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.     

塔里木河下游生态输水前后生态与环境的动态变化研究

早在4000年前的原社社会,塔里木河(以下简称塔河)下游绿色走廊已经形成。在近百年的历史中,前20年是绿色走廊的兴盛时期,自20世纪20年代中期以后,绿色走廊开始近代历史上的衰败过程,特别是近50年来塔里木河上中游的水土开发活动,使得下游地区的来水量骤减并中断有近30年的历史,从而引发了下游绿色走廊的逐步走向衰败、土地荒漠化趋势加剧等生态环境恶化问题。为了改善塔河下游地区的生态与环境、抑制土地退化的加剧、挽救濒临灭绝的下游天然植被,截止2005年11月共向该地区输水7次,断流30年的塔里木河下游完成了第四次应急输水后,大体达到维系下游生态的必须水量,输水使河道两侧植被生长状况发生明显改善,生物呈多样化变化。笔者在1998年5月,2002年10月和2004年5月三次对塔河中、下游地区进行实地考察获得了第一手资料,本文在前人研究的成果基础上和实地考察资料相结合,对塔里木河下游生态输水前后生态与环境的动态变化进行探讨。     

巴丹吉林沙漠湖泊形成的机理分析

依据实际调查资料并结合前人研究成果,在探明区域水文地质条件的基础上,系统计算分析了沙漠区及外围盆地地下水的补给与排泄,发现沙漠区地下水补给量小于排泄量2.55×108 m3/a,不能解释内陆湖泊水量长久不衰的原因;而位于沙漠区西缘的黑河金塔-鼎新盆地地下水补给量大于排泄量2.66×108 m3/a,未见盆地内地下水位大幅度上升,多余的水量不知去向;与沙漠区衔接的其它盆地地下水资源匮乏且处于补排基本平衡的状态,根本无途径和多余的水量补给沙漠区.前人研究结果证实,横贯我国西北-东西的阿尔金大断裂的东延部分及其所形成的羽翼状断层带存在地表破碎带,且地势西高东低并具有良好的导水性,而这个地表破碎带通过了金塔-鼎新盆地和巴丹吉林沙漠,正好位于沙漠内陆湖泊群附近.而湖泊群一带存在大量钙华和钙质胶结层及湖水中3He/4He的比值,均表明湖泊水经过了深部地壳层的循环,加上黑河正义峡-哨马营段河水海拔高于湖泊群的佐证,认为黑河在金塔-鼎新盆地强烈渗漏所产生的地下水顺着阿尔金断裂自西向东源源不断地补给了巴丹吉林沙漠,经过目前还不为人知的深部循环方式,地下水在湖泊群地表破碎带向上运移形成上升泉,最终成为巴丹吉林内陆沙漠湖泊群水源的补给来源.     

基于无人机技术黄河沿岸沙丘移动速度监测及影响因素分析

为更便捷地监测乌兰布和沙漠黄河沿岸沙丘移动速度并解析其影响因素,该研究以乌兰布和沙漠沿黄段沙丘为研究对象,应用无人机航拍技术开展沿岸沙丘的季节性地貌过程和影响因素研究。结果表明:1)研究区沙丘年移动速率1.08～2.27 m/a,多年平均输沙势为78.82 VU,年合成输沙势为25.92 VU,处于低风能环境,8～12 m/s等级风输沙势是年输沙势的主要部分,约占73.24%。方向变率(合成输沙势(Resultant Drift Potential,RDP)与输沙势(Drift Potential,DP)的比值)RDP/DP保持在0.30～0.46之间,属于中等变率。合成输沙方向RDD为57.83°～107.39°,与沙丘移动方向较为一致,西风组占全年输沙势的52.09%,是沙丘年移动的主要驱动力。2)沙丘移动速率具有明显的季节特征,整体呈现春季移动速率快,冬末-春初次之,秋季与秋末-冬末相近,夏季移动速率最慢。其中,秋末-冬末、春季和秋季输沙势DP 8.48～20.49 VU,合成输沙势方向在90.02°～95.54°之间,RDP/DP值均在0.3～0.8之间,属于中等变率,西风组作用显著,这与年合成输沙方向及沙丘走向较为一致;冬末-春初和春末-夏季分别受东北风(NE)和南风组(SSE、S、SSW)作用,沙丘通过形态变化适应风向,移动速度降缓。季节输沙势主要集中在8～10m/s风速等级,约占整个季节输沙势的40.76%～56.93%。3)综合各季节和年际输沙势与沙丘移动距离呈线性正相关,拟合方程为y=1.02+0.006 62x(R~2=0.339,F=5.616,P=0.045),方程总体显著,输沙势可以表征该地区沙丘移动距离。基于无人机监测的沙丘运动研究综合显示,风况是该地区影响该地区沙丘移动的主要动力,其中西风组8 m/s以上风速是研究区沙丘移动的主要驱动力。风向变率和合成输沙势方向与沙丘移动方向一致时沙丘移动则快,不一致时则缓;无人机可在较大尺度上为沙丘移动提供更为便捷的监测服务,研究结果可为同类地区沙丘移动的无人机监测提供参考依据。     

改性玉米芯制备太阳能界面蒸发体及其性能分析

针对天然生物质材料应用于海水淡化领域,蒸发效率较低、材料容易降解等问题,采用多巴胺对天然玉米芯进行改性处理,以改性玉米芯为基底,在其表面包覆炭黑-纤维素薄膜,制备了一种集光热转换、输水、隔热于一体的太阳能界面蒸发体。对改性玉米芯蒸发体的光学吸收性能、输水性能、接触角进行表征,并搭建了室内蒸发试验和户外蒸发试验系统,测试了改性玉米芯的蒸发性能,与天然玉米芯相比,改性玉米芯蒸发体的蒸发速率相对未改性的提升了约10.4%。对改性玉米芯蒸发体进行了30次循环试验,蒸发体均保持稳定的蒸发速率,整个循环测试中蒸发速率波动不超过1%。并且,长期工作后,蒸发体表面没有盐分沉积,没有出现材料软化、降解现象。改性玉米芯蒸发体在海水环境中能够保持良好、稳定的蒸发性能,且能够有效降低海水中的Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等离子浓度,达到世界卫生组织所规定的饮用标准中的相应限值。改性玉米芯蒸发体的制备方法简单、成本低廉、蒸发性能稳定,为扩展生物质材料在海水淡化领域的应用提供了有效途径。     

SWAT模型子流域划分引起的土地利用变化对径流和输沙模拟结果的影响

为揭示水文模型计算单元划分引起的土地利用变化对模拟结果的影响,采用SWAT模型,通过设置11种子流域阈值情景(4 000,3 200,2 000,1 500,1 100,800,400,200,100,50,25 hm²),并保持地形和土壤数据不变,定量分析了子流域划分引起的土地利用空间离散化对径流输沙模拟结果的影响。结果表明:(1)随着子流域数量的增加,流域内土地利用中面积最大的林地呈先增加后减少趋势,所有情景下林地面积均高于实际林地面积; 而随着土地利用离散程度的增加耕地面积呈减少趋势,水域、草地和建设用地面积则呈增加趋势并逐渐接近实际面积;(2)土地利用空间离散化导致年均径流量(1.85%)和输沙量(65.84%)减少,且对输沙量影响更显著;(3)土地利用空间离散化造成洪水过程和输沙峰值显著降低,并导致年最大1 d、连续最大5 d和连续最大7 d输沙量显著下降(p<0.01)。综上所述,SWAT模型不同子流域划分显著改变了流域土地利用分布,进而引起径流输沙有关参数变化,最终导致径流和输沙模拟结果的变化。     

黄土坡面细沟径流输沙对水动力学参数的响应

细沟径流输沙是细沟侵蚀产沙的重要过程,阐明细沟径流输沙与水动力学参数之间的关系可以有效地揭示细沟径流输沙的动力学机制,并为建立细沟侵蚀过程物理模型奠定基础。采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验,研究黄土坡面细沟径流输沙对水动力学参数的响应关系。结果表明:1)一次降雨径流产生的细沟输沙模数对水动力学参数平均值响应关系大小顺序为平均水流断面单位能量(R=0.99)>平均水流功率(R=0.88)>平均水流切应力(R=0.82)>平均单位水流功率(R=0.76);2)降雨径流过程中,细沟输沙率对水动力学参数瞬时值响应关系为水流切应力(R=0.88)>水流功率(R=0.47),水流断面单位能量和单位水流功率的相关性较差,细沟输沙率对水流切应力的响应关系呈幂函数方程关系。     

蒋家沟泥石流入汇时小江悬移质输沙特征分析

以2009年8月4日蒋家沟的一场泥石流入汇小江后泥沙观测资料为基础,分析了蒋家沟泥石流入汇小江后的泥沙输移特征。泥石流为小江直接提供了大量的悬移质泥沙,导致入汇时小江输移的泥沙量剧增,输沙率达到了平时的5倍以上;部分堆积于入汇口的泥石流固体物质也在泥石流结束后受小江水流冲刷再次起动,使小江悬移质输沙率在泥石流结束后呈平稳下降,与蒋家沟呈幂曲线下降形成明显的区别。由于泥石流输入的泥沙中细颗粒更容易被小江水流输移,因此尽管入汇的泥石流泥沙中粗颗粒含量较高,但在小江泥沙中含量增加的却是较细的粉沙、黏土颗粒,小江悬移质的中值粒径与含沙量、输沙率和流量的关系曲线都呈上凸形。     

黄土坡面细沟径流输沙过程试验研究

细沟侵蚀是黄土地区坡面最主要的侵蚀方式之一,输沙过程是细沟侵蚀中的重要环节,阐明细沟输沙过程对理解细沟侵蚀发生发展过程机理及治理坡面水土流失具有重要意义。该文采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验,对黄土坡面细沟径流输沙过程进行研究,结果表明:(1)不同降雨强度及不同坡度下,细沟径流输沙率随径流过程的变化具有极大的相似性,都随径流历时的增加而逐步递增,可用幂函数方程很好地描述;(2)细沟径流输沙模数随降雨强度及坡度的增大皆相应增加,可分别用幂函数方程及指数方程很好地描述;(3)雨强及坡度的综合作用可用二元幂函数方程很好地描述,其中,二者的影响基本相当;(4)水流切应力是与细沟输沙动力学过程关系最密切的水动力学参数,细沟输沙动力学过程的发生发展根源于细沟水流剪切力的动力作用。