砾质戈壁在不同扰动方式下的风蚀量研究——以敦煌雅丹地质公园北边的砾质戈壁为例

通过野外移动式风洞,测定了雅丹的砾质戈壁在不同破坏方式、破坏强度、不同风速和不同破坏面积下的风蚀量。结果表明:砾质戈壁不同破坏方式下的风蚀量为:车碾压剥去砾石破坏不去砾石破坏脚踩踏;不同破坏强度下的风蚀量为:车碾压三道车碾压一道。连续破坏的风蚀量要明显高于间隔破坏。无论在哪种破坏方式和破坏强度下的风蚀量都要远远大于自然床面。不同破坏方式引起的风蚀量随着风速的增大呈指数增加,当风速低于10 m·s~(-1)时床面以轻微侵蚀为主,当风速12 m·s~(-1)时床面以强烈侵蚀为主。戈壁破坏面积与风蚀模数无关,因此可以利用风蚀量乘以对应的面积来估算各个破坏面积下的风蚀总量。不同扰动方式与强度对风沙流结构也有明显影响。     

偏西风作用下敦煌月牙泉金字塔沙山顶部风沙流初步观测研究

金字塔沙山丘体高大,形态复杂,坡面风沙动力过程实地观测困难,至今尚无坡面风沙流野外观测数据。通过新研制自动集沙仪,对偏西风作用下敦煌月牙泉北侧金字塔沙山顶部风沙流进行了实时观测,共观测8组近地表51.4 cm高度内输沙数据,各观测时段中2 m高度平均风速7.46～14.15 m·s^-1,各组观测时长18~95 min。结果表明：偏西风纵向气流作用下金字塔沙山风沙流结构与平坦地表一致,即输沙量随高度增加呈单一的指数规律递减,且风沙流主要在近地表30 cm高度内输移。风沙流结构特征值λ以大于1为主,且随风速增大而增大,表明金字塔沙山坡面过程主要表现为风蚀过程。偏西风作用下金字塔沙山风沙流中沙粒以细沙为主,平均粒径随高度增加而减小;沙山迎风坡沙粒从坡脚到沙脊线逐渐粗化,风蚀作用增强,细沙从而随风沙流搬运至沙山顶,对金字塔沙山多以细沙为主的格局形成起重要作用。     

乌兰布和沙漠流动沙丘风蚀空间分布规律及其影响因素

为科学治理黄河乌兰布和沙漠沿岸风沙入黄问题,以该河段风沙危害严重的刘拐沙头流动沙丘为研究对象,开展沿岸沙丘风蚀与沉积规律及其影响因素研究。结果表明：（1）沙丘不同部位风蚀与沉积存在差异,与风速在沙丘的空间分布相关。迎风坡坡脚、坡中以风蚀为主,风蚀速率分别为1.07、1.31 cm·d^-1;坡顶风蚀和沉积交替进行,风蚀速率2.16 cm·d^-1,沉积速率1.36 cm·d^-1;沙丘背风坡受反向气流影响以沉积为主,沉积速率2.19 cm·d^-1,风蚀主要出现夏秋季节反向风时期;丘间地受上风向沙丘阻挡的影响,一般以沉积为主,平均沉积速率0.12 cm·d^-1。丘间地净风蚀量与背风坡显著差异（P<0.05）,但与坡脚、坡中和坡顶差异不显著（P>0.1）;背风坡净风蚀量与坡脚、坡中和坡顶极显著差异（P<0.01）。从总风蚀速率来看,风沙活动活跃强度排序：坡顶 > 背风坡 > 坡中 > 坡脚 > 丘间地。（2）冬春季节风蚀与夏秋季节存在显著差异（P<0.05）,风力和降水的季节性差异是造成风蚀季节性差异的主要因素。研究结果可为沿岸流动沙丘风沙入黄防治和完善黄河沿岸风沙防护体系提供参考。     

科尔沁沙地奈曼旗近5年来风况及合成输沙势

应用奈曼沙漠化研究站1998-2002年的气象资料, 统计分析了奈曼旗近5a来的风况特征和输沙势。结果表明: ①研究区3~5月起沙风发生频数最高, 占全年起沙风的38%~58%; 平均风速和最大风速值最大, 分别为6.0~7.5m·s^-1和9.5~16.9m·s^-1。该风况特征与地表冻融、裸露、干旱疏松相耦合, 形成了区内的风沙活动期。②在风沙活动期内, 风环境基本为锐双峰风况, 西北风居主导地位, 频数占54%; 南风和西南风次之, 频数占38%。③在风沙活动期内, 研究区属于高风能环境, 合成输沙势RDP为66.3VU(风速以m·s^-1为单位), 合成输沙方向RDD为ESE113°。     

半干旱区不同类型沙丘风沙流结构特征

采用两种阶梯式集沙仪和小型气象站于2017年4—5月对科尔沁沙地流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘0~75 cm气流层风沙流的总输沙量、输沙率、粒径组成分布和风蚀特征值进行了观测。结果表明：（1）随着高度增加,总输沙量下降,随着风速增加,总输沙量上升;92.20%~95.60%的输沙量发生在0~21 cm高度。（2）总输沙率（Q）流动沙丘>半固定沙丘>固定沙丘,将Q与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘幂函数最佳（R²=0.986）,半固定（R²=0.990）和固定沙丘（R²=0.956）指数函数最佳。（3）将各高度的输沙率与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘（R²≥0.905）和半固定沙丘（R²≥0.968）拟合度幂函数好于指数函数,固定沙丘（R²≥0.923）指数函数优于幂函数。（4）在一定高度下,3类沙丘输沙率均随着风速的增加而增加;在一定风速下,输沙率随着高度的增加而逐渐递减。（5）3类沙丘的特征值随着风速的增加呈现出逐渐递增的趋势;流动沙丘以λ>1为主,表现出持续侵蚀输送沙粒的能力;半固定沙丘当风速>9.0 m·s^-1时逐渐出现侵蚀状态;固定沙丘以λ<1为主,近地表风沙以堆积状态为主。（6）3类沙丘主要由粒径为0.1~0.25 mm的细沙构成,在0~30 cm高度,细沙占输沙量的50.09%~85.11%,在30~75 cm高度,细沙占输沙量的43.53%~75.53%。     

乌鲁木齐市城区和郊区近地层风速廓线

利用乌鲁木齐市5座100 m气象塔10层风速观测资料,分析了乌鲁木齐市城区和郊区近地层风速季节变化和日变化特征。结果表明：（1）乌鲁木齐市风速最大值出现在14：00-16：00,最小值多在夜间或上午。冬季风速最小、夏季最大;冬季风速始终处于较为稳定、有微小波动的低值区;夏季风速表现出一定的变化趋势。（2）夏季风速在一年里波动最大,随地势降低波动减小,南郊最大（1.5~6.4 m·s^-1）,北郊最小（1.3~4.6 m·s^-1）;秋季和春季风速波动次之;冬季风速波动最小,南郊最大（1.3~4.6 m·s^-1）,北郊最小（0.7~2 m·s^-1）。（3）近地层100 m内城区和北郊风速随高度变化较小,冬季基本为1~2 m·s^-1,而南郊风速随高度增加变化幅度最大,从1 m·s^-1增加到4 m·s^-1以上;愈近地面,城区与郊区风速相差愈大,近地面城区平均风速明显低于郊区,春季、夏季、秋季和冬季分别低5%~32%、8%~30%、15%~37%、14%~48%。（4）近地层风速廓线在近中性层结时一般符合对数风速廓线模式,对数律显著性不强的时段主要在正午前后。     

兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质垂直分布特性

跃移质作为风沙流的主体,其近地表垂直分布规律是风沙物理学的重要研究内容,对防沙工程具有重要的指导意义。受研究条件与观测仪器限制,戈壁特别是极端大风区近地表风沙流结构特性研究较为薄弱。利用多梯度风蚀传感器与阶梯式集沙仪对兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质的垂直分布特性进行了观测研究。结果表明：兰新高铁烟墩风区戈壁沙粒发生跃移运动的2 m高临界风速达12 m·s^-1;戈壁近地表风沙流具有明显的阵性特征,沙粒跃移发生的时间比例在50%以下,与平均风速成正相关关系,与风速脉动强度无显著相关关系;2 m高阵风7级风速下,戈壁跃移沙粒主要集中于地表50 cm范围内,近地表风沙流结构呈"象鼻效应",跃移质最大质量通量出现在地表2.5~5 cm高度处,沙粒最大跃移高度可达2 m,且沙粒跃移高度随2 m高风速的增加呈指数规律递增。因此,兰新高铁烟墩风区2 m高阻沙栅栏不足以完全阻截戈壁风沙流,是造成烟墩风区兰新高铁轨道积沙的重要原因之一。     

复膜沙袋阻沙体与芦苇高立式方格沙障防沙机理风洞模拟实验

模型按1:10比例尺设计,在u_∞=7.0 m·s^-1、u_∞=10.0 m·s^-1和u_∞=15.0 m·s^-1实验风速下,先在纯气流作用下测定流场结构,然后在风沙流作用下测定蚀积状况。实验结果表明:紧密型、疏透型和通风型3种不同结构的复膜沙袋阻沙体前近处分布有拐角阻滞绕流区、阻沙体顶下方抬升加速区、阻沙体后回流区、阻沙体后贴地层低速回流区等流场特征结构,紧密型、疏透型两种类型复膜沙袋阻沙体防风阻沙效果显著;2.5 m×2.5 m、5 m×5 m和10 m×10 m的高立式芦苇方格前沿流速逐渐增大,最大值出现于迎风第一格上空,而后逐渐阻滞减速,至15~20 m处趋于稳定,区内积沙均匀。复膜沙袋阻沙体与原状芦苇高立式方格沙障适宜于流动性沙漠地区各种设施的沙害防治工程。     

青藏铁路察尔汗盐湖段风沙活动特征

研究青藏铁路沿线的风沙活动特征,可以为认识高原铁路风沙危害的形成机理、建立完善有效的护路防沙体系提供参考。在实地考察风沙地貌的基础上,架设测风塔获取风况信息,采集了沙丘表层沉积物样品,对铁路沿线察尔汗盐湖段的风动力条件、沙丘沉积物粒度特征和沙丘形态特征进行了分析。结果表明：（1）研究区域年平均风速为3.7 m·s^-1,风速最大值出现在春季。起沙风以WNW方向为主,属于中风能环境,低风向变率,宽单峰型风况。合成输沙方向（298.14°）与铁路走向（208.86°）垂直相交。稳定的西北风、风沙流与铁路线路走向垂直的风况特征是青藏铁路沙害形成的动力条件。（2）沉积物以中沙、细沙为主,但细沙组分占优;分选性较好,粒径分布表现出与铁路线越近、颗粒越粗的规律。粒径0.063~0.04 mm的沙粒为青藏铁路风沙危害提供了物质条件。（3）铁路线两侧沙丘分布特征及变化指示该路段风沙活动强烈,现有防沙体系退化严重,风沙危害日益突出。     

包兰铁路沙坡头段防护体系内的风沙沉降规律

对沙坡头铁路防护体系内的风沙沉降进行了断面观测,据此分析了沉降速率、粒度组成和物源的时空变化规律。结果显示：防护体系前沿流沙区、防护距离50～300 m的植被区和300 m以外的植被区风沙沉降速率分别为108.6、17.1 kg·m^-2·a^-1和1.5 kg·m^-2·a^-1。随防护距离增大,沉降颗粒逐渐变细,分选变差,跃移组分含量逐渐减少而悬移组分含量逐渐增大,沉降来源逐渐由前沿流沙区近地面风沙运动颗粒转变为以大气降尘为主的悬移颗粒。年内风沙沉降的高峰期为3-5月,6-8月沉降减弱,9月至次年2月风沙沉降最弱,3个阶段内防护体系植被区月均沉降量分别为0.59、0.10 kg·m^-2和0.04 kg·m^-2。3-5月风沙沉降以上风向邻近区域的风蚀起沙为主,6-8月较远源的大气降尘相对增加而上风向邻近区域的风蚀起沙相对减少,9月至次年2月风沙沉降物源以大气降尘为主。     

HDPE功能性固沙障防风效应试验

根据仿生学原理,按照普遍使用并取得显著防护效益的草方格上疏下密式孔隙结构,采用抗紫外线性能强、耐极端气温和抗老化性强的HDPE材料制作出相似孔隙结构的功能性固沙障。通过风洞模拟试验,对比分析HDPE均一型与功能性固沙障的防风效应。结果表明：（1）均一型和功能性固沙障的有效防护距离随着风速的增大呈现指数衰减。（2）在低风速（<14 m·s^-1）条件下,均一型固沙障的总有效防护距离比功能性固沙障大;而在高风速（>14 m·s^-1）条件下,均一型固沙障的总有效防护距离比功能性固沙障小。无论风速大小,功能性固沙障网间的有效防护距离都远大于均一型。（3）均一型和功能性防沙网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。功能性防沙网适宜作较矮的半隐蔽式格状沙障,而均一型防沙网更适宜作高立式阻沙沙障。     

Wind tunnel and field calibration of five aeolian sand traps

The efficiency of five aeolian sand samplers was tested via wind tunnel experiments and field measurements. The samplers were: the Big Spring Number Eight (BSNE) sampler, the Modified Wilson and Cooke (MWAC) sampler, the Suspended Sediment Trap (SUSTRA), the Pollet catcher (POLCA), and the saltiphone. In the wind tunnel, the samplers were calibrated against an isokinetic sampler (a modified Sartorius SM 16711 sampler with adjustable flow rate), and this for three sand types (median diameter: 132, 194 and 287 μm) and five wind speeds (ranging from 6.6 to 14.4 m s⁻¹). In the field, seven calibration tests of two weeks each were conducted. The absolute efficiencies of the BSNE, MWAC and POLCA are more or less comparable and vary between 70% and 120%, depending on sediment size and wind speed. For the SUSTRA, the efficiency is somewhat lower for fine sands and for wind speeds above 11 m s⁻¹. Finally, the saltiphone can accurately detect the periods of saltation transport, but in its current version, the instrument is not accurate when measuring the absolute saltation flux. The most recommendable sampler in the test is the MWAC, not only because of its high efficiency, but also because its efficiency is independent of wind speed.     

若干特殊地表风蚀的风洞实验研究

经风洞模拟实验,本文对四种特殊地表在净风和挟沙风情况下的风蚀特性,进行了定量的研究。揭示了原始地表结构受人为破坏后,其抗风蚀能力急剧降低的特点。探讨了风成沙粒配、戈壁风蚀平衡与风蚀有关的几个问题。     

风速分辨率对土壤风蚀模数计算结果的影响

风是土壤风蚀的驱动力,风力直接影响土壤风蚀的强度。风速是土壤风蚀预报模型的主要输入参数,高时间分辨率和高空间分辨率的风速数据能提高模型模拟效果。为对比风速处理方法及风速数据时空分辨率对模型模拟结果的影响,基于修正风蚀模型（RWEQ）评估该模型对于各输入参数的敏感性,分别选取中国北方农牧交错带内130个气象站（基准气候站和基本气象站）中不同类型及不同数量的气象站数据,利用线性插值法和风蚀预报系统（WEPS）的WINDGEN风速生成法将1日4次风速数据和1日2类风速数据生成24 h风速数据输入模型,结合1日4次风速数据直接输入模型构建了不同气象站数量及不同风速数据类型的6种模拟情景,计算了研究区在不同模拟情景下的潜在风蚀模数。结果表明：RWEQ模型估算的区域潜在风蚀模数会随气象站点的数量和风速时间分辨率的提升而增加;风速数据的线性插值方法在RWEQ模型中应用效果不理想,与WEPS模型的WINDGEN风速生成方法相比,线性插值法使地面2 m处大于临界起沙风速（5 m·s^-1）的风速频率降低,过低估计潜在风蚀模数和区域土壤风蚀状况。     

Wind erodibility of major soils in the farming-pastoral ecotone of China

Wind erosion and desertification are severe problems in China's farming-pastoral ecotone. In this study, wind erodibility of five major soils in both uncultivated and simulated cultivated conditions, were determined through wind tunnel tests at nine wind speeds ranging from 10 to 26 m s⁻¹. The average wind erosion rate (g m⁻² min⁻¹) under the uncultivated condition (q₀) for the five soils could be set in the order: chestnut soil (28.5)>brown soil (24.8)>sierozem (21.8)>chernozem (19.9)>fixed sandy soil (11.4). The highest natural wind erosion might take place in the semi-arid steppe zone where the Chestnut soils predominate. Cultivation can significantly accelerate wind erosion, the mean wind erosion rate under the cultivated condition (q_c) for all five soils was 743.7 g m⁻² min⁻¹ in the following order: sandy soil (3313.2)>brown soil (227.2)>chernozem (221.8)>sierozem (85.1)>chestnut soil (81.2). For both the uncultivated and cultivated soil samples, the relationship between wind erosion rate (q) and wind speed (U) could be expressed in general as q=A e^BU (A and B are constant coefficients). There was a critical wind speed for each soil type except for the sandy soil. Below the critical wind speed, cultivation reduced wind erosion rate possibly due to soil clodiness and roughness effects. Above the critical speed, cultivation greatly intensified wind erosion rates due to the break down of the original soil structure. The critical wind speed measured at 20 cm above the soil surface was 20 m s⁻¹ for the brown soil, 14 m s⁻¹ for chernozem and the chestnut soils, and 10 m s⁻¹ for the sierozem. Among the five tested soils, the high wind erosion rate of the cultivated sandy soil showed its extreme sensitivity to cultivation, possibly because of the structureless nature of the loose sand. The “effect of cultivation on wind erosion” index, η (=q_c/q₀), increased exponentially with the increase of wind speed, indicating that under higher wind speed conditions, cultivation could result in more severe wind erosion.     

塔克拉玛干沙漠风蚀起沙观测研究——试验介绍与观测结果初报

介绍了中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所在塔克拉玛干沙漠开展的风蚀起沙观测试验。对观测试验所获观测资料进行了初步分析,获得了一些有关塔克拉玛干沙漠风沙运动的特征。主要结果为,下垫面状况影响风沙流结构,塔中、若羌0~100 cm高程风沙流结构完全符合指数分布,肖塘则上部偏离指数分布;3地0~100 cm高程风沙流分别有72.4％、47.3%、62.6%的输沙量分布在0~30 cm高程内;3地风沙流输沙的粒径以细沙、极细沙、粉沙为主,其中极细沙可占到输沙量的43.8%~75.5%;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=azb分布,拟合系数均大于0.93;沙尘撞击颗粒数与2 m高度风速变化趋势一致,塔中、肖塘、若羌3地的临界摩擦速度分别为0.25 m·s-1,0.27 m·s-1,0.21 m·s-1。     

小麦玉米田耕作模式的防风蚀效果

通过风洞实验,在5个风速下对6种耕作方式下农田土壤风蚀速率、0~20 cm风沙流结构进行了模拟研究。结果表明:保护性耕作土壤风蚀速率较传统耕作平均降低20%~40%;保护性耕作和传统耕作条件下土壤风蚀速率均随风速的增大呈幂函数递增,但在传统耕作条件下递增较快;风速14 m·s^-1是荒漠绿洲农田土壤风蚀加剧转折点,当风速>14m·s^-1时保护性耕作下风蚀速率较传统耕作明显降低;0~20 cm内,传统耕作和保护性耕作下输沙率与高度分别呈线性和指数关系,保护性耕作下0~4 cm输沙量和输沙量百分比(Q0~4/Q0~20)均低于传统耕作。     

半隐蔽式草方格沙障凹曲面形成的流场解析及沉积表征

利用野外风沙观测、沉积物粒度分析和等比例实体草方格风洞流场模拟,解析了草方格沙障内部凹曲面形成的风沙流场过程。草方格分别作为疏透沙障和地表粗糙元对贴地层和近地层风沙流具有不同的影响：床面蚀、积分布和方格中心凹曲面的形成发展,以及沉积物粒度变化,取决于草带之间的贴地层流场分布格局以及草带对风沙流中固体物质的截留;近地层风力普遍受到草方格粗糙元的削弱,促进了沙面稳定。高风速下输沙率垂向分布的“象鼻”结构,体现了草方格对促使风沙流结构变异、形成和维持草方格凹曲面的重要性。沙丘不同部位草方格沉积物粒度分布模式不同,显示沙丘部位也是影响草方格内部流场的一个因素,以迎风坡中部最有利于方格内凹曲面的形成。     

砾石级沙粒胶结体抗风蚀效益的实验研究

塔克拉玛干沙漠腹地部分垄间地表发育了一种由众多沙粒胶结而成的大颗粒物质,称为沙粒胶结体(sand cemented bodies,缩写为SCB),其直径达到粗沙级、极粗沙级和砾石级。为了研究其对地表风沙活动的影响,本研究以野外采集的砾石级沙粒胶结体(gravel-size sand cemented bodies,缩写为GSSCB)为实验材料,在净风和挟沙风条件下进行了GSSCB覆盖沙面的抗风蚀模拟实验。结果表明:床面的蚀积状态与来流条件、GSSCB覆盖度和风速均有关,净风时所有覆盖度床面均呈风蚀状态,挟沙风时随覆盖度和风速而变化,床面可呈3种状态-风蚀、蚀积平衡、风积;在风蚀状态时,床面风蚀率随覆盖度增大以指数形式降低,随风速增大而以多种函数形式增加,抗风蚀效率随覆盖度增大而逐渐增加,但不同覆盖度范围增加率不同;挟沙风条件下呈蚀积平衡状态时的床面覆盖度临界C_b值与风速大小有关,随风速增加呈幂函数形式增加;在挟沙风条件下,覆盖度大于C_b值时床面呈风积状态,积沙率与风速的关系较为复杂,80%覆盖度床面积沙率随风速增大呈对数形式增加,但40%覆盖度床面积沙率则随风速增加呈指数形式降低。可见,由于与砾石的物理性质相近,GSSCB覆盖确实具有与砾石相类似的抗风蚀效益,并且在一定覆盖度条件下还能捕获风沙流挟沙颗粒。因此,塔克拉玛干沙漠腹地丘间地天然发育的GSSCB对于地表蚀积过程具有重要影响。GSSCB可作为一种新型固沙技术进行开发。