新疆和田河流域单株柽柳灌丛流场的实验研究

柽柳是新疆和田河流域广泛分布的一种灌木,是影响柽柳灌丛沙堆发育的主要因素之一.依据风沙运动实验相似理论,以新疆和田河流域的柽柳灌丛为原型,用塑料制作成高(h)10 cm、冠幅10 cm×10 cm单株柽柳灌丛实验模型,在风洞中选用6,8,10,12 m/s和14 m/s5组不同风速,分别对单株柽柳灌丛模型作纯气流流场的模拟实验和在风沙流作用条件下单株柽柳灌丛周围沙粒蚀积特征的观测.模拟实验表明:在不同动力条件作用下,单株柽柳灌丛迎风侧的"足部"为一明显的气流减速区,但沙粒的蚀积特征表现为风蚀;在单株柽柳灌丛的上方一倍植株高度的范围内为气流加速区;在单株柽柳灌丛的背风侧顺风向为弱涡流区,表现为积沙、气流恢复区、风蚀;而在单株柽柳灌丛的两侧为气流的加速区,表现为强烈的风蚀;随着实验风速的增加,单株柽柳灌丛后涡流区内,积沙形成的沙条长短轴的长度经历了一个先减小后增大的变化过程;柽柳灌丛引发的风沙流流场结构的变化,干扰了风沙流的运行,对于维持柽柳灌丛沙堆的形态,促进柽柳灌丛沙堆的增长具有重要的作用.     

塔克拉玛干沙漠4种结构尼龙阻沙网的防风阻沙效益对比

常用尼龙阻沙网的孔隙度为均匀分布,而风沙流结构在垂直方向上是非均匀分布的。通过设计4种孔隙度非均匀分布的尼龙阻沙网：大条带上疏下密式（A）、大条带上密下疏式（B）、小条带疏密相间式（C）,将其布设在塔克拉玛干沙漠腹地的垄间平地,以均匀结构阻沙网为对照（CK）。对4种阻沙网前后的风速变化、防风效能、积沙形态、积沙量进行对比。结果表明：① B阻沙网有效防护距离最短,仅为6H（H为阻沙网的高度）,其余3种结构有效防护距离差别不大,均为15H;在网后10H处0.15 m、0.3 m和0.5 m 3个观测高度,风速削弱程度的平均值存在明显差异,呈C>A>B>CK。② 在风季后期,4种结构阻沙网前后积沙量B最小,其余3种类型差别不大。③ 综合考虑防风和阻沙效益,C阻沙网提供了一个较好的结构模式,防护效益最好,B阻沙网最差,A和CK阻沙网效益相差不大。研究结果为高立式沙障结构优化设计提供了参考依据。     

新疆S214省道高立式芦苇沙障合理间距分析

以新疆S214省道沙害防治区段为背景,应用CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法分析了高立式芦苇沙障周围的风沙流场,结果表明:高立式芦苇沙障周围流场可分为迎风侧减速区,上方加速区和背风侧恢复区,背风侧无明显涡流区生成,沙障间的合理间距与风速呈负相关。现场布置模式对20 m·s~(-1)的风沙流有较好防护效果,低于此风速时,第二道沙障背风侧基本无恢复区生成,后两道沙障迎风侧积沙较多且紧贴沙障分布,压埋沙障速度较快。通过相贴原理优化沙障间距,可以充分发挥各道沙障的防护作用,有效抵御风沙流侵袭,适当延长沙障使用年限。根据前人观测数据、现场调查和数值模拟结果,建议研究区内高立式芦苇沙障间距宜为20～25 m。该研究结果可为研究区内高立式芦苇沙障的合理布置提供理论依据,也可为其他风沙防护工程的建设提供参考。     

乌兰布和沙漠天然灌丛防风阻沙效益研究

对乌兰布和沙漠封沙育草带内的天然灌丛周围风速及输沙量的野外观测结果表明,天然白刺灌丛沙堆对风沙流具有阻滞作用,风沙流在迎风面受阻堆积,在背风面风速下降40.3~42.1%,并形成低速区,引起沙粒堆积;沙蒿灌丛对2m高处风速没有影响,但可引起灌丛背风面近地表0.5m处风速下降20.5%。灌丛的迎风面存在一个减速区,灌丛顶部及两侧为加速区,灌丛背风面存在一个静风区和一个尾流区。灌丛侧面的输沙量最大,背风面输沙量最小,迎风面2H处输沙量大于1H处,这与各点的风速变化是一致的。对不同盖度沙地的输沙量进行的观测表明,输沙能力随植被盖度的增加而减小,流动沙地输沙量最大,在5.6~9.4m/s风速范围内输沙量为2.25~21.75g,半固定沙地的输沙量次之,为0.32~13.58g,固定沙地最小,为0.06~2.29g。     

高立式尼龙网沙障防风阻沙特征及其合理配置

高立式沙障在线性工程风沙灾害防护中被广泛应用,布置模式直接影响工程防风阻沙效率和成本效益。在乌兰布和沙漠穿沙公路迎风侧,选择上疏下密式尼龙阻沙网分别设计4种高度单行、4种高度3种间距双行沙障来模拟风沙灾害防治观测场,使用阶梯式集沙仪与HOBO风速采集仪对不同风速下防风阻沙效率参数进行观测。结果表明:(1)低风速(12 m·s-1)背景下,高立式尼龙阻沙网沙障障后有效防护距离单行为3H(相同沙障高度的距离)以内,双行为12H。(2)单行高立式尼龙阻沙网沙障的障后3H沙障截留率平均为85.14%,障后5H平均为91.23%;双行障后3H平均为93.53%。(3)在中低风能地区线性工程防护中配置尼龙阻沙网时,不建议使用0.6 m及以下高度沙障;8 m·s~(-1)风速及以下可配置1 m高度单行尼龙阻沙网沙障;8～12 m·s~(-1)风速可配置间距8H、高度0.8～1.0 m双行尼龙阻沙网;在大风速区(12 m·s~(-1))选择拓宽间距至10H、高度1.2 m尼龙网沙障多条带复式配置。此模式可优化治沙工程设计,完善线路工程沙害防治体系。     

策勒流沙前沿柽柳灌丛沙堆地表蚀积变化特征

为了研究柽柳灌丛沙堆表面蚀积变化特征及其风沙环境演变方向,采用插钎法对策勒流沙地半球形柽柳灌丛沙堆进行地表蚀积变化观测,结合同步气象数据,采用数理统计和函数拟合方法分析,结果表明:柽柳灌丛沙堆迎风坡和顶部为风积区,沙堆外围西北区、北翼区、南翼区均为年蚀积动态平衡区,在一年内既不风蚀也不风积。灌丛沙堆外围的西南区为严重的沙丘前移风蚀区,受多风向变化影响,沙堆外围的东侧背风区为轻微-中等程度的风蚀区。沙堆表面年净风积量为0.47 m3,风蚀量为0.004 8 m3,风蚀主要发生在背风坡坡底和裸露的坡脚上。沙堆表面风积量与每个阶段起沙风时间呈一定相关性,除了北翼区表面风积量与大于起沙风平均风速中等相关外,其余几个观测小区风蚀量、风积量与对应的大于起沙风的平均风速之间相关性较差,沙堆西区、北翼区、背风区表面风蚀量与起沙风时间为中等程度相关性,背风区的相关性最好,灌丛沙堆表面和外围南翼区风积量与每个阶段起沙风时间呈中等程度相关性。     

库布齐沙漠机械防沙措施的防护效益

在库布齐沙漠风沙防治试验场,开展了机械防沙措施的防护效益观测。结果表明:防风效益、阻沙效益和表土含水率等随沙障材料、规模和结构发生变化。1 1 m×1 m植物纤维网沙障和高密度聚乙烯(HDPE)网沙障风速降低比(K值)分别为58.5%和55.7%,均高于同规格的沙柳沙障的18.3%,说明同一规格下植物纤维网防风效果要优于其他材料;2 1 m×1 m植物纤维网沙障和1 m×1 m HDPE沙障的K值均小于相同材料8 m×8 m沙障的K值,说明小规格低立式沙障防风效应,低于相同材料较大规格高立式沙障;3月积沙量数据分析表明,阻沙栅栏能有效减小积沙量,而固沙沙障内积沙量受风向和局部地形影响较大;4不同材料与不同规格沙障内的表土含水率均高于对照区裸沙地,说明防沙措施对保持土壤水分也起到了一定作用。     

单排光伏板防风固沙功能的风洞模拟研究

为了阐明光伏板的防风固沙功能,在风沙环境风洞内模拟研究与主风向呈2种角度(β=45°、β=90°)的单排光伏板在4种不同风速条件(5m/s,8m/s,12m/s,16m/s)下的风速流场和防风效能,并采用在光伏板底部覆沙的方法研究其风蚀积量的变化过程和固沙功能.结果表明:1)两种角度的单排光伏板对来流风速均具有分流减速...     

亚玛雷克沙漠猫头刺和小叶锦鸡儿灌丛结构与风影沙丘间的关系

以亚玛雷克沙漠丘间地猫头刺(Oxytropis aciphylla Ledeb.)及小叶锦鸡儿(Caragana microphylla Lam.)2种典型灌丛及其风影沙丘为研究对象,采用摄影测量法获得了灌丛及其风影沙丘野外测量数据,分析了2种灌丛结构及其与风影沙丘间的关系。结果表明:在生境相同的情况下,猫头刺的平均积沙面积远小于小叶锦鸡儿,但平均积沙量却大于小叶锦鸡儿。植株高度、冠幅及植株迎风面剖面面积均为控制灌丛积沙效果的关键特征参数。在灌丛大小相近的情况下,猫头刺灌丛结构与风影沙丘特征参数间相关性更大些,积沙效果要优于小叶锦鸡儿。2种灌丛高度及灌丛迎风面剖面面积与其风影沙丘底面积、沙丘长度与沙丘体积总体上具有较高的拟合程度。2种灌丛的阻沙能力随着灌丛高度和灌丛迎风面剖面面积的增加呈不同增加趋势,且猫头刺阻沙能力大于小叶锦鸡儿。     

风沙区高速公路波形梁护栏附属设施影响下的气流变化及蚀积特征

为揭示风沙地区高速公路波形梁护栏对气流的影响，探究护栏影响下的高速公路路面积沙原因，文中采用Realizable k-ε方程结合增强壁面函数模型对路面波形梁护栏作用下的气流流场进行模拟，分析波形梁护栏影响下的三维气流场。结果表明：气流通过波形梁护栏时，在护栏底部和顶部受压加速，护栏正后方受到加速气流的分离填补，在护栏后侧形成对称涡，近地表气流向y+方向扩散形成上升流，地表剪切力增大，涡耗散消失后，地表气流动能最小。随着来流气流速度增加，护栏后方的涡呈现作用范围增大且涡周期脱落趋势。对照波形梁护栏影响下的气流特征和野外护栏影响下的积沙堆积部位有很好的映证关系，即风速在6-7m/s时，积沙部位在护栏后方2.5H处，即涡流耗散的边界。针对于三维风速和湍流难以直观测量的困难，该模拟计算为认识下空上密型构造物对流体的影响提供了方法和思路。     

尼龙网方格沙障防风效应复变规律

方格沙障的布设参数直接影响防风效应的复变作用,定量表达其复变规律,对于沙障配置模式的确定具有重要意义。在乌兰布和沙漠机械整平的风沙观测场,铺设9种不同高度、规格的尼龙网方格沙障,观测其在不同风速背景下的风速流场特征,揭示方格沙障防风效应的复变规律。结果表明:尼龙网方格沙障防风效应复合变化受不同指示风速下,沙障高度与规格共同的影响。沙障内部0. 1 m高度的风速随防护宽度的增加呈对数函数递减,指示风速增大1 m·s~(-1),风速衰减率增加0. 07倍;沙障高度增大0. 1 m,风速衰减率增加0. 20倍;方格边长增大1 m,风速衰减率减小0. 07倍。观测的9种规格方格沙障,30 cm高度1 m×1 m规格沙障复变作用最强,15 cm高度2 m×2 m规格沙障复变作用最弱。该结果可为确定沙障合理防护宽度、节约沙障铺设成本、优化沙障布设技术提供基础数据和理论支撑。     

新建格库铁路挡沙堤阻沙机理研究

文中基于FLUENT有限元软件,对挡沙堤周围流场和沙粒运动轨迹进行数值模拟。结果表明:当风沙流流经挡沙堤时,会在挡沙堤周围形成堤前减速区,集流加速区,高速区,背风低速区和速度恢复区;在气流速度恢复过程中,不同高度的气流层(某一高度处的气流)速度恢复到稳定值所需要的距离不同,气流层所处高度越大,经过挡沙堤后,恢复到初始速度所需的距离越小;随着初始风速的增大,挡沙堤有效防护距离在减小。通过不同风速下挡沙堤周围流场分析,1.5m高挡沙堤有效防护距离为12～20m,在有效防护距离之外,需要设置截沙沟来增强拦截效率;利用DPM模拟了沙粒运动轨迹,沙粒落点在10H左右的位置。综合流场分析和DPM模拟结果,推荐截沙沟的设置距离为8H～12H,可为现场施工提供一定理论支撑。     

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。     

内蒙古高原小叶锦鸡儿灌丛沙堆对气流结构与风蚀的影响

小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌丛沙堆是内蒙古高原东南部农牧交错区的主要风沙堆积类型。通过对该区典型灌丛沙堆周围风沙气流的野外观测,结果表明,气流方向与强度和输沙率,随沙堆不同位置而发生变化。绕过沙堆两侧的气流和越过沙堆上部的气流在背风侧汇集,并在同等沙堆高度的范围内和1.5倍沙堆高度的水平范围内出现涡流。从灌丛沙堆迎风坡脚经南北两侧至背风坡脚以及背风侧5倍沙堆高度的水平距离间,风速依次出现逐渐增大—最大—逐渐减小—最小—回増至旷野风速的变化过程。在不同风向条件下,灌丛沙堆背风侧气流的风速廓线,并不完全遵循对数变化规律,沙堆南侧气流在0.3~0.6 m高度处出现变异。另外,沙堆周围输沙率在迎风侧和南北两侧与风速变化基本一致,但在背风侧因气流方向紊乱而出现变异。输沙率随高度增加,在沙堆迎风侧至两侧各部位呈有规律递减,但在背风侧无规律。     

植被沙障对近地表风沙流特征影响的风洞实验

植被沙障在一些地区已成为沙害防治的有效手段,其应用也越来越广泛,但对其治沙机理尚不很清楚.在盖度为10%,15%,20%,30%,40%,60%情况下,对植被沙障的防风固沙效益进行了风洞试验.实验风速设置为6,8,11 m/s,测定不同植被盖度的风速廓线特征、风沙流结构特征及其防沙效果.实验结果表明:①积沙总量随盖度增加而逐渐降低,风沙流中的砂粒分布在一定的高度范围内,但分布的高度随盖度的增加呈下降趋势;②植株的茂密程度对风沙流的结构有明显影响,盖度越高,积沙量越集中在下部;③盖度并不是导致积沙量为零的唯一指标,风蚀是否发生,还与植被的疏透度、防护林的高度等有关.     

西鄂尔多斯珍稀濒危沙冬青及伴生种对土壤特征的影响

为探究荒漠灌丛及其伴生种对灌丛下土壤粒径、养分空间异质性的影响，以西鄂尔多斯国家级自然保护区内沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）-霸王（Sarcozygium xanthoxylon）混生群落、单株沙冬青为研究对象，以周围无植被覆盖的裸沙地为对照（CK），对比分析不同灌丛分布类型下土壤粒度特征、养分积累变化及养分与粒度组成的作用关系。结果表明：（1）单株沙冬青土壤黏粒、粉粒、细砂的体积百分含量较沙冬青-霸王分别增加0.8%、0.8%、0.71%。随灌丛种类减少，土壤粒径依次变细，分选性变差，分形维数变小，土壤颗粒分布逐渐不对称，颗粒组成向细粒物质集中。（2）土壤有机质、碱解氮含量随灌丛种类的增多分别增加了1.85 g·kg-1、8.18 mg·kg-1。单株沙冬青对有机质、速效磷的富集作用较沙冬青-霸王更强，对碱解氮的积累效果较沙冬青-霸王稍差。（3）沙冬青-霸王土壤速效磷含量与细砂含量呈显著正相关（P<0.05），沙冬青土壤碱解氮、速效钾与粗砂呈显著正相关（P<0.05）。沙冬青-霸王、沙冬青可有效促进土壤颗粒细粒化、显著改善土壤养分，但伴生种霸...     

策勒绿洲-沙漠过渡带不同植被沙丘表面风沙沉积物粒度特征分析研究

通过对策勒绿洲-沙漠过渡带不同植被类型下沙丘表层风沙沉积物粒度分布特征进行研究,探讨不同荒漠植被类型下风沙沉积物的沉积规律。结果表明:胡杨、骆驼刺、柽柳、花花柴灌丛沙堆表层沉积物粒级组成均以极细砂(57.20%-60.37%)为主,其次为极粗粉砂(18.47%-21.34%)和细砂(16.56%-19.03%),骆驼刺灌丛沙堆表面整体风沙沉积物平均粒径最细(84.06μm),胡杨沙堆表面整体沙物质平均粒径最粗(88.88μm)。四种植被沙堆表面沙物质的分选性总体上在中等-较好水平,分选系数介于1.44-2.02之间,胡杨沙堆表层沙物质的偏度值在顶部附近属于极负偏,骆驼刺、柽柳、花花柴灌丛沙堆表面沙物质均为负偏。峰度值介于0.95-1.51之间,胡杨沙堆顶部附近及骆驼刺沙堆表层沙物质主要属于窄峰态,柽柳、花花柴沙堆表面沙物质属于中等峰态。沙物质平均粒径与偏度值呈极显著正相关性(p<0.01),沙物质的分选系数与峰度值呈极显著正相关性,沉积物粒度特征空间差异主要受物源、植被高度、冠型、疏透度等因素影响。     

红砂灌丛沙堆土壤粒度组成及养分积累特征

为探究荒漠灌丛对其沙堆土壤结构和养分空间异质性的影响，以白音恩格尔自然保护区的优势种红砂（Reaumuria soongorica）灌丛沙堆为研究对象，对其土壤粒度组成及土壤养分积累特征进行分析。结果表明：（1）研究区土壤粒径组成以细砂为主，含量为36.34%～65.31%，黏粒、粉粒含量均小于7.00%;(2)红砂灌丛沙堆沉积物趋于细化，由背风侧、迎风侧到沙堆间空地土壤颗粒分选性依次变差，峰态逐渐宽平，分形维数逐渐变小，灌丛沙堆土壤粒径组成含量分布较丘间空地更对称；（3）灌丛沙堆迎风侧和背风侧有机质（SOM）、碱解氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）含量分别较沙堆间空地增加29.37%和40.63%、23.49%和35.12%、62.72%和66.45%、30.10%和22.75%(P<0.05)，且相对作用强度（Relative Interaction Intense, RII），即RII>0。红砂灌丛起到防风滞沙和重新分选沙粒的作用，并且在丛间地风蚀和植物反馈作用下养分向灌丛沙堆富集，形成“肥岛”效应。     

火星Kaiser陨石坑新月形沙丘近表层风况特征

风沙地貌的形态和分布能够较好地反映区域风况,而沙波纹作为一种小尺度的风沙地貌类型,可以很好地指示现代风况下沙丘近表层的流场状况。文中利用HIRISE影像监测了火星南部Kaiser陨石坑内新月形沙丘表层沙波纹的形态特征,并以此探讨分析了沙丘近表层的气流场特征。结果表明:(1)沙波纹的脊线长度主要分布在100-300m之间,平均长度为190.3m;波长主要分布在2-5m之间,平均波长为3.1m,且基本符合正态分布。(2)三处样地沙波纹的主要走向分别为NE-SW、N-S和NW-SE,与沙丘脊线走向呈近似90°的夹角。(3)沙丘近表层气流的走向主要为NW-SE、W-E和SW-NE,并由此推断陨石坑内沙丘主要受到自西向东气流到控制,在遭遇地形影像后又向西发生了折返。上述研究表明沙丘形态及其分布的区域差异性是在复杂的风沙环境下形成的,沙波纹可用作沙丘近表层风况特征研究的代用指标。     

吸沙式挡沙墙设计及防护效益分析

为了解决沙粒掩埋挡沙墙造成挡沙墙防护效果降低,文中基于k-ε湍流模型的RANS方法和多孔介质模型对不同参数的吸沙式挡沙墙进行数值模拟计算,并采用风洞试验验证文中所选湍流模型和网格划分策略的正确性。研究结果表明：风沙流经过挡沙墙会形成速度分区,分别为墙前减速区、墙后墙体结构导致的局部加速区、墙体正上方加速区、墙后涡流区以及恢复区。随着挡沙墙孔隙率减小,背风侧有效遮蔽区域越大,背风侧积沙位置离墙体越近,吸沙式挡沙墙的最优孔隙率在25%～35%,考虑到制造工艺,孔隙率选35%为宜;文中所设计挡沙墙的吸沙功能良好,吸沙量的大小正相关于孔隙率和来流风速;吸沙式挡沙墙周围的水平风速随高度增加逐渐从“U”型转变为“V”型分布,风速廓线在垂直方向上呈现倒“S”形分布。当风速一定时,有效防护距离随着挡沙墙高度的增加而增大,积沙范围增大;当高度一定时,积沙位置随着来流风速的增大逐渐向下风向转移。挡沙墙高度越高,承受的风压越大,工程造价上升,从防护距离和工程造价两方面考虑,四块挡沙板是吸沙式挡沙墙最合理阻沙高度。