.3%;0～40 cm高度年输沙量为96.0 kg,年合成输沙量为45.9 kg,合成输沙方向为102.5°;③ 观测点年输沙势为43.2 VU,年合成输沙势为31.04 VU,输沙势的方向分布与实测输沙量存在较大差异。     

塔克拉玛干沙漠北缘荒漠过渡带风沙流结构特征分析

利用多种集沙仪,通过野外实时输沙观测,对塔克拉玛干沙漠北缘荒漠过渡带的地表风沙流特征进行了分析,结果表明：① 100 cm高度范围内,总输沙量的47.3%分布在30 cm高度内,这一比例小于前人的研究结果;输沙量随高度的变化比较符合幂函数分布。② 风沙流输沙的粒径以细砂、极细砂与粉砂为主,各高度层所占比例均达99%以上;风沙流输沙平均粒径随高度增加而减小,沙尘的含量随高度增加呈现“象鼻”状分布。③ 风沙流中贴地层风速廓线受风沙相互作用的影响,不再符合对数分布,更加符合幂函数u=az^b分布。     

塔里木盆地西北部3种典型下垫面风沙活动特征

风沙流结构是风沙活动特征和土壤风蚀发生过程研究的核心内容。选取塔里木盆地西北部阿克苏地区棉田、枣园和沙漠-绿洲过渡带3种典型下垫面为研究对象,对比分析3次强风条件下不同耕作方式的农田地表和沙漠-绿洲过渡带的风沙流结构特征。结果表明:沙漠-绿洲过渡带由于近似于天然的流沙面,风沙流结构符合幂函数规律,在0~30 cm高度内的输沙量占到总输沙量的88.3%,这一结果高于在塔克拉玛干沙漠其他地区的观测水平;在农田下垫面条件下,由于受到土壤耕作方式和地表植被的影响,风沙流结构发生了很大变异,在0~2 m高度内不再符合幂函数变化规律;沙漠-绿洲过渡带表现出比农田下垫面更大的风沙流的强度,强度从4.08 g·m-1到187.69 g·m-1;覆膜棉花的种植在一定程度上抑制了农田的土壤风蚀。     

青藏铁路沱沱河路段流场特征及沙害形成机理

通过对青藏铁路沱沱河路段路基流场结构、风速廓线特征的风洞模拟实验研究,发现气流在途经铁路路基时,路基断面对近地表流场改变极大,在其两侧形成明显的遇阻抬升区、集流加速区、减速沉降区以及消散恢复区。铁路沙害的形成主要是路基迎风侧气流由于遇阻抬升和集流加速,对路肩和路基中上部产生风蚀;随着气流加速抬升,底层砂粒以跌落沉降的方式堆积在路基迎风坡坡脚,造成路基沙埋;当气流越过路基,在背风侧由于减速沉降和涡旋运动,风沙流处于过饱和状态,将所携带的大量砂粒堆积在背风坡。     

Effect of the W-beam central guardrails on wind-blown sand deposition on desert expressways in sandy regions

Many desert expressways are affected by the deposition of the wind-blown sand,which might block the movement of vehicles or cause accidents.W-beam central guardrails,which are used to improve the safety of desert expressways,are thought to influence the deposition of the wind-blown sand,but this has yet not to be studied adequately.To address this issue,we conducted a wind tunnel test to simulate and explore how the W-beam central guardrails affect the airflow,the wind-blown sand flux and the deposition of the wind-blown sand on desert expressways in sandy regions.The subgrade model is 3.5 cm high and 80.0 cm wide,with a bank slope ratio of 1:3.The W-beam central guardrails model is 3.7 cm high,which included a 1.4-cm-high W-beam and a 2.3-cm-high stand column.The wind velocity was measured by using pitot-static tubes placed at nine different heights(1,2,3,5,7,10,15,30 and 50 cm)above the floor of the chamber.The vertical distribution of the wind-blown sand flux in the wind tunnel was measured by using the sand sampler,which was sectioned into 20 intervals.In addition,we measured the wind-blown sand flux in the field at K50 of the Bachu-Shache desert expressway in the Taklimakan Desert on 11 May 2016,by using a customized 78-cm-high gradient sand sampler for the sand flux structure test.Obstruction by the subgrade leads to the formation of two weak wind zones located at the foot of the windward slope and at the leeward slope of the subgrade,and the wind velocity on the leeward side weakens significantly.The W-beam central guardrails decrease the leeward wind velocity,whereas the velocity increases through the bottom gaps and over the top of the W-beam central guardrails.The vertical distribution of the wind-blown sand flux measured by wind tunnel follows neither a power-law nor an exponential function when affected by either the subgrade or the W-beam central guardrails.At 0.0H and 0.5H(where H=3.5 cm,which is the height of the subgrade),the sand transport is less at the 3 cm height from the subgrade surface than at the 1 and 5 cm heights as a result of obstruction by the W-beam central guardrails,and the maximum sand transportation occurs at the 5 cm height affected by the subgrade surface.The average saltation height in the presence of the W-beam central guardrails is greater than the subgrade height.The field test shows that the sand deposits on the overtaking lane leeward of the W-beam central guardrails and that the thickness of the deposited sand is determined by the difference in the sand mass transported between the inlet and outlet points,which is consistent with the position of the minimum wind velocity in the wind tunnel test.The results of this study could help us to understand the hazards of the wind-blown sand onto subgrade with the W-beam central guardrails.